Расчет на прочность композитных материалов. Расчёт панелей из композиционных материалов

В современной промышленности вряд ли найдется такая отрасль, где не использовались бы те или иные композиционные материалы (КМ). Для материаловедения весьма актуальной является задача получения КМ с требуемым комплексом свойств. Решение данной задачи в значительной степени связано с изучением процессов самоорганизации, устойчивости и распада различных неравновесных полиструктурных систем, к которым с полным основанием могут быть отнесены КМ. Главным признаком композитов является способность образовывать в процессе формирования специфические структуры из частиц наполнителя и матрицы. В результате новый составной материал приобретает неаддитивные, иногда уникальные свойства, не присущие составляющим КМ в отдельности. К таким структурам, прежде всего, могут быть отнесены кластерные, решеточные и каркасные.

Из всех физико-механических показателей КМ прочность является одной из наиболее сложнопрогнозируемых величин. Она непосредственно определяется вероятностными процессами возникновения и развития структурных повреждений в нагруженных композитах. Природа экстремального изменения прочности при повышении содержания наполнителя в КМ интересна и мало изучена. Тем не менее, характер ее изменения находит вполне ясное описание в довольно простых математических моделях дисперсно-наполненных композитов, предлагаемых А.Н. Бобрышевым, В.Т. Ерофеевым, В.Н. Козомазовым .

Физико-механический показатель прочности КМ с дисперсным наполнителем непосредственно зависит от процентного соотношения объема матрицы и наполнителя. С повышением содержания наполнителя в КМ развиваются два одновременных альтернативных процесса в большей мере обусловленных возникновением границы раздела между фазами в композите и поэтому обязанных проявлению комплексных свойств, не присущих компонентам в отдельности.

С одной стороны, протекает процесс упрочнения композита за счет введения в матрицу дисперсных частиц. Такое упрочнение преимущественно осуществляется в результате близкодействующего взаимодействия отдельных частиц наполнителя, способствующего переводу матричного материала в контактном пространстве между частицами наполнителя из его объемного состояния в пленочное с более высокой прочностью и структурированностью.

С другой стороны, в композите проявляется процесс разупрочнения, развивающийся с повышением содержания наполнителя. Прежде всего, источником дефектов является поверхность раздела фаз. Кроме того, с повышением содержания наполнителя в КМ проявляется пустотность, вызванная дефицитом связующего материала.

Классификация композиционных материалов (КМ)

Крупнейшим достижением в материаловедении за последние полвека является создание так называемых композиционных материалов . Большой интерес к ним обусловлен высоким уровнем свойств:

Высокой прочностью;

Высокой жесткостью;

Высокой жаропрочностью;

Значительным сопротивлением распространению трещин и др.

В отличие от обычного конструкционного материала композиционный материал (КМ) – искусственный продукт, не встречающийся в природе, его компоненты выбирают и рассчитывают преднамеренно. КМ содержит по крайней мере две различные химические фазы и его свойства определяются свойствами этих фаз.

Основная идея создания КМ – получить комбинацию свойств, которые не присущи каждому материалу в отдельности.

Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Вместе с тем развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые к материалам, могут носить противоречивый характер. Удовлетворить эти требования можно путем использования композиционных материалов.

Принцип построения КМ человек позаимствовал у природы. Типичными композиционными материалами являются стволы растений, стебли деревьев, кости человека и животных.

Как известно, для оценки эксплуатационных характеристик конструкций существует квадратно-кубическая зависимость: прочность и жесткость повышаются пропорционально квадрату линейных размеров (поперечное сечение), в то время, как масса растет пропорционально кубу (объем) линейных размеров. Т.е. для достижения высоких значений жесткости и прочности должны быть использованы новые высокопрочные и более жесткие материалы, чтобы масса в известном смысле не опережала механические характеристики.

Важной характеристикой в свете этого является удельный модуль упругости Еуд=G/γ. Промышленные материалы, такие, как сталь, алюминий, титан, стекло – имеют близкие значения Е УД. Для его увеличения конструктор вынужден, в основном, использовать материалы с более низкой плотностью γ и увеличенным размером сечения.

Композиционный материал – это материал, состоящий из двух или нескольких компонентов, отличных по своей природе и химическому составу.

Компоненты образуют единую структуру с границами раздела.

Компонент, непрерывный во всем объеме материала, называется матрицей . Компонент (компоненты) прерывистые, разъединенные матрицей, называются арматурой или армирующим компонентом (фазой). Понятие «армирующий» означает «введенный с целью изменения свойств материала», но всегда «упрочняющий».

КМ принято классифицировать по нескольким основным признакам:

По материалам матрицы и арматуры;

По структуре – геометрии и расположению компонентов;

По методу получения;

По области применения, впрочем, этот принцип классификации используется редко, т.к. разные материалы могут иметь одно применение (или один и тот же материал использоваться для различных целей).

Классификация по материалам

1. КМ на основе металлов и сплавов. Чаще всего используется Al, Mg, Ti, Cu и сплавы на их основе;

2. КМ на основе интерметаллидов, т.е. химических соединений «металл–металл», например TiAl, Ti 3 Al, NiAl, Ni 3 Al и др.;

3. керамические КМ – соединения оксидов, карбидов, нитридов, обладающие высокой жаропрочностью;

4. КМ на основе неметаллов, например на основе углерода;

5. КМ с матрицей из полимеров.

Классификация по структурным признакам

1. Волокнистые КМ (ВКМ);

2. Слоистые КМ;

3. Дисперсно-упрочненные КМ (ДУКМ или ДКМ).

Классификация по методам получения

1. Химические методы, связанные с химическим, электрохимическим и термохимическим осаждением или напылением;

2. Твердофазные методы совмещения матрицы и арматуры (методы порошковой металлургии, сварка взрывом, обработка давлением и т.д.);

3. Жидкофазные методы - пропитка волокон расплавом матрицы на воздухе, в вакууме или инертном газе и др.;

4. Комбинированные методы.

Волокнистые композиционные материалы

Несущим элементом волокнистых композиционных материалов (ВКМ) является волокно, проволока. Эти компоненты имеют высокую прочность, высокий модуль упругости и, как правило, невысокую плотность. Именно волокна определяют уровень свойств композиционных материалов. Наиболее перспективными являются волокна бора и углерода. Они используются для упрочнения матриц из Al, Mg, Ti.

Приведем для сравнения свойств армирующих компонентов следующую таблицу.

Свойства волокон, проволоки и нитевидных кристаллов («усов»).

Матрица скрепляет волокна, защищает от механических повреждений и окисления, передает нагрузку на волокна. При разрушении некоторых волокон матрица перераспределяет напряжения. Состояние поверхности раздела компонентов оказывает существенное влияние на поведение КМ. Эта поверхность представляет собой некоторую область, где протекают различные процессы – растворения, образования новых фаз, перераспределения примесей. Некоторые следователи склонны считать поверхность раздела еще одной фазой.

ВКМ находят применение в авиационной и космической технике, судостроении, автомобилестроении, металлургии, химической промышленности, медицине (ортопедии). Их используют для изготовления корпусных элементов, обшивки, силовых конструкций, поршней, лопаток компрессоров, турбин, протезов, медицинских инструментов. В технологическом отношении необходимо отметить, что правильно выбранная технология оказывает существенное влияние на свойства КМ. При этом следует исходить по крайней мере из 3-х условий. Во-первых, техпроцесс должен обеспечить равномерное распределение волокон при заданном их объемном содержании; они должны быть изолированы между собой слоем матрицы. Во-вторых, механическое повреждение волокон должно быть сведено к минимуму. В-третьих, взаимодействие волокон с окружающей средой и с матрицей в процессе их совмещения и снижение при этом прочности волокон должно быть минимальным.

Механическое поведение ВКМ.

Армирование волокнами дает возможность получать наиболее эффективное упрочнение.

Требования к волокнам:

Высокая прочность;

Высокий модуль упругости;

Легкость изготовления и низкая стоимость;

химическая стабильность.

Разрушение ВКМ состоит из ряда последовательных дискретных этапов. В каждом из них происходит перераспределение напряжений. Трещина возникает в матрице и, развиваясь, встречает препятствие на границе раздела «волокно-матрица». Наступает период относительной стабильности. В подобных композитах сочетаются два противоположных свойства – высокий предел прочности за счет использования высокопрочных волокон и достаточная вязкость разрушения за счет пластичного материала матрицы.

Дадим оценку прочности ВКМ с непрерывными волокнами. В ВКМ непрерывные волокна обычно распределены равномерно по всему объему.

В целях упрощения предположим, что они однородны, прочно скреплены с матрицей так, что при деформировании между ними отсутствует проскальзывание, т.е. деформации композита, волокон и матрицы равны.

Схематично кривая «напряжение-деформация» выглядит следующим образом и имеет 4 характерные стадии.

I стадия: упругое волокно и упругая матрица (деформация невелика, оба компонента работают в упругой области).

II стадия: упругое волокно, пластичная матрица (линейна зависимость сохраняется, т.к. модуль упругости волокна много больше модуля упругости матрицы , объемная доля волокон высокая и поведение композита определяется свойствами волокон).

III стадия: пластичные волокно и матрица.

IV стадия: разрушение волокна.

Поведение композита с непрерывными волокнами проще представить, если рассматривать следующую модель.

Здесь σ - растягивающие напряжения, действующие на поперечное сечение ;

τ – напряжения сдвига, воздействующие на площадь .

Пусть к образцу из ВКМ приложена осевая нагрузка P, которая связана с напряжением соотношением

где F – площадь поперечного сечения стержня.

Предположим также, что поверхность разрушения плоская; тогда разрушающая нагрузка P max связана с осевым напряжением разрушения σ max аналогичным образом:

Определим теперь прочность КМ при растяжении

Поскольку поверхность разрушения проходит через оба компонента, можно записать

где F В – площадь волокон в поперечном сечении; F М – площадь матрицы.

Это уравнение можно переписать в ином виде

где σ В – средняя прочность волокон в композиции; σ М – среднее напряжение течения в матрице в момент разрушения.

Если в любом поперечном сечении относительная площадь волокон и матрицы одинакова, то последнее уравнение принимает вид

где V B и V M – объемные доли волокон и матрицы соответственно.

Это уравнение называется правилом смеси или аддитивности. Оно широко используется для расчета прочности композиций.

При выводе правила смеси предполагали, что между составляющими композита существует прочная связь. Это означает равенство деформаций разрушения .

Правило смеси имеет определенные границы применения. Это связано с существованием верхней и нижней границ объемных долей волокон и , что в свою очередь определяется технологическими возможностями. При очень плотной укладке волокон матричный материал почти отсутствует, как показано ниже.

Плотная укладка

И, напротив, доля волокон слишком мала, упрочнение незначительно:

V В слишком мало

В силу указанных причин для ВКМ существует понятие оптимальной объемной доли волокон.

Примечание: При малых деформациях правило аддитивности для напряжений можно записать как

Это уравнение выполняется до тех пор, пока не будет достигнута деформация разрушения одной из структурных составляющих.

Разрушение ВКМ с непрерывными волокнами.

Характер разрушения ВКМ зависит от объемного содержания волокон и матрицы и соотношения их деформаций до разрушения.

до разрушения.

а) однократное разрушение.

Ему соответствует диаграмма разрушения

б) множественное разрушение

Диаграмма разрушения при этом имеет вид

Волокна дробятся на меньшие длины. Ниспадающие ветви диаграммы соответствуют вытягиванию концов разорвавшихся волокон из матрицы.

Матрица и волокна могут разрушаться не в одной плоскости.

ВКМ, обладая высоким пределом прочности и еще меньшей пластичностью, чем высокопрочные сплавы, имеют, однако, меньшую чувствительность к концентраторам напряжений и большое сопротивление усталостному разрушению. Это объясняется тем, что у материалов различный механизм развития трещин. В традиционных изотропных высокопрочных сталях и сплавах развитие трещин идет прогрессирующим темпом.

В КМ трещина обычно возникает в матрице и, развиваясь, встречает препятствия на границе раздела «матрица-волокно». Волокна тормозят развитие трещин и наступает период относительной стабильности, в течение которого развитие трещин приостанавливается.

Влияние ориентации волокон.

Волокна не всегда параллельны действующей нагрузке. По расположению компонентов (схемы армирования) КМ могут быть разделены на 3 группы:

1. Композиты с одноосным (линейным) расположением армирующего компонента. Волокна, проволоки или нитевидные кристаллы располагаются в матрице в плоскостях, параллельных друг другу.

2. Композиты с двухосным (плоскостным) расположением армирующего компонента, составляющие которого в виде волокон, фольг, матов из нитевидных волокон и т.п. расположены в матрице в плоскостях, параллельных друг другу.

3. КМ с трехосным (объемным) расположением компонентов, когда невозможно выделить одно или два преимущественных направления в материале.

Размер пучка нити, шаг пучков, плотность упаковки нити в каждом направлении характеризуют свойством ткани.

Пусть Θ – угол между направлением (ориентацией) волокон и направлением нагрузки однонаправленного ВКМ.

1. При небольших Θ разрушение происходит вследствие разрыва волокон.

2. При средних значениях Θ – в результате сдвига матрицы по плоскости, параллельной волокнам, либо по поверхности раздела.

3. При больших углах Θ – либо путем разрыва матрицы, либо по поверхности раздела путем отрыва .

Если принять, что σ 0 – прочность композита при Θ=0 0 ;

τ м – предел прочности матрицы на сдвиг;

σ м – предел прочности матрицы при растяжении, то графически зависимость прочности композита σ К от угла Θ выг8лядит следующим образом

Волокнистые композиционные материалы с дискретными волокнами.

Здесь, как и в предыдущем случае, обратим внимание скорее на качественную сторону вопроса без достаточно строгого вывода основных формул.

В том случае, когда армирующие волокна непрерывны, напряжения в них постоянны по всей длине за исключением концевых участков. При малом разбросе частных значений прочности волокон в момент разрушения композиции напряжения почти во всех волокнах достигают их предела прочности. Если же композиция армирована короткими волокнами или усами, то активная роль матрицы состоит в том, чтобы путем пластической деформации передать напряжения волокнам и нагрузить их. В КМ с непрерывными волокнами (особенно высокопрочными) активная роль матрицы состоит скорее в том, чтобы «сплотить» волокна, заставить их работать как единое целое.

Матрица передает нагрузку в результате сдвиговых напряжений на поверхность волокна вблизи разрушенных волокон.

Рассмотрим распределение напряжений в волокне конечной длины l, находящемся в материале матрицы. При этом будем считать, что волокно и матрица работает в упругой области. Если нагрузка приложена к матрице, то в упругой области последняя удлиняется пропорционально напряжению.

Модули упругости соотносятся как - это условие является основным для получения композиции с более высокими механическими свойствами. Т.е. волокно будет ограничивать свободное удлинение матрицы в соседней с волокном зоне.

Рассматриваем отдельно взятое волокно, окруженное матрицей. Влияние других волокон в нашей модели исключается.

Ненагруженное состояние

Схема совместной деформации волокна и матрицы (а) и эпюры распределения растягивающих напряжений в волокне и напряжений сдвига на поверхности раздела «волокно – матрица» в упругом (б) и упруго – пластическом приближении (в).

На некотором удалении от волокна матрица свободно и равномерно пластически удлиняется, тогда как в прилегающей к волокну зоне удлинение матрицы будет равняться упругому удлинению последнего. Это приводит к возмущению поля деформации в прилежащей к волокну зоне. По мере удаления от волокна его возмущающее действие ослабевает, пока полностью не сойдет на нет.

Предполагается, что между волокном и матрицей существует идеальная связь и отсутствует передача напряжений через торцы волокна. Это распределение растягивающего напряжения σ вдоль волокна показано на рисунке б.

Поскольку нагрузка не передается через торцы волокна, то растягивающее напряжение увеличивается от нуля на его концах до максимального значения в точке l кр /2. Критическая длина lкр определяется как длина короткого волокна, которая необходима для достижения напряжения, равного напряжению в волокне бесконечной длины.

Распределение касательных напряжений τ вдоль поверхности раздела нетрудно найти, если рассмотреть равновесие сил, действующих на элемент волокна. Касательные напряжения максимальны на концах волокон и минимальны в середине волокна (рис.б).

Анализ отношения τ max /σ max показывает, что максимальные касательные напряжения на поверхности раздела могут достигать и превышать предел текучести матрицы. В этом случае матрица пластически деформируется, и эпюры напряжений будут такими, как это показано на рис. В. При небольшой растягивающей нагрузке изменение касательных напряжений определяется упругим поведением матрицы. По мере увеличения нагрузки максимальные значения ограничиваются пределом текучести матрицы τ Т.

Таким образом, упругопластическое поведение матрицы представляется более вероятным в процессе работы композиции. За пределами упругой области длина передачи нагрузки и, следовательно, l кр зависят от напряжения разрушения волокна. Эту зависимость легко получить из уравнения равновесия элементов волокна и матрицы в предположении равенства τ пределу текучести матрицы τ Т.

где - напряжение разрушения волокна.

Из этого выражения следует, что критическая длина волокна l кр возрастает пропорционально напряжению разрушения волокна.

В рассмотренной выше модели не учитывалось влияние соседних волокон на распределение напряжений и деформацию. Существуют работы, где приводятся расчеты распределения σ вдоль оси волокна и распределения τ по периметру волокна в зависимости от расположения соседних волокон.

Тема: Композиционные материалы на основе термореактивных связующих

и ориентированных армирующих наполнителей

Термин «композиционные материалы» появился в то время, когда потребовалось наиболее емкое название нового класса материалов, состоящих из армирующего компонента и связующего. Современные композиционные материалы не только имеют широкий спектр физико-механических свойств, но и способны к направленному их изменению, например повышению вязкости разрушения, регулированию жесткости, прочности и т. д.

Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластичной матрице. Материалы с волокнистыми наполнителями подразделяются на пластики с короткими волокнами, в том числе штапельными, рублеными нитями или жгутами и с непрерывными элементарными волокнами, жгутами, прядями, нитями, лентами. У слоистых материалов матрица армирована последовательно чередующимися слоями наполнителя.

Наполнители влияют на самые разнообразные свойства полимерных композиционных материалов и определяют возможные способы переработки полимерных композиционных материалов в изделия. Характер и степень влияния наполнителя на свойства полимерных композиционных материалов зависят от природы, структуры, содержания наполнителя в полимерных композиционных материалов, формы, размера, взаимного расположения частиц или волокон, их пространственной ориентации, прочности сцепления со связующим .

Характерным размером волокон наполнителя является диаметр, для элемента слоистой структуры – толщина слоя; характерным размером связующегоявляется толщина прослойки.

Как известно, пространственная ориентация для изометрических частиц не имеет значения, а для анизометрических – имеет важное значение , т. к. от ориентации зависят свойства полученного композиционного материала.

Наполнение полимеров позволяет практически неограниченно направленно регулировать технологические и эксплуатационные свойства материалов. Свойства наполненных полимерных материалов конструкционного назначения, способы их получения и переработки в изделия в значительной мере определяются природой полимерной матрицы и наполнителя, их объемным соотношением, характером взаимного распределения и взаимодействием на границе раздела.

При изготовлении изделий из композиционных материалов предварительно определяются технологические свойства полимерных связующих: вязкость, время гелеобразования.

Определение времени гелеобразования является одним из важных параметров – оно характеризует продолжительность хранения пропитанного материала (препрега ) и температуры переработки материала в изделия. Общая продолжительность процесса получения композиционного материала от момента получения замеса связующего не должна превышать утроенного времени гелеобразования при комнатной температуре.

Данные лабораторные работы направлены на обучение студентов методам контроля качества получаемых композиционных материалов и исследованию структуры полученных материалов, что в конечном счете определяет свойства материала при его эксплуатации.

Задание № 1. Определение количества компонентов и изготовление пластин композиционного материала

Цель работы : на основе заданных компонентов изготовить композиционный материал с заданной структурой и соотношением компонентов.

I . ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №1

Один из основных компонентов армированных пластиков – связующее – представляет собой полимер с различными добавками. Связующим пропитывается армирующий волокнистый наполнитель. После отверждения связующее склеивает между собой волокна или слои наполнителя, обеспечивая их совместную работу в пластике.

Для получения армированных пластиков широко применяются связующие на основе полиэфирных, эпоксидных и модифицированных фенолоформальдегидных смол. В качестве наполнителей применяются ориентированные материалы: ленты, ткани, нити, ровинги .

Процесс изготовления пластин композиционного материала состоит из последовательных стадий:

– определение типа связующего и наполнителя;

– расчет соотношения компонентов композиционного материала;

– изготовление связующего – смешивание компонентов в заданных пропорциях;

– разрезка наполнителя на заготовки в соответствии с размерами формы;

– нанесение связующего на слои наполнителя и последовательное соединение пропитанных слоев;

– укладка набранного пакета между плитами пресса и отверждение в соответствии с заданными режимами.

1. Расчет массы компонентов в композиционном материале

Ход работы . Первоначально определяют необходимый объем V КМ (м 3) пластины композиционного материала.

где l , b , h – длина, ширина, толщина пластины композиционного материала. Толщину выбирают в зависимости от стандарта на испытания композиционного материала (h = 2–8 мм).

Зная объем материала, определяют его массу m КМ, кг

где ρ КМ – плотность композиционного материала, кг/м 3 .

Плотность материала ρ КМ (кг/ 3) определяют осреднением, зная соотношение компонентов (задано преподавателем).

где ρ а – плотность арматуры, кг/м 3 ; ρ с – плотность связующего, кг/м 3 (определяется по правилу смеси); P а , P с – объемное содержание арматуры и связующего в композиционном материале соответственно, доли ед.

Степень наполнения для технологического процесса задается в массовых долях, а для расчетов – в объемных долях. Связь между массовым С и объемным Р содержанием компонентов выражается соотношениями:

Предполагают, что пористость отсутствует, т. е. равна нулю.

Массу компонентов (г) для изготовления пластины композиционного материала определяют из их массового соотношения:

где m а, m с – масса наполнителя и связующего соответственно, кг; C а, C с – массовое содержание наполнителя и связующего соответственно; доли ед.

где m а - масса арматуры, г; – масса одного слоя арматуры, г, определяется расчетным путем или взвешиванием; γ а – поверхностная плотность слоя армирующего материала, г/м 2 .

Полученное значение N а округляют до целого (ближайшего большего).

Пересчитывают массу связующего для поддержания заданной степени наполнения.

После расчета учитывают технологические отходы, например остатки связующего на инструменте, для чего количество связующего увеличивают примерно на 20%.

Аналогично проводят расчет компонентов для всех видов композиционных материалов. По результатам расчетов заполняют технологическую карту получения композиционного материала табл. 1).

2. Изготовление пластины композиционного материала

Оборудование и материалы : компоненты для приготовления связующего (по заданию преподавателя), тканый наполнитель, ножницы, весы, жесткие пластины для укладки слоев, муфельная печь.

Ход работы . Из компонентов изготавливают плиту композиционного материала с размерами 250× 250 мм методом послойной укладки.

Разрезанный наполнитель послойно пропитывают полученным связующим, тщательно прокатывают роликом для удаления воздушных пузырей и укладывают на пластину, смазанную антиадгезивом или покрытую слоем масляной бумаги.

Связующее равномерно распределяют по поверхности наполнителя, не допуская его отжима. После набора необходимого пакета из пропитанных слоев сверху укладывают жесткую пластину и, при необходимости, грузы. Отверждение проводят по режимам, как для отверждения соответствующего типа связующего (приложение 1).

Таблица 1. Технологическая карта на изготовление композиционного материала

Материал	Изделие, образец, заготовка		Кол-во, масса, г
	Размеры, мм	Объем, см 3

Компоненты	Норматив	Состояние,	Кол-во, г
Наполнитель
Связующее

Задание № 2. Определение соотношения компонентов в полученном материале

Цель работы : научиться определять соотношение компонентов в материале методом выжигания и гравиметрическим методами.

I . ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №2

Одним из основных показателей структуры композиционного материала, который влияет на свойства полученного изделия, является соотношение компонентов. Массовое содержание компонентов в композиционных материалах на основе термореактивного связующего определяется методами выжигания, растворения или гравиметрическим методом.

Метод растворения основан на удалении из образца композиционного материала связующего под воздействием растворителя, а метод выжигания – под воздействием повышенных температур (для высокотемпературостойких наполнителей). Расчеты по данным методам предполагают отсутствие пор в исходном материале. Если материал пористый, то необходимо проводить расчеты с учетом этого параметра. Наиболее быстрым и неразрушающим методом контроля степени наполнения является гравиметрический .

II . ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

1. Определение соотношения компонентов по методу выжигания

Оборудование и материалы : образцы композиционного материала, весы с точностью до 0,001 г, муфельная печь, эксикатор, тигли.

Ход работы . Готовят не менее трех образцов композиционного материала любой формы и размеров. Масса образца не должна превышать 5 г.

Тигли прокаливают в муфельной печи при температуре 650± 5° С в течение 20 мин и охлаждают в эксикаторе.

Образцы композиционного материала взвешивают на электронных весах с точностью до 0,001 г и помещают в предварительно взвешенные с такой же точностью тигли. Тигли с материалом переносят в муфельную печь при температуре 650± 5° С на 15–20 мин, чтобы выжечь связующее. Затем тигли помещают в эксикатор и охлаждают до комнатной температуры, после чего взвешивают с той же точностью.

Массовые доли наполнителя и связующего в процентах определяют из соотношений:

где m а – масса остатка после прокаливания, г; m км – исходная масса образца композиционного материала, г.

Для определения объемного содержания арматуры Р а необходимо знать плотность композиционного материала и арматуры

где ρ КМ , ρ а – плотности композиционного материала и арматуры соответственно, г/см 3 .

Приведенные расчеты предполагают отсутствие пор в исходном материале. Если материал пористый, то необходимо проводить расчеты с учетом пористости. Если известна плотность матрицы, то можно определить объемное содержание пор P p

где ρ км , ρ а , ρ с

За результат принимают среднее арифметическое значение всех экспериментов. По результатам эксперимента заполняют протокол. Сравнивают полученное значение степени наполнения с заданной изначально, делают вывод.

2. Определение содержания компонентов гравиметрическим методом

Оборудование и материалы : образцы композиционного материала, весы с точностью до 0,001 г.

Ход работы . Берут образцы композиционного материала любой формы и размеров. Определяют плотность композита по одной из стандартных методик: гидростатическим взвешиванием или методом прямого обмера и взвешивания. Плотности исходных компонентов берут из справочника или определяют экспериментально.

Объемное содержание арматуры рассчитывают по соотношению

где ρ КМ , ρ а , ρ с – плотности композиционного материала, арматуры и связующего соответственно, г/см 3 .

Гравиметрический метод является точным только в случае полного отсутствия в композите пустот.

За результат принимают среднее арифметическое не менее трех результатов эксперимента. Сравнивают полученное значение степени наполнения с заданной изначально, делают вывод.

Сравнивают результаты определения соотношения компонентов по предлагаемым методикам и делают вывод.

Форма отчета по заданию №2

По результатам эксперимента заполняют протокол.

ПРОТОКОЛ № ____ от _____________

Определения содержания компонентов в композиционном материале.

1. АППАРАТУРА: (применяемое оборудование и приборы, тип, марка, основные характеристики)

2. МАТЕРИАЛ: (тип, марка или состав связующего, ГОСТ, дата изготовления)

3. ОБРАЗЦЫ: (тип, размеры, количество, метод изготовления)

4. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЯ: (температура)

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ:

5.1. Метод выжигания

Материал	№ образца	m т , г	m км , г	m а , г	C a	P a	C c	P c	P p




Коэффициент вариации, %

Испытания провел:

5.2. Гравиметрический метод

Материал	№ образца	ρ км , г/см 3	ρ а , г/см 3	ρ с , г/см 3


Среднее арифметическое значение
Среднее квадратическое отклонение
Коэффициент вариации, %

Испытания провел:

Литература

1. Любин, Дж. Справочник по композиционным материалам: в 2 т. / под ред. Дж. Любина . – М.: Машиностроение, 1989. – 2 т.

Задание № 3. Изучение структуры композиционного материала на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя

Цель работы : изучить структуру композиционного материала на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя.

I . ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №3

Качество композиционного материала описывают расположением наполнителя, отклонением слоев от заданной ориентации и толщиной прослойки связующего.

II . ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Оборудование и материалы : пластины композиционного материала, изготовленного в задании № 1 данной работы.

Ход работы. Изучают, описывают и зарисовывают структуру полученного материала по следующим параметрам:

– наличие непропитанных участков;

– наличие областей с избытком связующего ;

– наличие пузырей и раковин;

– искривление волокон наполнителя;

– отклонение от прямолинейности волокон;

– толщина прослоек связующего .

Для непропитанных участков, областей с избытком связующего, пузырей и раковин определяют их суммарную площадь и отношение к общей площади поверхности материала. Материал считается качественным, если дефекты составляют не более 5% от общей площади поверхности материала.

При определении толщин прослоек проводят исследование торцевых поверхностей под микроскопом. Толщина прослоек и распределение наполнителя должны быть равномерными, без искривлений.

Результаты исследования заносят в табл. 2 и делают вывод о качестве полученного материала.

Таблица 2

Соотношение компонентов			ρ км , кг/м 3	Пористость, %	Средний угол отклонения от осевой линии, град	Толщина прослоек связующего, мм
Теоретич .		Эксперимент.
С а	С с

Литература

1. Композиционные материалы: справочник / под ред. В. В. Васильева. – М.: Машиностроение, 1990. – 510 с.

2. Композиционные материалы: справочник / под ред. Д. М. Карпиноса . – Киев: Наукова думка, 1985. – 591 с.

1. Обзор литературы

2. Расчет призматических кессонных конструкций из композиционных материалов

2.1. Определение напряженного состояния

2.2. Определение параметров рациональной структуры материала кессона

2.3. Выводы

3. Влияние трещины в поперечном слое на напряженное состояние многослойной структуры

3.1. Введение

3.2. Анализ работы двухслойного ортотропного материала при растяжении

3.3. Расчет напряженного состояния многослойных структур при наличии дефекта

3.4. Выводы

4. Моделирование накопления повреждений в слоистый композитах, контролируемое трансверсальным растрескиванием

4.1 Краткая характеристика процессов накопления повреждений в слоистых композитах 4.2. Микромеханическая модель накопления повреждений

4.3. Модели деградации механических характеристик и оценка «времени жизни» конструктивного элемента при сохранении эксплуатационных свойств

4.4. Модель деградации от трансверсального растрескивания в локальных слоях

4.5. Алгоритм определения параметров модели для монослоев и для слоистого композита по данным испытаний

4.6. Алгоритм оценки деградации свойств слоистого композита

4.7. Примеры моделирования

4.8. К Оценке несущей способности при поврежденности композита

4.9. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчет композитных элементов конструкций с обеспечением необходимых механических характеристик при заданном отрезке времени эксплуатации»

Актуальность темы. Оболочечные силовые конструкции являются одними из наиболее используемых элементов, которые воспринимают и противостоят внешним силовым факторам. Такие конструкции используются в различных отраслях машиностроения и строительстве. Они могут быть изготовлены из различных материалов, но для любых крупногабаритных конструкций должны быть выполнены основные требования к ним. Главным условием при определении параметров является требование минимума массы при выполнении прочности, необходимой жесткости, надежности, обеспечения необходимых величин механических характеристик во время эксплуатации агрегата и др. В настоящее время, наиболее перспективными конструкционными материалами являются композиционные материалы (КМ) с их высоким удельными характеристиками. Изготовление конструкций из КМ не может быть осуществлено без разработки соответствующих математических моделей расчета и анализа деградации механических свойств материала из-за накопления повреждений. В связи с широким использованием призматических оболочечных элементов в конструкциях различного назначения, актуальным является решение комплексной проблемы по разработке эффективных аналитических и численно-аналитических расчетных методов определения напряженно-деформированного состояния (НДС), оценке прочности конструкций в зонах действия максимальных напряжений, разработке методик оценки деградации свойств материала при статическом и циклическом воздействии, оценке долговечности. Именно эта проблема определяет актуальность работы и она решается в диссертации.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка комплексного подхода к расчету композитных призматических оболочек, включающего аналитический метод расчета НДС, построение аналитической методики учета поврежденности и определения долговечности. Поставленная цель достигается на основании решения следующих задач:

Построение аналитической модели расчета оболочек кессонного типа для определения НДС и выявление наиболее нагруженных участков конструкции, в которых в первую очередь возникает деградация механических свойств материала;

Анализ особенностей разрушения элементов композитной многослойной структуры в зависимости от ее параметров,

Построение расчетной модели для учета накопления повреждений, связанных с генерацией и ростом дефектов;

Построение моделей изменения механических характеристик монослоев и эффективных характеристик многослойных композитных материалов, получение оценок изменения прочности в процессе нагружения из-за роста поврежденности конструкции.

Научная новизна.

1. Разработана математическая и расчетная аналитическая модель для определения напряженно-деформированного состояния в пространственных призматических композитных оболочках, которая является основой для эффективного определения рациональной структуры при ограничениях по прочности конструкции.

2. Проанализировано влияние трещины в поперечном слое на напряженное состояние в самом слое и прилегающих к нему слоях для различных вариантов многослойной структуры.

3. Показано, что появление сквозного дефекты в поперечных слоях ведет к образованию системы регулярных микротрещин, плотность которых зависит от уровня нагружения. Проведенный анализ дает возможность более обосновано определять основные механизмы накопления дефектов при действии статических и циклических нагрузок, оценивать эффекты перегрузки элементов структуры при растрескивании.

4. Показано, что поперечное растрескивание является причиной возникновения и развития продольных микротрещин и расслоений. Дан анализ зависимости трансверсальных напряжений, ответственных за развитие поврежденности в слоистой структуре от параметров структуры.

5. Предложен вариант модели накопления повреждений и модели деградации механических свойств при трансверсальном растрескивании элементов слоистой структуры, позволяющий оценить срок службы рассматриваемой конструкции.

Достоверность результатов основана на использовании обоснованных теоретических подходов при решении поставленной задачи, подтверждена сопоставлением теоретических результатов с прямым расчетом методом конечного элемента и использованием расчетных и экспериментальных данных, приведенных в литературе.

Практическая значимость. Полученные в диссертации аналитические подходы к расчету призматических оболочек позволяют получать обоснованные и достаточно точные данные по распределению напряжений в кессонах, учитывать рост дефектов, деградацию свойств в многослойных волокнистых материалов при статическом и циклическом нагружении и определять предельную несущую способность конструкции в зависимости от типа и времени нагружения. Результаты работы могут быть использованы на предприятиях, занимающихся расчетом аналогичных конструкций, а также в практике обучения студентов технических Вузов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на конференциях: 4-я Международная конференция «Авиация и космонавтика-2005» Москва, МАИ, 10-13 октября 2005; Conference on Damage in Composite Materials: Simulation and Non-Destructive Testing, Stuttgart, 2006 (18-20 September); 5-я Московская Международная конференция «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов», 24-27 апреля 2007 г.; конференция студентов и аспирантов аэрокосмического факультета, МАИ, апрель 2007 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в четырех статьях:

1. A. A. Dudchenko, S.A. Lurie, Н. Kadarman. The Method of Estimation of the Damage Accumulation Effect on the Effective Mechanical Properties of the Composite Structures / 4-я международная конференция «Авиация и космонавтика-2005», МАИ, 10-13 октября 2005.

2. Лурье С.А., Дудченко А.А., Кадарман Халим, Семернин А.В. О моделировании деградации механических характеристик композиционных материалов вследствие накопления повреждений / Сб. трудов конф. «Современные проблемы механики гетерогенных сред», Москва, Изд-во РАН, 2005. Стр. 202-219.

3. Дудченко А.А., Лурье С.А., Кадарман Халим. Multiscale Modeling on Damage Mechanics of Laminated Composite Materials / Proceeding of Conference on Damage in Composite Materials: Simulation and Non-Destructive Testing, Stuttgart, 2006. Стр. 108-109.

4. Лурье C.A., Дудченко A.A., Кадарман Халим, Семернин А.В. Об одном алгоритме учета поврежденности в механике материалов. / Механика композиционных материалов и конструкций, 2006, Т 12, N 4. Стр. 498-510.

5. Кадарман Халим. Расчет призматических кессонных конструкций из композиционных материалов. / В сб. трудов конференции студентов и аспирантов Аэрокосмического факультета МАИ, 2007. Принята к печати.

В первой главе дается анализ работ по теме диссертации. Во второй главе излагается методика аналитического расчета оболочек кессонного типа, проведено сравнение с результатами, полученными методом конечного элемента. Получена рациональная структура оболочки, которая затем рассматривается в задаче накопления дефектов и изменении свойств материала. В третьей главе исследуется характер разрушения различных структур и влияние дефекта на концентрацию напряженного состояния на границе слоев. В четвертой главе развиваются теории деградации свойств композитных структур в результате накопления дефектов в материале, которые позволяют оценить время эксплуатации конструкции.

1. Обзор литературы

Широкое применение композиционных материалов в силовых конструкциях с использованием постоянно совершенствующими свойствами волокон требует непрерывного совершенствования расчетных методов и изучения поведения материалов в разных условиях нагружения для повышения трещиностойкости, долговечности и надежности в работе материала в условиях эксплуатации. В последние годы интенсивное развитие получили направления исследований, позволяющие изучить и уточнить свойства как однослойных, так и многослойных с различной укладкой волокон в структуре на микроуровне материала. По мере изучения свойств композиты все шире находят применение в различных областях машиностроения. Интерес к широкому использованию волокнистых материалов в различных изделиях современной техники связан с такими свойствами этих материалов, как высокая удельная прочность и жесткость, звуко и теплоизоляционные свойства, демпфирующие и вибропоглощающие характеристики и другие свойства. Поскольку современными основными элементами силовой конструкции являются тонкостенные изделия в виде стержней, панелей и оболочек, то они и являются объектом многочисленных и разнообразных теоретических и экспериментальных исследований. Успешное применение волокнистых многослойных материалов требует постоянного совершенствования методов проектирования и расчета, учитывающих новые свойства композитов и их поведение при эксплуатации. Особое внимание следует обратить на многообразие форм разрушения, основными из которых являются разрыв волокон, разрушение связующего в слое, расслоение многослойной структуры. В процессе эксплуатации композиционных материалов, как правило, наблюдается падение их основных механических свойств, а именно их жесткости и прочности. Снижение жесткости и прочности зависит от целого ряда процессов разрушения, протекающих в КМ. Механизм разрушения композитов зависит от множества параметров: свойств волокон и матрицы, схемы укладки слоев, особенностей отверждения, температуры, содержания влаги и т.д. К тому же, КМ разрушаются по-разному под действием статических или циклических нагрузок. Одна из актуальных проблем механики композитов связана с достоверным описанием механических характеристик композиционных материалов в реальном конструктивном элементе, ибо для этих материалов характер напряженного состояния может внести существенные поправки в реализуемые свойства материала. Следовательно, создание современных композитных конструкций с заданным комплексом эксплуатационных характеристик невозможно осуществить без достаточно полного описания механических параметров композитного материала конструкции. Эти факторы вносят существенные изменения в методы расчета и проектирование композитных конструкций. Необходимо отметить, что при создании конструкций из композитов одновременно создается и материал этой конструкции, так как материал представляет сложную многослойную структуру, где каждый слой имеет свое необходимое направление, то появляется широкая возможность целенаправленно управлять как свойствами создаваемой конструкции, так и долговечностью работы конструкции. В широком диапазоне можно регулировать жесткостные и прочностные характеристики, а также динамические свойства. С появлением современных высокопрочных и высокомодульных композитов возникли новые возможности в создании рациональных и оптимальных конструкций минимальной массы, тем более, что изготовление осуществляется, чаще всего, оптимальным технологическим процессом. Это позволяет уменьшить количество соединений в изделии, создавать интегральные конструкции и, тем самым, существенно снизить массу и повысить работоспособность и надежность конструкций. Композиционные материалы на основе современных высокопрочных и высокомодульных типов армирующих волокон являются важным, неиспользованным пока полностью резервом повышения прочности, эффективности, снижения массы и совершенства современных конструкций различного назначения, что подтверждается многочисленными публикациями по различным направлениям использования композиционных конструкций во многих отраслях машиностроения. Использование композиционного материала в изделиях позволяет даже при простой замене металла на композит снизить массу элемента на 20-30 % и его стоимость /23, 68/. Их рациональное использование всегда приводит к снижению массы и стоимости конструкции. Таким образом, имеющийся положительный опыт применения волокнистых материалов дает основание считать, что они и в дальнейшем найдут широкое использование в несущих конструкциях. Это требует проведения глубоких достоверных теоретических и экспериментальных исследований, что и определяет актуальность работы. К настоящему времени основные результаты развития механики композиционных материалов изложены в монографиях /4, 6, 9, 10, 17, 18, 28, 38, 47, 52, 56/. В них подробно представлены различные по сложности расчетные модели материалов. Рассмотрены особенности поведения материалов при их нагружении, в том числе, особенность поведения многослойных волокнистых композитов, которые составляют основу силовых конструкций. Проведен анализ работы многослойной структуры при растяжении и изгибе. При растяжении на свободных поверхностях возникают кромочные эффекты в виде межслойных напряжений из-за разных жесткостных характеристик слоев. Эти напряжения обеспечивают поддержание в слоистом композите состояние кинематической совместности. В реальных конструктивных элементах эти эффекты самоуравновешены и имеют местное значение, но могут иметь важное значение в механике разрушения многослойных композитов. Для тонкостенных многослойных конструкций в виде пластин и оболочек дана оценка соотношения геометрических параметров тонкостенных элементов при статическом нагружении. При отношении толщины элемента h к его наименьшему размеру / меньше 10 межслоевой податливостью можно пренебрегать /И/. Там же дан подробный анализ поведения многослойной структуры материала в пластинах и оболочках и построение соответствующих теорий расчета и строится замкнутая система соответствующих разрешающих уравнений. Для тонких пластин и оболочек (////<0,02) используются обычные соотношения классической теории. Для многослойных структур, когда hll >0,02, строится теория с приближенным (осредненным по толщине) учетом деформации сдвига. Результаты по расчету тонкостенных элементов конструкций из анизотропных материалов приведены в монографиях /1, 2, 18, 30, 32, 36, 38, 55, 58/. В этих работах проанализирована и установлена правомочность использования классической теории расчета тонких многослойных пластин и оболочек. А также рассмотрены вопросы построения уточненных вариантов теорий неоднородных пластин и оболочек, позволяющих учесть такие особенности слоистых материалов, как низкая жесткость по отношению к касательным и трансверсальным нормальным напряжениям. Все эти теории строятся или на основе гипотез, или аналитическими методами сведения трехмерной задачи теории упругости к двухмерной. Подробно этот вопрос освещен в обзоре /23/. Там же отражено содержание основных работ, а также работ за 1978- 1981 гг. по прикладным теориям расчета и проектирования анизотропных пластин и оболочек.

Достижения в развитии расчетных методов и получении различных конструкций из композитов даны в обзорных и проблемных работах /2, 5, 7, 31, 51, 54, 57, 61, 67, 68/. Рассмотренные работы позволяют оценить достижения в практическом использовании волокнистых материалов в конструкциях и в развитии методов расчета этих конструкций.

Поскольку диссертационная работа посвящена расчету, проектированию композитных конструкций с обеспечением необходимых механических характеристик и прочности при их эксплуатации, проведем дополнительный анализ публикаций по этому вопросу.

Для высоконагруженных несущих элементов, как показывает практика, с помощью многослойного волокнистого материала можно одновременно удовлетворить требования прочности, а также получить необходимую жесткость в конструкции. В этом случае можно добиться снижения массы по сравнению с металлическими прототипами не только за счет высоких удельных механических характеристик силового пластика, но и за счет рационального распределения по толщине слоев с необходимыми углами укладки. Негативные свойства связаны, в основном, с низкими механическими свойствами связующего в волокнистом композите, низкой сдвиговой и трансверсальной прочностью, большой чувствительностью к перерезанию волокон, с трудностью передачи сосредоточенных сил. Каждый из силовых агрегатов обладает своими особенностями при работе, поэтому к каждому из них предъявляются свои требования, которые определяются техническими условиями. Эта совокупность особенностей работы материала и конструкции, с учетом нагружения и условий эксплуатации, требует создания комплексного подхода к расчету и проектированию с учетом образования трещин в материале и деградации его свойств.

Расчету в напряжениях по балочной и полубезмоментной теориям кессонных конструкций изготовленных из армированного пластика посвящены работы /20, 22, 24/. Здесь прочность материала в слоях оценивалась по критерию по прочности материала вдоль направления волокон и прочности связующего, описанного в монографии /11/, так как предлагаемые критерии, изложенные в работах /13, 15, 60, 61/, всегда завышают необходимую толщину слоев при проектировании, когда используется условие неразрушения связующего.

Поскольку диссертация посвящена не только расчету, но и механике разрушения, то это дает возможность выбрать практические подходы расчета, которые обеспечивают получение надежных параметров, удовлетворяющих требуемым ограничениям и условиям эксплуатации с учетом появления микротрещин и их накопления в материале. Развитие трещин приводит к изменению механических характеристик материала. Это требует учета падения значений модулей и прочности, так как это отражается на сроках эксплуатации конструкций. Поэтому важной проблемой является идентификация свойств материала, которая требует, с одной стороны, использования физически и математически обоснованных моделей деформирования неоднородных композитов /8, 9, 27, 33, 41-43, 45, 47-50, 52, 56, 60, 75, 76/, с другой стороны, она не может быть решена без достаточно эффективных методов решения физически нелинейных задач механики деформируемого твердого тела, в том числе неконсервативных задач /19, 25, 26/. Несмотря на существующие модели материала, в том числе, с учетом изменения жесткостных и прочностных характеристик композитных конструкций /16, 19, 25-27/, развитие и решение проблемы идентификации свойств материалов конструкции, развитие методов исследования напряженно-деформированного состояния композитных пластин и оболочек с учетом уровня накопленной поврежденности является актуальной. Проанализируем более детально механизм разрушения и его зависимость от свойств волокон и матрицы, схемы укладки слоев, особенностей отверждения, температуры, содержания влаги и т.д., а также от действия статических или циклических нагрузок.

В /48, 79-81/ подробно описан механизм разрушения КМ под действием циклических нагрузок. Разрушение обычно начинается с растрескивания слоев, ориентированных перпендикулярно направлению прилагаемой нагрузки. Трещины, как правило, располагаются на некотором расстоянии друг от друга. Циклическое нагружение приводит к повороту трещин и росту их по границе соседних слоев, то есть к началу расслоения образца. Очень быстро этот процесс развивается вблизи свободных кромок образца. При сжатии зародышами разрушения являются трещины расслоения, появившиеся из-за не идеальности пропитки волокон или вследствие удара. Отслоившиеся достаточно тонкие части материала легко изгибаются и при некотором напряжении теряют устойчивость. С увеличением числа циклов нагружения происходит микрорасслоение образца и потеря его несущей способности. Постепенное накопление повреждений типа микротрещин, отслоений и разрывов волокон вызывает в результате катастрофическое разрушение образца. Накопление всех этих видов микроразрушений уменьшает жесткость КМ. Падение жесткости КМ как при статическом, так и при циклическом нагружении обычно связывается с выключением из работы определенных участков волокон при их разрыве и дальнейшем отслоении матрицы от концов оборванных волокон. При обрыве волокна напряжения в нем вблизи оборванного края уменьшается на протяжении его неэффективной длины, что приводит к частичному падению жесткости соответствующего отрезка волокна и всего композита в целом /16, 46/. Отмечено, что особенно сильное снижение жесткости происходит в тех случаях, когда она определяется свойствами матрицы. Если же жесткость обусловлена главным образом волокнами, то это явление менее заметно /84/. Установлено, что совокупность микроскопических повреждений, снижающих прочность и жесткость и определяющих долговечность слоистого композита, являются сложными, разнообразными, связанными с множеством видов разрушения /16, 84/. В /46, 73, 85/ даны зависимости для определения изменения модуля упругости и модуля сдвига однонаправленного волокнистого композита в результате возникновения в нем дискообразных микротрещин, причем каждый разрыв волокна отождествляется с появлением микротрещины. Теоретически вычисленное снижение модулей упругости и сдвига, обусловленное объемным разрушением, сравнивается с теми же характеристиками, полученными из экспериментальных результатов. При сравнении теоретических и экспериментальных результатов было обнаружено, что экспериментальная кривая дает большее значение снижения жесткости, чем теоретическая. Эта разница может быть вызвана отслоением волокна от матрицы вблизи разрывов волокон и увеличением вследствие этого относительной поврежденной области. К тому же эксперимент свидетельствует о существенном уменьшении модуля сдвига. Отсюда следует, что в однонаправленном композите преимущественную роль играют механизмы разрушения, связанные с расслоением материала, а не с образованием локализованных разрывов волокон. Именно это явление дает дополнительное снижение жесткости однонаправленного композита. Во многих работах /9, 70, 83, 84/ отмечено, что при больших значениях циклического напряжения в однонаправленных композитах (стеклопластик, бороалюминий) происходит множественное дробление волокон уже в первом цикле нагружения. Все эти локальные разрывы объединяются, и разрушение образца происходит в течение несколько циклов. Если напряжение первого цикла не вызывает сильного дробления волокон, то в процессе циклического нагружения происходит микрорастрескивание матрицы и распространение микротрещин, пока не начнется расслоение. Установлено, что усталостные свойства контролируются матрицей. При циклическом нагружении большую роль играют процессы расслоения. Процесс накопления повреждений в ортогонально-армированных, перекрестно-армированных и квазиизотропных композитах укладкой слоев связан с развитием дефектов, ориентация которых обусловлена геометрией структуры композита как при статическом, так и при циклическом нагружении /16, 84/. В каждом однонаправленном слое композита трещины ориентированы параллельно волокнам или перпендикулярно им, чем обусловлено расслоение или разрыв волокон.

Процесс растрескивания трансверсального слоя исследовался в ряде работ /12, 64, 65/. Обнаружено, что плотность трещин (количество трещин расслоения на длине образца в 1 см) по мере увеличения статической растягивающей нагрузки постепенно возрастает. Плотность трещин перед разрушением циклическим напряжением больше, чем при статическом растяжении. При увеличении толщины ортогонального слоя плотность трещин уменьшается, а расстояние между трещинами перед разрушением равно 0,2 - 0,4 мм. При определенных уровнях циклического напряжения начинаются процессы продольного расслоения. Все эти дефекты влияют на прочность и жесткость композитов. В /84/ подробно исследованы зависимости снижения жесткости от числа циклов нагружения.

Кривую падения жесткости в зависимости от числа циклов нагружения для ортогонально-армированных композитов можно разбить на три этапа:

Быстрое снижение жесткости на 2-3%;

Линейное снижение жесткости с весьма малой скоростью, занимающее основную часть времени нагружения;

Завершающая стадия, в которой жесткость падает скачками вплоть до разрушения образца.

Еще один вид повреждения в таких композитах - разрыв волокон в слоях с ориентацией ноль градусов. Обнаружено, что разрывы волокон несущего слоя инициируются трещинами в матрице поперечных слоев. Аналогичным образом можно разбить на три этапа падение жесткости при циклическом нагружении для перекрестно-армированных s квазиизотропных композитов 5. В /48, 77-79, 81/ приведены кривые изменения жесткости Е/Е0 в зависимости от числа циклов нагружения для эпоксидных графитопластиков с укладкой

0°,450,90°]5 и 5 при значении <ттах = 0.65аь и числе циклов нагружения Nj- «500000. На первых двух этапах более резко снижается жесткость у композитов с укладкой 5 почти на 10%. Это связано с растрескиванием слоев с укладкой 45° до достижения регулярной сетки трещин в них. На последнем этапе разрушения более значительно падает жесткость в образцах с укладкой 5. Это связано с процессами расслоениями, которые наблюдаются на границах раздела слоев. Следует отметить, что падение жесткости при циклическом нагружении коррелирует с суммарной длиной отслоения волокон, а не с количеством разрывов волокон.

При анализе экспериментальных данных следует отметить еще один важный момент. Как правило, все свойства композитов рассматриваются в направлении повреждающей нагрузки, но следует учитывать, что повреждения, возникшие в одном направлении, могут влиять на прочность и модуль упругости в других направлениях. Было обнаружено, что снижение модуля связано с соотношением числа слоев, армированных в направлении нагружения, и слоев, армирование которых отличается от направления нагружения.

Приведенные в работах экспериментальные данные позволяют сделать вывод о том, что падение жесткости КМ при их статическом или циклическом нагружении коррелирует с такими характеристиками системы зарождающихся и развивающихся дефектов, как суммарная длина микротрещин (а не их количество или максимальный размер микротрещины), суммарная длина отслоений от кончиков оборванных волокон и т.п.

Анализ проблемы накопления рассеянных повреждений, позволяет выявить закономерности в изменении свойств композита при явлении деградации. Разрушение обычно начинается с растрескивания слоев, ориентированных перпендикулярно направлению прилагаемой нагрузки. Трещины, как правило, располагаются на некотором расстоянии друг от друга. Циклическое нагружение приводит к повороту трещин и росту их по границе соседних слоев, то есть к началу расслоения образца. Очень быстро этот процесс развивается вблизи свободных кромок образца. При сжатии зародышами разрушения являются трещины расслоения, появившиеся из-за не идеальности пропитки волокон или вследствие удара. Отслоившиеся достаточно тонкие части материала легко изгибаются и при некотором напряжении теряют устойчивость. По периметру дискообразной трещины отслоения появляются растягивающие напряжения, способствующие росту ее диаметра. С увеличением числа циклов нагружения происходит микрорасслоение образца и потеря его несущей способности /63/.

Постепенное накопление повреждений типа микротрещин, отслоений и разрывов волокон вызывает в результате катастрофическое разрушение образца. Накопление всех этих видов микроразрушений уменьшает жесткость КМ. Падение жесткости КМ как при статическом, так и при циклическом нагружении обычно связывается с выключением из работы определенных участков волокон при их разрыве и дальнейшем отслоении матрицы от концов оборванных волокон.

Установлено, что совокупность микроскопических повреждений, снижающих прочность и жесткость и определяющих долговечность слоистого композита, являются сложными, разнообразными, связанными со множеством видов разрушения.

Механизмы разрушения, связанные с расслоением материала, а не с образованием локализованных разрывов волокон часто имеют преимущественную роль в однонаправленном композите. Именно это явление дает дополнительное снижение жесткости однонаправленного композита. Если напряжение первого цикла не вызывает сильного дробления волокон, то в процессе циклического нагружения происходит микрорастрескивание матрицы и распространение микротрещин, пока не начнется расслоение. Установлено, что усталостные свойства контролируются матрицей /59, 71/.

В развитии термодинамики необратимых процессов большое значение имела работа JL Онзагера /34, 35/, который в линейном приближении получил соотношения между термодинамическими силами и потоками и обосновал симметрию кинетических коэффициентов. Появляются работы, в которых приводятся молекулярно-кинетические обоснования линейных соотношений /34/, рассматриваются вопросы об экспериментальном определении феноменологических коэффициентов /35/, исследуются различные варианты нелинейных соотношений между термодинамическими потоками и силами /34, 39, 40/.

Выражение для скорости производства плотности энтропии и соотношения JL Онзагера дают возможность вычислить производство плотности энтропии при протекании различных необратимых процессов с учетом перекрестных эффектов.

Предложение использовать понятия энтропии при формулировке условий неразрушимости было сделано в работах /14-16, 19, 25, 26, 27, 37, 39, 40, 44, 74/, в которых сформулирован энтропийный критерий локальной прочности и на его базе решен ряд задач. Этот критерий применен для решений разнообразных прочностных задач.

Согласно энтропийному критерию прочности разрушение бесконечно малого элемента нагруженного тела при абсолютной температуре Т произойдет в тот момент времени t*, к которому в нем накопится критическое значение плотности энтропии S *. Подтверждено, что критическое приращение плотности энтропии при фиксированном исходном состоянии есть константа материала и описана методика ее экспериментального определения по испытаниям на длительную прочность в условиях ползучести. В процессе нагружения плотность и характер дефектов все время изменяется, что приводит к появлению начальных трещин, носящих в начале еще устойчивый характер. В дальнейшем появляются неустойчивые трещины, одна из которых переходит в магистральную. Все эти необратимые процессы сопровождаются ростом энтропии в материале образца в течение всего времени нагружения. Следует особо подчеркнуть статистическую природу описанных явлений. Здесь все зависит от плотности распределения начальных дефектов, носящей случайный характер. С термодинамической точки зрения этому соответствует случайный характер распределения начальной плотности энтропии^. Это обстоятельство приводит к тому, что процесс усталостного разрушения носит ярко выраженный стохастический характер.

Рассмотрим наиболее характерные для циклического нагружения источники производства энтропии.

Необратимое рассеяние работы напряжений за цикл. При циклическом нагружении материалов в плоскости а - е появляется замкнутая гистерезисная кривая. Рассмотрим случай одноосного напряженного состояния и обозначим через аа = 0.5(<ттях -

7т = 0.5(<гтях + 67min)- среднее значение цикла.

На величины <ттп и

В качестве меры рассеянной поврежденности в целом цикл исследований предлагается брать скалярную функцию параметра процесса (реального времени процесса), которая позволяла рассматривать механические и немеханические явления, сопровождающие процесс роста поврежденности. В работе, в качестве такой меры предлагается использовать приращение плотности энтропии. Тогда наряду с микромеханическими явлениями, приводящими к росту поврежденности, появляется возможность описать вязкое сопротивление, диффузию и другие явления, способствующие росту поврежденности, но не связанные непосредственно с процессами на микромеханическом уровне. Вариант энергетической модели предлагается в работе /66/. Упругая энергия, накопленная в структуре, есть функция различных параметров, которые определяются структурой. Связь между скоростью освобождения энергии и накоплением повреждений описана на основе экспериментальных данных. В статье описан эксперимент по расслоению композитных пластин. Выполнено сравнение с решением МКЭ для многослойной пластины с отверстием. В иностранной литературе в настоящее время широко представлены микромеханические модели, связанные с накоплением повреждений и модели деградации характеристик. В качестве примера приведем работы /72, 82/, где исследуются механизмы повреждений, которые хорошо описываются в рамках энтропийной модели.

Большой обзор, посвященный исследованию усталостного поведения волокнистых композитов при циклическом нагружении, приведен в монографии /69/. Многие эксперименты показывают, что кривые усталости при циклическом сжатии располагаются в два раза ниже, чем при циклическом растяжении. В /63/ представлены достижения науки Японии в исследованиях поведения волокнистых композитных материалов, включая усталостные разрушения при сжимающих, при растягивающих и при симметричных циклических нагружениях. Экспериментальные данные показывают соотношения между амплитудами напряжений и средними напряжениями для заданных чисел колебаний.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Кадарман А Халим

5. Основные выводы по диссертации

1. Расчеты показали, что наличие дефекта в слоях всегда являются инициатором распространения разрушения связующего между волокнами, а также способствуют появлению трещин и возможному расслоению в прилегающей зоне других слоев.

2. Проведенный анализ дает возможность более обосновано строить механизм накопления дефектов при действии циклических нагрузок.

3. Приведено комплексное описание явления деградации одновременно для двух стадий накопления повреждений: развития трансверсального растрескивания и развития продельных микротрещин - расслоения.

4. Предложена модель адекватного описания явления деградации свойств слоистых композитов, определяемого трансверсальным растрескиванием в отдельных монослоях структуры. Указана процедура определения параметров модели по данным испытаний, рассмотрены примеры прогноза свойств конкретных структур, показывающие хорошее качественное согласие с имеющимися данными испытаний.

5. Предложен алгоритм приближенной оценки уменьшения предельной несущей способности, связанного накоплением рассеянных повреждений и деградацией эффективных свойств композита, который успешно может использоваться для определения «времени жизни» реальной конструкции.

6. Представлена аналитическая расчетная методика, которая достаточно просто и точно описывает напряженное состояние в районе заделки оболочки. Результаты аналитического подхода к расчету хорошо совпали количественно с результатом расчета методом конечного элемента. Аналитическое решение успешно использовано при нахождении параметров рациональной структуры кессона, удовлетворяющей условию равнопрочности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кадарман А Халим, 2007 год

1. Амбарцумян С.А. Общая теория анизотропных оболочек. - М.: Наука. 1974. -446 с.

2. Амбарцумян С.А. Теория анизотропных пластии. - М.: Наука. 1967. 266 с.

3. Анизотропные панели - плоская задача: Учебное пособие /А.А. Дудченко, А.Н. Елпатьевский С.А. Лурье, В.В Фирсанов. М.: МАИ, 1991. -96 с.

4. Белянкин Ф.П., Яценко В.Ф., Дыбенко Г.И. Прочность и деформативность слоистых пластиков. - Киев: Наукова думка, 1964. -220 с.

5. Болотин В.В. Влияние технологических факторов на механическую надежность конструкции из композитов // Механика полимеров. 1972. - № 3. - С. 529-540.

6. Болотин В.В., Новичков Ю.Н. Механика многослойных конструкций. М.: Машиностроение, 1980. - 375 с.

7. Болотин В.В. Дефекты типа расслоений в конструкциях из композиционных материалов // Механика композиционных материалов. 1984. - № 2. - С. 239255.

8. Вакуленко А.А., Качанов М.Л. Континуальная теория сред с трещинами //Изв. АН СССР. Механика твердого тела. -1971. - № 4. - С. 159-166.

9. Ванин Г.А. Микромеханика композиционных материалов. Киев: Наукова думка, 1985.-302 с.

10. Ван Фо Фы ГА. Теория армированных материалов. Киев: Наукова думка, 1971.-232 с.

11. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988. 272 с.

12. Васильев В.В., Дудченко А.А., Елпатьевский А.Н. Об особенностях деформирования ортотропного стеклопластика при растяжении // Механика полимеров. 1970.-№ 1 С. 144-147.

13. Викарио А., Толанд Р. Критерии прочности и анализ разрушения конструкций из композиционных материалов // В кн.: Композицонные материалы. М.: Наука, 1978. - т. 7. - С. 62-107.

14. Гольденблат И.И., Бажанов B.JL, Копнов В.А. Энтропийный принцип в теории ползучести и длительной прочности полимерных материалов. Рига: Механика полимеров, 1971. - № 1. - С. 113-121.

15. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1968. 191 с.

16. Грушецкий И.В., Микельсон М.Я., Тамухс В.П. Изменение жесткости однонаправленного волокнистого композита вследствие дробления волокон//Механика композитных материалов. 1982. - .№2. - С.211-216.

17. Гузь А.Н., Хорошун Л.П., Ванин Г.А. и др. Механика композиционных материалов и элементов конструкций. Киев: Наукова думка, 1982. - т. 1. -368 г.

18. Гузь А.Н. Григоренко Я.М. Бабич ИЮ. и др. Механика композиционных материалов и элементов конструкций. Киев: Наукова дугса, 1983. - т. 2 - 464 с.

19. Гуров К.П. Феноменологическая термодинамика необратимых процессов (физические основы) М.: Наука, 1978.

20. Дудченко А.А. Использование полубезмоментной теории для расчета многозамкнутых цилиндрических оболочек из армированного пластика // Механика композитных материалов. 1987. - № 4. - С. 635-641.

21. Дудченко А.А. Оптимальное проектирование элементов авиационных конструкций из композиционных материалов. М.: МАИ, 2002.- С. 50-51.

22. Дудченко А.А. Строительная механика пространственных композиционных конструкций. М.: МАИ, 1997.- 50 с.

23. Дудченко А.А., Лурье С.А., Образцов И.Ф. Анизотропные многослойные пластины и оболочки // Итоги науки и техники. Сер. Механика деформируемого твердого тела. Т. 15. М.: ВИНИТИ, 1983. - С. 3-68.

24. Дудченко А.А., Еллатьевский А.Н., Хворостинский А.И. Учебное пособие по проектированию и расчету тонкостенных конструкций из композиционных материалов. М.: МАИ, 1985.- 35 с.

25. Канаун С.К., Чудновский А.И. О квазихрупком разрушении. М.: Меканика твердого тела, 1970. - № 3. -С.185-186.

26. Киялбаев Д.А., Чудновский А.И. О разрушении деформируемых тел. -Новосибирск: ПМГФ, 1970. № 3.

27. Коллинз Дж. Повреждение материалов в Конструкциях. М.: Мир, 1984. 624 с.

28. Композицоинные материалы в конструкциях летательных аппаратов/ Под ред. А. Л. Абибова. М.: Машиностроение, 1975. 272 с.

29. Композиционные материалы. Т.2./Под ред. Л.Браутмана и Р.Крока// Механика композиционных материалов. М.: Мир, 1978. -564 с.

30. Композиционные материалы. Т. 7/ Под ред. Л.Браутмана и Р.Крока // Анализ и проектирование конструкций. - М.: Машиностроение, 1978.- 342 с.

31. Композиционные материалы. Т. 3 / Под ред. Л.Браутмана и Р.Крока // Применение композиционных материалов в технике. М.: Машиностроение, 1978.- 510 с.

32. Королев В.И. Слоистые и анизотропные пластинки и оболочки из армированных пластмасс. М.: Машиностроение, 1965. - 272 с.

33. Кристенсен Р. Введение в механику композитов. М.: Мир, 1982. - 334 с.

34. Крылов А.Ф. К вопросу об определении феноменологических коэффициентов в законе Онзагера. М.: Журнал технической физики, 1978. - Т.48 -№101. С.2214-2215.

35. Крылов А.Ф. О молекулярно-кинетическом обосновании линейного закона Онзагера М.: Журнал технической физики, 1978 Т. 48 - № 9 - С. 1969-1970.

36. Лехницкий С.Г. Анизотропнные пластинки. М.: Гостехиздат, 1957. - 463 с.

37. Лурье С.А., Юсефи Шахрам Об определении эффективных характеристик неоднородных материалов//Механика композиционных материалов и конструкций. 1997. - Т.З. - № 4. - С.76-92.

38. Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетере Г.А. Сопротивление полимерных и композитных материалов. Рига: Зинатне, 1980. - 572 с.

39. Масленников В.Г., Лавендел Э.Э. Энтропийны й критерий долговечности силовых резинотехнических деталей. Рига: Механика полимеров, 1975. - № 2. - С.241-247.

40. Масленников В.Г., Лавендел Э.Э. Энтропийный критерий долговечности силовых резинотехнических деталей. Рига: Механика полимеров, 1975. - № 2. - С.241-247.

41. Межслойные эффекты в композиционных материалов/Под ред. Н.Пэйгано. -М.: Мир, 1993.-346 с.

42. Механика Композиционных материалов и элементов конструкции/ А.Н.Гузь, Л.П.Хорошун, ГЛ.Ванин и др. Киев: Наукова думка. 1982. Т.1. - 368 с.

43. Механика композиционных материалов и элементов конструкции/ А.Н.Гузь, Я.М.Григоренко, И.Ю.Бабич и др. Киев: Наукова думка. 1983. - Т.2. - 464 с.

44. Неупругие свойства композиционных материалов/Под ред. Ю.М.Тарнопольского. М.: Мир, 1978. - 296 с.

45. Овчинский А.С. Процессы разрушения композиционных материалов. М.: Наука, 1988. 278 с.

46. Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. - М.: МГУ, 1984 336 с.

47. Прикладная механика композитов, Сборник статей/Под ред. .М.Тарнопольского. М.: Мир, 1989. - 358 с.

48. Разрушение конструкций из композитных материалов/Под ред. В.П.Тамужа и В.Д.Протасова. Рига: Зинатне, 1986. - 264 с.

49. Ромалис Н.Б. и Тамуж В.П. Разрушение структурно неоднороднык тел. -Рига: Зинатне, 1989. 224 с.

50. Роуландс Р. Течение и потеря несущей способности композитов в условиях двухосного напряженного состояния: сопоставление расчета и экспериментальных данных // В кн.: Неупругие свойства композиционных материалов. М.: Мир, 1978. - С. 140-179.

51. Скудра A.M., Булаве Ф.Я. Прочность армированных пластиков. М,: Химия, 1982.-214 с.

52. Скудра A.M., Булаве Ф.Я., Роценс К.А. Ползучесть и статическая усталость армированных пластиков. -Рига: Зинатне, 1971. С.235.

53. Тамуж В.П., Тетере Г.А. Проблемы механики композиционных материалов // Механика композитных материалов. 1979. - № 1.-е. 34-45.

54. Тарнопольский Ю.М., Розе А.В. Особенности расчета деталей из армированных пластмасс. Рига: Зинатне, 1969. - 274 с.

55. Тарнопольский Ю.М Скудра A.M. Конструкционная прочность и деформативность стеклопластиков. Рига: Зинатне, 1966. - 260 с.

56. Тетере Г.А. Пластины и оболочки из полимерных и композитных материалов Обзор // Механика полимеров. 1977. - №.4. - с. 486-492.

57. Тетере Г.А., Рикардс Р.Б., Нарусберг B.JI. Оптимизация оболочек из слоистых композитов. Рига: Зинатне, 1978. 240 с.

58. Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов. -М.: Мир, 1982.-232 с.

59. Цай С., Хан X. Анализ разрушения композитов// В кн.: Неупругие свойства композиционных материалов. М.: Мир, 1978 с. 104-139.

60. Aboudi Jacob Micromechanical analysis of fibrous composites with coulomb functional slippage between the planes//Mech. Mater., 1989. vol. 8- N2 2-3. -p.103-115.

61. Advances in Fibre Composite Materials / Edited by Takehito Fukuda, Zenichiro Maekawa, Toru Fujii, Current Japanese Materials Research: vol 12, Elsevier Science, Amsterdam, 1994,278 p.p.

62. Camponeschi E.T., Stinchcomb W.W. Stiffness reduction as an indicator of damage in Graphite-Epoxy laminates// Composite materials: testing & design (sixth conference) ABTM STP 787. 1982 - p 225-246

63. Crossman F.W., Wang A.S.D. The dependence of transverse cracking and delamination of ply thickness in graphite-epoxy laminates//Damage in composite materials. ASTM STP 775. 1982.

64. Destuyader P., Nevers T. Analysis of damage mechanism using the energy release rate//Mech. Coatings: Proc. 16th heeds-hyon Symp. Tribol., Lyou, 5th-8th Sept., 1989. Amsterdam ets., 1990. - p.37-44.

65. Hahn H.T., Tsai S.W. On the behavior of composite laminates after initial failures // J. Composite Materials. 1974. - vol. 8 - N 3. - P. 288-305.

66. Heitz E. Verbunstrukturn on Flutzenbau // Junstst. J.- 1978. V. 12. - N. 6. - P. 23-29.

67. Hertzberg R.W., Manson J.A. Fatigue of Engineering Plastics, Academic Press, New York, 1980,296 p.p.

68. Johnson W.S. Mechanisms of fatigue damage in Boron -Aluminum composites//Damage in composite materials. ASTM STP 775. 1982. - p.83-102.

69. Lam P.W.K., Piggott M.R. The durability of controlled matrix shrinkage composites//Journal of materials science. vol. 25. - 1990. - p.l 197-1202.

70. Larson F.R. Miller I. A time-temperature relationship for rupture and creep stresses Trans ASME, 1952. - vol. 74.- № 5.7

71. Lauraitis K.N. Fatigue of fibrous composite materials. ASTM STP 723. 1981.

72. Lurie S.A On the entropy damage accumulation model of composite materials//Proc. of workshop on computer synthesis or structure and properties of advanced composites Russia-US, 1994. -Inst, of Appl Mech. - p.6-18.

73. Mori Т.К. Average Stress in Matrix and Average Elastic Energy of Materials with Inclusion. Acta Metallurg, 1973, T. 21, pp. 571-574.

74. Myra T. Micromechanics of Defects in Solid. Martinus, 1982.

75. O"Brien Т.К. Characterization of delamination onset and growth in a composite laminate//Damage in composite materials. ASTM STP 775. 1982.- p.140-167.

76. O"Brien Т.К.; Reifsnider K.L. Fatigue damage evaluation through stiffness measurements in boron-epoxy laminates//Journal of Composite Materials vol. 15. -№ 1. -1981. - p.55-70

77. Reifsnider K.L. Fatigue behavior of composite materials/international journal of fracture. vol. 16. - № 6. - 1980. - p.563-583

78. Reifsnider K.L., Henneke E.G., Stinchcomb W.W., Duke J.C. Damage mechanics and NDE composite laminates//Mechanics of Composite Materials - Pergamon Press, 1983. p.399-420

79. Reifsnider K.L., Highsmith A.L. Characteristic damage states: A new approach to representing fatigue damage in composite laminates//Materials: Experimentation and Design in Fatigue. Westbury House, Guildford, Surrey, 1981. p.246-260.

80. Soborejo A.B.O. Use of entropy principles in estimating reliability functions for creep rupture characteristics of engineering materials al high temperatures, Proc. Internat. Conf. Strength. Metals and Alloys, Tokyo, 1967. -Sendai, 1968. - p.252-256.

81. Structural safety and reliability, 1, Proceeding of ICOSSAR"85, Kobe, Japan, 1985. p.425-434

82. Yang J.N., Jones D.L., Yang S.H., Meskini A. A stiffness degradation model for graphite-epoxy laminates//Journal of Composite Materials vol. 24. - July 1990. -p.753-769.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.

ПРОЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ ЛА

Лекция № 16. Расчёт панелей из композиционных материалов

Введение. Понятие о композиционных материалах, применяемых в авиастроении.

Анализ слоистых композиционных материалов. Слои композитных материалов. Анализ многослойных композитных структур. Алгоритм расчёта.

Для повторения ранее изложенного материала в курсе дисциплины «Материаловедение и ТКМ» рекомендуется обратиться к учебнику авт. А.Ф. Белов, В.В. Николаенко «Строение и свойства авиационных материалов» Гл. 8, стр. 209 … Раздел IV Материалы специального назначения.

§ 1. Конструкционные композиционные материалы на металлической матрице

Композиционные материалы (КМ) – это объёмно-армированные различными наполнителями металлы, сплавы, полимеры. Прочность, жёсткость и другие эксплуатационные характеристики таких материалов значительно выше, чем у армируемых матриц. Работы по созданию КМ диктуются потребителями современной техники.

Алюминий, армированный стальной проволокой применяется для оболочек ракет и топливных баков. Массу топливных баков удаётся снизить до 14% при сохранении эксплуатационных характеристик. Некоторые элементы фюзеляжа военных самолётов изготовляют из алюминиевых сплавов, армированных волокнами В (бора) и проволокой из стали. Успешно внедряются алюминиевые сплавы армированные бериллиевой проволокой. Использование КМ в двигателях аппаратов вертикального взлёта и посадки (АВВП) снижает на 33% массу маршевых двигателей на 45%.

По форме наполнителя можно выделить три (группы) типа КМ:

КМ армированные частицами;

КМ армированные волокнами;

Слоистые КМ.

Для уменьшения анизотропии волокнистых КМ, слои могут располагаться под разными углами друг к другу. Возможны следующие схемы укладок 3-х чередующихся слоёв волокон: 0º±30º; 0º±45º; 0º±60º. Для 2-х чередующихся слоёв: ±45º; ±60º и т. д.

1. Композиционные материалы, армированные частицами.

Микроструктура материалов, упрочнённых частицами, состоит из матрицы и равномерно в ней распределённых упорядоченных частиц. Если размер упорядоченных частиц l ≤ 10 -5 cм , материал называется дисперсно-упрочнённым , если l ≥ 10 -4 см , то это материалы, упрочнённые частицами. Объёмная доля упрочняющей фазы в КМ первого типа может быть различной и колебаться от нескольких единиц (в дисперсно-упрочнённых КМ) до десятков процентов в КМ, упрочнённых частицами.

Получают КМ, армированные дисперсными частицами, методами порошковой металлургии.

В дисперсно-упрочнённых материалах матрица воспринимает основную нагрузку, а дисперсные частицы создают эффективное сопротивление перемещению дислокаций в объёме зерна. Чем больше это сопротивление, тем выше степень упрочнения материала.

Такие материалы обладают высокой температурной стабильностью структуры, позволяют сохранять прочностные характеристики в широком температурном интервале, вплоть до (0,7 … 0,8) t м пл. – температуры плавления матрицы.

Примеры отечественных КМ является ВДУ-1, ВДУ-2, ВДУ-3, дисперсно-упрочнённые КМ.

Матрицей КМ ВДУ-1 и ВДУ-2 является Ni , дисперсными упрочнителями – частицы оксидов Тория ThO 2 и Gf (гафния) с содержанием частиц до 5% (объёма).

Зарубежным аналогом ВДУ-1 является ТД никель, в котором Ni упрочнён мелкодисперсным ThO 2 (диоксид тория), в количестве 2 … 4%.

В ВДУ-3 матрицей служит сплав Ni + Cr (никель-хром), упрочнителем – диоксид гафния GfO 2 . Сплавы и п/ф из них готовят методами порошковой металлургии (прутки, листы). Прочность этих сплавов несколько ниже Ni сплавов, но преимущество – в жаропрочности. Сплавы ВДУ применяются при t = 1100 … 1200 ºС. Промышленное применение находят сплавы КМ на основе W (вольфрама). Вольфрам упрочняют мелкодисперсными оксидами, карбидами.

Наибольшее применение нашли ThO 2 ; TaC (карбид тантала). Оксидные упрочнители повышают теплоэрозионную стойкость сопел из спечённого вольфрама. Для увеличения пластичности в дисперсно-упрочнённый W вводят Re (рений) в количестве 3 … 5%.

Разрабатывают дисперсно-упрочнённые материалы на основе Cr , Mo и др.

Для конструкций ЛА представляет интерес КМ на основе алюминия, упрочнённого частицами Al 2 O 3 (тип САП). Получают их методами порошковой металлургии прессованием мелкодисперсного Al порошка с его последующим спеканием. Свойства САП определяются количеством в нём Al 2 O 3 .

САП-1, -2, -3. 3-й – выше свойства: σ в , σ 0,2 ; δ ↓.

Основное преимущество этих сплавов – высокопрочность при t > 300ºС, при которых сплавы Д19, Д20, АК-4-1 разупрочняются, текут.

Из них делают профили разных видов, прутки, листы, трубы. САП поддаётся аргонно-дуговой сварке, листы можно соединять клёпкой. Плакированный лист удовлетворительно сваривается контактной сваркой. Эти материалы – для авиации и космонавтики.

2. Композиционные материалы, армированные волокном.

Расчет на прочность композитных материалов. Расчёт панелей из композиционных материалов

Литература

Литература

Рекомендованный список диссертаций

Расчет элементов конструкции из композиционных материалов с учетом накопления повреждений 1999 год, кандидат технических наук Юсефи Шахрам

Исследование особенностей разрушения композитных панелей с учётом структурной неоднородности и поврежденности 2012 год, кандидат технических наук Ле Ким Кыонг

Влияние термоциклических нагрузок на механические характеристики материала композитных панелей 2015 год, кандидат технических наук Нгуен Дак Куанг

Похожие диссертационные работы по специальности «Механика деформируемого твердого тела», 01.02.04 шифр ВАК

Краевые задачи механики неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов 1998 год, доктор физико-математических наук Вильдеман, Валерий Эрвинович

Оценка прочности композитных материалов и элементов конструкций при комбинированном нагружении 2000 год, доктор технических наук Резников, Борис Самуилович

Структурно-имитационное моделирование на ЭВМ процессов разрушения композиционных материалов 1984 год, доктор технических наук Овчинский, Анатолий Семенович

Композиционные материалы, их механико-структурный анализ и некоторые новые области применения 2000 год, доктор технических наук Елизаров, Сергей Вадимович

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Кадарман А Халим

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кадарман А Халим, 2007 год