Modeling of short-term creep of fibrous materials taking into account plastic deformation of composition components

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A numerical and analytical model of the structural mechanics of multidirectionally reinforced metal-composites operating under short-term creep conditions has been developed. The materials of the components of the metal-composition are homogeneous and isotropic; their thermal sensitivity and thermoelastoplastic deformation are taken into account. Plastic deformation of the phases of the composition is described by the relations of the theory of flow with isotropic hardening. As damage parameters for the components of a metal-composition, their relative mechanical deformation accumulated during loading is used – the deformation criterion for failure during short-term creep of metals. To construct the specified mathematical model, due to its significant physical nonlinearity, an algorithm of variable time steps was used. Linearization of the governing equations for the components and the metal-composition as a whole at each time step is carried out using a method similar to the secant modulus method. Using the example of moment-free cylindrical shells, it is demonstrated that, due to the essentially physical nonlinearity of the modeled problem, varying the reinforcement structure in metal-composite structures operating under conditions of short-term creep has a significantly greater impact on their mechanical response than when operating under conditions of thermoelastic deformation. With an increase in the operating temperature of a metal-composite product, this influence increases sharply. With some, in particular rational, reinforcement structures, the materials of the metal-composition of the product can be deformed, exhibiting signs inherent in limited creep. With such reinforcement structures, the structure can operate effectively under conditions of long-term loading, and not only under short-term creep.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. P. Yankovskii

Khristianovich Institute of theoretical and applied mechanics the Siberian Branch of the Russian Academy of Science

Author for correspondence.
Email: yankovsky_ap@itam.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk

References

  1. Composite materials. Handbook. (Kompozitsionnye materialy. Spravochnik) / Ed. D.M. Karpinos. Kiev: Naukova dumka, 1985. 592 p. (in Russian)
  2. Abrosimov N.A., Bazhenov V.G. Nonlinear problems of dynamics composites designs (Nelinejnye zadachi dinamiki kompositnykh konstrukciy). Nizhniy Novgorod: Nizhniy Novgorod State University, 2002. 400 p. (in Russian)
  3. Solomonov Yu.S., Georgievskii V.P., Nedbai A.Ya., Andriushin V.A. Applied Problems of Mechanics of Composite Cylindrical Shells (Prikladnye zadachi mekhaniki kompozitnykh cilindricheskikh obolochek). Moscow: Fizmatlit, 2014. 408 p. (in Russian)
  4. Gibson R.F. Principles of composite material mechanics / 4rd ed. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2015. 815 p.
  5. Dimitrienko Yu.I. Mechanics of composite structures at high temperatures (Mekhanika kompozitnykh konstruktsiy pri vysokikh temperaturakh). Moscow: Fizmatlit, 2019. 448 p. (in Russian)
  6. Kazanci Z. Dynamic response of composite sandwich plates subjected to time-dependent pressure pulses // International Journal of Non-Linear Mechanics, 2011. V. 46. P. 807–817.
  7. Malinin N.N. Applied Theory of Plasticity and Creep (Prikladnaya teoriya plastichnosti i polzuchesti). Moscow: Mashinostroenie, 1968. 400 p. (in Russian)
  8. Bondar′ V.S. Inelasticity. Variants of the theory (Neuprugost’. Varianty teorii). Moscow: Fizmatlit, 2004. 144 p. (in Russian)
  9. Yonezu A., Yoneda K., Hirakata H., Sakihara M., Minoshima K. A simple method to evaluate anisotropic plastic properties based on dimensionless function of single spherical indentation – Application to SiC whisker-reinforced aluminum alloy // Materials Science and Engineering A. 2010. V. 527. P. 7646–7657.
  10. Panich S., Uthaisangsuk V., Suranuntchai S., Jirathearanat S. Investigation of anisotropic plastic deformation of advanced high strength steel // Materials Science & Engineering A. 2014. V. 592. P. 207–220.
  11. He G., Liu Y., Hammi Y., Bammann D.J., Horstemeyer M.F. A combined viscoelasticity-viscoplasticity-anisotropic damage model with evolving internal state variables applied to fiber reinforced polymer composites // Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2020. № 0. https://doi.org/10.1080/15376494.2019.1709673
  12. Nizolek T.J., Pollock T.M., McMeeking R.M. Kink band and shear band localization in anisotropic perfectly plastic solids // J. Mech. Phys. Solids, 2021, vol. 146. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.104183
  13. Kachanov L.M. Creep theory (Teoriya polzuchesti). Moscow: Fizmatgiz, 1960. 455 p. (in Russian)
  14. Rabotnov Yu.N., Mileiko S.T. Short-term creep (Kratkovremennaya polzuchest’). Moscow: Fizmatgiz, 1970. 224 p. (in Russian)
  15. Betten J. Creep mechanics. Berlin: Springer – Verlag, 2002, 327 p.
  16. Vakili-Tahami F., Hayhurst D.R., Wong M.T. High-temperature creep rupture of low alloy ferritic steel butt-welded pipes subjected to combined internal pressure and end loading // Philosophical Transactions of the Royal Society, London, Ser. A. 2005. V. 363. P. 2629–2661.
  17. Yao Hua-Tang, Xuan Fu-Zhen, Wang Zhengdong, Tu Shan-Tung. A review of creep analysis and design under multi-axial stress states // Nuclear Engineering and Design, 2007. V. 237. P. 1969–1986.
  18. Lokoshchenko A.M. Creep and long-term strength of metals (Polzuchest’ i dlitel’naya prochnost’ metallov). Moscow: Fizmatlit, 2016. 504 p. (in Russian)
  19. Rabotnov Yu.N. Creep of structural elements. 3rd ed. (Polzuchest' elementov konstruktsiy. Izd. 3-ye). Moscow: LENAND, 2019. 752 p. (in Russian)
  20. Chow C.L., Yang X.J., Chu Edmund. Viscoplastic constitutive modeling of anisotropic damage under nonproportional loading // Trans. ASME, Journal of Engineering Materials and Technology. 2001. V. 123. № 4. P. 403–408.
  21. Kulagin D.A., Lokoshchenko A.M. Analysis of the influence of aggressive environment on creep and creep rupture of rod under pure bending // Archive of Applied Mechanics. 2005. V. 74. P. 518–525.
  22. Naumenko K., Altenbach H. Modelling of creep for structural analysis. Berlin: Springer – Verlag, 2007. 220 p.
  23. Apet′yan V.E., Bykov D.L. Determination of nonlinear viscoelastic characteristics of filled polymeric materials (Opredelenie nelineinykh vyazkouprugikh kharakteristik napolnennykh polimernylh materialov) // Cosmonautics and Rocket Engineering. 2002. V. 3. № 28. P. 202–214. (in Russian)
  24. Golub V.P., Kobzar′ Yu.M., Fernati P.P. Nonlinear creep of fibrous unidirectional composites under tension in the direction of reinforcement (Nelineinaya polzuchest′ voloknistykh odnonapravlennykh kompozitov pri rastyazhenii v napravlenii armirovaniya) // Applied Mechanics. 2007. № 5. P. 20–34. (in Russian)
  25. Kulikov R.G., Trufanov N.A. Application of iteration method for soling the problem of deformation of unidirectional composites with nonlinear viscoelastic matrix (Primeneniye iteratsionnogo metoda k resheniyu zadachi deformirovaniya odnonapravlennogo kompozitsionnogo materiala s nelineyno-vyazkouprugim svyazuyushchim) // Computational Continuum Mechanics. 2011. V. 4. № 2. P. 61–71. (in Russian)
  26. Brassart L., Stainier L., Doghri I., Delannay L. Homogenization of elasto-(visco) plastic composites based on an incremental variational principle // International Journal of Plasticity. 2012. V. 36. P. 86–112.
  27. Yankovskii А.P. Simulation of the steady-state creep of cross-reinforced metal composites with account of anisotropy of phase materials. 1. The case of 3D reinforcement // Mechanics of Composite Materials. 2013. V. 49. № 3. P. 251–260.
  28. Yankovskii А.P. Simulation of the steady-state creep of cross-reinforced metal composites with account of anisotropy of phase materials. 2. The case of 2D reinforcement // Mechanics of Composite Materials. 2013. V. 49. № 4. P. 359–368.
  29. Yankovskii А.P. Modelling of non-steady creep of bending reinforced plates made of nonlinear hereditary materials (Modelirovaniye neustanovivsheysya polzuchesti izgibayemykh armirovannykh plastin iz nelineyno-nasledstvennykh materialov) // Computational Continuum Mechanics. 2018. V. 11. № 1. P. 92–110. (in Russian).
  30. Yankovskii А.P. Modeling of nonisothermic viscoelastic–plastic behavior of flexible reinforced plates // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2022. V. 63. № 7. P. 1243–1263.
  31. Dekker K., Verwer J.G. Stability of Runge – Kutta Methods for Stiff Nonlinear Differential Equation. Amsterdam: North-Holland, 1984. 308 p.
  32. Khazhinskii G.M. Model of deformation and fracture of metals (Modeli deformirovaniya i razrusheniya metallov). Moscow: Nauchny mir, 2011. 231 p. (in Russian).
  33. Malmeister A.K., Tamuzh V.P., Teters G.A. Resistance of rigid polymeric materials (Soprotivlenie zhyestkikh polimernykh materialov). Riga: Zinatne, 1972. 500 p. (in Russian).
  34. Bezukhov N.I., Bazhanov V.L., Gol′denblat I.I., Nikolaenko N.A., Sinyukov A.M. Calculations on strength, stability and fluctuations in conditions of high temperatures (Raschety na prochnost′, ustoychivost′ i kolebaniya v usloviyakh vysokikh terperatur). Ed. I.I. Gol′denblat. Moscow: Mashinostroenie, 1965. 567 p. (in Russian).
  35. Pisarenko G.S., Mozharovsky N.S. Equations and boundary value problems of the theory of plasticity and creep. Reference manual (Uravneniya i krayevyye zadachi teorii plastichnosti i polzuchesti. Spravochnoye posobiye). Kyiv: Naukova Dumka, 1981. 496 p. (in Russian).
  36. Reddy J.N. Mechanics of Laminated Composite Plates and Shells: Theory and Analysis. 2nd Ed. N.Y.: CRC Press, 2004. 831 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Mutual orientation of global and local (related to the k-th family of armature) coordinate systems.

Download (52KB)
3. 2. Cylindrical shells: fixed on the left and loaded on the right edges (a), equipped with bottoms (b).

Download (120KB)
4. 3. Multidirectional symmetrical reinforcement structure with four families of power elements.

Download (76KB)
5. Fig. 4. Dependences of the damage parameters of the materials of the phases of the cylindrical shell metal composition on the time t [h] in the case of winding two families of reinforcement, calculated at an operating temperature of Q * = 165 °C: a) – mechanical loading of the type (3.6), b) – mechanical loading of the type (3.8).

Download (95KB)
6. Fig. 5. Dependences of the damage parameters of the materials of the phases of the cylindrical shell metal composition on the time t [h] in the case of winding two families of reinforcement, calculated at an operating temperature of Q * = 235 °C: a) – mechanical loading of the type (3.6), b) – mechanical loading of the type (3.8).

Download (93KB)
7. Fig. 6. Dependences of the damage parameters of the materials of the phases of the metal composition of the cylindrical shell on the time t [h] in the case of winding four families of reinforcement, calculated at an operating temperature of Q * = 165 °C and mechanical loading of the type (3.6).

Download (89KB)
8. Fig. 7. Dependences of the limiting (critical) fracture time tc [h] of a cylindrical metal composite shell on the winding angle j1 [deg], calculated at an operating temperature of Q* = 165 °C and different types of its mechanical loading in cases of laying two (a) and four (b) families of reinforcement.

Download (97KB)
9. Fig. 8. Dependences of the limiting (critical) fracture time tc [h] of a cylindrical metal composite shell on the winding angle j1 [deg], calculated at an operating temperature of Q* = 235 °C and different types of its mechanical loading in cases of laying two (a) and four (b) families of reinforcement.

Download (78KB)
10. Fig. 9. Dependences of the damage parameters of the phases of the cylindrical shell composition on the winding angle j1 [deg], calculated at time t = 4 h at operating temperature Q * = 165 °C, different types of mechanical loading and laying of four families of reinforcing wires.

Download (116KB)

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».