Identification of elastic parameters of composite using experimental data on modal characteristics of samples

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

In order to determine the elastic parameters of polymer composites, a mixed numerical-experimental method of identification was developed in the 1990s - 2000s, based on the use of experimental data on natural frequencies and eigenmodes of oscillation of samples. Its practical application involves the choice of a shape and a size of samples, a set used to identify the natural frequencies and eigenmodes of vibration, a methods of their experimental determination, a finite-element model for modal analysis, and an algorithm for solving the identification problem.The object of the research is laminated polymer composite materials reinforced with carbon or glass fibers. The aim of the work is to develop practical aspects of implementation and assessment of the accuracy of the mixed experimental-calculation method for identifying of the elastic parameters of such materials based on experimental data on natural frequencies and eigenmodes of vibration of standard samples. Parameter identification for the material is considered as an optimization problem with an optimization function, which is a weighted sum of squares of differences between the experimental and calculated values of natural frequencies. A procedure was developed to implementing the main steps of the suggested technique: experiments, calculations and control of results. An error analysis of main steps was carried out, and the accuracy of the determined parameters of the ply was estimated. To determine the natural frequencies and eigenmodes of oscillation of the samples, the method of three-component scanning laser vibrometry was used. The experimental technique was established and parameters of the technique were chosen to ensure the necessary accuracy in determining of the natural frequencies. The parameters of the identification procedure and the finite-element model of the sample were selected. To control the obtained values of the elastic parameters, the natural frequencies of the samples were calculated, including those not used in the identification procedure. The error assessment of the in determined elastic parameters was performed on three different series of samples of carbon-fiber-reinforced laminates with the same material of the plies and different ply numbers and stacking orders. The developed technique can be recommended to determine the parameters of material models required for strength and vibrations assessment of products manufactured with layered composites.

Full Text

Restricted Access

About the authors

M Sh Nikhamkin

Perm National Research Polytechnic University

D G Solomonov

Perm National Research Polytechnic University

V V Silberschmidt

Wolfson School of Mechanical, Electrical and Manufacturing Engineering, Loughborough University

References

  1. Композиционные материалы: справочник / под ред. В.В. Васильева. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.
  2. Ташкинов А.А. Упругость анизотропных материалов. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. - 49 с.
  3. Скворцов Ю.В. Конспект лекций по дисциплине «Механика композиционных материалов». - Самара: Изд-во Самар. гос. авиакосм. ун-та, 2013. - 94 с.
  4. ASTM D3039/D3039. Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014. www.astm.org.
  5. ГОСТ 25.601-80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах. - М.: Стандартинформ, 2016.
  6. ГОСТ Р 56799-2015 Композиты полимерные. Метод определения механических характеристик при сдвиге на образцах с V-образными надрезами. - М.: Стандартинформ, 2016.
  7. ГОСТ Р 57947-2017. КОМПОЗИТЫ. Определение динамического модуля упругости, модуля упругости при сдвиге и коэффициента Пуассона методом импульсного воздействия вибрации. - М.: Стандартинформ, 2017.
  8. Идентификация механических характеристик армированных волокнами композитов / Р.А. Каюмов, С.А. Луканкин, В.Н. Паймушин, С.А. Холмогоров // Учен. зап. Казан. ун-та. - 2015. - Т. 157, кн. 4. Физико-математические науки. - С. 112-132.
  9. Ватульян А.О. Обратные задачи в механике деформируемого твердого тела. - М.: Физматлит, 2007. - 223 с.
  10. Соловьев А.Н., Нгуен Зуи Чыонг Занг. Определение упругих и диссипативных свойств материалов с помощью сочетания метода конечных элементов и комплекснозначных искусственных нейронных сетей // Вестник ДГТУ. - 2014. - Т. 14, № 2 (77). - С. 84-92.
  11. De Wilde W.P. Mixed numerical-experimental techniques for the characterization of anisotropic solids through their vibrational behavior: a review // Transactions on Modelling and Simulation. - 2001. - Vol. 30. - Р. 723-733.
  12. A mixed numerical/experimental technique for the nondestructive identification of the stiffness properties of fiber reinforced composite materials / H. Sol, H. Hua, J. De Visscher, J. Vantomme, W.P. De Wilde // J. Independent Nondestructive Testing and Evaluation International. - 1997. - Vol. 30(2). - P. 85-91.
  13. Validation of the Resonalyser method: an inverse method for material identification / T. Lauwagie, H. Sol, G. Roebben, W. Heylen, Y. Shi // Proceedings of ISMA2002. - Vol. II. - P. 687-695.
  14. Sol H., Bottiglieri M. Identification of the elastic properties on composite materials as a function of temperature // 11th Pan-American Congress of Applied Mechanics, January 04-08, 2010. - Foz do Iguaçu. - Brazil, 2010.
  15. Identification of the temperature dependent complex moduli of composite materials using a mixed numerical experimental method / J. Visscher, H. Sol, W. Maton, W.P. Wilde // Transactions on Engineering Sciences. - 1998. - Vol. 21. - Р. 181-190.
  16. Aoki Y., Maysenhölder W. Experimental and numerical assessment of the equivalent-orthotropic-thin-plate model for bending of corrugated panels // International Journal of Solids and Structures. - 2016. - URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2016.07.042
  17. Shi Y, Sol H, Huab H. Material parameter identification of sandwich beams by an inverse method // Journal of Sound and Vibration. - 2006. - Vol. 290. - P. 1234-1255.
  18. Mishra A.K., Mohammed A., Chakraborty S. Improved numerical modelling of fiber reinforced plastics I-beam from experimental modal testing and finite element model updating // International Journal of Acoustics and Vibration. - 2018. - Vol. 23. - No. 1. - P. 26-34.
  19. Пат. РФ RU2517989C1. Способ определения характеристик композиционного материала / Каримбаев Т.Д., Афанасьев Д.В., Селезнев В.Г. - 2014.
  20. Barkanov E.N., Chebakov M.I. Inverse technique for characterisation of elastic and dissipative properties of materials used in a composite repair of pipelines // Proceedings of XLII International Summer School-Conference APM, 2014. - P. 232-246.
  21. Lauwagie T., Sol H., Heylen W. Handling uncertainties in mixed numerical-experimental techniques for vibration based material identification // Journal of Sound and Vibration. - 2006. - Vol. 291. - P. 723-739.
  22. Duarte H.V., Donadon L.V., Ávila A.F. Mechanical properties of nanocomposite laminated structure and its sensibility to modal analysis procedure // Latin American Journal of Solids and Structures. - 2014. - Vol. 11. - P. 245-259.
  23. Metamodeling and robust minimization approach for the identification of elastic properties of composites by vibration method ZAMM Z. Angew / J. Auzins, A. Chate, R. Rikards, E. Skukis // Math. Mech. - 2015. - Vol. 95. - No. 10. - P. 1012-1026.
  24. Syngellakis S., Setiawan R. Vibration tests and metamodelling for composite material characterization. WIT Transactions on Engineering Sciences // Materials Characterisation VI. - 2013. - Vol. 77. - P. 113-125.
  25. Ragauskas P., Belevičius R. Identification of material properties of composite materials // Aviation. - 2009. - Vol. 13(4). - P. 109-115.
  26. Компьютерное моделирование механического поведения композитной лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя / М.А. Гринев, А.Н. Аношкин, П.В. Писарев, В.Ю. Зуйко, Г.С. Шипунов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2015. - № 3. - С. 38-51.
  27. ANSYS Help, Design Exploration User’s Guide. - URL: https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/15.0.7/en-us/help/wb_dx/dxbook.html.
  28. Ewins D.J. Modal testing: theory, practice and application // 2nd edition. - Baldock, Research Studies Press LTD, 2000.
  29. Heylen W., Lamens S., Sas P. Modal analyses. Theory and testing. - Leven Univ. Belgium, 2003. - 325 p.
  30. Методика экспериментального модального анализа лопаток и рабочих колес газотурбинных двигателей / А.А. Иноземцев, М.Ш. Нихамкин, Л.В. Воронов, А.Б. Сенкевич, А.Ю. Головкин, Б.П. Болотов // Тяжелое машиностроение. - 2010. - № 11. - C. 2-6.
  31. Экспериментальный и расчетный модальный анализ лопаток вентиляторов полой конструкции / А.А. Иноземцев, М.Ш. Нихамкин, Л.В. Воронов, И.Л. Гладкий, А.Ю. Головкин, Б.П. Болотов // Авиационная промышленность. - 2010. - № 3. - C. 8-11.
  32. Расчетно-экспериментальные исследования собственных частот и форм колебаний лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов / М.А. Гринев, А.Н. Аношкин, П.В. Писарев, Г.С. Шипунов, М.Ш. Нихамкин, А.А. Балакирев, И.П. Конев, А.Ю. Головкин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2016. - № 4. - С. 106-119.
  33. Нихамкин М.Ш., Соломонов Д.Г. Применение экспериментального модального анализа для идентификации параметров модели слоистого углепластика // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2017. - № 51. - С. 124-135.
  34. Новацкий В. Теория упругости. - М.: Мир, 1975. - 872 с.
  35. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975. - 542 с.

Statistics

Views

Abstract: 11

PlumX


Copyright (c) 2021 Nikhamkin M.S., Solomonov D.G., Silberschmidt V.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies