Влияние формы и размеров конструктивного образца из стеклопластика на его прочность и процесс разрушения

Научно-технический прогресс во всех областях человеческой деятельности предъявляет более сложные и жесткие требования к материалам, из которых изготовлены современные машины, механизмы и конструкции. В качестве примера можно указать следующие свойства, которые могут потребоваться от таких материалов: прочность, жесткость, коррозионная стойкость, износостойкость, легкий вес, долговечность, теплопроводность, звуконепроницаемость, термостойкость, красивый внешний вид. Естественно, что используя простые материалы очень трудно удовлетворить, в достаточной степени указанные выше требования. Именно поэтому возникла идея использования соответствующих сочетаний материалов позволяющая получить заданные свойства.

Современное материаловедение пошло по пути изучения возможности заложенных в композиционных материалах (КМ) и добилось ощутимых успехов. За счет выбора компонентов, их концентрации, размеров, формы, ориентации и прочности соединения друг с другом, физико-механические свойства КМ можно регулировать в самых широких пределах.

Значительно возрос интерес к механике армированных пластиков, которая в настоящее время включает такие направления, как механика технологического процесса, механика конструирования структуры материала и механика конкретных изделий. Большой вклад в развитие этих направлений внесли В «В .Болотин, Г. А. Ванин, В. Васильев, П. И. Гольденблат, С. Т. Милейко, В. Д. Протасов, Ю.Н.Ро-ботнов, С. В. Серенсен, В. С. Стреляев, Ю. М. Тернопольский, Т. Фудзин, М. Дзака, А. М. Скудра, ФЛ. Булах, Е. К. Ашкинази, Э. В. Ганов, А.Н.Па-лилов и другие.

Важной тенденцией в современной технике является максимальное использование потенциальных возможностей применяемых материалов. Для этого необходимо не только качественно, но и ." количественно, с достаточной точностью учитывать особенности работы применяемых материалов в различных условиях нагружения. Нам. известно, какие факторы влияют на прочность материалов* Одним из этих факторов, является масштабный фактор. Поэтому нами был рассмотрен этот вопрос на конкретном материале, чтобы дать инженеру конструктору практические механические характеристики этого материала и указать при каких статических и динамических нагрузках может этот материал работать с учетом масштабного фактора и концентрации напряжений".

Для обоснованного назначения ресурса эксплуатируемых конструкций из композитных материалов или определения их механического состояния при наличии заметных по внешним признакам усталостных повреждений актуальными являются вопросы обоснованного прогнозирования накопления и развития этих повреждений, а также оценка несущей способности конструкций с повреждением.

Целью настоящей диссертационной работы является получение качественной и количественной оценки влияния масштабного фактора и концентрации напряжений на статическую и усталостную прочность исследуемого стеклопластика, а так же исследование кинетики процесса усталостного разрушения материала с учетом рассматриваемых факторов и получение модели для прогнозирования процесса.

В соответствии с задачами настоящего исследования на защиту выносятся следующие результаты:

I. Результаты исследования влияния размеров образца и источника концентрации напряжений на кратковременную (статическую) прочность рассматриваемого стеклопластикового композиционного материала (СКМ).

2. Результаты исследования развития процесса усталостного разрушения (ПУР) рассматриваемого СКМ с учетом влияния размеров образца и источника концентрации напряжений, а также уровня напряжений .

3. Результаты исследования остаточной прочности рассматриваемого СКМ при наличии различного по величине усталостного повреждения.

Методика использования подходов линейной механики разрушения для описания ПУР рассматриваемого СКМ.

В первой главе сделан обзор литературы по основным вопросам, показаны разные подходы к оценке влияния масштабного фактора и концентрации напряжений, сформулированы основные задачи, исследования.

Во второй главе изложена методика экспериментального исследования и обработки получаемых данных.

В третьей главе исследовали влияние масштабного фактора и концентрации напряжений на кратковременную прочность стеклопластика при растяжении Gp (предел прочности).

В четвертой главе исследовали влияние циклических нагрузок на долговечность листовых элементов из стеклопластика с учетом влияния масштабного фактора и концентрации напряжений. Здесь же исследован процесс разрушения на всех трех его стадиях. Показано влияние некоторых факторов (ширины образца, диаметра отверстия и параметров цикла нагружения) на скорость ПЖР с использованием статистических критериев значимости Стьюдента и Фишера. На основании полученных данных предложен феноменологический подход к описанию процесса распространения повреждения рассматриваемого многослойного стеклопластика. В результате получены формулы для описания ПУР с учетом влияния исследуемых параметров.

Предложен способ прогнозирования процесса разрушения конструктивных тонкостенных элементов, выполненных из рассматриваемого композиционного материала, основанный на интегрировании полученных зависимостей для ПУР. Проведены исследования процесса как при стационарром циклическом нагружении, так и при ступенчатом изменении параметров цикла переменных напряжений. Одновременно исследовали остаточную прочность композиционного материала, имеющего усталостное повреждение различных размеров.

Результаты работы докладывались на научно-технических конференциях преподавателей КНИГА (1982;1983 гг), на методических семинарах кафедры «Сопротивление материалов» КНИГА, на заседании межкафедрального семинара «Прочность, надежность и долговечность летательных аппаратов и авиадвигателей» КНИГА. По теме диссертации опубликованы две печатные работы, третья работа принята к опубликованию.

Работа выполнена на кафедре «Сопротивление материалов» механического факультета КНИГА.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, кандидату технических наук товарищу Михаилу Павловичу Ждановичу за внимание и помощь, оказанные при выполнении работы.

I. ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ФАКТОРЫ ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ, УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. (ОБЗОР).

Известно, что под композитами мы понимаем материалы, состоящие из двух разных материалов, для которых можно установить разделяющие их отчетливые границы. Зти материалы (наполнитель и связующее или матрица) обычно различаются по механическим характеристикам. Определяющее влияние на свойства композита оказывает наполнитель (рис. I. Ia, I. I6).

На рисЛ.1а изображены диаграммы растяжения некоторых волокон, которые используются как наполнители, и на рис. 1.16 -диаграммы некоторых смол используемых как матрицы [9,46,473.

I.I. Перспективы использования композиционных материалов в авиаконструкциях.

В технологии современного самолетостроения применяются эпоксидные графитопластики в виде слоистых пластиков, армированных волокном с продольно-поперечным расположением слоев, которые идут на изготовление обычных монолитных конструкций, обшивки крыльев, хвостового оперения, облицовочных листов готовой конструкции. На самолетах типа B-I, Г-18 конструкции из композиционных материалов заменили большинство металлических деталей и узлов [51,52,53^].

При создании конструкции самолета B-I преследовали цель не только сокращения массы узлов и деталей, но и удешевления конструкции. При создании конструкции каркасов самолетов последующих поколений все шире будут применяться композиционные материалы благодаря наличию в них таких достоинств, как прочность, жесткость, способность приобретать определенные свойства диффе.

МПа.

2,555.

W 375 aesi.

О %.

Рис. На Диаграммы растяжения? —? различных волокон.

1 — высокомодульные углеродные волокна;

2 — борные- 3 — высокопрочные углеродные;

4 — кевляр- 5 — Sстекло- 6 — Е — стекло в j t.

Рис. l. l Г.

4,25.

2,5.

3,75.

S,% Характерные диаграммы деформирования различных составов смол [В J.

I — crla ып/т РСА ом.

2112/гц 0622 ! ренцированно конкретному применению материала. Так^например, на рис 1.2 приведены кривые изменения за последние 75 лет удельной прочности для нескольких материалов [3,23,24,30j.

При создании материалов с заданными свойствами, в зависимости от места применения материала требуется, чтобы конфигурация конструкций детали или монолитной структуры в полной мере без ограничения использовала достоинства данных перспективных композиционных материала по сравнению с обычными металлическими конструкциями.

Конструкции из перспективных композиционных материалов первого поколения предназначались для замены металлических деталей по принципу деталь на деталь, причем детали из композиционных материалов по форме, посадке и функциональной пренадлеж-ности соответствовали металлическим деталям, что позволяло добиться сокращения массы деталей, а стоимость новых деталей не являлась определяющим фактором. Создание самолета р -14 является типовым примером использования материалов-заменителей, в частности, использование материала на основе углерода, и эпоксидной смолы позволило уменьшить массу самолета на 19% [53,54, 55 ]. Применение конструкций из перспективных композиционных материалов второго поколения преследовало цель уменьшения массы самолета и уменьшения себестоимости конструкции.

Планирование на современном этапе, в области гражданского самолетостроения исходит из принципа продления срока эксплуатации оборудования в период замены одной системы на другую. Следовательно, для применения новых пршщипов создания конструкций, которые обычно выгодно отличаются от обычных конструкций по такому показателю, как соотношение стоимости и массы изделия, необходимо непрерывное совершенствование технологии соз~.

0/jj4* •.

2 J ж.

4 то.

Рис. L2 го та 1940 4960 W5/9B0.

Изменения удельной прочности ^ материалов, происшедшие с 1900 г, -•¦" ¦-•.'.

I — сталь- 2 — алюминий- 3 — композиты- 4 — титан" сзл дания конструкции каркаса. Это логически приводит к применению прогрессивных принципов создания конструкций из композиционных материалов.

Некоторые области применения композиционных материалов в конструкции самолета показаны на рис JfcЗдесь представлены детали и узлы во всем многообразии сложности конструкции, начиная с конструкции ребер жесткости, обшивки и лонжерона для горизонтальных и вертикальных стабилизаторов и заканчивая полными тонкими слоистыми структурами.

Успехи в создании конструкции таких узлов, как вертикальные стабилизаторы из композиционных материалов свидетельствуют о том, что монолитные конструкции из композиционных материалов могут конкурировать с металлическими конструкциями по такому показателю, как сокращение издержек производства за счет сокращения числа элементов конструкции и за счет уменьшения числа крепежных деталей приблизительно на 40 $ [24,26,27,29J .

Технология производства перспективных композиционных ма- -териалов третьего поколения также предусматривает обеспечение наперед таких свойств, как жесткость, прочность и устойчивость".

Несомненно, что в самолетах последующих поколений будут шире использоваться композиционные материалы для уменьшения массы и себестоимости самолета, а также повышения летных характеристик. Наиболее широко композиционные материалы будут применяться при создании будущих моделей самолета этого класса на таких участках конструкции, которые способствуют улучшению подъемной силы самолета за счет создания материала с заданными свойствами и также при создании слабонагруженных элементов самолета — дверей, рулевых поверхностей, люков и т. п. L14 3.

Если исходить из того, что самолет должен эксплуатировать.

Рир. 1.3 общий вид самолета — заштрихованы места где •чяопользуются КМ в конструкциях. ся в течение 15 — 20 лет, и налетать 8 тыс. — 10 тыс. часов -(ранее планировалось 5−10 лет и 4 тыс. — 7 тыс. часов), то необходимо особое внимание уделять также прочности конструкции планера самолета£ 51,52,55,65] .

ВЫВОДЫ.

1. Для конструкционного стеклопластика, отличного от технологий изготовления от известных в литературе получены предварительные механические характеристики прочности и жесткости.

2. Для данного стеклопластика исследовано влияние ширины образца В на статическую прочность (эр. С использованием критериев значимости показано, что увеличение В вызывает уменьшение (ор, предложена формула для прогнозирования этого влияния.

3. Исследовано влияние размера отверстия на Gp. Показано, что увеличение d приводит к уменьшению 0>р. При этом влияние с (чболее существенно, чем изменение В. Так, увеличение каждого из этих параметров в 2 раза приводит к изменению на 27% и на 6% соответственно (при В =10- 20 мм, d =0 и В =20 мм.* <1 =4, 8 мм, 38% - 44%). Получено также, что при росте ширины образца до определенной величины В заметного изменения (эР не наблюдается.

4. Исследовано влияние ширины образца и размера диаметра отверстия на циклическую прочность материала. Установлено, что с ростом 8 и о/ долговечность уменьшается, с уменьшением уровня напряжений это влияние более существенно, так при 120 МПа изменение В в 4 раза уменьшает Юр на 10 — 15%, а при = 80 МПа. Такое же изменение В уменьшает Н? на 30 — 35%.

5. Получено, что зависимость между при циклическом нагру-жении и хорошо аппроксимируются эмпирической формулой, что позволяет при ограниченном эксперименте построить кривые выносливости для большого диапазона различных по размеру и форме плоских образцов данного материала.

6. На основании исследований ПУР рассматриваемого стеклопластика получена модель для прогнозирования этого процесса. Показано, что константы предложенной модели зависят как от стадий развития ПУР, так и от условий испытаний. Этот процесс состоит из трех характерных стадий, конец первой стадии соответствует ^ (=(0,35−0,4) t. t, или =(0,65−0,75) конец второй Ц=(0,8−0,9), =(0,85−0,9) Мр

7. На основании исследований остаточной прочности образцов с. различным размером усталостного повреждения и образцов с' пропилом без предварительного циклического нагружения из условия равенства их и (эт была установлена зависимость между размером этого повреждения и сквозной магистральной трещиной в виде.

U Лф -«I m.