Концентрация напряжений в слое тканого композита полотняного плетения с поликристаллической матрицей

Распространение тканых композитов с поликристаллической матрицей. Раскрой и выкладка на оправку слоев ткани с искривленными волокнами, а также прошивка этих слоев между собой. Технологические дефекты, снижающие эксплуатационные свойства изделий.

Рубрика Производство и технологии
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 27.10.2018
Размер файла 1,9 M

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/

Концентрация напряжений в слое тканого композита полотняного плетения с поликристаллической матрицей

Дедков Д.В.

Зайцев А.В.

Ташкинов А.А.

Пермь, Россия

Тканые композиты с поликристаллической матрицей получили широкое распространение в авиационной и космической промышленности. Из таких материалов изготавливают несущие панели крыла, оперения и фюзеляжа самолетов, лопатки турбин, сопловые блоки, носовые обтекатели ракетных двигателей, уплотнительные элементы для трубопроводов гидро и пневмосистем и многие другие элементы конструкций, эксплуатируемые в условиях интенсивного теплового (или криогенного) и механического воздействия [1]. Отличительной особенностью процесса изготовления готовых изделий из этих материалов является раскрой и выкладка на оправку слоев ткани с искривленными волокнами (полотняной, сатиновой, саржевой и др.), а также прошивка этих слоев между собой. Полученный армирующий каркас насыщается поликристаллической матрицей, в результате чего происходит одновременное создание самого элемента конструкции и материала, из которого он изготовлен.

При производстве изделий из тканых композитов неизбежны технологические дефекты, снижающие эксплуатационные свойства изделий. К числу типичных дефектов относятся отсутствие (пропуск) волокон основы или утка, разрывы волокон при прошивке слоев, а также внутренние поры, которые обнаруживаются только на этапе выходного ультразвукового контроля. Гарантированное обеспечение наличия в этих участках поликристаллической матрицы (при осаждении из газовой фазы или при карбонизации полимеров после пропитки под давлением, вакуумирования и доуплотнения армирующего каркаса), матрицы на основе терморасширенного графита (после прокатки слоев фольги) или керамики затруднено [2]. Это связано с тем, что образующиеся на поверхности нитей слой осаждаемого материала препятствует дальнейшему насыщению каркаса.

Применение тканых композитов для изготовления элементов конструкций ответственного назначения, работающих в условиях многократно изменяющихся внешних нагрузок в течении длительного срока эксплуатации, предопределяет необходимость прогнозирования не только эффективных деформационных характеристик, но и проведения уточненного прочностного анализа. Это, в свою очередь, актуализирует построение математических моделей поведения слоев этих материалов с локальными дефектами при комбинированных многоосных квазистатических нагружениях.

В настоящей работе решена более частная задача по определению коэффициентов концентрации напряжений в слое композита полотняного плетения (саржа 1/1 с равными рапортами по основе и утку), вызванных сложной геометрией переплетения волокон и наличием локальных технологических дефектов (внутренними порами и локальными разрывами волокон), а также выявлению механизмов, определяющих сценарии начального разрушения, с использованием разработанной ранее двухуровневой модель тканого материала с искривленными волокнами и поликристаллической матрицей [3, 4, 5]. Выбор полотняного переплетения обеспечивает с одной стороны наиболее короткие перекрытия нитей, наибольшую прочность, плотность и повышенную жесткость, однородную, геометрически идентичную с лицевой и изнаночной стороны поверхность ткани, с другой -- наличие внутренних технологических пор.

Рассмотрим слой тканого композита, толщиной , с армирующим каркасом полотняного переплетения, образованного волокнами круглого поперечного сечения с постоянным диаметром . Следуя [6], искривление волокон основы и утка ткани будем задавать дугой окружности с центральным углом и участком прямой.

В тканых композитах армирующий каркас несет силовую нагрузку, а матрица служит для перераспределения напряжений между нитями. В процессе изготовления композита не удается исключить их соприкосновение. Поэтому будем предполагать, что искривленные волокна, принадлежащие слоям идеальной периодической структурой, не всегда окружены гарантированным слоем поликристаллической матрицы и содержат локальные замкнутые технологические поры. Кроме того, в силу малости деформаций будем считать углы неизменными при нагружении слоя.

Для построения геометрической модели будем использовать препроцессор, входящий в состав платформы SALOME-MECA [7]. Этот пакет был разработан и сертифицирован для французской энергетической отрасли и предназначен для решения задач механики сплошных сред, термо- и гидродинамики, акустики и магнетизма, выполнения расчетов для строительных конструкций и сооружений. На рис. 1 представлены фрагменты слоя тканого композита с коэффициентами армирования . Здесь и далее оси и ортогональной декартовой системы координат будут принадлежать плоскости слоя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1. Фрагменты слоя тканого композита полотняного плетения с технологическими дефектами: локальный разрыв нити утка (а), внутренняя технологическая пора (б)

тканый композит технологический дефект

Будем рассматривать наиболее типичные дефекты (которые являются локальными концентраторами напряжений): полости, связанные со случайными разрывами утка (рис. 1, а) или основы и утка, образующиеся в результате сшивки слоев или имеющимися в исходной ткани до прошивки, а также внутренние поры (рис. 1, б), расположенные в областях вблизи участков наибольшего искривления волокон, в результате недостаточного насыщения материалом матрицы, вызванные короткими перекрытиями и соприкосновениями нитей армирующего каркаса. Размеры образующихся в результате полостей соизмеримы с характерными размерами неоднородностей, не изменяют значительно интегральные коэффициенты армирования композита, могут оказаться частично или полностью заполненными материалом матрицы.

Для простоты предположим, что волокна и матрица слоя модельного тканого композита изотропные, линейно упругие, не изменяющие геометрию, взаимное расположение и тип симметрии при нагружении. Тогда компоненты тензора напряжений удовлетворяют уравнения равновесия, а компоненты тензора малых деформаций связаны с компонентами вектора перемещений геометрическими соотношениями Коши

, . (1)

Для описания геометрии слоя тканого композита введем единичную, кусочно-однородную индикаторную функцию радиус-вектора , которая принимает значение 1, если точка принадлежит волокну основы или утка и 0, если матрице. Тогда определяющие соотношения запишем следующим образом:

, (2)

где верхними индексами и отмечены материальные коэффициенты, относящиеся к нитям армирующего каркаса и матрице соответственно.

Дополним краевую задачу (1) - (2) граничными условиями:

, , , (3)

,

,

обеспечивающими заданное макрооднородное неравнокомпонентное деформирование в плоскости слоя. Условия идеального сопряжения

, , (4)

на границах раздела фаз (рис. 1, а) описывают совместную работу нитей и поликристаллической матрицы при нагружении. Будет предполагать, что на этих границах также отсутствуют химические реакции и фазовые переходы в процессе нагружения слоя.

В случае, если в модельном материале не исключается возможность контакта волокон основы и утка, на соответствующих поверхностях (положение и геометрия которых считаются заданными и неизменными в процессе нагружения слоя) будем считать справедливыми условия контакта с кулоновским трением: если , то

, , (5)

а, если , то

, . (6)

Здесь -- статический коэффициент трения, а индексы и определяют направление внешней нормали и касательной к поверхности .

Внутренняя пора (рис. 1, б) моделируется исключением из рассмотрения локального объема матрицы. Точки образовавшейся внутренней поверхности не имеют ограничений на перемещения, а сама поверхность свободна от напряжений:

. (7)

Численное решение краевой задачи (1) - (3) с граничными условиями (4) - (7) проводилось методом конечных элементов, с помощью некоммерческого пакета Code-Aster, входящего в состав платформы SALOME-MECA [7]. Степень дискретизации фрагментов проводилась на 16-узловые тетраэдральные и 20-узловые гексаэдральные изопараметрические элементы выбиралась таким образом, чтобы полученные в результате численного решения поля структурных перемещений, деформаций и напряжений в слое тканого композита без локальных дефектов и с несовершенствами ни качественно, ни количественно не изменялись при уменьшении характерных размеров конечных элементов. Этим условиям удовлетворяют конечно-элементные сетки (рис. 2), параметры которых представлены в табл. 1. В качестве примера рассмотрим результаты макроскопически однородного чистого формоизменения слоя тканого композита с поликристаллической матрицей. В этом частном случае на границах и должны быть заданы перемещения , . Модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала нитей армирующего каркаса соответствовали работе [8] и принимали значения: ГПа и . Упругие модули поликристаллической матрицы были выбраны следующими: ГПа и . Статический коэффициент трения соответствовал скольжению керамического волокна по поверхности поликристаллической матрицы.

Рис 2. Дискретизация матрицы и волокон армирующего каркаса слоя тканого композита полотняного плетения

Таблица 1. Параметры конечно-элементной сетки

Слой композита с идеальной периодической структурой

Нити с гарантированным слоем матрицы

298 255 / 77 760

Нити имеют поверхность контакта с трением

405 480 / 77 760

Разрыв нитей утка

Нити с гарантированным слоем матрицы

285 466 / 75 168

Нити имеют поверхность контакта с трением

405 480 / 75 168

Разрыв нитей основы и утка

Нити с гарантированным слоем матрицы

279 276 / 72 576

Нити имеют поверхность контакта с трением

405 480 / 72 576

Примечание: 16-узловые тетраэдральные элементы (числитель), 20-узловые гексаэдральные (знаменатель)

В табл. 2 представлены безразмерные коэффициенты , определяемые отношением компонент тензора напряжений в геометрическом центре межволоконного пространства модельной структуры с локальным дефектом к соответствующим компонентам тензора напряжений в идеальной периодической структуры, в той же точке. Выбор точек, в которых определяются значения коэффициентов концентрации напряжений, обусловлен необходимостью исключения областей сингулярности поля напряжений, которые имеют место вблизи границ технологических дефектов.

Таблица 2. Максимальные коэффициенты концентрации напряжений в слое тканого композита

Локальный технологический дефект

Разрыв нити основы

Разрыв нити основы с последующим дополнительным насыщением поры

Разрыв нитей основы и утка

Разрыв нитей основы и утка с последующим дополнительным насыщением поры

Примечание: каждая нить армирующего каркаса окружена гарантированным слоем матрицы (числитель), имеют общую поверхность контакта с трением, а между участками с наибольшей кривизной располагаются внутренние поры (знаменатель)

Рис. 3. Распределение коэффициентов концентрации интенсивности напряжений в фрагменте тканого композита с локальным разрывом нити утка

На рис. 3 показано распределение коэффициентов концентрации интенсивностей напряжений в нитях, а в табл. 2 представлены максимальные значения в матрице слоя тканого композита в геометрическом центре межволоконного пространства, вблизи локального дефекта (разрыв искривленных волокон основы и/или утка). Области поликристаллической матрицы, в которых анализировалось напряженное состояние, были выбраны таким образом, чтобы исключить точки сингулярности поля напряжений, которые могут возникать на границах полостей технологических дефектов.

Коэффициенты концентрации интенсивностей напряжений достигают максимальных значений в местах наибольшего искривления нитей и располагаются строго периодично. Исключение составляют области вблизи локального дефекта, где исследуемый параметр достигает значений 1,6 и 2,5 для случаев, когда армирующие элементы окружены гарантированной прослойкой матрицы и имеют контакт с трением соответственно.

В случае разрыва нитей основы и/или утка при условии, что каждое волокно композита окружено гарантированным слоем матрицы, наибольший вклад в коэффициенты концентрации напряжений вносят нормальная составляющая . Полученные результаты (табл. 2) свидетельствуют о том, что при макроскопически однородном чистом формоизменении фрагмента тканого композита разрушение матрицы в рассматриваемой точке может быть инициировано по механизмам отрыва в направлении утка.

При наличии контакта с трением между искривленными волокнами тканого композита увеличиваются в 1,4-2,7 раз коэффициенты концентрации напряжений (табл. 2). Это связано с тем, что в рассматриваемом случае в слое армированного материала кроме концентраторов, вызванных контактом с трением, появляются внутренние замкнутые области в местах наибольшего искривления переплетенных нитей, не содержащие материала связующего.

Дополнительное насыщение полости, возникающей на месте разрыва утка и основы, не приводит к смене механизма возможного разрушения слоя: как и прежде, начало потери несущей способности будет вызвано отрывом в направлении утка. Насыщение материалом матрицы полости, возникающей на месте разорванной нити основы, приводит локальному изменению (на масштабах, соизмеримых с характерным размером волокон) симметрии армирующего каркаса и, как следствие -- смене механизма разрушения (об этом свидетельствует превышающее в 1,85-2,34 раз значение коэффициента ). В рассматриваемом случае доминирующими механизмами начала разрушения являются разрыв матрицы в направлении, перпендикулярном плоскости слоя.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что для повышения способности тканым композитом сопротивляться внешнему воздействию необходимо предусмотреть в технологическом процессе операции, обеспечивающие проникновение связующего в полости технологических локальных дефектов (дополнительная пропитка, доуплотнение и карбонизация, доосаждение поликристаллической матрицы из газовой фазы) в случае, если обнаруживаются закрытые внутренние поры. В противном случае возможно разрушение материала матрицы по механизмам сдвига и отрыва.

Работа выполнена в рамках задания № 2014/152 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части госзадания Минобрнауки РФ (код проекта -- 1911).

Литература

1. И.В. Буланов, В.В. Воробей. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. -- М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1998. -- С. 507.

2. В.Ф. Суровикин, Ю.В. Суровикин, М.С. Цеханович. Новые направления в технологии получения углерод-углеродных материалов. Применение углерод-углеродных материалов. // Рос. хим. ж-л. (Ж-л Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева). 2007. № 4. С. 111-118.

3. Д.В. Дедков, А.В. Зайцев, А.А. Ташкинов. Концентрация напряжений в слое тканого композита с закрытыми внутренними технологическими порами Вестник ПНИПУ. Механика, 2011. № 4. С. 29-36.

4. Д.В. Дедков, А.А. Ташкинов. Коэффициенты концентрации напряжений в слое тканого композита с локальными технологическими дефектами при чистом формоизменении // Вычислит. механика сплошных сред. 2013. Т. 6, No 1. С. 103--109.

5. Д.В. Дедков, А.В. Зайцев. Концентрация напряжений в слое тканого композита с локальными дефектами при двухосном однородном равнокомпонентном деформировании // Вестник самарского гос. технич. ун-та, 2013. № 4(33). С. 66_75.

6. А.С. Иманкулова. Текстильные композиты. Бишкек: Изд. центр «МОК», 2005. 152 с.

7. Ю.М. Тарнапольский, А.В. Розе, И.Г. Жигун, Г.М. Гуняев. Конструкционные особенности материалов, армированных высокомодульными волокнами // Механика полимеров. 1971. № 4. С. 676-685.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Основные понятия о процессе ткачества. Происхождение ткани и требования, предъявляемые к пряже. Классификация мотальных автоматов. Технологические схемы сновальных машин. Способы и виды проборки. Перематывание и подготовка уточной пряжи к ткачеству.

    методичка [1,2 M], добавлен 22.03.2012

  • Выбор способа рационального раскроя полосы. Рекомендуемые значения ширины перемычек при вырубке деталей. Допуски на ширину полос при резке на гильотинных ножницах. Расчет зазоров между матрицей и пуансоном. Расчёт усилия, подбор нужного оборудования.

    контрольная работа [57,0 K], добавлен 20.03.2013

  • Разработка композиционного материала для изготовления труб с матрицей из фторопласта и хаотично ориентированными керамическими волокнами. Выбор метода формообразования и тепловой обработки изделия. Расчет параметры технологического процесса оснастки.

    курсовая работа [954,0 K], добавлен 01.05.2015

  • Метод намотки как один из наиболее перспективных методов формирования изделий из композитов. Подбор исходных компонентов композита. Конструирование изделия, выбор оснастки для его изготовления. Расчет параметров технологического режима процесса намотки.

    курсовая работа [432,4 K], добавлен 10.11.2015

  • Состав и свойства пластмасс. Композиционные материалы с неметаллической матрицей. Резиновые материалы: общая характеристика, свойства и назначение. Клеящиеся материалы и герметики. Сущность и виды каучуков. Понятие, виды и физические свойства древесины.

    реферат [27,1 K], добавлен 18.05.2011

  • Создание 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 25.10.2012

  • Конструктивно-технологические достоинства приборов с зарядовой связью, перспективы для их разнообразных применений. Исследование ПЗС-камеры VNI-743 потребительского класса с ПЗС-матрицей ICX-259AL фирмы SONY в качестве основного светоприемника телескопа.

    курсовая работа [538,6 K], добавлен 18.07.2014

  • Теоретические основы сварки давлением и исследования прокатки биметалла. Исследование условия сварки слоев. Описание алгоритма программы расчета поля скоростей при прокатке биметалла с учетом взаимодействия слоев. Составление калькуляции себестоимости.

    дипломная работа [952,5 K], добавлен 07.11.2011

  • Расчет размеров футеровки, толщины кладки, температуры на стыке слоев, теплопроводности для рабочего и теплоизоляционного слоев. Построение графиков зависимости температуры стыков. Конструкция доменных печей. Нахождение средней температуры футеровки.

    курсовая работа [3,3 M], добавлен 07.10.2015

  • Пошив женского жакета из шерстяной ткани: анализ направлений современной моды, выбор модели, цветовой гаммы, материалов, разработка шкалы размероростов, построение схемы градации лекал и раскладок, расчет расхода материала, раскрой и изготовление изделия.

    дипломная работа [1021,8 K], добавлен 16.08.2010

  • Изготовление печатных плат с учетом современной практики печатного монтажа. Метод металлизации сквозных отверстий - сочетание химического метода в изготовлении внутренних слоев и позитивного метода при металлизации отверстий и изготовлении наружных слоев.

    контрольная работа [10,7 M], добавлен 01.08.2009

  • Причины износа одежды. Прочность ткани при растяжении - один из важнейших показателей, характеризующих ее качество. Увеличение срока носки изделий. Физические и оптические свойства тканей. Проявление технических свойств ткани в процессе производства.

    реферат [12,2 K], добавлен 08.06.2009

  • Свойства белков мышечной ткани свинины. Влияние экзогенного кальция на ее деструкцию. Разработка многофункциональных смесей на основе лактата и хлорида кальция, регулирующих функционально-технологические свойства мяса и содержание амино-аммиачного азота.

    дипломная работа [1,3 M], добавлен 23.05.2012

  • Основные этапы изготовления одежды. Способы соединения деталей. Разновидности дефектов, механизм их появления и методы устранения. Технологические дефекты транспортировки и хранения готовых швейных изделий. Дефекты моделирования и способы их устранения.

    курсовая работа [67,7 K], добавлен 19.11.2013

  • Деятельность компании ООО "Юнифлекс". Технология сборки дюритовых соединений. Дюриты или цилиндрические муфты из нескольких прорезиненных слоев ткани. Три типа высокомолекулярных композиций для шлангов. Требования безопасности трубопроводчика судового.

    реферат [26,9 K], добавлен 23.02.2009

  • Закономерности формирования структуры поверхностных слоев сталей при высокоэнергетическом воздействии. Технологические варианты плазменного упрочнения деталей. Получение плазмы. Проведение электронно-лучевой и лазерной обработки металлических материалов.

    дипломная работа [1,4 M], добавлен 06.10.2014

  • Изучение сложных видов плетения французских косичек, плотно прилегающих к голове и создающих на ней различные узоры. Расчет стоимости прически на длинных волосах с элементами плетения. Характеристика инструментов и приспособлений для выполнения плетения.

    презентация [18,3 M], добавлен 02.04.2012

  • Совершенствование ассортимента тканей с целью развития текстильной промышленности. Потребность в основной и уточной пряжи для ткани. Технологические свойства хлопкового волокна. Оборудование для выработки артикулов пряжи. Расчет производственных площадей.

    курсовая работа [1,4 M], добавлен 25.02.2012

  • Создание и применение металлических слоистых композиционных материалов, их физико-механические и эксплуатационные свойства. Технология производства трехслойной втулки из магниево-алюминиевых композитов АМг6 и АД1. Способы изготовления, оборудование.

    курсовая работа [1,5 M], добавлен 25.12.2014

  • Изготовление швейного изделия. Моделирование изделий массового потребления. Направления совершенствования швейного оборудования. Раскрой материала с рисунком в полоску или в клетку. Машины, выполняющие цепную строчку. Рабочие органы швейных машин.

    магистерская работа [7,1 M], добавлен 08.03.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.