Особенности и закономерности разрушения однонаправленного стеклопластика при продольном изгибе
Кинетика разрушения стержней однонаправленного стеклопластика при продольном изгибе с постоянным, монотонно, ступенчато нарастающим и циклически изменяющимся изгибающим моментом. Характерное изменение жесткости композита. Анализ долговечности композита.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.10.2018 |
| Размер файла | 187,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
УДК 539.4.015
особенности и закономерности разрушения однонаправленного стеклопластика при продольном изгибе
М.Г. Петров, e-mail: markp@risp.ru
ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт авиации имени С.А. Чаплыгина»,
г. Новосибирск
Аннотация
Исследована кинетика разрушения стержней однонаправленного стеклопластика при продольном изгибе с постоянным, монотонно или ступенчато нарастающим и циклически изменяющимся изгибающим моментом. Выявлено характерное изменение жёсткости композита, которое свидетельствует о появляющихся повреждениях и влиянии на процесс его разрушения ползучести связующего. Термоактивационный анализ долговечности композита указывает на возможности её прогнозирования для различных температурно-силовых условий.
Ключевые слова - композиционный материал, продольный изгиб, жёсткость, неупругие деформации, разрушение, долговечность.
стержень композит жесткость изгибающий
Проведённые исследования показывают, что разрушение композиционного материала (КМ), как и любого другого твёрдого тела, является термоактивированным процессом [1]. Его интегральный результат - долговечность - указывает на характерные температурно-временные эффекты, связанные с кинетикой разрушения КМ. Кинетику разрушения более детально можно проследить по изменению изгибной жёсткости во времени, нагружая образцы материала с различными скоростями или циклически изменяющимися деформациями.
Стержни из стеклопластика с наружным диаметром 5,5 мм и длиной 350 мм нагружались продольным изгибом при комнатной температуре со скоростями относительного сближения их концов 1 и 0,01 мм/с. Используя теоретическое решение задачи продольного изгиба идеально упругого твёрдого тела [2], определяли в процессе деформирования изменение условного усреднённого модуля упругости , пропорционального изгибной жёсткости стержня. Выявлено характерное различие в поведении стержней в зависимости от скорости деформирования. На рисунках 1 и 2 показаны полученные значения как функции максимума деформации на наружной поверхности стержня для каждой скорости деформирования.
Рисунок 1 -- Изменение условного модуля упругости образца из стеклопластика, деформируемого продольным изгибом со скоростью перемещения подвижной опоры 1 мм/с, в зависимости от максимальной деформации на поверхности стержня
В начальный момент деформирования жёсткость возрастает, что свидетельствует о выравнивании усилий на волокнах. Это согласуется с начальным уменьшением активационного объёма, выявленного путём термоактивационного анализа данных испытаний на долговечность [1] и связанного с уровнем внутренних напряжений [3]. Далее жёсткость в некотором диапазоне деформаций и, соответственно, времени остаётся практически неизменной, продолжая затем снижаться в результате прогрессирующего разрушения. Различие в кинетике процесса разрушения иллюстрируется как самой величиной максимума , так и значениями , при которых максимум жёсткости достигается. При медленном нагружении, понятно, те же значения деформаций соответствуют более поздней стадии разрушения.
Рисунок 2 -- Изменение условного модуля упругости образца из стеклопластика, деформируемого продольным изгибом со скоростью перемещения подвижной опоры 0,01 мм/с, в зависимости от максимальной деформации на поверхности стержня
Релаксационные процессы, происходящие в КМ как на начальном этапе разрушения, так и далее в результате ползучести связующего, приводящей к весьма большому разбросу прочностных характеристик [1], можно описать реологическими моделями пластического течения [4]. Строгое решение задачи описания процессов разрушения, деформирования и перераспределения напряжений в волокнах и матрице композита требует построения объёмной модели данного материала [5]. В то же время нас интересует всего лишь одно сечение стержня, которое определяет его несущую способность. Если одномерная модель окажется пригодной для этих целей, то это - путь значительного снижения трудоёмкости решения.
Рисунок 3 -- Модель с последовательной инициализацией про-цессов пластического течения PMS2 [4]: A и B - активационные параметры её элементов
По результатам термоактивационного анализа полученных в [1] данных при нарастающем изгибающем моменте и постоянных его значениях проведена параметрическая идентификация структурной реологической модели данного материала (рисунок 3) и выполнены расчёты долговечности и её частного случая - прочности - для всех режимов испытаний. Модель описывает начальную инициализацию процессов течения связующего, приводящих к выравниванию усилий на волокнах, и дальнейшее течение в матрице КМ, вызывающее отклонения от линейной силовой зависимости энергии активации разрушения. Результаты испытаний на прочность (средние значения сопротивления R) приведены в таблице 1, на долговечность (средние значения логарифма долговечности) - в таблице 2. Дробное значение скорости нагружения V в таблице 1 означает ступенчатое нагружение с интервалом времени в минутах, указанным в знаменателе дроби, целое число - номинальное значение скорости перемещения подвижного захвата испытательной машины при непрерывном нагружении. S - среднее квадратическое отклонение экспериментальных значений напряжений при изломе стержня или логарифма времени разрушения.
Таблица 1 -- Результаты испытаний [1] и расчёта стержней на прочность
|
Номера опытов |
T, C |
V, |
Эксперимент |
Расчёт: , МПа |
Доверительный интервал |
||
|
, |
S, |
||||||
|
П-1 |
-30 |
1,5/1 |
2055,10 |
87,231 |
2073,59 |
2027,24-2082,96 |
|
|
П-2 |
+18 |
1,5/1 |
1699,99 |
77,193 |
1696,93 |
1675,34-1724,64 |
|
|
П-3 |
+23 |
1,5/1 |
1609,78 |
83,204 |
1657,06 |
1583,23-1636,37 |
|
|
П-4 |
+21 |
1,5/5 |
1613,09 |
97,069 |
1773,38 |
1582,09-1644,09 |
|
|
П-5 |
+21 |
1,5/30 |
1589,44 |
70,899 |
1657,06 |
1566,80-1612,08 |
|
|
П-6*) |
+25 |
5 |
1726,80 |
60,260 |
1734,92 |
1698,64-1754,96 |
|
|
П-7 |
+25 |
10 |
1801,31 |
122,67 |
1780,80 |
1762,13-1840,49 |
|
|
П-8 |
+50 |
1,5/1 |
1575,42 |
108,53 |
1657,06 |
1540,76-1610,08 |
|
|
П-9 |
+60 |
1,5/1 |
1532,88 |
183,81 |
1615,98 |
1474,17-1591,59 |
|
|
П-10*) |
+60 |
5 |
1574,21 |
148,06 |
1679,53 |
1505,02-1643,40 |
|
|
П-11*) |
+60 |
10 |
1717,54 |
130,00 |
1721,09 |
1656,79-1778,29 |
|
|
*) Испытано 20 образцов, при остальных режимах - по 40 образцов. Заливкой выделены строки с опытами без релаксации напряжений, жирным шрифтом - расчётные оценки, выходящие за доверительный интервал (? - доверительная вероятность). |
Таблица 2 -- Результаты испытаний стержней на долговечность и её расчётные оценки по модели релаксационного процесса PMS2
|
Номера опытов |
T, C |
?, |
Эксперимент |
Расчёт: lg (с) |
Доверительный интервал (?? ? 0,95) |
||
|
lg (с) |
S(lg?) |
||||||
|
Д-1*) |
-30 |
1727 |
5,1464 |
0,4627 |
4,8244 |
4,9986-5,2942 |
|
|
5,0359 |
0,8118 |
4,8244 |
4,7766-5,2952 |
||||
|
Д-2 |
+20 |
1520 |
4,5565 |
0,8042 |
4,5990 |
4,2996-4,8134 |
|
|
Д-3 |
+20 |
1471 |
5,2812 |
0,8744 |
5,0682 |
5,0019-5,5605 |
|
|
Д-4) |
+20 |
1368 |
6,3843 |
1,3928 |
6,4316 |
5,9395-6,8291 |
|
|
Д-5 |
+50 |
1280 |
5,6594 |
1,6956 |
5,7087 |
5,1178-6,2010 |
|
|
Д-6 |
+50 |
1213 |
7,2638 |
1,5341 |
7,1223 |
6,7738-7,7538 |
|
|
Д-7 |
+50 |
1172 |
7,3404 |
1,6907 |
7,4808 |
6,8004-7,8804 |
|
|
Д-8 |
+23 |
1474 |
4,6766 |
0,9663 |
4,8472 |
4,3680-4,9852 |
|
|
*) Расчёт без релаксации внутренних напряжений, эксперимент _ с отбрасыванием выпавших результатов (вверху) и без отбрасывания. При всех режимах испытано по 40 образцов. |
Расчётные значения прочности (как долговечности при нарастающих напряжениях), определённые при отсутствии релаксации внутренних напряжений и в соответствии с программой нагружения (законом возрастания напряжений) при каждом режиме, в четырёх опытах из пяти не выходят за границы доверительного интервала (таблица 1). В опыте П-3 отклонения небольшие. Существенное различие экспериментальных данных опытов П-2 и П-3, близких по температуре испытаний, объясняется, скорее всего, погрешностями эксперимента. Расчётные значения логарифма долговечности для опытов Д-2-Д-8, вычисленные по модели PMS2, попадают в 95 %-ные доверительные границы и могут быть признаны вполне удовлетворительными.
При циклическом нагружении таких же образцов продольным изгибом выявляются характерные изменения жёсткости, определяемые по изменению усилия сжатия [6]. Это поведение согласуется данными исследования кинетики разрушения КМ, показывающими последовательность процесса от начала расслоения композита до появления первых признаков разрушения волокон [7]. Об этом же свидетельствуют и неупругие деформации, определяемые по максимуму разности усилий сжатия при нагружении и разгрузке (рисунок 4). Если за характерное состояние КМ принять момент резкого изменения скорости падения жёсткости, то получаем типичную кривую зависимости долговечности от размаха деформаций [6].
Рисунок 4 -- Изменение усилий сжатия и раскрытия петли неупругости при циклическом деформировании продольным изгибом стержней однонаправленного стеклопластика 7,5400 мм (293 K, частота нагружения 1 Гц с перемещением 30 15 мм)
Итак, исследования процесса разрушения однонаправленного КМ выявляет ряд его особенностей и закономерностей, которые, с одной стороны, не противоречат общим физическим закономерностям разрушения твёрдых тел, а с другой, - имеют отличительные черты, связанные с поведением КМ как конструкции. При этом проявляют себя реологические свойства связующего, которые могут быть воспроизведены соответствующими моделями.
Библиографический список
1. Петров, М.Г. Анализ прочности и долговечности однонаправленного стеклопластика с позиций кинетической концепции разрушения / М.Г. Петров // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2003. - Т. 9, № 3. - С. 376-397.
2. Kuznetsov, V. V. Complete solution of the stability problem for elastica of Euler's column / V. V. Kuznetsov, S. V. Levyakov // Int. J. of Non-Linear Mechanics. ? 2002. ? V. 37. ? P. 1003-1009.
3. Степанов, В.А. Прочность и релаксационные явления в твёрдых телах / В.А. Степанов, Н.Н. Песчанская, В.В. Шпейзман. - Л. : Наука, 1984. - 248 с.
4. Петров, М.Г. Некоторые структурные модели для описания реологических свойств материалов / М.Г. Петров // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2007. - Т. 13, № 2. - С. 191?208.
5. Овчинский, А.С. Процессы разрушения композиционных материалов: имитация микро- и макромеханизмов на ЭВМ / А.С. Овчинский. М. : Наука, 1988. - 278 с.
6. Петров, М.Г. Оценка структурного состояния композиционных материалов в процессе разрушения / М.Г. Петров // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2014. - № 4 (65). - С. 61-67.
7. Регель, В.Р. Изучение кинетики разрушения композиционных материалов / В.Р. Регель, А.М. Лексовский, О.Ф. Поздняков. // Механика композитных материалов. - 1979. - № 2. - С. 211-216.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Расчетное и экспериментальное определение критических сил стержней большой и средней гибкости. Сравнительный анализ результатов расчета и эксперимента. Построение диаграммы критических напряжений, определение расчетных значений критической силы стержня.
лабораторная работа [341,9 K], добавлен 06.10.2010Проведение испытаний на усталость и определение долговечности и начала разрушения машины, подвергнутой действию напряжения - переменного изгиба в одной плоскости по симметричному циклу. Определение коэффициента запаса и момента сопротивления изгибу.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 02.12.2012Создание композиционного материала (КМ) на основе никеля для повышения жаропрочности существующих никелевых сплавов. Технология изготовления КМ, его характеристика. Компоненты композита, матрица, армирующий элемент. Применение металлических композитов.
курсовая работа [965,7 K], добавлен 25.10.2012Кинетика вулканизации резины. Особенности вулканизации смесей на основе комбинации каучуков CКД-CКН-40 обычными серными вулканизующими системами. Механизм разрушения полимера. Особенности разрушения полимеров в различных физических и фазовых состояниях.
отчет по практике [352,6 K], добавлен 06.04.2015Вещественный, химический и минералогический состав гидравлической извести. Хранение сырьевых материалов для ее производства. Физико-химические процессы, происходящие при твердении. Температурные условия твердения. Условия разрушения (коррозии) композита.
курсовая работа [105,8 K], добавлен 04.01.2011Технологическая характеристика древесно-полимерного композита и исходного сырья - древесной муки. Генеральный план промышленного предприятия. Объемно-планировочное решение производственного здания. Теплотехнический расчет ограждающих конструкций.
курсовая работа [9,5 M], добавлен 24.04.2015Исследование разрушения соединительных болтов, верхнего и нижнего поясов подъемного крана. Определение силовых факторов в стреле крана. Проверка прочности и устойчивости верхнего пояса. Расчетное обоснование разрушения болтов фланцевого соединения.
курсовая работа [2,9 M], добавлен 06.01.2014Основные виды коррозионно-механического разрушения трубопроводов, механизмы абразивной эрозии и способы защиты металла от разрушения абразивными частицами. Принципы получения экспериментальных данных для создания и корректировки моделей абразивной эрозии.
дипломная работа [977,4 K], добавлен 25.02.2016Рассмотрение целей и задач материаловедения. Кавитация как образование в жидкости полостей, заполненных паром. Особенности определения параметров, влияющих на процессы диспергирования и кавитационного разрушения. Виды эрозионного разрушения материалов.
реферат [75,8 K], добавлен 05.12.2012Требования к изделию, выбор модели. Характеристика внешнего вида женской ночной сорочки. Нормирование значимых свойств материала, анализ ассортимента и выбор материала. Определение жесткости при изгибе, влажности, несминаемости. Карта технического уровня.
контрольная работа [29,3 K], добавлен 15.05.2016Выявление наиболее приемлемого материала и способа заделки лопасти ветротурбины карусельного типа из условия жесткости. Анализ перемещений в балках при изгибе. Расчет основных силовых факторов, возникающих в балке, в зависимости от типов закреплений.
дипломная работа [2,5 M], добавлен 04.12.2013Экспериментальное определение максимальных прогибов и напряжений при косом изгибе балки и их сравнение с аналогичными расчетными значениями. Схема экспериментальной установки для исследования косого изгиба балки. Оценка прочности и жесткости балки.
лабораторная работа [176,9 K], добавлен 06.10.2010Понятие, классификация и механизм проявления деформации материалов. Современные представления про теорию разрушения материалов. Факторы, которые влияют на деформацию. Упругопластические деформации металлов и их износ. Особенности разрушения металлов.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 08.12.2010Природа изменения физико-химических характеристик металлов под нагрузкой. Появление и развитие трещин при работе металлических конструкций. Энергетическая модель разрушения по Гриффитсу. Основные методы оценки поверхностей разрушения по микропризнакам.
контрольная работа [633,7 K], добавлен 07.12.2011Создание метода определения параметров линейной механики разрушения на основе измерения деформационного отклика с помощью электронной спектр-интерферометрии. Параметры механики разрушений для трещин, распространяющихся в поле остаточных напряжений.
контрольная работа [811,2 K], добавлен 03.09.2014Общее представление о композиционных материалах, их характеристика, разновидности и отличительные свойства, области и особенности практического применения. Установление уровня развития техники и анализ применимости прогрессивных решений на сегодня.
дипломная работа [306,9 K], добавлен 12.03.2011Трещина в конструкции. Коэффициент концентрации напряжений. Критерий Гриффитса. Скорость высвобождения упругой энергии. Напряжения при наличии трещин в материале. Проведение испытания образцов. Энергий разрушения. Определение удельной энергии разрушения.
отчет по практике [583,0 K], добавлен 17.11.2015Структура водонефтяной эмульсии. Методы разрушения нефтяных эмульсий, их сущностная характеристика. Промышленный метод обезвоживания и обессоливания нефти. Технические характеристики шарового и горизонтального электродегидраторов. Деэмульгаторы, их виды.
презентация [2,8 M], добавлен 26.06.2014Основные классификации резьб, их основные параметры и признаки. Особенности процесса резания и формирования поверхностного слоя. Влияние состава и структуры стеклопластиков на их обрабатываемость. Технологические операции и параметры процесса нарезания.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 13.03.2011Характеристика выпускаемых материалов. Технологическая схема производства древесно-стружечной плиты. Описание процессов, протекающих при тепловой обработке стеклопластика. Мощность линии и расчет материального баланса. Автоматизация процесса сушки.
курсовая работа [37,6 K], добавлен 15.12.2015
