Методика учета цензурированных образцов при испытаниях композитов на усталость

Целью статьи явилось создание метода включения информации о цензурированиях для уточнения оценки кривой усталости композитов. Цензурированные образцы – это не разрушившиеся к концу испытаний образцы, для которых зафиксирована некоторая наработка. Необходимо отметить, что в настоящее время исследователи часто игнорируют данные о наработках не разрушившихся к концу испытаний образцов, что не представляется оправданным с точки зрения экономии средств и надежности статистических выводов. Информация о цензурированиях весьма содержательна с точки зрения прочности, надо только иметь инструмент, чтобы ей воспользоваться. Это указывает на актуальность настоящей работы.

Метод заключается в имитационном моделировании на основе статистического метода бутстрэп, относящегося к группе методов с интенсивным использованием вычислений на компьютере. В процессе разработки метода были рассмотрены подходы, применяемые ранее (в частности, для металлов). В рассмотренном примере применения метода используются данные, взятые из литературных источников.

Результаты. Показан пример усталостных испытаний, проведенных авторами статьи, с большим количеством цензурированных образцов. Проведено сопоставление результатов, полученных с применением метода, с реальными данными. Показано, что качество статистической оценки повышается за счет применения метода. Приведены некоторые соображения по поводу инструмента механических испытаний для контроля качества. Обсуждается источник разброса данных при усталостных испытаниях.

Выводы. Применение метода поможет включить информацию о цензурированных образцах в оценку кривой усталости. Для исследователей, занимающихся экспериментальным исследованием сопротивления усталости композитных материалов, предлагаемый метод может оказаться весьма полезным. Он учитывает характерные особенности исследований прочности композитов (большой разброс свойств и отсутствие неограниченного предела усталости). Метод позволит учесть важную, но не всегда востребованную до сей поры информацию об образцах, проработавших определенное число циклов, но не разрушившихся.

1. Березин А.В. и др. Применение композитных материалов углепластика в планерах самолетов гражданской авиации ПАО «Туполев» // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2016. № 3. С. 4-9.

2. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Панков А.В. и др. Ранняя диагностика зон повреждения и вероятного разрушения композиционных материалов с использованием хрупких тензоиндикаторов и акустической эмиссии. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82 № 1. С. 45-57.

3. Svirskiy Yu.A., Bautin A.A., Papic L., Gadolina I.V. Methods Of Modern Aircraft Structural Health Monitoring And Diagnostics of Technical State / Diagnostic Techniques in Industrial Engineering. Ed. M. Ram, J. P. Davim. Zwitzerland, 2017. P. 1-28.

4. Tomblin J., Seneviratne W. Determining the Fatigue Life of Composite Aircraft Structures Using Life and LoadEnhancement Factors // Report DOT/FAA/AR-10/6. 2011.

5. Chulkov D.I. et al. A study of physical and mechanical characteristics of polymer compositematerials by ultrasonic technique // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. Vol. 934. Abs. 012031.

6. Chew S.L., Wang K., Chai S.P. et al. Elasticity, thermal stability and bioactivity of polyhedral oligomeric silsesquioxanes reinforced chitosan-based microfibers // Journal of Materials Science – Materials in Medicine. 2011. Vol. 22. Issue 6. P. 1365–1374.

7. Лисаченко Н.Г., Попов А.Г., Думанский А.М. Принятие решения при расчете статистически достоверных характеристик полимерных композиционных материалов на этапе анализа выбросов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 5. С. 74-80

8. Адлер Ю., Шпер В. 2019 Практическое руководство по статистическому контролю процессов. М.: Альпина Паблишер, 2019. 234 с.

9. Гадолина И.В., Радченко А.А., Хрущев М.М. и др. Использование данных электронной микроскопии для планирования усталостных испытаний углепластиков, деформирования и разрушения композиционных материалов и конструкций / Труды третьей международной конференции «Деформирование и разрушение композиционных материалов и конструкций», посвященной 80-летию ИМАШ РАН, 23–25 октября 2018 г. С. 22-24.

10. Стрекалов В.Б., Ломакина О.Г. Определение коэффициента безопасности деталей из композиционных материалов при одноосном нагружении // Машиноведение. 1982. № 6

11. Каюмов Р.А. и др. 2020 Оценка остаточной прочности опорных композитных элементов конструкций // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. Vol. 934. Abs. 012042.

12. Стрижаус В.Ю. Некоторые закономерности усталостной прочности композитных элементов планера // Композиты и наноструктуры. 2016. Т. 8. № 4. С. 265–271.

13. Dumansky A.M., Hao L. Deformation Regularities Of Carbon Fiber Reinforced Plastic Under Time Variable Loading // IOP Conf. Ser.: Journal of Physics: Conf. Series. 1158 (2019). Abs. 022038.

14. Larionova A.A., Dudchenko A.A. Design and analysis of the strength and durability of metal composite assemblies of aircraft structures // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. Vol. 934. Abs. 012044.

15. Schneider C.R.A., Maddox S.J. Best Practice Guide On Statistical Analysis Of Fatigue Weld. Inst. Stat. Rep. 2003.

16. Pollak R., Palazotto A. A comparison of maximum likelihood models for fatigue strength characterization in materials exhibiting a fatigue limit // Probabilistic Engineering Mechanics. 24 (2009). Р. 236–241.

17. Sendeckyj G. P. Fitting Models to Composite Materials Fatigue Data // Test Methods and Design Allowable for Fibrous Composites, ASTM STP 734. West Conshohocken, PA: ASTM International, 1981. Р. 245-260.

18. Paris P, Bathias C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice / Ultrasonic Fatigue Concepts. CRC Press; Boca Raton, FL, USA: 2004.

19. Wenbin Cui et al. Very High Cycle Fatigue (VHCF) Characteristics of Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) under Ultrasonic Loading. / Materials (Basel). 2020. Vol. 13(4). P. 908. DOI: 10.3390/ma13040908

20. Адлер Ю.П., Гадолина И.В., Ляндрес М.Н. Бустрэп-моделирование при построении доверительных интервалов по цензурированным образцам // Заводская лаборатория. 1987. Т. 53. № 10. С. 90–94.

21. B. Efron. Bootstrap Methods: Another Look at the Jackknife // TheAnnals of Statistics. 1979. Vol. 7. No. 1. P. 1–26.

22. R. Core Team R: язык и среда для статистических вычислений. R Фонд статистических вычислений, Вена, Австрия, 2020 г. URL: https://www.R-project.org/