Устройства и метод определения долговечности анизотропных стеклопластиковых стержней

Актуальность. Длительная прочность и долговечность — это важнейшие характеристики, используемые при проектировании и реализующиеся при эксплуатации изделий из полимерных композиционных материалов (ПЕСМ). Старение полимеров и разрушение стеклопластиковых изделий на различных объектах применения могут вести к значительным убыткам, например выход из строя линии электропередачи вследствие разрушения стеклопластикового сердечника электроизолятора, и к человеческим жертвам при обрушении фрагментов стен в зданиях или шахтных сводов, в случае обрыва анкерных стеклопластиковых связей.

Стеклопластиковые стержни в зависимости от условий применения могут подвергаться всем видам нагружения: растяжению, сжатию и изгибу. Обычно, для нового малоизученного материала, прогнозирование долговечности производят на основе экспериментальных исследований для каждого вида нагружения, приближенного к условиям эксплуатации. Вследствие этого, для количественной оценки долговечности материала, необходима разработка экспериментальных устройств и методов длительных статических испытаний ПКМ.

Цель работы — разработка, создание и апробация экспериментального устройства и метода длительных статических испытаний прочности стеклопластиковых стержней при сжатии, растяжении и продольном изгибе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработать и создать устройство, предназначенное для проведения испытаний образцов на долговечность, позволяющее расширить функциональные возможности, повысить точность, снизить энергоемкость и габаритные размеры;

— разработать метод определениядолговечности стеклопластиковых стержней, основанный на измерении времени до разрушения нагруженных образцов и последующей статистической обработке результатов с целью построения силовых зависимостей долговечности;

— провести апробацию разработанных устройств и метода на испытаниях гладких стержней, стержней периодического профиля и образцов-пластин, из различных ПКМ, с целью установления зависимости прочности образцов от основных факторов, таких как: размеры и форма образцов, условия соединения их с нагружающим устройством, схема приложения нагрузки, длительность воздействия нагрузки и т. д.

Объекты исследования:

— устройства для определения долговечности нагруженных стержней из ПКМ;

— метод определения силовых зависимостей долговечности стеклопласти-ковых стержней.

Предметы исследования:

— образцы для определения долговечности стержней из ПКМпри растяжении, сжатии и продольном изгибе;

— влияние формы и размеров образцов, условий соединения их с захватамисхемы приложения и длительности действия нагрузки на результат испытаний;

— применимость метода определения долговечности для различных условий: температуры испытаний, способов приложения нагрузки, вида ПКМ.

В работе применены методы аналитических и экспериментальных исследований. Аналитический метод применяется для математической обработки результатов измерения прочности и долговечности образцов, для расчета эффективного диаметра стержней периодического профиля, оценки погрешностей методов испытаний и статистической обработки результатов. Экспериментальные исследования служат для изучения экспериментальных установок, исследования влияния размеров образцов и захватов на результат испытаний, апробации разработанных методов и устройств для испытаний стеклопластиков, получения эмпирических данных о прочности и долговечности ПКМ.

Научная новизна:

1. Разработано и создано экспериментальное устройство комплексных испытаний на растяжение, сжатие и продольный изгиб для измерений долговечности ПКМ, новизна которого состоит в том, что в одном из испытуемых образцов создается постоянная сжимающая нагрузка, а во втором равная по величине растягивающая нагрузка, посредством продольно изогнутых стержней, которые являются и нагружающим механизмом и испытуемыми образцами одновременно.

2. Разработан метод измерения долговечности, новизна которого состоит в общей совокупности и заданной последовательности проведения процедур, включающих: отбор представительной выборки образцов и деление ее на равные группы для испытаний на прочность и долговечностьиспытание временной прочности и аппроксимация ее зависимости от вероятности разрушения, обоснование выбора величины постоянного напряжения и испытание на долговечностьаппроксимация распределений долговечности.

3. Разработан метод математической обработки экспериментальных результатов измерения долговечности, позволяющий построить эмпирические силовые зависимости приведенных значений напряжений от значений долговечности, соответствующих равной вероятности разрушения.

4. Получены эмпирические закономерности поведения стеклопластиковых стержней при сжатии в зависимости от отношения геометрических размеров.

Практическая значимость:

— созданы устройства и прикладные методики для испытаний однонаправленных стеклопластиковых стержней круглого сечения на растяжение, сжатие и продольный изгиб в промышленных условиях;

— разработанный метод длительных статических испытаний применен для построения силовых зависимостей долговечности;

— расширена область применения метода продольного изгиба для исследований механических свойств образцов-пластин, вырезанных из стеклои углепластиковых плит и для стержней периодического профиля;

— выполнена модернизация конструкции установки для испытаний на продольный изгиб применением шарнирного крепление нагружающего наконечника, в устройстве передачи нагрузки от образца к силоизмерительному датчику, что повышает точность получаемых результатов;

— с помощью устройств и выявленных закономерностей при испытаниях на устойчивость при сжатии обоснованы диапазоны размеров образцов для измерений механических свойств изделий на сжатие и продольный изгиб;

— на основе решений совместно закона Гука и формулы Эйлера разработана и нашла применение на производстве методика по определению эффективного диаметра и модуля упругости стержней периодического профиля.

Реализация результатов исследований. Методы и оборудование для механических испытаний прочности и долговечности однонаправленных стеклопластиков, а также способы оригинальной обработки результатов внедрены в ООО «Бийский завод стеклопластиков» (ООО «БЗС»), г. Бийск. Методики испытаний введены в технические условия для контроля круглых однонаправлен-но армированных стеклопластиковых стержней постоянного и периодического сечения. Разработанный метод длительных статических испытаний используется в учебном процессе в Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ) им. И. И. Ползунова. Использование результатов исследований подтверждено актами внедрения.

Достоверность результатов исследований подтверждена использованием известных законов механики, согласованием расчетных и экспериментальных данных, использованием для выполнения экспериментальных измерений высокоточных современных измерительных приборов, проведением государственной поверки используемого оборудования, анализом погрешностей экспериментов по стандартным методикам, воспроизводимостью результатов, полученных в нескольких независимых лабораториях при апробации методов и устройств для испытаний ПКМ.

На защиту выносятся:

— экспериментальное устройство комплексных испытаний для определения долговечности при растяжении, сжатии и продольном изгибе;

— новый метод измерения долговечности ПКМ при приложении постоянной по величине нагрузки;

— метод математической обработки экспериментальных результатов с целью построения силовых зависимостей долговечности;

— методика измерения эффективного диаметра стержней периодического профиля;

— результаты экспериментальных измерений механических свойств плоских образцов из стеклопластиковых и углепластиковых плит и стеклопласти-ковых стержней периодического профиля.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных, всероссийских и международных конференциях: VIIX Всерос. науч.-практ. конф. «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (г. Бийск, 2007;2010) — 1-я Региональная, II-я Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Полимеры, композиционные материалы и наполнители для них», («Полимер-2007, 2008») (г. Бийск 2007, 2008) — 1-я и III-я Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2008, 2010) — Всерос. науч.-практ. конф. «Инновационные технологии: производство, экономика, образование» (г. Бийск, 2009) — пятая междунар. конф. «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология» («Композит-2010», г. Энгельс 2010) — 11-я Междунар. Молодежная Конференция-Семинар по мик-ро/нанотехнологиям и электронным приборам «EDM 2010» (г. Новосибирск 2010). Материалы были удостоены специального диплома VIII-ой Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи («НТТМ-2008», г.

Москва), получен грант ООО «БЗС» 2010 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 4 статьи в центральных журналах, рекомендуемых ВАК и 1 патент на изобретение, остальные доклады в сборниках конференций.

Личный вклад автора состоит в разработке конструкций установок и методов исследований механических свойствсоздании прикладных методик испытаний и обработки результатов, выполнении экспериментальных работ и сертификационных испытаний изделий.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 наименований, 6 приложений, изложена на 132 страницах текста, содержит 46 рисунков, 22 таблицы.

выводы.

1. Разработано и создано экспериментальное устройство комплексных испытаний на растяжение, сжатие и продольный изгиб для измерений долговечности ПКМ.

2. Разработан новый метод определения долговечности анизотропных ПКМ. Проведена апробация предложенных устройства и метода на испытаниях стеклопластиковых стержней, стеклои углепластиковых пластин, и получены эмпирические закономерности для расчета длительной прочности.

3- Установлена зависимость критического напряжения от геометрических размеров и вида закрепления концов стержня при испытаниях на сжатие. С помощью полученных эмпирических зависимостей спроектированы устройства для испытанийша долговечность и измерения механических свойств стеклопла-стиковых стержней при растяжении, сжатии и продольном изгибе.

4. Модифицировано устройство для испытаний на продольный изгиб с помощью установки шарнирной опоры в узле измерения усилия, позволяющей повысить точности результатов измерений. Проведена апробация устройства и метода продольного: изгиба для испытаний стеклопластиковых стержней постоянного круглого и периодического сечения, стеклои углепластиковых пластин.. — '. '.

5. Разработана и внедрена оригинальная методика по определению эффективного диаметра стержней периодического профиля, основанная на использовании результатов измеренияжесткости стержня при растяжении с использованием экспериментальных измерений эйлеровой критической силы при продольном изгибе.

6. Предложена методика расчета длительной прочности стеклопластиковых стержнейоснованная на математической обработке результатов измерений исходной прочности и долговечности. •.