Анализ свойств полимерных композиционных материалов ( пкм ).

При применении в качестве конструкционных материалов (ПКМ), имеющих резкую анизотропию прочностных и упругих характеристик, особую важность приобретает анализ свойств ПКМ и соответствие этих свойств тем условиям нагружения, которые действуют в процессе эксплуатации изделия на конкретные элементы конструкции. Без анализа свойств ПКМ невозможно определить перспективу и эффективность применения композиционных материалов в определенном типе конструкции: трехслойной, подкрепленной или монолитной. Анализ свойств ПКМ является важным потому, что в каждом типе конструкции нагрузка воспринимается различно, что является характерным только для рассматриваемой конструкции.

В трехслойной конструкции нагрузка растяжения, сжатия и сдвига в плоскости обшивки воспринимается только обшивкой независимо от вида заполнителя (соты, пенопласт, заполнитель из микросфер и т. д.),роль которого заключается в поддерживании обшивки от местной потери устойчивости.

В подкрепленной конструкции нагрузка распределяется по ее элементам следующим образом: пояса лонжеронов и стрингеры воспринимают нормальную нагрузку (нагрузку растяжения или сжатия), а обшивка- касательную (нагрузку от сдвига), причем и между этими элементами нагрузка распределяется пропорционально их модулям упругости. В подкрепленной конструкции композиционный материал предоставляет конструктору возможность распределить нагрузку для каждого элемента наиболее эффективно.

При действии на конструкцию комбинации нагрузок: (растяжения или сжатия) по осям X (направление вдоль основы ленты) и У (направление вдоль утка) и сдвига в плоскости ХУ, предельное состояние пакета можно определить по критерию Цая-Хилла:

- + +

где: в числителях – действующие напряжения, а в знаменателях – пределы прочности по соответствующим направлениям.

При действии на конструкцию только и формула упрощается и принимает вид:

+ 1, обозначив R = , получим = .

При R = 0 (при отсутствии - сдвигающих нагрузок), значения и (свойства алюминиевого сплава Д16Т по удельному весу приведены к свойствам композиционного материала) соответствуют = ¦ ( в случае одноосного нагружения при действии нагрузки под углом a к направлению основы ленты.

Рассмотрим два материала: Д16Т и углепластик КМУ- 3. Их характеристики приведены ниже.

^{; Для Д16Т: Удельный вес ( g ) = 2,78 ( );}

Предел прочности при растяжении σ = 44 ; Модуль упругости при растяжении Е = 7200 ;

Предел прочности при сжатии = 32 ; Предел прочности при сдвиге τ = 19 ;

Предел прочности при сдвиге τ = 19 ; Модуль сдвига G = 2700 ;

Коэффициент Пуассона m = 0,33.

Для углепластика КМУ- 3: g = 1,47 ; = 80 ; = = 17500 ; = 600 ; = 40 ; = 8,0 ; = = 550 ; = 0,300;

= 0,010286. Все данные приведены при a = (т. е. нагрузка действует вдоль основы).

На Рисунках (1 – 5) показаны, полученные расчетами в НИО–3 ЦАГИ [ 48 ], разрушающие значения при растяжении (Рис.1, Рис.2.) и при сжатии (Рис.3, Рис.4) в зависимости от a и от R; модули упругости ; модуль сдвига и коэффициенты Пуассона в зависимости от a. Размерности для . Графики данных рисунков характеризуют резкую анизотропию свойств композиционного материала в зависимости от угла приложения нагрузки и от комбинации нормальных и сдвигающих усилий. Конструктор должен знать эти зависимости и учитывать их при выборе конструктивно-силовой схемы агрегатов из КМ.

 

На Рис.6. изображён вид приспособления (рамка, состоящая из 4-х звеньев), в котором испытываются образцы для определения прочности на сдвиг в плоскости листа в соответствии с . Данный метод является самым распространённым методом, но у него есть ряд особенностей, которые необходимо неукоснительно соблюдать. 1. Конструкция рамки (см. Рис.6) должна быть такой, чтобы оси перемещения всех 4-х звеньев располагались точно в углах рабочего поля испытуемого образца. В ГОСТ 24778 – 81 это требование указано. На практике очень распространены неправильные конструкции рамок – не соблюдаются требования ГОСТ, что приводит к ошибочному определению прочности на сдвиг, за которым следуют неправильные выводы. 2. Рамка в сборе состоит из 2-х рамок, которые стягиваются между собой болтами, зажимая образец. Необходимо обеспечить условие, при котором не происходило бы разрушение образца от того, что нагрузка от рамки на образец передаётся смятием отверстия в образце. Это достигается путём изготовления насечки на зажимающие поверхности оснастки и путём увеличения диаметра отверстий в образце под зажимающие болты оснастки. Изготовленная насечка должна оставлять отпечаток на 100% поверхности в районе зажатия образца. Это не всегда соблюдается. Зажатие образца можно осуществлять при помощи плавающих втулок с насечками. Это позволит отслеживать неровности поверхностей образца. Автор в 1985 году спроектировал 2 рамки с плавающими втулками с рабочим полем 200 х 200мм и 400 х 400мм., на которых в ЦАГИ проводились испытания образцов из углепластика. В настоящее время данные рамки находятся в ЦАГИ. 3. При испытании образцов не должно происходить потеря устойчивости образца вплоть до его разрушения. 4. Образец не должен быть с маленьким рабочим полем, при котором сказывается краевой эффект рамки, искажающий напряженное состояние образца. Рабочее поле 200 х 200мм. – хорошее рабочее поле. Меньше этого лучше не брать. На Рисунках 7 – 10 показаны результаты испытаний в ЦАГИ на сдвиг образцов из углепластика КМУ – 4Э с различными схемами укладок. Испытания проводились в рамке с рабочим полем 200 х 200мм. Общий вид образцов показан на Рис.7. На Рис.8. представлены для двух образцов показания тензодатчиков, наклеенных по диагоналям рабочего поля. Одни датчики показывали удлинения (+ε), другие – укорочение (-ε). Показания линейные для всех укладок, что говорит об отсутствии потери устойчивости.

Анализируя изменение свойств КМ, можно сделать следующие выводы:

1.Рассмотренный КМ (Рис.1-5) обладает резкой анизотропией свойств, т. е. высокому значению σ при растяжении (80 ) соответствует низкое значение τ (4,0 ). Для угла 45 градусов σ = 8,0 , а τ = 25

2.При R > 0 имеет место резкое уменьшение допускаемого значения σ при растяжении. Так при R=0,2 (т. е. сдвиг составляет 20% от растяжения) и при a= σ допускаемое при растяжении составляет 34 . Для этой комбинации нагрузок ориентация основы под углом 15⁰ является наиболее рациональной. Для Д16Т допускаемое σ= 20 .Применение КМУ- 3 позволит в 1,7 раза уменьшить вес конструкции по сравнению с применением Д16Т.

3.При R=1,0 оптимальный угол ориентации основы a=22⁰, а коэффициент уменьшения веса конструкции будет = 1,67.

4.Для ориентации a = ±45⁰ имеет место незначительное изменение σ во всем диапазоне R = 0- 1,2. Это характеризует эффективную работу такой ориентации основы при комбинированном нагружении подкрепленной конструкции, состоящей из обшивки и продольных элементов. В данной конструкции в обшивке должна быть ориентация основы ± 45⁰, а в продольных элементах – 0⁰. Это позволит наиболее эффективно распределить нагрузку по элементам конструкции. Распределение произойдет пропорционально модулям упругости. Е₀ =17500 Е ₄₅= 2000 (см. Рис. 5.) т. е. на продольные элементы уйдет нормальных усилий в 8,75 раз больше, чем на обшивку. Кроме этого обшивка с ориентацией ±45⁰ имеет максимальный модуль сдвига (G = 4200 , для Д16Т G = 2700 ) а, следовательно, и максимальную жесткость при кручении, т. е. минимальные углы закрутки.

5.Высокую эффективность применения КМ можно получить в конструкции, нагруженной или только нормальными нагрузками (растяжения или сжатия) или в комбинированно-нагруженной конструкции, в которой сдвиг не превышает 10-15% нормальных нагрузок.

6.Выбор типа конструкции, а особенно трехслойной конструкции с обшивкой, работающей на все виды нагрузок одновременно, должен быть обоснован и взаимосвязан с характеристиками КМ. Ошибка в выборе типа конструкции может привести к недостаточной весовой эффективности и даже к ее потере.

Анализируя свойства КМ и эффективность применения его в качестве конструкционного материала необходимо остановиться еще на одном вопросе – определить ту нижнюю границу эксплуатационных напряжений _., ниже которой коэффициент весовой отдачи больше 1,0, т. е. конструкция из КМ тяжелее конструкции из алюминиевого сплава. В качестве примера можно рассмотреть два материала: алюминиевый сплав 01420 и углепластик КМУ – 4Э. Для КМУ-4Э принимается коэффициент безопасности = 2, так как согласно статистическим данным коэффициент вариации ϑ= 14% (о зависимости ¦=¦(ϑ) будет сказано ниже). Удельный вес Определим нижнюю границу

= = = 14 .

В данной формуле: Для материала 01420 принято то, что при максимальной эксплуатационной нагрузке в конструкции не должно возникать остаточных деформаций, т. е. напряжение не должно превышать предела пропорциональности (σ_пц. ), которое равно 22 , а предел прочности равен 42 , поэтому коэффициент безопасности = = 1,91. Удельный вес .

= 14 - уровень эксплуатационных напряжений, при котором замена 01420 на КМУ- 4Э в весовом отношении равнозначна. Если в конструкции из КМ < 14 , то эта конструкция тяжелее, чем из 01420, а также значительно дороже. Спроектировать конструкцию с > 14 по критериям эксплуатационной живучести очень не просто (об этом будет сказано ниже). Повышению коэффициента вариации ( и уменьшение коэффициента безопасности (). Это возможно при принятии мер, направленных на получение стабильных прочностных характеристик материала и конструкции (автоматизация технологических процессов, пооперационный контроль на всех этапах создания конструкции и материала).