Пошкоджуваність та руйнування армованих композиційних матеріалів
| dc.contributor.advisor | Бобир, Микола Іванович | |
| dc.contributor.author | Хуан Тао | |
| dc.date.accessioned | 2026-06-04T07:57:44Z | |
| dc.date.available | 2026-06-04T07:57:44Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | Хуан Тао. Пошкоджуваність та руйнування армованих композиційних матеріалів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Це дослідження зосереджене на ключовій проблемі моделювання та експериментального вивчення накопичення розсіяних пошкоджень в армованих композитах. У роботі системно виконано теоретичний аналіз, розроблено узагальнену феноменологічну модель, спроєктовано експериментальну програму, а також здійснено ідентифікацію та валідацію параметрів моделі. Армовані композити широко застосовуються в аерокосмічній галузі, енергетичному обладнанні та високонавантажених інженерних конструкціях завдяки високій питомій міцності, високому питомому модулю та відмінній конструктивній адаптивності. Проте під час експлуатації в матеріалі неминуче формуються багатомасштабні пошкодження, зокрема мікротріщини матриці, руйнування волокон, зсувні пошкодження та міжшарове розшарування. Це зумовлює поступову деградацію макроскопічної жорсткості й міцності матеріалу та, зрештою, призводить до руйнування конструкції. Більшість існуючих механічних моделей не враховують кумулятивний ефект розсіяних пошкоджень при оцінці несучої здатності армованих композитів. Це призводить до значних похибок у прогнозуванні реакції конструкції, особливо в аналізі напружень і деформацій на початкових стадіях руйнування. Врахування кумулятивної динаміки розсіяних пошкоджень не тільки дозволяє більш точно охарактеризувати еволюцію жорсткості та міцності матеріалу, але й дає можливість прогнозувати місце і час виникнення макротріщин. Дослідження свідчать, що для металевих матеріалів стадія зародження та розвитку розсіяних пошкоджень може тривати до 80–90 % загального терміну експлуатації елемента. Саме ця стадія є критичною та значною мірою визначає надійність конструкції. Однак для армованих волокном композитів тривалість та закономірності розвитку цієї стадії залишаються недостатньо вивченими, оскільки на них значно впливають такі фактори, як мікроструктура матеріалу, конфігурація ламінату, умови навантаження та виробничі процеси. Як типовий анізотропний конструкційний матеріал, макрохарактеристики армованих композитів визначаються спільно волокнами, матрицею та структурою ламінату. Під час експлуатації вони демонструють багатомасштабну еволюцію пошкоджень — від мікротріщин матриці та міжфазних пошкоджень до макротріщин та міжшарового розшарування — що супроводжується постійним погіршенням загальної жорсткості та несучої здатності. Тому глибоке дослідження механізмів утворення дисперсних пошкоджень в армованих композитах у поєднанні з розробкою моделей еволюції пошкоджень, що характеризуються термодинамічною узгодженістю, ідентифікацією параметрів та інженерною застосовністю — підтвердженими систематичними експериментальними підходами — має значну теоретичну цінність та інженерне значення для безпечного проектування, аналізу пошкоджень та прогнозування терміну служби композитних конструкцій. У цій дисертації спочатку проводиться теоретичний аналіз, зосереджений на фундаментальних структурних характеристиках та механічній поведінці композитних матеріалів. У першій частині дослідження систематично розглядаються анізотропні властивості армованих волокном композитів та механізми, що лежать в основі формування їх механічних характеристик. Основна увага приділяється вивченню впливу структури шарування, об'ємної частки волокон та міжфазних характеристик на макроскопічні механічні реакції. На основі цього вводиться теорія механіки пошкодження континууму (CDM). У цьому розділі проводиться глибоке обговорення поняття пошкодження, фізичного значення змінних пошкодження та їх представлення в рамках континуальної середовища. Аналізується принцип еквівалентного напруження та механізм, за допомогою якого пошкодження змінює механізми властивості матеріалу. Одночасно в цій роботі систематично розглядаються сучасні досягнення в моделюванні пошкоджень композитних матеріалів, включаючи типові підходи, такі як феноменологічні моделі, енергетичні моделі пошкоджень, статистичні моделі пошкоджень та багатомасштабні моделі пошкоджень. Виявляються недоліки існуючих досліджень, зокрема щодо синергетичного опису множинних шляхів пошкодження, термодинамічної узгодженості моделей та ідентифікованості експериментальних параметрів, тим самим закладаючи теоретичну основу для подальшої розробки моделей. З точки зору побудови теоретичної моделі, ця дисертація встановлює термодинамічно узгоджену теоретичну основу для еволюції пошкоджень. На основі фундаментальної структури незворотної термодинаміки та виходячи з функції вільної енергії, вона вводить тензор деформації та змінні пошкодження як змінні стану системи. Робота систематично виводить відносини, обмежені першим і другим законами термодинаміки, забезпечуючи сувору відповідність між швидкістю вивільнення енергії пошкодження та вільною енергією. На основі цієї основи побудовано феноменологічну модель пошкодження, що визначається силами пошкодження. Введено чотири змінні пошкодження — Df , Dm , Ds та Di— для опису еволюції різних шляхів пошкодження: пошкодження, що домінує у волокнах, пошкодження, що домінує у матриці, пошкодження зсуву в площині та пошкодження міжшарового інтерфейсу, відповідно. Ця модель обґрунтовано описує весь процес, що охоплює стадію ініціації пошкодження, стадію стабільного розвитку та стадію прискореної еволюції. Одночасно, інтегруючи теорію граничного стану для композитів з поліпшеним правилом змішування, пропонується критерій міцності, заснований на контролі параметрів матеріалу для армованих композитів, що забезпечує нову теоретичну основу для оцінки структурної безпеки композитних матеріалів. З точки зору експериментальних досліджень, ця дисертація зосереджується на ідентифікованості параметрів моделі пошкодження та експериментальній здійсненності, встановлюючи систематичний експериментальний протокол для вивчення еволюції розсіяного пошкодження в армованих композитах в умовах статичного навантаження. Була розроблена комплексна експериментальна система, що охоплює одноосні випробування на розтягнення та циклічні випробування на навантаження/розвантаження, з систематичним плануванням методів підготовки зразків, геометричних параметрів та траєкторій навантаження для різних конфігурацій укладання. Експериментальні дані відображають реакцію матеріалу на напруження та деформацію на різних етапах навантаження. Еквівалентний модуль пружності, що відповідає кожному етапу навантаження, був визначений переважно за допомогою методу нахилу розвантаження, що дозволило кількісно описати процес зниження жорсткості матеріалу. Крім того, були систематично виміряні основні механічні властивості композитного матеріалу, що забезпечило експериментальну основу для ідентифікації параметрів моделі. На основі експериментальних даних було проведено систематичну ідентифікацію та валідацію параметрів моделі для різних шляхів пошкодження. Були встановлені процедури ідентифікації параметрів для шляхів пошкодження волокон, матриці, зсуву та міжшарового інтерфейсу, а також проведено порівняльний аналіз між прогнозами моделі та експериментальними результатами. Крім того, було запропоновано вдосконалений гібридний метод ідентифікації механічних параметрів на основі правил для визначення межі міцності та ключових механічних параметрів армованих композитів, що вирішує проблему визначення межі несучої здатності композитів. Цей метод комплексно враховує вплив об'ємної частки волокон, структури укладання та міжфазних ефектів на макроскопічну міцність, що дозволяє більш обґрунтовано охарактеризувати анізотропні граничні властивості композитних матеріалів. Підсумовуючи, в даному дослідженні систематично побудовано феноменологічну модель еволюції розсіяних пошкоджень в армованих композитах на основі механіки безперервних пошкоджень та незворотної термодинаміки. За допомогою систематичних експериментальних досліджень було визначено параметри моделі та перевірено її достовірність. Результати показують, що товщина шару 90° значно впливає на швидкість накопичення пошкоджень матриці та час початку макроскопічних пошкоджень. У конструкціях, що містять шари 45° ± , переважають пошкодження від зсуву, що контролюють середньострокову нелінійну реакцію та процес зниження жорсткості. Створена модель еволюції пошкоджень від зсуву демонструє високу узгодженість з експериментальними даними. Подальший аналіз виявив синергетичну взаємодію та домінуючу послідовність змінних пошкодження Dm , Ds , Di та Df : , D DDD msi f →→→ що дозволило встановити комплексний шлях еволюції пошкодження від зниження жорсткості до остаточного руйнування ламінованих панелей. Результати дослідження забезпечують надійну теоретичну основу та експериментальне підтвердження для прогнозування пошкодження та проектування безпеки композитних конструкцій. | |
| dc.description.abstractother | Huang Tao. Damage and Failure of Reinforced Composites. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Thesis for the scientific degree of the doctor of philosophy, the field of study 13 – Mechanical engineering, program subject area 131 – Applied Mechanics. National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2026. This study focuses on the core issue of modelling and experimental investigation of dispersed damage accumulation in reinforced composites, and systematically conducts theoretical analysis, phenomenological model development, experimental program design, as well as model parameter identification and validation. Reinforced composites are widely used in aerospace, energy equipment, and highperformance engineering structures due to their high specific strength, high specific modulus, and excellent structural design adaptability. However, during actual service, multiscale damage forms inevitably develop within the material, including matrix microcracks, fiber fractures, shear damage, and interlaminar delamination. These lead to continuous degradation of the material's macroscopic stiffness and strength, ultimately inducing structural failure. Most existing mechanical models neglect the cumulative effects of dispersed damage when evaluating the load-bearing capacity of reinforced composites. This omission introduces significant errors in structural response prediction, particularly in stress-strain analysis during the initial stages of failure. Incorporating the cumulative dynamics of dispersed damage not only allows for more accurate characterization of the evolution of material stiffness and strength properties but also enables prediction of the location and timing of macrocrack initiation. Research indicates that for metallic materials, the dispersed damage initiation and propagation stage can account for 80%–90% of a component's entire lifespan, representing a critical phase determining structural reliability. However, for fiber-reinforced composites, the duration and evolution patterns of this stage remainpoorly understood, being significantly influenced by factors such as material microstructure, laminate configuration, loading conditions, and manufacturing processes. As a typical anisotropic structural material, the macro-performance of reinforced composites is jointly determined by fibers, matrix, and laminate structure. During service, they exhibit multiscale damage evolution—from micro-scale matrix microcracks and interfacial damage to macro-scale crack propagation and interlaminar delamination—accompanied by continuous degradation of overall stiffness and loadbearing capacity. Therefore, in-depth investigation into the formation mechanisms of dispersed damage in reinforced composites, coupled with the development of damage evolution models featuring thermodynamic consistency, parameter identifiability, and engineering applicability — validated through systematic experimental approaches— holds significant theoretical value and engineering significance for the safe design, damage tolerance analysis, and service life prediction of composite structures. This dissertation first conducts a theoretical analysis centered on the fundamental structural characteristics and mechanical behavior of composite materials. In the first part of the study, the anisotropic constitutive properties of fiber-reinforced composites and the mechanisms underlying their mechanical performance formation are systematically reviewed. The focus is on examining the influence patterns of layup structure, fiber volume fraction, and interfacial characteristics on macroscopic mechanical responses. Building upon this foundation, the theory of Continuum Damage Mechanics (CDM) is introduced. This section engages in an in-depth discussion of the concept of damage, the physical significance of damage variables, and their representation within the continuum medium framework. It analyzes the principle of equivalent stress and the mechanism by which damage modifies material constitutive relationships. Simultaneously, this work systematically reviews current research progress in damage modeling for composite materials, including typical approaches such as phenomenological models, energy-based damage models, statistical damage models, and multiscale damage models. It identifies existing shortcomings in existing research, particularly regarding the synergistic description ofmultiple damage pathways, the thermodynamic consistency of models, and the identifiability of experimental parameters, thereby laying a theoretical foundation for subsequent model development. In terms of theoretical model construction, this dissertation establishes a thermodynamically consistent theoretical foundation for damage evolution. Based on the fundamental framework of irreversible thermodynamics and starting from the free energy function, it introduces the strain tensor and damage variables as system state variables. The work systematically derives constitutive relations constrained by the first and second laws of thermodynamics, providing a rigorous correspondence between damage energy release rate and free energy. Building upon this foundation, a phenomenological damage model driven by damage forces is constructed. Four damage variables — Dm , Ds , Di and Df — are introduced to describe the evolution of different damage pathways: fiber-dominated damage, matrix-dominated damage, in-plane shear damage, and interlaminar interface damage, respectively. This model reasonably describes the entire process spanning the damage initiation stage, stable development stage, and accelerated evolution stage. Simultaneously, by integrating the limit state theory for composites with an improved mixing rule, a strength criterion based on material parameter control for reinforced composites is proposed, providing a new theoretical basis for the structural safety assessment of composite materials. In terms of experimental research, this dissertation focuses on the identifiability of damage model parameters and experimental feasibility, establishing a systematic experimental protocol for studying the evolution of dispersed damage in reinforced composites under static loading conditions. A comprehensive experimental system encompassing uniaxial tensile tests and cyclic loading/unloading tests was designed, with systematic planning of specimen preparation methods, geometric parameters, and loading paths for different layup configurations. Experimental data captured the stressstrain response of the material across different loading stages. The equivalent elastic modulus corresponding to each loading stage was extracted primarily using theunloading slope method, enabling a quantitative description of the material's stiffness degradation process. Additionally, fundamental mechanical properties of the composite material were systematically measured, providing an experimental foundation for model parameter identification. Based on experimental data, systematic identification and validation of model parameters were further conducted for different damage pathways. Parameter identification procedures were established for fiber pathways, matrix pathways, shear pathways, and interlaminar interface pathways, with comparative analysis performed between model predictions and experimental results. Additionally, an improved hybrid rule-based mechanical parameter identification method was proposed to determine the ultimate strength and key mechanical parameters of reinforced composites, addressing the challenge of defining composite ultimate load-bearing capacity. This method comprehensively considers the effects of fiber volume fraction, layup structure, and interfacial effects on macroscopic strength, enabling a more reasonable characterization of the anisotropic ultimate properties of composite materials. In summary, this study systematically constructs a phenomenological model for the evolution of dispersed damage in reinforced composites based on continuous damage mechanics and irreversible thermodynamics. Through systematic experimental investigations, the model parameters were identified and its validity verified. Results indicate that the thickness of the 90° ply significantly influences the matrix damage accumulation rate and the timing of macroscopic damage initiation. In structures containing 45° ± plies, shear damage dominates, controlling the mid-term nonlinear response and stiffness degradation process. The established shear damage evolution model exhibits high consistency with experimental findings. Further analysis revealed the synergistic interaction and dominant sequence of damage variables Dm , Ds , Di , and Df : , D DDD msi f →→→ This established a comprehensive damage evolution pathway from stiffness degradation to ultimate failure in laminated panels. The research findings provide a reliable theoretical foundation and experimental support for damage prediction and safety design in composite structures. | |
| dc.format.extent | 157 с. | |
| dc.identifier.citation | Хуан Тао. Пошкоджуваність та руйнування армованих композиційних матеріалів : дис. … д-ра філософії : 131 – Прикладна механіка / Хуан Тао. - Київ, 2026. - 157 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/81453 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | композити | |
| dc.subject | механіка пошкоджень та руйнування | |
| dc.subject | модель розсіяних мікротріщин та критерії | |
| dc.subject | механічні характеристики | |
| dc.subject | composites | |
| dc.subject | damage and fracture mechanics | |
| dc.subject | scattered microcrack model and criteria | |
| dc.subject | mechanical properties | |
| dc.subject.udc | 539.4 | |
| dc.title | Пошкоджуваність та руйнування армованих композиційних матеріалів | |
| dc.title.alternative | Damage and Failure of Reinforced Composites | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Huang_Tao_dys.pdf
- Розмір:
- 7.43 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: