Деформування і міцність шаруватих вуглепластиків при кімнатній та кріогенних температурах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МІЦНОСТІ ім. Г.С. ПИСАРЕНКА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

УДК 620.1: 539.3: 539.4

01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ДЕФОРМУВАННЯ І МІЦНІСТЬ ШАРУВАТИХ ВУГЛЕПЛАСТИКІВ

ПРИ КІМНАТНІЙ ТА КРІОГЕННИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Заразовський

Максим Миколайович

Київ

2009

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Інституті проблем міцності ім. Г.С. Писаренка

НАН України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Кучер Микола Кирилович

Інститут проблем міцності ім. Г.С.Писаренка

НАН України, завідувач лабораторії механічних випробувань композиційних матеріалів та елементів конструкцій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Кравчук Леонід Васильович

Інститут проблем міцності ім. Г.С.Писаренка

НАН України, завідувач відділу міцності елементів конструкцій з функціональними покриттями

доктор технічних наук, професор

Піскунов Вадим Георгійович

Національний транспортний університет,

завідувач кафедри опору матеріалів і машинознавства

Захист відбудеться " 22 " жовтня 2009 р. о 10 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26.241.01, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, 01014, м. Київ, вул. Тимірязєвська, 2

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, 01014, м. Київ, вул. Тимірязєвська, 2

Автореферат розісланий " 15 " вересня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Б.С. Карпінос



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Композиційні матеріали, зокрема, полімерні вуглепластики, армовані високоміцними односпрямованими волокнами, знаходять все ширше застосування в багатьох галузях науки і техніки. Їх перевагами перед металами є високі питомі жорсткістні і міцностні характеристики, значний опір розповсюдженню тріщин та дії циклічного навантаження, стійкість до агресивних середовищ, регульовані в широкому діапазоні теплові, електропровідні, магнітні, оптичні та інші властивості, взаємодія з випромінюваннями різної фізичної природи, а також ефекти вищих порядків, що проявляються в зв'язаних полях.

Загальні об'єми використання вуглепластиків в світі на даний час поступаються склопластикам. Але при цьому спостерігається стійка тенденція до росту темпів виготовлення деталей машин і елементів конструкцій з них. На сьогоднішній день використання епоксидних вуглепластиків в авіаційній і космічній техніці вже значно перевищили об'єми застосування всіх інших композитів.

До причин, що обмежують їх застосування в інженерній практиці, відносять: відсутність надійних експериментальних методик для визначення термомеханічних характеристик армованих структур, труднощі математичного моделювання процесів деформування і оцінки несівної здатності конструкцій, а також необхідність в нових більш економічних технологіях виготовлення композитів.

Процеси деформування в полімерних вуглепластиках досліджувались, як правило, при кімнатній і підвищених температурах. Використання таких матеріалів при низьких і кріогенних температурах вимагає додаткових досліджень механічних характеристик армованих шарів, аналізу процесів деформування та несівної здатності вуглепластиків і в умовах глибокого охолодження.

Тому актуальним є дослідження закономірностей деформування і міцності трансверсально-ізотропного окремого шару, ламінантів з різними схемами армування при різних видах термосилового навантаження і розробки на їх основі ефективних методик прогнозування несівної здатності шаруватих композитів.

Розв'язання таких задач дозволить більш повно описувати процеси деформування в армованих структурах, значно скоротить витрати на проведення дорогих натурних експериментів, дозволить проектувати економічні елементи конструкції і дасть можливість оцінити залишковий ресурс діючого обладнання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану наукових досліджень, проведених у відділі міцності матеріалів і елементів конструкцій при кріогенних температурах Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка Національної академії наук України і відповідає напрямку діяльності інституту "Граничні стани і критерії міцності матеріалів в екстремальних умовах". Робота виконана в межах держбюджетних тем: "Дослідження закономірностей деформування та міцності волокнистих композиційних матеріалів при статичному термосиловому навантаженні в широкому інтервалі низьких температур" (держреєстрація № 0102U003373, 2002-2006 р., виконавець), "Прогнозування несівної здатності вуглепластиків при кімнатній та кріогенних температурах" (держреєстрація № 0107U009613, 2007-2008 р., відповідальний виконавець).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - дослідити вплив пониження температури до 77 К на закономірності деформування і руйнування односпрямованих вуглепластиків та ламінантів на їх основі з різними схемами армування. На основі виконаних досліджень розробити методику прогнозування жорсткості, міцності і несівної здатності шаруватих вуглепластиків за плоского напруженого стану в широкому діапазоні температур.

Досягнення поставленої мети вимагало розв'язати наступні задачі:

1. Розробити методику експериментальних досліджень односпрямованого композита для визначення ефективних модулей пружності E₁, E₂, модуля зсуву G₁₂ та коефіцієнтів Пуассона н₁₂, н₂₁ при температурі Т=77 К.

2. Розробити методику та апаратуру для дослідження ефективних коефіцієнтів лінійного температурного розширення б₁ і б₂ односпрямованого композита та ламінантів з різними схемами армування в діапазоні температур ДТ=77…293 К.

3. Оцінити вплив охолодження до Т=77 К на температурні залежності параметрів E₁, E₂, G₁₂, н₁₂, н₂₁, б₁, б₂ односпрямованого вуглепластика та ламінантів з різними схемами армування.

4. Визначити міцність односпрямованого (у?₊₁, у?_-1, у?₊₂, у?_-2, у?₁₂) вуглепластика та ламінантів з різними схемами армування при Т=293 і 77 К.

5. Дослідити вплив залишкових напружень в шаруватих вуглепластиках на початок тріщиноутворення при охолодженні до температури Т=77 К.

Об'єкт дослідження - закономірності деформування і міцність односпрямованих полімерних вуглепластиків та ламінантів, виготовлених на їх основі з різними схемами армування.

Предмет дослідження - термомеханічні характеристики і граничний стан односпрямованих вуглепластиків та ламінантів, виготовлених на їх основі, з різними схемами армування при температурах Т=293 і 77 К; узагальнені моделі прогнозування термомеханічних параметрів та несівної здатності шаруватих композитів; критерії міцності ортотропних матеріалів, що знаходяться в умовах плоского напруженого стану.

Методи дослідження - експериментальне визначення термомеханічних характеристик (E₁, E₂, G₁₂, н₁₂, н₂₁, б₁, б₂) та руйнівних напружень (у?₊₁, у?_-1, у?₊₂, у?_-2, у?₁₂) при температурах Т=77 і 293 К за умов статичного навантаження; розробка теоретичих моделей, алгоритмів і програм для реалізації чисельних процедур; порівняльний аналіз розроблених і найбільш відомих в літературі підходів щодо прогнозування термомеханічних параметрів та несівної здатності шаруватих композитів в умовах термосилового навантаження; порівняння розрахункових даних із результатами експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів.

Розроблена модель для прогнозування несівної здатності шаруватих композитів з урахуванням деградації механічних характеристик в процесі деформування в рамках концепції міцності окремого шару.

Розроблені експериментальні методики для визначення характеристик пружності (E₁, E₂, G₁₂, н₁₂) шаруватих композиційних матеріалів при кріогенній температурі Т=77 К.

Розроблена методика випробувань шаруватих композиційних матеріалів для визначення коефіцієнтів лінійного температурного розширення в інтервалі низьких температур ДТ=77…293 К.

Отримані нові експериментальні дані про механічні характеристики і руйнівні напруження односпрямованих вуглепластиків та композитів з різними схемами армування при Т=77 і 293 К.

Отримані нові експериментальні дані про коефіцієнти лінійного температурного розширення (б₁, б₂) односпрямованих та шаруватих вуглепластиків в діапазоні температур ДТ=77…293 К.

Досліджені закономірності деформування та міцність односпрямованих вуглепластиків та вуглепластикових ламінантів при статичному термосиловому навантаженні.

Практичне значення одержаних результатів полягає у:

1) можливості застосування розробленої методики при проектуванні елементів конструкцій із шаруватих композиційних матеріалів;

2) створених експериментальних методиках і кріогенному обладнанні, за допомогою яких можна визначати механічні характеристики шаруватих композиційних матеріалів для їх паспортизації;

3) можливості визначення коефіцієнта лінійного температурного розширення твердого тіла в діапазоні температур ДТ=77…293 K;

4) нових експериментальних даних про термомеханічні характеристики та міцність односпрямованих вуглепластиків при температурі Т=77 К.

Достовірність отриманих результатів забезпечується використанням апробованих аналітичних методів розв'язання крайових задач, фізично обґрунтованих моделей матеріалів, доброю кореляцією теоретичних результатів як з отриманими в роботі, так і з наведеними в літературних джерелах експериментальними даними.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є завершеним науковим дослідженням, що виконано під науковим керівництвом доктора технічних наук М.К. Кучера у відділі міцності матеріалів і елементів конструкцій при кріогенних температурах Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України. Здобувачем особисто розроблені експериментальні методики дослідження композиційних матеріалів в середовищі рідкого азоту, метод визначення коефіцієнта лінійного температурного розширення твердого тіла в інтервалі температур ДТ=77…293 К, на який отриманий патент України. Проведені експериментальні випробування при двох фіксованих температурах (293 і 77 К) на розтяг, стиск, згин та антиплоский згин зразків із вуглепластиків з різними схемами армування, на основі яких були визначені відповідні ефективні константи пружності та величини руйнівних напружень. Проведені дилатометричні експерименти, для визначення температурних залежностей ефективних коефіцієнтів лінійного термічного розширення односпрямованого вуглепластика в діапазоні температур ДТ=77…293 К. Запропонована методика прогнозування міцності шаруватих ортотропних композитів при плоскому напруженому стані за умов статичного термосилового навантажування з урахуванням залишкових термічних напружень. На її основі розроблені програми для розрахунку НДС та прогнозування несівної здатності шаруватих прогнозування розподілу напружень в шарах композита та залишкових термічних напружень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися на: XIII (Рига, Латвія, 2004 р.), XIV (Рига, Латвія, 2006 р.) міжнародних науково-технічних конференціях "Mechanics of Composite Materials"; міжнародній науково-технічній конференції "Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій" (Київ, 2005 р.); IV Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів "Зварювання та суміжні технології" (Ворзель, 2007 р.); міжнародній молодіжній науково-технічній конференції "Молодежь в авиации: новые решения и передовые технологии" (Алушта, 2008 р.), VIIІ міжнародній науково-технічній конференції "Прогресивна техніка та технологія - 2008" (Київ, 2008 р.), VII конференції молодих учених і спеціалістів (Росія, Санкт-Петербург, 2008 р.).

У повному обсязі робота доповідалась і обговорювалась на семінарі відділу міцності матеріалів і елементів конструкцій при кріогенних температурах Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України (Київ, 2009 - керівник - член.-корр. НАН України В.О. Стрижало), на кущовому семінарі "Статична міцність" Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України (Київ, 2009 - керівник - академік НАН України А.О. Лебедєв).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 наукових праць, з них 2 статті у зарубіжних журналах [1, 3], 5 статей у вітчизняних фахових виданнях [2, 4-7], 1 патент на корисну модель [8] та 6 доповідей у збірках праць міжнародних конференцій [9-14].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, додатку та списку використаних джерел. Праця викладена на 145 сторінках, в тому числі 30 рисунків, 2 з яких на окремих сторінках, 11 таблиць, перелік використаних джерел з 179 найменувань на 18 сторінках та 1 додаток.



Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність і мету роботи, відзначена наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, їх достовірність, коротко викладені основні результати роботи і подана інформація про апробацію, структуру та обсяг роботи.

Перший розділ присвячений огляду проблем, пов'язаних із дослідженням механічної поведінки та міцності шаруватих композиційних матеріалів, в тому числі, епоксидних вуглепластиків, що знаходяться під дією статичного навантаження.

Відзначено вагомий внесок в розвиток механіки композиційних матеріалів фундаментальних праць М.Х. Арутюняна, О.К. Ашкеназі, В.В. Болотіна, В.В. Васильєва, Г.А. Ваніна, Й.І. Гольденблата, О.М. Гузя, Д.М. Карпіноса, О.К. Малмейстера, Г.С. Писаренка, В.Г. Піскунова, Б.Ю. Победрі, Ю.М. Работнова, А.М. Скудри, В.П. Тамужа, Ю.М. Тарнопольського, Л.П. Хорошуна, І.М. Францевіча, а також Е. Ву, К. Гераковіча, Р. Крістенсена, Г. Любовіца, У. Розена, Дж. Сендецкі, С. Цая, К. Чаміса, З. Хашіна та ін. Роботи згаданих авторів створили наукові основи методів розрахунків напружено-деформованого стану та міцності композиційних матеріалів, сприяли більш глибокому розумінню реальних процесів, що відбуваються при їх деформуванні, виявили і пояснили цілий ряд нових якісних ефектів.

Значний внесок в розвиток експериментальних методів дослідження композитів внесли В.О. Борисенко, В.Т. Головчан, П.А. Зінов'єв, І.Г. Жигун, Г.М. Третьяченко, Ю.М. Тарнопольський, В.А. Копнов, Л.В. Кравчук, Т.Я. Кінціс, В.Л. Кулаков, І.В. Образцов, В.А. Поляков, Д. Адамс, Л. Карлсон, С. Цай, Т. Фудзії та ін. В їхніх роботах висвітлені особливості механічної поведінки композиційних матеріалів та описані методи їх експериментального дослідження. На основі результатів досліджень створені відповідні стандарти для визначення ефективних термомеханічних характеристик для оцінки несівної здатності композитів.

Відмічено, що не дивлячись на досягнуті успіхи в експериментальній механіці за останні роки, глибина розробки методів випробувань композиційних матеріалів та ступінь їх стандартизації залишаються неоднаковими. Як і раніше, основні труднощі мають місце при вивченні жорсткості і міцності композитів при зсуві, вимагають подальших розробок методики визначення параметрів міцності анізотропних матеріалів для різних видів напруженого стану. Необхідні подальші дослідження, систематизація і узагальнення закономірностей деформування та міцності композиційних матеріалів, як при низьких так і при високих температурах.

Коротко описані теорії розрахунку напружено-деформованого стану шаруватих композицій. Відмічено значний вклад у розробку теорій деформування шаруватих матеріалів і елементів конструкцій А.М. Амбарцумяна, Ф.Я. Булавса, Г.А. Ваніна, О.В. Горіка, Я.М. Григоренка, Е.І. Григолюка, Л.М. Куршина, Б.П. Маслова, В.Г. Піскунова, О.О. Рассказова, Г.М. Савіна, А.М. Скудри, Ю.М. Шевченка, Н.О. Шульги, Л.П. Хорошуна та ін. Приведено огляд найпоширеніших критеріїв міцності ортотропного тіла. Проаналізовані можливості аналітичних методик прогнозування міцності та жорсткості односпрямованих композитів.

Як неодноразово відмічалось, процес руйнування шаруватих композиційних матеріалів починається з локальних руйнувань матриці або зв'язків між волокном і матрицею, що супроводжується утворенням і розвитком тріщин у відповідних напрямках. При цьому матеріал може як відразу зруйнуватися розділенням на дві частини, так і продовжувати чинити опір подальшому деформуванню. Такі процеси тріщиноутворення майже не проявляються в макроскопічній механічній поведінці композита і їх важко зафіксувати експериментально. Підхід, що дозволяє встановити початок руйнування композитів, відомий в літературі як руйнування першого шару.

Процеси деформування і руйнування багатошарових композицій після руйнування першого шару досліджувались в роботах С. Цая, Н. Дау, У. Розена, І.В. Образцова, В.В. Васильєва. Опис процесу деформування композита після початку тріщиноутворення здійснювався шляхом заміни механічних характеристик останнього в рамках прийнятої моделі деградації. Однак в наведених моделях не враховувалися можливості руйнування шару від дотичних та стискаючих трансверсальних напружень.

Подальший розвиток моделей деградації характеристик шару знайшов своє відображення в роботах П.О. Зінов'єва, В. Вольфа і Т. Буталії, Т. Богетті зі співавторами та Ч.Т. Сана і Й. Тао.

Основним недоліком цих робіт слід вважати і неврахування залежностей механічних характеристик матеріалу від температури та ігнорування наявності термічних напружень в шаруватих композитах.

Аналіз літературних даних по механічній поведінці шаруватих вуглепластиків при кріогенних температурах дозволяє зробити висновок, що навіть при відсутності силового впливу у матриці окремих шарів виникають серії тріщин, тобто матеріал деградує під впливом температури. Існуючі аналітичні методики розрахунку міцності не враховують цей факт.

Слід відмітити, що відомі підходи не дозволяють достатньо ефективно прогнозувати міцність шаруватих пластиків, виходячи із міцності окремого шару. Розробка узагальненої моделі прогнозування міцності шаруватих композиційних матеріалів з урахуванням залишкових термічних напружень і деградації механічних параметрів шару є актуальною задачею, що має як наукове, так і практичне значення.

У другому розділі описані відомі і розроблені експериментальні методики дослідження механічних параметрів шаруватих вуглепластиків при статичному навантажуванні за температур Т=293 і 77 К, приведений опис дилатометричних дослідженнь в температурному діапазоні ДТ=77…293 К, наведені характеристики випробувальної установки, обґрунтована програма досліджень.

Експериментальні дослідження проводились на установці Instron 1126 сервогідравлічного типу з реверсивною схемою навантажування зразка і граничним зусиллям 250 кН. Установка обладнана вимірювальною та реєструючою апаратурою.

Відносні граничні похибки вимірювань становили: по видовженню - 1,00 %, по навантаженню - 1,00 %, по температурі -- 1,48 %.

В якості досліджуваних матеріалів були вибрані епоксидні вуглепластики на основі вуглецевої стрічки ЛУ-3 і епоксидної смоли ЭД-20, що являються перспективними для використання в кріогенній техніці, авіа- та суднобудуванні. Для експериментальних досліджень використовували зразки з симетричними відносно їх серединної площини схемами армування. Кожен шар таких композитів складається з системи паралельних волокон, що рівномірно розподілені у в'язнику - полімерній матриці. Схема і геометричні характеристики шаруватого композиту, його осі ортотропії та осі ортотропії шару показані на рис. 1.

Деформаційні властивості ортотропного тіла в рамках пружної моделі характеризуються дев'ятьма незалежними ефективними параметрами пружності: трьома модулями Юнга E_x, E_y, E_z, трьома модулями зсуву G_xy, G_xz, G_yz, трьома коефіцієнтами Пуасона н_xy, н_xz, н_yz, а також трьома коефіцієнтами лінійного термічного розширення б_x, б_y, б_z. Його міцність визначається дванадцятьма величинами у?_+x, у?_-x, у?_+y, у?_-y, у?_+z, у?_-z, у?_xy, у?_xz, у?_yz, (тут "+" означає розтяг, "-" - стиск). У випадку плоскої задачі число пружніх констант, коефіцієнтів термічного розширення та характеристик міцності зменшується до чотирьох, двох та п'яти відповідно E_x, E_y, G_xy, н_xy, б_x, б_y, у?_+x, у?_-x, у?_+y, у?_-y, у?_xy.

Згідно з планом досліджень експериментально визначені:

· всі константи пружності та характеристики міцності односпрямованого вуглепластика в рамках плоскої задачі для двох фіксованих температур Т=293 і 77 К;

· температурні залежності коефіцієнтів лінійного термічного розширення односпрямованого вуглепластика в напрямку волокон і в трансверсальному напрямку в інтервалі ДТ=77…293 К;

· пружні константи шаруватих вуглепластиків з різними схемами армування та їх параметри міцності у?_+x, у?_-x, у?_+y, у?_-y.

Для охолодження зразків до кріогенних температур розробляли кріостати для кожного виду навантаження. В якості охолоджувача вико-ристовували рідкий азот. Експерименти для визначення механічних характеристик про-водили в жорсткому режимі статичного навантажування при швидкості деформування 3,33Ч10^-5 с^-1.

Із експериментів на одновісний розтяг визначали наступні ефективні механічні характеристики: поздовжній модуль Юнга, коефіцієнт Пуассона, діаграму деформування та граничні напруження і деформацію. Залежності у - е для деяких досліджуваних вуглепластиків приведені на рис. 2, де цифрами позначені композити із наступними схемами армування: 1 - [0]₂₅, 2 - [0₃/90/0₂/45/0/90/0₂/90/45/0/-45]_S, 3 - [90₃/0/90₂/±45/90/0/90₂/0/-45/90/45]_S, 4 - [90]₂₅. Механічні параметри матеріалів обчислювали на основі результатів випробувань призматичних зразків довжиною 250 мм і шириною 12 мм з накладками в місцях захватів. Під час випробувань дотримувалися регламентацій ГОСТ 25.601-80.

Експериментальні дослідження на стиск вуглепластиків проводили у відповідності з ГОСТ 25.602-80. Передачу зусиль на зразок здійснювали і по торцях, і по бокових гранях, що дозволяє більш точно визначати характеристики міцності. При визначенні міцності у?_-2 односпрямованого вуглепластика в трансверсальному напрямку дотри-мувались рекомендацій ASTM D 695-02 для піддатливих пластиків; передачу навантаження здійснювали по торцях зразка. З досліджень на стиск визначали ефективні модуль поздовжньої пружності, діаграму деформування та відповідну міцність. Діаграми деформування для деяких досліджуваних вуглепластиків приведені на рис. 3 (тут позначення аналогічні рис. 2.).

Модуль зсуву G₁₂ і міцність у?₁₂ односпрямованого вуглепластика обраховували на основі аналізу результатів експериментів по розтягу зразків [±45]₁₂, згідно з ASTM D3518 та ISO 14129. Діаграми зсуву показані на рис. 4.

При визначенні механічних характеристик вуглепластиків із врахуванням можливого розкиду експериментальних даних, вимірювання виконували на п'яти зразках для кожного виду деформування. Отримані величини потім осереднювали.

В табл. 1, разом з відповідними коефіцієнтами варіації, наведені експериментально визначені значення констант пружності та параметрів міцності односпрямованого вуглепластика при Т=293 і 77 К.

Міжшарову міцність та жорсткість шаруватих вуглепластиків з різними схемами армування визначали в результаті обробки даних експериментів на згин при температурах Т=293 та 77 К.

Для визначення коефіцієнтів лінійного теплового розширення шару вуглепластика в діапазоні температур ДТ=77…293 К була розроблена і запатентована спеціальна методика і виготовлено необхідне обладнання.

Даний метод відрізняється від інших вимірюванням температурної деформації безпосередньо на зразку за допомогою тензометра. При цьому останній вносить свою похибку у вимірювання, яка залежить від температури. Тому для визначення цієї систематичної похибки спочатку проводили дослідження на зразку з еталонного матеріалу, коефіцієнт термічного розширення якого відомий.

Таблиця 1

Механічні характеристики односпрямованого вуглепластика

Т, К	E1, ГПа	E2, ГПа	G12, ГПа	н12	у?+1, МПа	у?-1, МПа	у?+2, МПа	у?-2, МПа	у?12, МПа
293	154,1 ±7,3	9,2 ±0,2	4,4 ±0,3	0,31 ±0,4	885 ±10	992 ±13	35 ±2	155 ±16	82 ±2
77	173,3 ±1,2	10,1 ±0,1	5,2 ±0,2	0,31 ±0,2	848 ±11	1017 ±18	22 ±3	230 ±1	103 ±3

Після проведення дилатометричних випробувань над досліджуваним матеріалом знаходили його коефіцієнт термічного розширення. Залежності коефіцієнтів температурного розширення б₁(T) і б₂(T) односпрямованого вуглепластика приведені на рис. 5. При цьому для кожної точки, що зображена на рис. 5 квадратиком, обирався температурний інтервал ДT=T₂-T₁=40K, що задо-вольняє вимогам стандарту ДСТУ 2308-93.

Як видно із отриманих результатів, даний односпря-мований вуглепластик - суттєво анізотропний матеріал. При його охолодженні до темпетатури Т=77 К модулі пружності E₁, E₂, G₁₂ збільшуються на 14,7; 9,8 і 18,2% відповідно. Головний коефіцієнт Пуассона н₁₂ можна вважати постійним. Руйнівні напруження: у?₊₁ - збільшується на 4%, а у?_-1 - зменшуються на 2,5%. Найбільших змін зазнає міцність у трансверсальному напрямку: компонента у?₊₂ зменшується на 37%, а у?_-2 - збільшується на 48%. Міцність на зсув в площині армування у?₁₂ також збільшується приблизно на 26%. Шаруваті вуглепластики характеризуються низьким опором деформуванню в напрямку ортогональному до площини армування і міжшаровому зсуву, як при кімнатній, так і кріогенних температурах. Значна відмінність коефіцієнтів лінійного теплового розширення в напрямку осей транстропії (майже в 40 раз) в залежності від температури експлуатації шаруватих вуглепластиків призводить до виникнення істотних термічних напружень.

У третьому розділі проаналізовані сучасні методики прогнозування харак-теристик пружності, коефіцієнтів лінійного температурного розширення та міцності односпрямованих вуглепластиків, виходячи з відповідних характеристик складових композиції. Проаналізовані методи розрахунку напружено-деформованого стану в шаруватих композиціях та виконані розрахунки розподілу механічних та термічних напружень у композитах з різними схемами армування.

В табл. 2, 3 і 4 для кімнатної температури представлені розраховані за різними моделями ефективні константи пружності односпрямованого вуглепластика, їх ефек-тивні коефіцієнти лінійного термічного розширення і ефективні постійні пружності композита [0₃/90/0₂/45/0/90/0₂/90/45/0/-45]_S. При цьому використовувались

Таблиця 2

Результати розрахунків ефективних характеристик пружності односпрямованого композита при використанні різних моделей деформування

	Експери-мент, Т=293 К	Модель Рейсса-Фойгта	Модель коаксіальних циліндрів	Модель Ваніна Г.А.	Модель Кільчинсь-кого-Хашіна-Розена
, ГПа	154,1	139,08	139,08	139,08	139,08
, ГПа	9,2	7,65	11,5	7,76	12,11
, ГПа	4,4	2,90	4,6	4,37	4,37
, ГПа	-	-	-	3,77	4,74
	0,310	0,309	0,314	0,310	0,307

Таблиця 3

Розрахункові та експериментально визначені коефіцієнти лінійного термічного розширення односпрямованого вуглепластика

КЛТР	Результати експериментів	Модель Рейсса-Фойгта	Модель Левіна
, К-1	0,7310-6	0,3210-6	0,3610-6
, К-1	27,3710-6	32,1210-6	68,0410-6



Таблиця 4

Результати розрахунків характеристик пружності та випробувань вуглепластика [0₃/90/0₂/45/0/90/0₂/90/45/0/-45]_S при Т=293 К

Ефективні характеристики композита	Прогнозовані характеристики пружності	Результати випробувань	Похибка розрахунку, %
, ГПа	100,2	92,5	8,32
, ГПа	46,4	38,7	19,89
, ГПа	11,7	11,5	1,74
	0,22	0,26	15,38

наступні механічні характеристики епоксидної смоли E_m=3,500 ГПа, G_m=1,325 ГПа, н_m=0,32, б_m=7210^-6 К^-1; та вуглецевого волокна E_f=250,000 ГПа, G_f=96,150 ГПа, н_f=0,3, б_f=-0,510^-6 К^-1 ; об'ємний вміст волокон в композиції c=0,55.

Як видно із таблиць, спостерігається добра кореляція розрахункових та експериментальних значень констант пружності односпрямованого вуглепластика і задовільна для шаруватих композицій. При порівнянні розрахункових і експериментально визначених ефективних коефіцієнтів лінійного термічного розширення спостерігається значно гірша їх кореляція.

Аналіз розрахованих розподілів напружень в шарах ламінантів показав, що у випадку силового навантаження і модель опору матеріалів, і теорія шаруватих пластин, і статистичний підхід теорії пружності анізотропного тіла дають близькі результати. Однак при порівнянні розрахункових термічних напружень з результатами випробувань інших авторів (табл. 5) чітко видно переваги статистичного підходу механіки композиційних матеріалів, зокрема перед класичною теорією шаруватих пластин.



Таблиця 5

Термічні напруження в зовнішньому шарі и=90є вуглепластика [90₆/0₁₀]

Компоненти залишкових напружень	Результати випробувань Shokrieh- Kamali	Класична теорія шаруватих пластин	Теорія пружності неоднорідних структур
у1, МПа	24	32	21
у12, МПа	2	0	0
у2, МПа	12	11	13

На рис. 6 і 7 показані відповідно розподіли напружень в шарах вуглепластика розраховані з використанням статистичного підходу механіки композиційних матеріалів від дії лише розтягуючого напруження у_о в напрямку осі 0х за температури Т=77 К і термічних напружень за цієї ж температури. Тут Н - товщина композиту, а відповідна штриховка позначає шари, армовані волокнами в напрямках: - 0єРазмещено на http://www.allbest.ru/

; - 90єРазмещено на http://www.allbest.ru/

; -Размещено на http://www.allbest.ru/

-45є; - Размещено на http://www.allbest.ru/

+45є.

Як видно з рис. 6, напруження в шарах розподіляються пропорційно їх жорсткості в напрямку дії навантаження, при цьому всі шари перебувають в умовах плоского напруженого стану. Слід зауважити, що на цих рисунках поля напружень представлені в осях ортотропії шаруватого пакету. У табл. 6 приведені значення термічних напружень, перераховані відносно осей ортотропії кожного шару.

Таблиця 6

Значення термічних напружень в шарах вуглепластика при Т=77 К

Компонента напруження	Орієнтація шару
	0	90	45	-45
у1, МПа	-151,722	459,793	756,898	756,898
у2, МПа	32,296	44,909	-3,631	-3,631
у12, МПа	-	-	-8,336	8,336

Як видно із табл. 6, в шарах з кутами армування и=0 і 90є виникають значні термічні напруження, що перевищують відповідну границю міцності (у?₊₂=22МПа), при відсутності будь-якого силового впливу.

У четвертому розділі представлена розроблена модель деградації характеристик жорсткості окремого шару для прогнозування несівної здатності шаруватих композицій із врахуванням залежності механічних характеристик шару від температури і наявності залишкових термічних напружень.

В табл. 7 показані розраховані за моделями Розена-Дау характеристики міцності односпрямованого вуглепластика та аналогічні величини, визначені експериментально при кімнатній температурі. Як видно з таблиці, коректно прогнозувати міцність односпрямованого вуглепластика можна лише при розтягу в напрямку волокон. У всіх інших випадках розрахунки дають незадовільні результати.

Таблиця 7

Порівняння експериментальних значень міцності з розрахунковими

Компоненти тензора міцності	у?+1	у?-1	у?+2	у?-2	у?12
Експериментальні дані, МПа	885	992	35	155	82
Розрахункові значення, МПа	862	2944	23	50	39
Похибки розрахунків, %	2,6	-196,8	34,3	67,7	52,4

Ґрунтуючись на отриманих експериментальних даних про несівну здатність шаруватих пластиків і виходячи із аналізу закономірностей його руйнування при різних фіксованих значеннях температури, на основі критерію максимальних напружень для шару, розроблена модель деградації механічних характеристик шару, а також запропонована методика прогнозування міцності армованих структур.

Основні гіпотези, що покладені в основу запропонованої моделі.

1. Всі шари композиційного матеріалу вважаються лінійно-пружними аж до остаточного його руйнування.

2. При деформуванні композита має місце жорстке з'єднання між сусідніми шарами.

3. В процесі часткового або повного руйнування окремих шарів зв'язок між шарами не порушується.

4. Має місце однорідність поля деформацій по товщині композита та однорідність компонент тензора локальних напружень в кожному шарі.

5. Якщо в процесі деформування шару одна з компонентів тензора напруження досягла відповідної границі міцності, то в цьому напрямку шар перестає чинити опір деформуванню.

Таким чином, якщо напруження в шарі досягають значень, при яких не виконується одна з умов

; ; , (1)

то у відповідному напрямку шар перестає нести навантаження. Водночас він продовжує чинити опір деформуванню в інших напрямках.

Деградація механічних властивостей шару залежить як від співвідношення між напруженнями, так і від напрямку їх дії. Опишемо докладніше всі можливі випадки напруженого стану, що виникають в процесі деформування, і відпо-відні види руйнування шару.

1. Якщо нормальні напру-ження, що діють в напрямку волокон, досягають свого кри-тичного значення, то можливі два випадки руйнування шару - внаслідок дії розтягуючих або стискаючих напружень, як пока-зано на рис. 8.

В обох випадках будемо вважати, що односпрямований композит не здатний більше чинити опір деформуванню взагалі.

2. Якщо трансверсальні напруження розтягу досягають свого критичного значення, то має місце руйнування шару в трансверсальному напрямку, як показано на рис 9а. У цьому випадку матеріал не здатний опиратися як трансверсальним, так і дотичним напруженням, але здатний чинити опір деформуванню в напрямку осі 1.

3. Коли стискаючі трансверсальні напруження досягли значення руйнівних (рис. 9б), то шар може опиратися деформуванню лише в напрямку армування.

4. Дотичні напруження шару досягли своїх граничних величин. В такому разі матеріал руйнується в площині 103, як показано на рис. 9в. Будемо вважати, що шар здатний опиратися і надалі як поздовжнім, так і трансверсальним стискуючим напруженням, і не може чинити опір як дотичним, так і розтягуючим напруженням в напрямку осі 02.

Отже, умови деградації характеристик жорсткості шару можна сформулювати наступним чином.

Якщо діючі напруження в шарі задовільняють одну із трьох систем

(2)

то для відповідної матриці жорсткості необхідно вважати рівними нулеві наступні характеристики

E₂=G₁₂=н₁₂=н₂₁=н₂₃=н₃₂. (3)

В разі задоволення напруженнями системи умов

(4)

то у матриці пружних коефіцієнтів шару необхідно покласти G₁₂=0.

Нарешті, для випадку, коли

або , (5)

необхідно прийняти рівними нулеві параметри

E₁=E₂=G₁₂=н₁₂=н₂₁=н₂₃=н₃₂=н₁₃=н₃₁. (6)

Слід зазначити, що модель деградації характеристик пружності (6) для випадків (5) запропонована вперше.

За даною методикою був розроблений алгоритм прогнозування міцності шаруватого композита, в якому організовується процедура з поступовим пропорційним збільшенням його навантаження. Розподіл напружень в шарах розраховувався за допомогою формул Л.П. Хорошуна, виведених на основі статистичного підходу механіки композиційних матеріалів. Після досягнення будь-якої компоненти тензора напруження свого критичного значення перераховується матриця жорсткості відповідного шару і повторюється процес обчислення, виходячи з інших ефективних параметрів ламінанту. Обчислення продовжують до тих пір, поки пакет шарів ще може нести навантаження, що призвело до останньої деградації.

Побудовані за даним алгоритмом перерізи поверхні руйнування вуглепластика [0₃/90/0₂/45/0/90/0₂/90/45/0/-45]_S для двох фіксованих значень температури приведені на рис. 10. Тут цифрами позначені: 1 - результати обчислень несівної здатності композита за даною методологією, 2 і 3 - криві граничних напружень по методиці "руйнування першого шару" за критеріями максимальних напружень і Хоффмана відповідно, - експериментальні дані.Размещено на http://www.allbest.ru/

Слід зазначити, що при розрахунках несівної здатності композита враховували залежність термомеханічних характеристик матеріалу від температури і наявність термічних напружень (див. рис. 7).

На рис. 11а і 11б приведені діаграми деформування багатошарового вуглеплас-тика при його розтязі в напрямку осі 0х побудовані за даною методикою та експери-ментально отримані залежності при температурах Т=293 і 77 К відповідно. На розра-хункових кривих відмічені характерні точки "перелому", пов'язані з локальними руй-нуваннями окремих шарів. Тут ДТ=Т-Т_кр. - різниця температур для розрахунку термічних напружень в шарах композиту, де Т_кр. - температура кристалізації матриці, при якій відсутні термічні напруження (для даного вуглепластика Т_кр.=324 К).

Відмітимо, що вищезазначена методика дозволяє прогнозувати жорсткість і міцність шаруватого композиційного матеріалу ще на стадії його проектування, виходячи із його схеми армування та термомеханічних характеристик окремого шару.



ВИСНОВКИ

В результаті теоретичних і експериментальних досліджень розв'язана наукова задача прогнозування несівної здатності шаруватих композитів за кімнатної та кріогенних температур.

1. Розроблено методику прогнозування деформування і руйнування шаруватих композиційних матеріалів за умов плоского напруженого стану у широкому діапазоні температур.

2. Визначені закономірності температурних залежностей ефективних пружних характеристик, коефіцієнтів лінійного теплового розширення і характеристик міцності односпрямованих вуглепластиків і шаруватих вуглепластиків з різними схемами армування.

3. Показано, що при розрахунках деформування і міцності шаруватих вуглепластиків за кріогенних температур необхідно враховувати термічні напруження та температурні залежності термомеханічних характеристик матеріалу.

4. Розроблена нова методика для визначення коефіцієнта лінійного теплового розширення твердого тіла в інтервалі температур ДТ=77…293 К.



ПЕРЕЛІК НАУКОВИХ ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Деформирование слоистых стеклопластиков, армированных тканью сатинового переплетения, при комнатной и низких температурах / Н.К. Кучер, А.З. Двейрин, М.П. Земцов, М.Н. Заразовский // Механика композитных материалов. - 2004. - Т. 40, № 3. - С. 341-354.

Здобувачем проведено розрахунки ефективних констант жорсткості шаруватого склопластика.

2. Кучер Н.К. Деформирование слоистых эпоксидных композитов, армированных высокопрочными волокнами / Н.К. Кучер, М.Н. Заразовский, М.П. Земцов // Проблемы прочности. - 2006. - Т. 38, № 1. - С. 41-54.

Здобувачем виготовлено кріостати, проведено експериментальні дослідження на розтяг, стиск, згин та антиплоский згин зразків з склопластиків та вуглепластиків при статичному навантаженні за температур 293 і 77К, виконано обробку та аналіз результатів експериментів, проведені розрахунки ефективних модулів пружності та коефіцієнтів Пуассона шаруватих композитів.

3. Кучер Н.К. Закономерности деформирования и прочность слоистых углепластиков, армированных однонаправленными волокнами / Н.К. Кучер, М.П. Земцов, М.Н. Заразовский // Механика композитных материалов. - 2006. - Т. 42, № 5. - С. 583-598.

Здобувачем зроблено частину огляду літератури, виконано аналіз мікромеханічних методик прогнозування жорсткості односпрямованих композитів, проведено розрахунки НДС в шарах вуглепластика, побудовано перерізи поверхонь граничних напружень вуглепластика при плоскому напруженому стані за підходом "руйнування першого шару".

4. Кучер Н.К. Сопротивление деформированию полимерных композитов, армированных однонаправленными волокнами или тканями / Н.К. Кучер, М.П. Земцов, М.Н. Заразовский // Надежность и долговіеность машин и сооружений. - 2006. - Вып. 26. - С. 241-249.

Здобувачем експериментально визначено всі ефективні характеристики жорсткості склопластиків і вуглепластиків та їх міцності при розтязі, стиску і згині за температур 77 і 293К, написано програму для розрахунку ефективних жорсткостей, НДС і визначення початку локальних руйнувань у вуглепластиках.

5. Кучер Н.К. Оценка прочности слоистых эпоксикарбоволокнитов, армированных однонаправленными волокнами / Николай Кириллович Кучер, Максим Николаевич Заразовский // Проблемы прочности. - 2006. - Т. 38, № 6. - С. 95-112.

Здобувачем виконано аналіз мікромеханічних методик прогнозування міцності односпрямованих вуглепластиків, здійснено розрахунок НДС в шарах вуглепластиків, побудовані розрахункові граничні криві "руйнування першого шару".

6. Кучер Н.К. Прогнозирование несущей способности слоистых армированных композитов криогенного и аэрокосмического назначения / Николай Кириллович Кучер, Максим Николаевич Заразовский // Проблемы прочности. - 2008. - Т. 40, № 2. - С. 11-25.

Здобувачем зроблений огляд літератури, виконаний порівняльний аналіз теорій розрахунку НДС в композитах, визначені термічні напруження в вуглепластику при температурі 77К та виконано розрахунок його міцності.

7. Кучер Н.К. Деформирование и прочность слоистых полимерных углепластиков / Н.К. Кучер, М.П. Земцов, М.Н. Заразовский // Вестник НТУУ "КПИ" Машиностроение. - 2008. - Вып. 52. - С. 127-135.

Здобувачем виконано експериментальні дослідження зразків з односпрямованих вуглепластиків та ламінантів з різними схемами армування на їх основі при розтягу, стиску, згині і антиплоскому згині у відповідних осях ортотропії за температур 293 і 77К, проведено дилатометричні дослідження односпрямованого вуглепластика в діапазоні температур 77…293К, визначені закономірності деформування і руйнування односпрямованого вуглепластика при 293 і 77К.

8. Патент на корисну модель № 34519 Україна, МПК (2006) G01N 3/18. Спосіб визначення температурного коефіцієнта лінійного теплового розширення твердого матеріалу при низьких температурах / Заразовський М.М., Новогрудський Л.С., Земцов М.П.; заявник і власник Інститут проблем міцності ім. Г.С.Писаренка НАН України. - № u 2008 04115; заявл. 01.04.2008; опубл. 11.08.2008, Бюл. № 15. - 4 с.

Здобувачу належить ідея методу, фізичне обґрунтування і математичне формулювання, здійснено відпрацювання методики на міді М1, титановому сплаві ВТ1-0 та односпрямованому вуглепластику.

9. Room- and low- temperature deformation of multilayered plastics reinforced with satin woven grass fabrics / N.K. Kucher, A.Z. Dveyrin, M.N. Zarazovskii, M.P. Zemtsov // Book of abstracts of the Thirteenth international conference "Mechanics of Composite Materials". - Riga, Latvia, 16-20 of May 2004. - Riga, 2004. - P. 94.

Здобувачем виконано експериментальні дослідження на розтяг, стиск, згин та антиплоский згин зразків із склопластиків та вуглепластиків при статичному навантаженні за температур 293 і 77К, проведено обробку експериментальних даних.

10. Кучер Н.К. Деформирование и прочность многослойных полимерных композитов, армированных прямыми волокнами или тканями / Н.К. Кучер, М.П. Земцов, М.Н. Заразовский // Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Динамика, прочность и ресурс машин и конструкций". - Киев, Украина, 1-4 ноября 2005. - Киев, 2005. - Том. 1. - С. 177-178.

Здобувачем визначено вплив пониження температури до 77К на закономірності деформування епоксидних скло- і вуглепластиків при статичному навантаженні, здійснено аналіз можливості прогнозування жорсткості шаруватих композитів.

11. Kucher N.K. Deformation and strength of laminated carbon-fiber composites / N.K. Kucher, M.P. Zemtsov, M.N. Zarazovskii // Book of abstracts of the Fourteenth international conference "Mechanics of Composite Materials". - Riga, Latvia, May 29 - June 2 2006. - Riga, 2006. - P. 101.

Здобувачем з експериментів на розтяг, стиск, згин і антиплоский згин над зразками з епоксидних вуглепластиків за температур 293 і 77К визначені всі відповідні константи пружності для об'ємного напруженого стану, міцністні характеристики для плоского напруженого стану та міжшарові міцності.

12. Заразовский М.Н. Деформирование и прочность слоистых полимерных углепластиков при статическом термомеханическом нагружении / М.Н. Заразовский // Матеріали IV Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів "Зварювання та суміжні технології". - Ворзель, Україна, 23-25 травня 2007. - Київ, 2007. - C. 133-134.

13. Заразовский М.Н. Влияние термических напряжений на прочность полимерных волокнистых углепластиков / М.Н. Заразовский // Cборник тезисов 2-й Международной молодежной научно-технической конференции "Молодежь в авиации: новые решения и передовые технологии". - Алушта, АР Крым, 12-16 мая 2008. - Запорожье, 2008. - С. 128-129.

14. Заразовский М.Н. Деформирование и прочность углепластиков при температурах 293 и 77 К / М.Н. Заразовский // Тезисы докладов "VII конференция молодых ученых и специалистов". - Санкт-Петербург, Россия, 26-27 июня 2008. - Санкт-Петербург, 2008. - С. 46.



АНОТАЦіЯ

Заразовський М.М. Деформування і міцність шаруватих вуглепластиків при кімнатній та кріогенних температурах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла. - Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, Київ, 2009.

У дисертації наведено результати досліджень, що становлять вирішення актуальної наукової проблеми у галузі низькотемпературної міцності шаруватих композитів, яка полягає у розробці методу прогнозування їх несівної здатності з урахуванням термічних напружень.

Приведені результати експериментальних досліджень односпрямованого та шаруватих вуглепластиків за умов статичного навантаження при Т=293 і 77К і коефіцієнтів термічного розширення односпрямованого вуглепластика в діапазоні температур 77…293К. Встановлено, що при охолодженні до Т=77К вуглепластики характеризуються ростом жорсткості і ведуть себе як лінійно-пружні тіла аж до руйнування, а їх деформування можна описувати в рамках моделі ортотропного тіла.

Аналітично оцінені термічні напруження в шарах вуглепластиків, показано, що найкраща кореляція розрахункових і експериментальних даних, має місце при використанні статистичної моделі механіки композиційних матеріалів. шаруватий термічний композиційний напруження

Запропонований метод прогнозування міцності і жорсткості шаруватих композицій для умов плоского напруженого стану з урахуванням залишкових термічних напружень, який базується на термомеханічних характеристиках окремого шару, його критерії міцності та статистичній моделі механіки композиційних матеріалів.

Ключові слова: шаруваті композиційні матеріали, односпрямовані композити, вуглепластики, ефективні характеристики жорсткості і міцності, ефективні коефіцієнти термічного розширення, шар, несівна здатність, кріогенні температури.



АННОТАЦиЯ

Заразовский М.Н. Деформирование и прочность слоистых углепластиков при комнатной и криогенных температурах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 - механика деформируемого твердого тела (технические науки). - Институт проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины, Киев, 2009.

В диссертации приведены результаты исследований, представляющие решение актуальной научной задачи в области низкотемпературной прочности, состоящей в разработке метода прогнозирования несущей способности слоистых композиционных материалов с учетом деградации их механических параметров в процессе деформирования и наличия остаточных термических напряжений, исходя из концепции прочности отдельного слоя.

Описаны экспериментальные методики для исследования механических характеристик слоистых пластиков при комнатной и криогенных (вплоть до 77К) температурах. Представлен запатентованный инженерный подход для определения коэффициента термического расширения твердого тела в диапазоне температур 77…293К.

...