Control of composite nonlinear deformation by local curvature of yarns

Abstract

Using the refined theory of dry bundles, we analyzed the curvature (length diversity) of yarns in the fabric composite for obtaining the maximum effect of pseudo-ductility (constant yield stresses during the deformation). Because of length diversity, yarns destruction happens consequently, starting with the straight yarns and ending with the most curved ones. The polymer matrix en-sures a monolithic structure and high damping of the oscillations due to the in-tensification of matrix shears during tension/compression of the composite. To simulate an ideal elastoplastic stress-strain diagram of the composite, we formu-lated the law of changes in fiber lengths, the mechanical properties of which were considered to be the same. To study the technological possibilities of the local curvatures of yarns in fabric preforms, we performed experiments using the in-denting method and arrays of conical and flat needles. We showed that conical needles allow us to obtain simultaneous curvature of warp and weft yarns to the same extent. The needle spacing controls the ratio of straight and curved yarns; so, by changing the spacing we can bring this ratio closer to the value required for getting the needed length of the yield plateau. In the case of flat needles with various orientation to the warp yarns, we can obtain anisotropic yarns curvature (of only one yarns family, for example). For experimental deformation of the fab-rics with locally curved yarns we used aramid fabrics of plain weave and carbon fabrics of twill weave. На основе уточнённой теории сухих пучков выполнен анализ необходимой искривлённости («разнодлинности») нитей в тканевом композите для получения максимального эффекта псевдопластичности – постоянства напряжений «текучести» при деформировании. Разнодлинность обеспечивает последовательное разрушение нитей: сначала разрушаются прямолинейные нити, а в конце – максимально искривлённые. Наличие полимерной матрицы обеспечивает монолитность и высокое демпфирование колебаний за счёт интенсификации сдвигов в матрице при растяжении/сжатии композита. Для имитации идеальной упругопластической диаграммы растяжения композита был найден закон изменения длин волокон, механические свойства которых считались одинаковыми. Экспериментальные исследования технологических возможностей локального искривления нитей в тканевых преформах выполненым етодом индентирования массивом конических или плоских игл. Показано, что при использовании конических игл реализуется синхронное искривление нитей основы и утка в равной степени. Изменяя шаг игл, можно программировать соотношение прямолинейных и искривлённых нитей так, чтобы оно максимально соответствовало расчётной величине, необходимой для получения заданной длины площадки «текучести». Применение плоских игл с различной ориентацией к направлению основных нитей позволяет получать «анизотропное» искривление нитей, например, искривление лишь одного семейства. Экспериментальные исследования деформирования тканей с локально искривлёнными нитями выполнены на арамидных тканях полотняного переплетения и тканях из углеродных волокон саржевого плетения.