Flexural Fatigue Behavior of Cross-Ply Laminates: An Experimental Approach

Abstract

Within an experimental approach we describe the mechanical behavior of different resin-epoxy laminates reinforced with cross-ply Kevlar and glass fibers under the conditions of static and cyclic three-point bending. In static tests, we consider the effect of stacking sequence, the thickness of 90°-oriented layers, reinforcement type on the mechanical behavior of laminates under loading and on realization of various damage modes leading to rupture. Cyclic loading studies have been performed in two steps. In the first stage, we inquire into the dependence of the behavior and durability of four glass fiber- reinforced laminate-types on the stacking sequence; the second stage is devoted to studying the dependence of cyclic strength and fatigue behavior of laminates on the reinforcement type. Fatigue tests are carried out in load-control regime for glass and hybrid (Kevlar + glass) fiber laminates. Fatigue curves are constructed in coordinates “stress - number of cycles until fracture” from the criteria corresponding to a drop in stiffness by 5 and 10%. Analysis of the results obtained permits evaluation of the effect of the stacking sequence and the reinforcement type on the behavior of cross-ply laminates in cyclic loading. The presence of Kevlar fibers accounts for nonlinear behavior of laminates in static tests and for low cyclic strength in fatigue tests under three-point bending.

В рамках экспериментального подхода описано механическое поведение различных ламинатов с матрицей из эпоксидной смолы, перекрестно-армированных кевларовыми волокнами и стекловолокнами, в условиях статического и циклического трехточечного изгиба. При статических испытаниях рассматриваются последовательность укладки слоев и волокон, толщины слоев, ориентированных под углом 90° и влияние типа армирования на механическое поведение ламинатов в процессе нагружения, а также на реализацию различных режимов повреждения, приводящих к разрушению. Исследования при циклическом нагружении состоят из двух этапов. На первом этапе изучается влияние последовательности укладки слоев и волокон на поведение и долговечность четырех типов ламинатов, армированных стекловолокнами, на втором этапе - влияние типа армирования на циклическую прочность и сопротивление ламинатов при циклическом нагружении. Усталостные испытания выполнены в мягком режиме нагружения для ламинатов, армированных стекловолокнами и гибридными волокнами (кевлар+стекло). Кривые усталости были построены в координатах напряжение - число циклов до разрушения на основе критериев снижения жесткости на 5 и 10%. Анализ полученных результатов позволяет оценить влияние последовательности укладки слоев и типа армирования на поведение перекрестно-армированных ламинатов при циклическом нагружении. Наличие кевларовых волокон в ламинатах обеспечивает их нелинейное поведение при статических испытаниях и низкую циклическую прочность при усталостных испытаниях в условиях трехточечного изгиба.

У рамках експериментального підходу описано механічну поведінку різних ламінатів із матрицею з епоксидної смоли, що перехресноармовані кевларо- вими волокнами і скловолокнами, в умовах статичного і циклічного три- точкового згину. При статичних випробуваннях розглядаються послідовність укладення шарів і волокон, товщини орієнтованих під кутом 90° шарів і вплив типу армування на механічну поведінку ламінатів у процесі навантаження, а також на реалізацію різних режимів пошкодження, що призводить до руйнування. Дослідження при циклічному навантаженні складається з двох етапів. На першому етапі розглядається вплив послідовності укладення шарів і волокон на поведінку і довговічність чотирьох типів армованих скловолокнами ламінатів, на другому етапі - вплив типу армування на циклічну міцність і опір ламінатів при циклічному навантаженні. Випробування на втому виконано у м ’якому режимі навантаження для армованих скловолокнами і гібридними волокнами (кевлар + скло) ламінатів. На основі критеріїв зниження жорсткості на 5 і 10% в координатах напруження - число циклів до руйнування побудовано криві утоми. Аналіз отриманих результатів дозволяє оцінити вплив послідовності укладення шарів і типу армування на поведінку перехресноармованих ламінатів при циклічному навантаженні. Наявність кевларових волокон у ламінатах запезчує їх нелінійну поведінку при статичних випробуваннях і низьку циклічну міцність при випробуваннях на втому в умовах триточкового згину.