Разработка уточненного метода расчета композитных упругих элементов на стадии проектирования

Композиционные материалы (КМ) перестали быть материалами будущего — они настоящее. Нет ни одной области техники и не только техники (наравне с машиностроением композиты применяются также в строительстве, медицине, для изготовления спортинвентаря, и т. д.), где не нашлось применения для волокнистых композиционных материалов. Наиболее широко композиты применяются для изготовления панелей, оболочек, деталей каркаса различных конструкций, то есть в элементах, не несущих значимую нагрузку. При использовании КМ в силовых деталях перед инженером-проектировщиком сразу возникает ряд вопросов: о методах расчета и испытаний, о технологии изготовления и методах крепления, решить которые традиционными «металлическими» способами не представляется возможным.

Стоимость производства детали из КМ (на настоящем производственном этапе) выше стоимости металлического аналога, поэтому эффективность применения композитов может быть достигнута решением некой принципиальной технической задачи: упрощение конструкции, снижение габаритов упругого элемента, обеспечение нехрупкости изделия и т. п.

Создание детали одновременно с материалом — вот основное преимущество волокнистых композитов (угле-, стекло-, боро-, органопластики) перед традиционными конструкционными материалами (учиться у живой природы — главный лозунг инженера-композитчика). Пока это правило применимо в большей степени для изделий простой формы: композитные трубы различного назначения, стержни, балки: материал-изделие изначально формуется для лучшего сопротивления заданным нагрузкам, и наибольшая прочность закладывается по линиям наибольших напряжений.

Следует отметить основные особенности проектирования изделий из волокнистых композитов^ и задел, созданный в этой области отечественными и зарубежными учеными:

Широкие возможности варьирования геометрическими размерами элемента конструкции при изготовлении. При производстве деталей из КМ не нужно сложных и тяжелых штампов, оправок, дробеструйных обработок и т. д. Технологические особенности изготовления деталей из композиционных материалов показаны в работах Цыплакова О. Г. 71], Буланова И. М., Воробья В. В. [12].

Современная технология позволяет создавать из волокнистых КМ балки (рессоры) различного сечения и формы, что открывает новые возможности при проектировании силовых элементов конструкций. Проектированием композитных силовых элементов занимались Анин Б. Д. [2], Гордон Дж. [19], Непершин Р. И. [30], Парцевский В. В. [34].

Касательные напряжения в металлических рессорах практически не учитываются — незачем, но проведенные эксперименты на рессорах из КМ показывают, что для них наиболее вероятно именно расслоение или расщепление, то есть разрушение от касательных напряжений. Работы по расчету упруго-прочностных характеристик и по критериям прочности волокнистых композитов велись Алфутовым Н. А. 3], Ашкенази Е. К. 4], Баженовым С. Л. 7], Болотиным В. В. [11], Васильевым В. В. [14, 15], Георгиевским В. П. [17], Немировским Ю. В. [28, 29], Полиловым А. Н. [37, 40, 47], Савиным Г. Н. [59], Тарнопольским Ю. М. [24] и другими авторами.

Технология изготовления элементов из КМ неразрывно связана с условиями эксплуатации. Мы создаём не из материала конструкцию, не подбираем материал для конструкции в справочниках, а создаём и конструкцию, и материал одновременно, то есть свойства материала создаваемого элемента должны наиболее полно удовлетворять условиям работы. В частности для рессор мы должны не только удовлетворить условию прочности вдоль рессоры, но и обеспечить достаточную прочность 4 на расщепление. Методам оптимизации и рационализации армирования композитных материалов посвящены работы Бабича Д. В. [6], Баничука Н. Б. [8], Победри Б. Е. [35], Цыплакова О. Г. [72] и др.

Испытания композитов достаточно сложная задача, поскольку стандарты для сталей не могут быть использованы для оценки механических свойств реальной конструкции. Испытывая стандартные небольшие образцы нет возможности учесть масштабный эффект (эффект абсолютного размера), «scale effect», который имеет решающее значение при определении механических свойств элементов из КМ. Как было сказано, материал и конструкция создаются одновременно, по логике вещей надо испытывать нетолько образцы, но и конструкцию в целом. Механикой разрушения и методами испытаний волокнистых композитов занимались Ванин Г. А. 13], Милейко С. Т., Полилов А. Н. [42,44], Черепанов Г. П. [73].

Создание эффективных мест крепления композитных элементов к другим элементам конструкции — сама по себе очень важная и сложная задача, здесь невозможно обойтись стандартными методами, применимыми к «обычным» конструкционным материалам. Работы по концентрации напряжений в композитах отражены в трудах Лехницкого С. Г. [25], Немировского Ю. В. [29] и др.

Данная работа посвящена уточнённому методу расчета самого популярного упругого элемента транспортных средств — рессоры. Рессоры в современной технике применяются достаточно широко: от грузовых, легковых, специальных автомобилей и автобусов до лёгких самолётов и снегоходов: рессорные подвески и рамная конструкция являются основными атрибутами колёсной техники (как отечественной, так и заграничной), работающей в тяжелых условиях, а для отечественной — всей техники грузоподъёмностью выше полутора тонн.

Широкое применение подвески с листовыми рессорами в автомобильном транспорте объясняется простотой её конструкции и эксплуатации. Одним из основных недостатков рессор является большая масса, которая обусловлена 5 тем, что накапливаемая в ней энергия деформации на единицу объёма металла в несколько раз меньше чем в элементах другого типа. Здесь хорошо видна актуальность работы: снизить массу рессоры и одновременно сохранить накопленную упругую энергию. Применение КМ позволяет также улучшить коррозионные свойства. Для машин, работающих при низких температурах (условия Крайнего Севера), решающую роль играет нехрупкость, практическая нечувствительность прочности КМ к низким температурам даже при наличии конструкционных или эксплуатационных концентраторов напряжений типа отверстий или трещин.

В работе рассмотрены следующие вопросы, связанные с проектированием композитных упругих элементов, в частности профилированных рессор:

1. Возможность изменения формы рессоры без снижения механических характеристик, и расчет для произвольной формы.

2. Разориентация волокон при формовании, откуда вытекает задача об учете изменения модуля упругости. Усреднение механических характеристик по длине — есть элемент новизны, в известной нам литературе похожих вещей нет.

3. Учет особых механизмов разрушения композитной рессоры.

4. Критерии прочности для однонаправленных и ортогонально армированных волокнистых композитов, нахождение оптимального угла разориентации.

5. Экспериментальные методы для проверки механических характеристик рессор.

6. Техно логические принципы создания оправок с изменяемой геометрией.

В работе 5 глав (рис.1), где последовательно изложены вопросы, с которыми сталкивается инженер-проектировщик, занимающийся созданием композитных силовых элементов, и предложены методы их решения. Особое внимание уделено изучению влияния разориентации на упруго-прочностные б свойства стеклопластиковой рессоры. Предложены методы осреднения модуля упругости. Рассмотрены механизмы разрушения рессор и критерии прочности волокнистых композитов. Приведены результаты и обработка проведённых экспериментов. Даны предложения по технологии изготовления. в Главе 1 приведены историческая справка применения КМ в различных отраслях машиностроения, примеры решения принципиальных задач, анализ применения композитов в силовых элементах;

Глава 2 посвящена анализу основных эффектов применения КМ в рессорахв 3-й Главе рассмотрены методы усреднения упругих характеристик рессоры, зависящих от угла укладки волокон (угол разориентации), который, в свою очередь, меняется из-за профилированияв Главе 4 проведена оценка снижения прочности из-за разориентации волокон в рессоре, рассмотрены эффекты, обнаруженные при стандартных видах испытаний композитов, и критерии, позволяющие описать зависимости прочности от размеров образцов и структуры армирования;

5-я Глава посвящена экспериментальным и технологическим аспектам создания стеклопластиковых рессор. в приложениях приведены примеры проектного расчета некоторых вариантов упругих элементов.

Основные Рациональное эффекты проектирование применения профилированных.

КМ рессор Эффекты и I объекты.

Примеры — применения.

Упругие элементы.

Инженерный подход.

• Изменение геометрии.

Общио случаи расчета.

Обций коэффициент снижения ыассь!

Влияние концов.

Влияние разориентации волокон на упругие свойства [.

Анизотропная теория упругости.

Метода усреднения модуля упругости.

Прогиб с переменным модулем.

Критерии Экспериментально-прочности технологические волокнистых КМ проблемы создания рессор из КМ.

Механизмы разрушения Длительная релаксация Критерии прочности для .ПЯ" 3^!®-?7!;

Оправка с изменяемей однонаправленных и ортогонально армированных КМ.

Энергетические и силовые кри-ерии разрушения рессор юометриеи Проблемы крепления.

Рис. 1. Структура диссертационной работы.

Выводы:

1. Композитные рессоры имеют значительные преимущества перед металлическими аналогами как накопители упругой энергии.

2. Разработанный метод проектного расчета позволяет учитывать изменение упругих свойств и механизмы разрушения КМ в случае разориентации волокон в профилированных элементах конструкций.

3. Уточнение расчета за счет переменного модуля на профилированном участке даёт поправку ~2% к прогибу, т. е. изменение модуля при длине профилированного участка менее трети рессоры можно не учитывать вовсе.

4. Предложенные линейные критерии для однонаправленного и ортогонально армированного пластиков позволяют с достаточной точностью оценить прочность композитных элементов с различными углами укладки волокон.

5. Разработанное приспособление показывает простоту получения изделий сложной формы из композитных материалов.

6. Стеклопластик сохраняет свои упруго-прочностные характеристики при длительном (многолетнем) нагружении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Работа посвящена самому простому и одновременно самому массовому элементу, применяющемуся в современных автомобильных конструкциях — рессоре. Задача решается в упругой постановке, но, несмотря на кажущуюся простоту, применение волокнистых композиционных материалов существенно усложняет в задачу.

Опыт автора показывает, что иногда инженеры не до конца понимают основ проектирования композитных элементов, например, стремление при помощи композитов получить полный аналог металлической рессоры приводит к тому, что создаются многолистовые композитные рессоры с изотропными листами — как следствие они не выдерживают заданного количества циклов: многолистовые композитные рессоры разработанные компанией «АВТОРОС» выходили из строя, отработав менее 2 ООО (на два порядка меньше требуемого) из-за выкрашивания материала в месте контакта листов. Комплексный подход к проектированию деталей из волокнистых композитов исключает ошибки подобного рода.

В работе доказано, что нужно стремиться к однолистовому исполнению композитной рессоры, именно в таком варианте наиболее полно реализуются все преимущества волокнистых композитов.

В работе, на основе: критериев прочности, учитывающих особые механизмы разрушения, исследования изменения свойств в зависимости от ориентации волокон, применения современных технологий производства КМ представлен уточненный проектный расчет композитной рессоры. Предложенная в работе схема проектирования композитных элементов на примере листовой рессоры не претендует на применимость во всех типах элементов, но расположение волокон по линиям наибольших напряжений представляется рациональным для любых видов конструкций. Такой способ проектирования композитных элементов позволит избежать ошибок, присущих «металлическому» подходу.

В работе показано, что в расчете рессор (балок) с разориентацией волокон менее 5° можно не учитывать изменение модуля упругости (ошибка ~5%), поскольку влияние этого на эксплуатационные характеристики минимально (увеличение прогиба ~2%). При угле малой разориентации порядка 7° наблюдается незначительное падение прочности в продольном направлении и заметное увеличение в поперечном.

Проведённые автором эксперименты доказывают нечувствительность модуля упругости стеклопластика к длительному нагружению.

Применение пултрузионной технологии с последующим формованием позволяет получать малую разориентацию, не ухудшающую свойств, но исключающую опасность расслоения и расщепления рессоры.

На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований разработана уточненная комплексная методика проектного расчета композитных упругих элементов, которая позволяет учитывать изменение упругих свойств и механизмы разрушения КМ в случае разориентации волокон в профилированных упругих элементах конструкций.