Моделювання фізико-механічних характеристик трансверсально-армованих шаруватих композиційних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Мохаммед Рамаід Жаркан

УДК 629.7.023.2

Моделювання фізико-механічних характеристик трансверсально-армованих шаруватих

композиційних матеріалів

Спеціальність 01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Карпов Яків Семенович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», м. Харків, завідувач кафедри «Авіаційне матеріалознавство».

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Проценко Володимир Сидорович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», м. Харків, професор кафедри «Вища математика»;

кандидат технічних наук, доцент Чупринін Олександр Олексійович, Харківська національна академія міського господарства, м. Харків, доцент кафедри «Будівельна механіка».

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.М. Застела

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЇ

Актуальність теми. Застосування високоміцних композиційних матеріалів (КМ) є незмінною тенденцією розвитку авіабудування. Зростання швидкості та висоти польоту приводить до необхідності використання все більш товстих обшивок, стінок, полок, через що при згинанні у них зростає рівень міжшарових напружень, для сприймання яких шаруваті КМ недостатньо міцні.

Основним конструктивно-технологічним рішенням (КТР) підвищення міжшарової міцності КМ є трансверсальне (перпендикулярне до шарів) армування композитними або металевими стержнями малого діаметра, які впроваджуються у препрег при формуванні структури деталі, приформування тонких пластин з зубцями типу «канцелярська кнопка», прошивання пакета шарів препрегу нитками та ін.

При проникненні додаткових армувальних елементів у препрег, що не є заполімеризованим, волокна скривляються і змінюється їхній об'ємний вміст. Такий КМ є неоднорідним і має змінну анізотропію фізико-механічних характеристик. Дослідження напружено-деформованого стану (НДС) і розрахунок конструкцій на міцність неможливе без знання коефіцієнтів матриці жорсткості (або податливості) та властивостей, що змінилися.

У зв'язку с цим дослідження, присвячені розробленню моделей і методик визначення фізико-механічних характеристик трансверсально-армованих КМ, є достатньо актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Подана дисертація є частиною науково-дослідних робіт, що виконуються у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут”. Основою дисертаційної роботи є результати теоретичних й експериментальних досліджень, які були виконані автором у рамках роботи над темою «Створення наукових основ проектування та виробництва композитних конструкцій аерокосмічної техніки», Д/Р 0106U001060.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертації є моделювання фізико-механічних характеристик (ФМХ) трансверсально-армованих шаруватих композиційних матеріалів з урахуванням їх просторової будови.

Для досягнення мети дисертації було сформульовано і вирішено такі задачі: трансверсальний армування композиційний матеріал

1. Синтезовано розрахунково-експериментальну модель взаємодії компонентів КМ з трансверсальними стержнями, що проникають у КМ до полімеризації.

2. Розроблено методику визначення ФМХ шаруватого КМ по трьох напрямках.

3. Виконано параметричні дослідження та сформульовано висновки щодо впливу параметрів трансверсального армування на властивості КМ.

4. Сплановано і проведено експериментальні дослідження і на їх основі обґрунтовано межі використання теорії і практичні рекомендації щодо раціональних параметрів додаткового армування стержнями малого поперечного перерізу.

Об'єктом дослідження є трансверсально-армовані шаруваті композиційні матеріали.

Предметом дослідження є моделі й методики прогнозування фізико-механічних характеристик неоднорідних КМ на мікро- і макрорівнях.

Методи дослідження. При розробленні методик визначення ФМХ трансверсально-армованих шаруватих КМ використано фундаментальні положення механіки деформування і руйнування твердого анізотропного тіла, механіки конструкцій із КМ. При експериментальних дослідженнях використано методи планування експерименту, тензометрії, стандартні методи оброблення результатів випробувань, а також стандартне і спеціальне обладнання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше обґрунтовано і побудовано модель взаємодії компонентів КМ з трансверсальними армувальними елементами, що проникають у препрег, і розроблено методику прогнозування ФМХ неоднорідних тривимірно-армованих КМ на мікро- і макрорівнях.

Практичне значення одержаних результатів становлять:

- методика визначення структурних параметрів (об'ємний вміст волокон і їх напрямок) в неоднорідному шаруватому КМ, що створюється після проникнення у препрег трансверсальних стержнів с наступною сумісною полімеризацією;

- комплекс розрахункових залежностей для визначення ФМХ шаруватих КМ з урахуванням трансверсальних властивостей;

- методика прогнозування пружних і міцнісних характеристик скінченно-розмірного елемента трансверсально-армованих КМ;

- практичні рекомендації щодо вибору і впливу геометричних, жорсткісних і міцнісних параметрів трансверсального армування на кінцеві ФМХ неоднорідних КМ;

- результати проведених досліджень впроваджено на ДП «Антонов» і в навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського „ХАІ” у вигляді рекомендацій і методик для виконання курсового і дипломного проектування, а також в курсах лекцій для спеціальності „Конструювання і виробництво виробів із композиційних матеріалів”.

Особистий внесок здобувача полягає у розробленні:

- методик розрахунку структурних параметрів і ФМХ трансверсально-армованих шаруватих KM на основі запропонованої математичної моделі взаємодії компонентів КМ;

- комплексу рекомендацій, спрямованих на підвищення якості й ефективності КМ, що реалізуються;

- засобів експериментальної перевірки методик.

Експериментальні дослідження виконано сумісно зі співробітниками Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського „ХАІ” та ФДУП «Обнінське НВП „Технологія”».

Із чотирьох статей три опубліковано без співавторства.

У статтях, написаних у співавторстві, автору належить таке:

у роботі [3] - отримання залежностей для модулів пружності, коефіцієнтів Пуассона для прийнятих схем деформування;

у роботі [5] - побудова моделі взаємодії волокнистого шаруватого композиційного матеріалу з армуючими стержнями, які розташовані в шаховому порядку.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові та прикладні результати докладено і обговорено:

- на науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, наукових робітників і аспірантів факультету ракетно-космічної техніки ХАІ «Сучасні проблеми ракетно-космічної техніки і технології», м. Харків, 2008 р.;

міжнародній науково-практичній конференції «Композиционные материалы в промышленности», м. Ялта, 2009 р.;

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 4 статті, 3 тези доповідей.

Структура i обсяг роботи. Дисертація на 158 сторінках машинописного тексту складається зі вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаної літератури і додатка. Містить 7 таблиць, 37 ілюстрацій і список використаної літератури з 123 назв.

ОСНОВНОЙ 3MICT РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи та сформульовано мету i задачі дисертації, викладено значущість нових наукових результатів та їх практичне значення, описано апробацію i достовірність теоретичних моделей.

У першому розділі дано огляд та аналіз досліджень вітчизняних і зарубіжних авторів у галузі технології КМ i конструкцій з них, а саме у напрямку розроблення КТР щодо підвищення міжшарової міцності та жорсткості полімерних КМ. Відзначено великий внесок у дослідження конструкцій з КМ та технології їх виготовлення А.Л. Абібова, А.Г. Андрієвської, А.І. Бабушкіна, Л.Г. Білозерова, В.В. Болотіна, Г.А. Ваніна, В.В. Васильєва, B.Є. Гайдачука, В.Ф. Забашти, Я.С. Карпова, Д.С. Ківи, В.Д. Локтіонова, В.В. Парцевського, О.Л. Рабіновича, В.Т. Щербакова, Адамса, Даніеля, Кейгла, Херт-Сміта та ін.

Розглянуто основні технологічні процеси, які поліпшують властивості матеріалів, та класифіковано основні типові КТР, які є об'єктом наукового дослідження (рис. 1).

Проникнення стержнів у пакет препрегу або суху арматуру супроводжується місцевим скривленням та ущільненням волокон, які зберігаються у готовому виробі. Змінювання об'ємного вмісту та кута армування спричиняє змінювання ФМХ як кожного шару, так i пакета в цілому, що, з одного боку, необхідно враховувати при розрахунку конструкції на міцність, а з іншого - при побудові алгоритмів управління технологічними процесами.

У другому розділі запропоновано i обґрунтовано модель взаємодії волокнистого шаруватого КМ з трансверсальними армуючими стержнями.

На першому етапі вирішується задача визначення об'ємного вмісту волокон і траєкторії поблизу стержнів для моношару КМ з довільним початковим кутом армування.

Рис. 1. Основні типові КТР: а - трансверсальне армування стержнями;

б - прошивання шарів препрегу нитками; в - приформування тонких листів з зубцями; г - з'єднання з елементами поперечного зв'язку

Через те, що сполучне будь-якого КМ після просочування або після розігріву є в'язкою рідиною, армуючі волокна поводять себе як пружні стержні. З урахуванням упорядкованості розташування трансверсальних стержнів можна обґрунтовано прийняти припущення про детермінованість кутів нахилу на початку та в кінці траєкторії волокон (рис. 2). Для одержання рівнянь пружних ліній армувальних ниток необхідно знати характер і кількісні характеристики їх розподілу у перерізах: x= 0, x= u₀, y =d/2 і y = v₀ (рис. 2, де u₀ і v₀ - розміри зони порушення однорідності КМ), які для типових технологічних процесів визначаються експериментально.

При тетрагональному розташуванні стержнів (рис. 2, а) рівняння пружності лінії волокна, що проходить через довільну точку (х, у), має вигляд

. (1)

Додавши до цієї залежності умови зберігання кількості волокон у будь-якому перерізі (цілісність арматури КМ зберігається)

, (2)

одержимо систему двох рівнянь для визначення координат початку та кінця траєкторії волокна.

Кут армування і об'ємний вміст волокон визначаються формулами

(3)

(4)

а б в

Рис. 2. Траєкторії волокон : а - тетрагональне розташування стержнів; б - шахове розташування стержнів; в -довільний кут армування волокон шару

Для шахового розташування трансверсальних елементів має місце зворотна симетрія розподілу волокон у перерізах, які проходять по осях стержнів (рис. 2, б), через що координати початку та кінця пружної лінії визначають системою рівнянь

; , (5)

де , , , - коефіцієнти.

Місцеві кути армування та об'ємний вміст волокон обчислюються формулами (3) i (4).

Аналогічні залежності одержано для поперечник шарів (ц= 90°).

При довільному куті армування волокон шару (рис. 2, в) прийнято додаткове обмеження на те, що деформація структури КМ має місце в прямокутниках зі сторонами (2₀)х(2v₀), які не перетинаються. Ця умова записується в такому вигляді:

(6)

У системі координат , , яка пов'язана з напрямком армування шару, одержано систему рівнянь для визначення координат та волокна, об'ємного вмісту та кута армування, яка аналогічна (1) - (4) з урахуванням того, що в кінцевому перерізі , (- паспортний об'ємний вміст волокон неармованого стержнями КМ).

Розроблено методику визначення структурних параметрів при армуванні КМ нахиленими стержнями i виведено відповідні формули, які принципово не відрізняються від попередніх при урахуванні позначень, наведених на рис. 3.

Збільшення об'ємного вмісту волокон приводить до зміни ФМХ мікрооб'єму КМ (у кожній точці поблизу стержнів), які можна визначити на основі теорії армування за наявності властивостей компонентів КМ. Але відомо, що не усі залежності теорії адекватно описують реальні властивості. У дисертації запропоновано використати розрахунково-експериментальний спосіб, оснований на інтерполяції ФМХ, які знайдено дослідним шляхом для двох значень об'ємного вмісту волокон:

, (7)

де і - об'ємний вміст волокон КМ, для якого відомі пружні та міцнісні властивості та .

Тут набуває послідовно значення модуля пружності, коефіцієнта Пуассона, міцності та інших ФМХ.

Таким чином, одержано всі залежності для визначення ФМХ кожного шару пакета в довільній точці. Через те, що авіаційні конструкції складаються з багатьох шарів з різними кутами армування, а трансверсальні стержні можуть бути нахиленими, необхідна методика розрахунку ФМХ шаруватого КМ.

Рис. 3. Армування КМ нахиленими стержнями

У площині ху, що збігається з шарами, ФМХ обчислюються за класичною теорією, для чого достатньо знати властивості кожного шару вздовж і поперек волокон, а також кути армування. Вище було одержано всі залежності для цих параметрів. Однак для розрахунку сучасних конструкцій точними методами необхідно мати методику визначення пружних і міцнісних властивостей шаруватого КМ у трансверсальному напрямку (уздовж осі х), зокрема міжшарових модулів пружності та міцності на зсув.

Армовані трансверсальними елементами КМ мають змінні властивості як у межах шару, так і пакета в цілому. Це значно обмежує можливості використання аналітичних теорій, а в сучасних числових методах (МКЕ, МГЕ та ін.) використовуються ФМХ обмеженого об'єму матеріалу, для чого необхідно розробити методику осереднення властивостей КМ зі змінною анізотропією. Крім того, більшість експериментальних методів основано на вимірюванні середньої деформації на базі тензорезистора, внаслідок чого визначити напруження можна тільки за наявності середніх значень пружних констант. Вирішенню цих двох задач присвячено третій розділ досліджень.

У дисертації розроблено методику визначення всього комплексу ФМХ тривимірного КМ у точці та осереднених для скінченно-розмірного об'єму KM на основі класичного положення про те, що кожен шар має вісь пружної симетрії, яка збігається з його серединною поверхнею. Тоді однорідне анізотропне тіло з таких шарів також матиме вісь пружної симетрії, перпендикулярну до шарів. На цій підставі фізичний закон має вигляд

(8)

Деформації , та , а також коефіцієнти , та визначаються з таких систем рівнянь:

(9)

(10)

де

(11)

;

Коефіцієнти жорсткості та відомі з класичної механіки КМ і є функціями від властивостей моношарів.

Запишемо фізичний закон (9) через технічні константи:

 (12)

Порівнявши коефіцієнти при напруженнях у рівняннях (9) i (13), одержимо формули для визначення усіх пружних констант.

Через те, що навколо стержнів напрямок армування та ФМХ кожного шару є функцією координат, інтегральні властивості пакета також будуть змінними за об'ємом КМ.

Для випадку, коли «стовпчик» КМ розмірами (див. рис. 3) містить елемент стержня, запропоновано методику розрахунку, яка полягає в заміні стержня в межах кожного шару матеріалом з кутом армування з характеристиками, які перераховано після повороту осей , , на кут навколо осі . «Супутня» зона з чистого сполучного, яка утворюється навколо стержнів, розглядається як шар з ізотропними властивостями. Таким чином, побудовано методику визначення ФМХ КМ у довільній точці (х, у), яка дозволяє виконати дослідження напружено-деформованого стану (НДС) конструкцій аналітичними методами.

Для визначення осереднених властивостей скінченно-розмірного об'єму КМ вперше розроблено методику, в основу якої покладено гіпотези плоских напружень (рис. 4, а) і плоских деформацій (рис. 4, б).

Розуміючи під середнім модулем пружності відношення середніх напружень до середніх деформацій, а для коефіцієнтів Пуассона та взаємного впливу - відношення відповідних деформацій, в дисертації одержано залежності для 21-ї константи фізичного закону скінченно-розмірного анізотропного КМ.

Для прикладу наведемо формули, що найчастіше вживаються:

(13)

де , , , - пружні константи у точці (див. формули, що випливають з рівнянь (9) і (13));

, , , - координати сторін прямокутника, за яким виконується осереднення ФМХ (див. рис. 4).

Індекси «д» і «н» означають належність ФМХ до схем плоских деформацій і плоских напружень відповідно.

Трактуючи границю міцності як початок руйнування будь-якого шару КМ у будь-якій точці, в дисертації вперше розроблено методику визначення міцності КМ, армованих трансверсальними стержнями.

Ці залежності являють собою теоретичну базу для розроблення ефективних шляхів управління параметрами процесу формування структури матеріалу.

У четвертому розділі роботи описано числові алгоритми і проаналізовано результати числових досліджень залежності ФМХ шаруватих КМ від параметрів трансверсального армування.

Першу частину числових експериментів присвячено оцінюванню впливу структури КМ на його ФМХ уздовж осі z за відсутності трансверсальних елементів, що дозволяє прогнозувати ступінь змінювання властивостей КМ через скривлення волокон.

На рис. 5 показано залежність деяких ФМХ від структури КМ, побудованих на базі методики, описаної вище. Аналіз цих та інших результатів, наведених в дисертації, свідчать про те, що:

змінювання кутів армування в зоні заформовки стержнів суттєво відбивається на властивостях КМ уздовж осі z (рис. 5), що є обґрунтуванням доцільності використання стержнів меншого діаметра та технологічних прийомів для максимально можливого випрямлення волокон перед полімеризацією сполучного;

розроблено методику, яка дозволяє оцінити вплив величин полів допуску кутів армування на трансверсальні ФМХ.

Другу частину параметричних досліджень присвячено безпосередньому оцінюванню впливу трансверсальних стержнів на ФМХ КМ.

Рис. 4. Схеми деформування: а - гіпотеза плоских напружень; б - гіпотеза плоских деформацій; в - деформування моделі КМ під впливом дотичних зусиль

На рис. 6 наведено результати досліджень полів неоднорідності ФМХ навколо стержнів, аналіз яких дозволяє зробити висновок про необхідність зменшення радіусів кривини волокон при заформовуванні стержнів, оскільки вплив скривлення волокон більший, ніж їх ущільнення. Це підтверджує практичне значення розроблених методик, які дозволяють кількісно оцінити вплив трансверсального армування на ФМХ КМ.

Змінення діаметра стержнів (рис. 7), який найбільше впливає на ступінь скривлення волокон, приводить до значного змінювання осереднених властивостей КМ за типовим елементом (див. заштриховані прямокутники на рис. 2, а, б). Вибираючи параметри трансверсального армування, необхідно шукати компромісні рішення, оскільки збільшення діаметра стержнів поліпшує властивості КМ уздовж осі z, а в площині шарів має місце зниження міцності. Якщо розміри зон неоднорідності, які залежать взагалі від технології, значно відбиваються на ФМХ (у точці), то їхній вплив на осереднені властивості є менш значним (рис. 7).

Важливим результатом параметричних досліджень є висновок про меншу чутливість складноармованих КМ до трансверсального армування, що дозволяє рекомендувати цей процес для обшивки ЛА.



Рис. 5. Залежність ФМХ від структури КМ

Наявність або відсутність склеювання стержнів з основним КМ практично не впливає на значення модулів пружності і та міцності і (рис. 8), що дозволяє скоротити обсяг i кількість операцій підготовки поверхні елементів і, відповідно, знизити трудомісткість і складність виробництва конструкцій.

Для оперативного оцінювання впливу тих чи інших параметрів на ФМХ, що реалізуються, розроблено програмне забезпечення, яке є інструментом управління технологічним процесом.

У п'ятому розділі дисертації наведено i проаналізовано результати експериментальних досліджень, метою яких було оцінювання достовірності методик прогнозування ФМХ. Цю частину роботи виконано спільно з ФДУП «Обнінське НВП «Технологія»».

З фрагмента реальної конструкції було виготовлено та досліджено на мікроскопі «МИМ-8» мікрошліфи (рис. 9). Підтвердилось основне припущення запропонованої моделі про те, що волокна КМ поводяться як пружні гнучкі стержні.

Рис. 6. Поля пружних констант КМ Рис. 7. Вплив діаметру стержня на

властивості КМ

Аналіз розподілення волокон у зоні неоднорідності КМ обґрунтовує можливість застосування в розрахунках лінійної залежності об'ємного вмісту від координати, що у сукупності з результатами числових експериментів дозволило відмовитись від трудомісткої операції виготовлення мікрошліфів. У цьому випадку всі параметри розподілення об'ємного вмісту визначаються аналогічно з умови зберігання кількості волокон (2).

На рис. 10 показано зразок трансверсально-армованого КМ і схеми розташування тензорезисторів з базою 2 мм для аналізу поля неоднорідності модуля пружності навколо стержнів. Експериментальні та теоретичні результати, наведені в табл. 1, є свідоцтвом їх задовільної збіжності (у чисельнику і знаменнику відображено значення модуля пружності, розрахованого відповідно до схем плоских напружень і плоских деформацій, у дужках - варіація експериментальних даних).

За рекомендованою стандартами схемою триточкового згинання коротких балок (рис. 10) було досліджено міжшарову міцність вуглепластика КМУ-4э, у тому числі армованого стержнями з вуглепластику на основі джгута УКН-5000 і сполучного 2379 (табл. 2).

Модуль міжшарового зсуву збільшився на 14%, а теоретичне значення відрізняється від експериментального на 2%. Міжшарова міцність збільшується з 53,3 до 57,9 МПа (~12%) при об'ємі трансверсальних стержнів близько 3,1%. Аналогічне дослідження на зразках іншого типу (рис. 10) свідчить про те, що міцність трансверсально-армованого КМ зростає з 49,5 до 57,9 МПа (~16%), що практично збігається з даними, одержаними при згинанні балок.



Таблиця 1

Поле модуля пружності вуглепластика КМУ-4э [±45^о, 0^о, 90^о, 0^о, ±45^о] в неоднорідній зоні

Номер тензорезистора	Координати сторін тензорезисторів, мм	Діаметр стержня, мм
		0,8	1,5
	x1	x2	yl	у2	Теорія	Експеримент	Теорія	Експеримент
1	0	2	0,4	1,4	70,2/69,4	68,1(1,8)	70,6/68,9	65,9(2,5)
2	3	5	0,4	1,4	70,2/69,4	66,7(2,1)	70,6/68,9	68,0(2,4)
3	0	2	2	3	74,5/74,5	71,6(1,7)	75,4/75,4	69,2(2,0)
4	3	5	2	3	74,5/74,5	69,0(1,8)	75,4/75,4	68,7(1,6)
5	1,5	3,5	3,2	4,2	73,1/73,1	68,8(3,1)	72,4/72,4	69,1(7,0)
6	0,5	2,5	4,5	5,5	42,0/33,9	35,8(3,4)	21,8/19,3	16,6(5,9)
7	2,5	4,5	4,5	5,5	42,0/33,9	30,2(5,2)	21,8/19,3	18,1(4,9)
8	1,5	3,5	0,5	1,5	72,2/72,2	61,9(4,0)	82,4/70,9	72,3(3,6)
9	0	2	2	3	74,5/74,5	69,5(2,1)	25,4/75,4	68,8(3,9)
10	3	5	2	3	74,5/74,5	70,1(1,5)	75,4/75,4	69,3(5,0)
11	0	2	3,2	4,2	78,2/77,5	72,5(4,6)	73,6/71,6	65,4(6,4)
12	2	4	3,2	4,2	72,5/72,2	67,6(3,2)	66,5/65,6	60,3(5,8)
13	1,5	3,5	4,5	5,5	67,2/65,0	58,5(2,9)	58,9/53,4	56,3(2,9)

Таблиця 2

Дослід змінення міцності та модуля міжшарового зсуву

Назва параметра	Регулярний КМ	Армований КМ
Прогин, мм	0,118 (4,2%)	0,136 (3,8%)
Модуль пружності Е, МПа	Теоретичний	-	92040
	Експериментальний	120000	-
Модуль між шарового зсуву G, МПа	Експериментальний	5500	-
	Визначений за формулами опору матеріалів	5321	6094
	Визначений теоретично	-	5885
Руйнуюче навантаження, Н	7110 (6.2%)	7960 (6,8%)
Міжшарова міцність, МПа	53,3	59,7

ВИСНОВКИ

Відповідно до поставленої мети в дисертації побудовано й обґрунтовано модель взаємодії волокнистого шаруватого КМ з трансверсальними елементами, що проникають в препрег перед формуванням конструкцій. КТР, зберігаючи цілісність волокон, підвищує міжшарові міцність і жорсткість КМ. Отримані наукові й практичні результати:

1. Отримано залежності і формули для визначення об'ємного вмісту волокон і їхніх кутів армування як функцій від координат, параметрів стержнів і їхнього розташування для поздовжніх і поперечних шарів, а також для довільного початкового кута армування. Розрахункові залежності й системи рівнянь отримано як для перпендикулярних площин шарів елементів, так і для нахилених. Досліджено питання працездатності моделі й отримано обмеження на структурні й геометричні параметри КМ і стержнів. Проаналізовано підходи до визначення властивостей КМ на мікрорівні (у точці для кожного шару) за відомими характеристиками неармованого матеріалу.

2. Вирішено задачі визначення фізико-механічних характеристик шаруватих тривимірних КМ, армованих трансверсальними стержнями (штифтами), а саме:

- розроблено теорію шаруватих середовищ з урахуванням трансверсальных фізико-механічних властивостей і отримано формули для визначення модулів пружності на розтягання (стискання) і зсув, коефіцієнтів Пуассона, коефіцієнтів впливу першого й другого роду, а також лінійного температурного розширення по осях , (у площині шарів) і (у трансверсальному напрямку); досліджено окремий випадок ортотропного КМ, для якого отримано відповідні залежності;

- обґрунтувано й розроблено теорію осереднення властивостей КМ зі змінною анізотропією по скінченно-розмірному об'єму, що має велике значення для розрахунку конструкцій дискретними методами (МКЕ, МГЕ, скінченних різниць та ін.), а також для зіставлення експериментальних і теоретичних результатів;

- розроблено методику прогнозування міцнісних властивостей КМ зі змінними фізико-механічними характеристиками по об'єму як на мікро-, так і на макрорівнях, яка є основою для оцінювання ефективності трансверсального армування шаруватих КМ, а також для побудови алгоритмів їхнього проектування.

3. Проведено аналіз результатів параметричного дослідження зміни фізико-механічних характеристик шаруватих КМ внаслідок їхнього додаткового армування трансверсальними елементами, який дозволив установити таке:

- для ряду структур КМ деякі коефіцієнти Пуассона можуть стати від'ємними і це необхідно враховувати при проектуванні конструкцій із КМ;

- ступінь скривлення волокон сильніше позначається на зміні властивостей КМ, ніж їхнє ущільнення (збільшення об'ємного вмісту), на основі чого сформульовано практичну рекомендацію щодо доцільності застосування елементів мінімального діаметра з високими жорсткісними характеристиками;

- збільшення трансверсальних модулів зсуву пропорційне об'ємному вмісту стержнів, що є теоретичним обґрунтуванням методики визначення коефіцієнтів піддатливості з'єднань деталей із КМ із кріпильними мікроелементами, запропонованої вченими Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ»;

- найбільш істотно знижуються модуль пружності й міцність шарів у напрямку армування (до 60% для максимально припустимих діаметрів стержнів), а інші характеристики в основному підвищуються;

- трансверсальне армування стержнями більш доцільне для КМ з невисоким ступенем анізотропії, тобто для обшивок, стінок й інших аналогічних елементів конструкцій.

4. Проведено експериментальну перевірку отриманих у роботі основних формул і залежностей, яка підтвердила правочинність використання моделі для визначення фізико-механічних властивостей шаруватих КМ, додатково армованих трансверсальными елементами; показано, що міжшарові модуль зсуву й міцність короткої балки, що згинається за триточковою схемою, збільшуються відповідно на 14,5 і 12%; теоретичні значення осередненого по поверхні тензорезисторів модуля пружності для більшості досліджених точок не виходять за межі зони розсіювання експериментальних величин; випробування на міжшарову міцність стандартних зразків показало, що додаткове армування (сумарний поперечний переріз стержнів становив менше 13% від площі поверхні, що руйнується), що приводить до збільшення несучої здатності на 17%.

5. Результати досліджень впроваджено на ДП «Антонов» і в навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» у вигляді рекомендацій і методик для виконання курсового й дипломного проектування, а також у курсах лекцій для спеціальності «Проектування й виробництво виробів з композиційних матеріалів».

Математичне й програмне забезпечення можуть бути рекомендовані до використання в науково-дослідних і проектно-конструкторських організаціях, що займаються впровадженням КМ.

СПИСОК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Жаркан М. Моделирование структурных параметров и физико-механических свойств трансверсально-армированных волокнистых композиционных материалов / М. Жаркан // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»: - Вып. 1 (57). - Х., 2009. - С. 24-32.

2. Жаркан М. (Gharkan Mohammed R). Упругие константы трехмерного тела трансверсально-армированного слоистого композиционного материала / М. Жаркан (Mohammed R Gharkan) // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»: - Вып.2(58). - Х., 2009. - С.16-24.

3. Карпов Я.С. Определение деформативных свойств конечно-размерного объема композиционного материала с трансверсальным армированием / Я.С. Карпов, О.В. Ивановская, М. Жаркан (Mohammed R Gharkan) // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»: - Вып.3(59). - Х., 2009. - С. 53-66.

4. Жаркан М. (Gharkan Mohammed R). Определение прочностных свойств слоистого композиционного материала, армированного трансверсальными стержнями / М. Жаркан (Mohammed R Gharkan) // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»: - Вып.1(61). - Х., 2010. - С. 44-57.

5. Ивановская О.В. Определение структурных параметров волокнистых композиционных материалов, армированных дискретными трансверсальными стержнями при их шахматном расположении / О.В. Ивановская, М. Жаркан (Mohammed R Gharkan) // Композиционные материалы в промышленности: тез. докл. междунар. науч.-практ. конф. 1-5 июня 2009 г. - Ялта, 2009. - С. 366-369.

6. Жаркан М. (Mohammed R Gharkan). Расчетные зависимости для определения структурных параметров поперечных слоев волокнистых композиционных материалов, армированных дискретными трансверсальными стержнями / М. Жаркан (Mohammed R Gharkan) // Композиционные материалы в промышленности: тез. докл. междунар. науч.-практ. конф. 1-5 июня 2009 г. - Ялта, 2009. - С. 362-366.

АНОТАЦІЇ

Мохаммед Рамаід Жаркан. Моделювання фізико-механічних характеристик трансверсально-армованих шаруватих композиційних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла. - Національний аерокосмічний університет ім. М Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2011.

Запропоновано модель шаруватого композиційного матерілу (КМ) з трансверсальними армувальними елементами. На базі цієї моделі отримано залежності та формули для визначення об'ємного вмісту волокон та їх кутів армування як функцій від координат, параметрів стержнів та їх розташування для поздовжніх, поперечних і з довільним початковим кутом армування шарів. Розроблено методики визначення структурних параметрів шарів i фізико-механічних характеристик КМ на мікрорівні (у точці) i макрорівні (для скінченно-розмірного об'єму).

За пропонованою методикою виконано багатопараметричне числове дослідження залежності фізико-механічних характеристик шаруватого КМ від геометрії і властивостей трансверсальних стержней, а також від протяжності зони їхнього впливу на структуру КМ.

Експериментально досліджено вплив трансверсального армування на пружні та міцнісні характеристики КМ.

Результати досліджень впроваджено на ДП «Антонов» і в навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут».

Ключові слова: композиційний матеріал (КМ), трансверсальне армування, фізико-механічні характеристики.

Мохаммед Рамаид Жаркан. Моделирование физико-механических характеристик трансверсально-армированных слоистых композиционных материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 - механика деформируемого твердого тела. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2011.

В диссертации дан обзор и анализ отечественных и зарубежных авторов в области получения конструктивно-технологических решений (КТР), повышающих межслоевую прочность и жесткость полимерных композиционных материалов (КМ).

В соответствии с целью работы на основе обоснованной системы допущений построена модель взаимодействия волокнистого слоистого КМ с трансверсальными армирующими стержнями, внедряемыми в препрег перед формованием конструкций. На базе этой модели получены зависимости и формулы для определения объемного содержания волокон и их углов армирования как функций от координат, параметров стержней и их расположения для продольных, поперечных и с произвольным начальным углом армирования слоев. Расчетные зависимости и разрешающие системы уравнений получены как для перпендикулярных плоскости слоев стержней, так и для наклонных.

Исследован вопрос работоспособности предложенной модели и получены ограничения на структурные и геометрические параметры КМ и стержней, при которых упругая линия деформированного волокна не пересекает контур поперечного сечения стержней.

Проанализированы подходы к определению физико-механических свойств КМ на микроуровне (в точке) по известным начальным характеристикам недеформированного материала с учетом изменившихся структурных параметров - объемного содержания и углов армирования.

Разработана теория слоистых сред с учетом трансверсальных физико-механических свойств, в результате чего выведены формулы для определения модулей упругости на растяжение (сжатие) и сдвиг, коэффициентов Пуассона, коэффициентов влияния первого и второго рода, а также линейного температурного расширения по осям х, у (в плоскости слоев) и z (в трансверсальном направлении). Исследован частный случай ортотропного КМ, для которого получены соответствующие зависимости. Это позволяет вычислить в произвольной точке упругие константы КМ с переменной анизотропией, формируемого после внедрения стержней в препрег и совместной с ними полимеризацией связующего. Обоснована и разработана теория осреднения свойств КМ с переменной анизотропией по наперед заданному объему, что имеет большое значение для расчета конструкций дискретными методами. На базе критерия прочности Мизеса-Хилла разработана теория прогнозирования прочностных свойств КМ с переменными физико-механическими характеристиками по объему как на условном микроуровне, так и на макроуровне. Это является основой для оценки эффективности трансверсального армирования слоистых КМ, а также для построения алгоритмов проектирования структурных параметров.

По предложенной методике проведено многопараметрическое численное исследование зависимости физико-механических свойств слоистого КМ от геометрии и свойств трансверсальных стержней, а также от протяженности зоны их влияния на структуру КМ. Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что наиболее существенными фактороми, влияющими на физико-механические характеристики, являются искривление волокон и вызванное им изменение углов армирования, поэтому рациональным следует считать использование стержней малого диаметра с высокими жесткостными и прочностными свойствами. Снижение свойств более значительно для однонаправленных и близких к ним КМ по сравнению со сложноармированными, что позволяет рекомендовать это КТР для обшивок и панелей летательных аппаратов. Разработанные методики дают возможность определить количество слоев и структуру КМ в зоне усиления соединительных законцовок. Также исследованы два подхода к построению теории осреднения физико-механических свойств КМ с неоднородной анизотропией - на основе гипотез плоских напряжений и плоских деформаций. Результаты расчетов показывают, что определяемые упругие и прочностные характеристики значительно зависят от применяемой модели. Таким образом, возможен учет особенностей расчетных схем и условий проведения экспериментальных исследований. Показано, что качество приформовки стержней (наличие или отсутствие их склейки с КМ) более существенно сказывается на трансверсальных физико-механических свойствах, а для характеристик в плоскости слоев самым важным является непрерывность волокон.

В работе приведены и проанализированы результаты эксперимента, целью которого была оценка достоверности методик прогнозирования ФМХ.

Результаты исследований внедрены на ГП «Антонов» и в учебном процессе Национального аэрокосмического университета «Харьковский авиационный институт».

Ключевые слова: композиционный материал, трансверсальное армирование, физико-механические характеристики.

Mohammed Ramaiad Gharkan. Modeling of physical-mechanical characteristics of transversally reinforced laminated composites. - Manuscript.

Candidate thesis (technical) by specialty 01.02.04 - mechanics of deformable body. - Zhukovsky National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, Kharkiv, 2011.

The model of interaction between the laminated composite material a transversal reinforcing elements together with the method for evaluation of the structural parameters of the composite lamina and physical and mechanic properties of the composite material at the micro- and macro levels (in a point and a final volume) are defined. Dependencies and formulas for determination fiber volume fraction, fiber reinforcing angles and their arrangement for longitudinal, lateral and arbitrary reinforcing angles of layers are determined based on this model. Methods for determination structural parameters of layers and physical-mechanical parameters of composite at micro-level (at the point) and at macro-level (for dimension volume) are worked out.

Multi-parameter numerical analysis was conducted by suggested method. It permitted to determine physical-mechanical characteristics of laminated composite on its geometry, properties of transversal rods and length of the zone of their influence on composite properties.

The influence of transversal reinforcement parameters on elastic and strength properties of the composite material is studied experimentally.

The research results are used implemented in State Enterprise “Antonov” and in Zhukovsky National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute” educational process.

The keywords: composite material, transversal reinforcement, physical and mechanical characteristics.

Размещено на Allbest.ru

...