Деформирование, разрушение и остаточная прочность трехслойных сотовых панелей при поперечном низкоскоростном ударе тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

-,*-<"> л •

. 10 с.«

1 1 НОЯ

БУСЛАЕВА Ольга Станиславовна

ДЕФОРМИРОВАНИЕ, РАЗРУШЕНИЕ И ОСТАТОЧНАЯ ПРОЧНОСТЬ ТРЕХСЛОЙНЫХ СОТОВЫХ ПАНЕЛЕЙ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ НИЗКОСКОРОСТНОМ УДАРЕ

Специальность 01.02.06 - "Динайика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск-1996

Работа выполнена в Челябинском государственном техническом универсип

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Садаков О.С. Научный консультант -

кандидат технических наук, доцент Сапожников С.Б.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Жилкин В.А.; кандидат технических наук, доцент Мокеев В .В.

Ведущее предприятие - Государственный ракетный центр "КБ им. академи] В.П.Макеева" (г.Миасс, Челябинской обл.).

Защита состоится 27 ноября 1996г., "в_часов, на заседании дис<

тационного совета Д 053.13.01 при Челябинском государственном те> ческом университете: 454080, г.Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЧГТУ.

Ваш отзыв в двух экземплярах, скрепленных гербовой печатью, про направлять по адресу: 454080, г.Челябинск, пр. им. ВЛ. Ленина, 76, ЧГ ученый совет. Тел. (351-2) 39-91-23.

Автореферат разослан "<£6* & 1996г.

Ученый секретарь диссертационного совета .

к.т.н., доцент В-МЛСононов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время трехслойные панели с сотовым заполнителем и композитными обшивками широко используются в строительстве в качестве ограждающих и несущих конструкций, в машиностроении (грузовые контейнеры, рефрижераторы, вагоны и др.), в химической промышленности ¡резервуары для обработки отходов химических производств, трубопроводы для этвода газов, элеваторы и др.), в судостроении (корпуса малых судов, элементы интерьера, перекрытия), в авиации в качестве силовых и несиловых элементов планера и других отраслях промышленности. Наряду с известными преимуществами [хорошая звуко-, теплоизолирующая способность, лучшие характеристики выносливости и др.) по сравнению с традиционными стрингерными и монолитными панелями сотовые конструкции имеют ряд недостатков, одним из которых является слабое сопротивление случайным локальным ударным воздействиям (падение инструмента, удары камней со взлетно-посадочной полосы и т.п.). Такие воздействия вызывают различные повреждения (вмятины, расслоения, прорывы обшивки и т.д.), которые могут заметно снизить прочность конструкции.

Множественность механизмов разрушения, анизотропия материалов, многопараметричность конструкций трехслойных сотовых панелей с композитными обшивками, а так же слабая освещенность в литературе, приводит к необходимости дорогостоящего экспериментального определения их ударопрочности на этапе доводки конструкции.

Цель диссертации состоит в разработке расчетных моделей деформирования и разрушения тонкостенных композитных обшивок трехслойных сотовых панелей (в дальнейшем трехслойные панели), испытывающих локальный поперечный (по нормали к поверхности) низкоскоростной удар твердым телом и оценке прочности обшивки с дефектом при растяжении.

Научная новизна теоретических и экспериментальных результатов, полученных в данной диссертации, заключается в том, что впервые

- экспериментальным путем обнаружена независимость кривых локального контактного деформирования (функции усилия на инденторе от прогиба обшивки в месте контакта) от радиуса сферического основания индентора для тонких анизотропных обшивок панелей с сотовым заполнителем. В проведенных экспериментах обшивки были выполнены из слоистых органе-, углепластиков и гибридов на их основе, а заполнители - из стеклосотопласта, полимерсотопласта и алюминиевой фольги с размером ячейки 2,5 мм; радиус сферического основания иняентова

3

изменялся в диапазоне 2...15 мм, что превышает толщину обшивки панели в 3... раз. Сочетание материалов обшивки и заполнителя., изученное в данной рабо перекрывает большинство существующих сейчас случаев использоваг трехслойных панелей в химическом машиностроении, строзггсльстве и авиации.

- получено теоретическое описание экспериментальных кривых контакта деформирования с помощью разработанной в диссертации аналитической моде контактного деформирования, при нагружении панели сосредоточенной силой использованием упругих констант материала обшивки и нового параметра напряжения квазитекучести при закритическом сжатии сотового заполнителя вде граней сот.

- разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать нагруз; соогнегствующуго прорыву обшивки из армированного волокнами пластика сотов панели, и размер этого прорыва при квазистатическом контактном деформирован иидентором со сферическим основанием, учитывающая прочностные свойсп заполнителя и армирующих волокон в каждом слое обшивки и способ укладки эт волокон по толщине.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработали модели позволяют производить на стадии проектирования сравнение различи; конструкций по ударопрочности и находить рациональную укладку о6шие трехслойных сотовых панелей, обеспечивающую более высокие значение нагруз прорыва обшивки и остаточную прочность, т. е. прочность элемента конструкции п наличии в ней дефекта.

Типовые технологические процессы изготовления трехслойных сотов! панелей, даже те, в которых осуществляется автоматическое регулирован температуры и давления прессования, в раде случаев может привести к существенн вариации объемной доли волокон в композите и соответственно к вариации ме? нических свойств материала обшивки {модули упругости, пределы прочности) и толщины. Теоретический анализ» полученных зависимостей ("усилие со сторо! иидентора - йрогиб обшивки", а также "усилие прорыва обшивки - ради сферического основания индестора") показал, что яда обшивки из армирование высокомодульными, высокопрочными волокнами пластика такая вариация объемн доли волокон не оказывает влияния на вид этих зависимостей. Вид этих зависимост определяется только количеством волокон в способом их укладка по толщине. Эт факт позволяет вывести из рассмотрения случайное изменение технологическ параметров при производстве сотовых пааеяей. 4

Замена реального дефекта на эквивалентный концентратор типа острого дреза с длиной, определяемой по разработанным моделям, позволяет существенна фостить опенку остаточной прочности элемента конструкции.

Проведенное экспериментальное исследование показывает возможность ншененне теории Герца для оценки динамических характеристик ударного ^действия (продолжительность удара, максимальное контактное усилие, пеличины югиба и т.д.) с использованием квазистатических диаграмм контактного ¡формирования.

Применительно к оценке прочности при случайном ударном натружен и н гговых конструкций .самолета бетонной крошкой со взлетно-посадочной полосы :спериментально показана возможность замены гравия фракции 10...20 мм с гроятностыо 0,90 на сферический шшентор диаметром 8... 16 мм.

Предложенный комплекс моделей и методов позволяет на стадии проек-фозакня решать прямую задачу, а именно, обеспечение прочности при заданном парном воздействии, а на.стадни эксплуатации - обратную задачу, т.е. нормировать шействие на конструкцию с позиции предельного "допустимого снижения пяточной прочности

Общая методика исследований. Для решети поставленных в работе задач ьшн использованы методы теневого муара, электро- и вибротензометрин, методы ;срет вероятности и математической статистики, метод конечных элементов, метод ысгрого преобразования Фурье при фильтрации шумов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ре-дататы исследований доложены и обсуждены: на 7-й межотраслевой научно-шшчгекой конференции "Проблемы создания конструкций из композиционных ягериалов и пх внесение в практику совершенствования образцов новой техники" ■¿касс, 1992г.); в работе 3-й Российской школы по проблемам проектирования неодородных конструкций (Миасс, 1995г.); на ' научно-технической конференцпн Расчетные методы механики деформируемого твердого тела" (Новосибирск, 1995г.); а научно-технической конференции Челябинского государственного технического ниверентста (Челябинск, 1995г.); на научном семинаре кафедры "Сопротивление ягериалов, динамики и прочности машин" Челябинского государственного гхничёского университета (Челябинск, 1995г.); на расширенном научном семинаре афедры "Прикладная механика, динамики и прочности машин" Челябинского гссу-арствешгего техшгаеского университета (Челябинск, 1996г.).

5

Публикации. Основное содержание диссертации и результаты исследований опубликованы в 3 статьях, в 3 тезисах доклада и 1 авторском свидетельстве на

юоопстсние.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложения. Работа изложена на 156 страницах, включая 54 рисунка и 7 таблиц, список литературы из 139 наименований. Приложение на 12 страницах: в него вынесены вопросы связанные с идентификацией и верификацией разработанных

моделей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Разработанные к настоящему времени модели и методы исследований позволяют достаточно полно изучать деформирование слоистых композитных конструкций при ударе, используя схемы балок и пластин, работающих, в основном, на изгиб. Эти вопросы разработаны в трудах Селихова А.Ф., Снисаренко С.И., Васильева В.В.. Римского BJC., Преображенского ИЛ., Богдановича А.Е., Ярве Э.В., Музыченко В.П., Дроздова М.А., Щугорева ВЛ., Парцевского В.В., Болотина В.В., Баженова В.Г., Трунина ЮЛ., Ушакова AJL, Чижова В.М., в трудах зарубежных авторов Доубинса А.И., Грещука Л.Б., Кэрнза Д.С., Рикардса Р.Б., Лагейса П.Н., Dorey G., Morton J., Carden H., Davis MJ. и других авторов. Однако для тонких композитных обшивок саговых панелей при локальном ударе, разработанные модели балок и пластин применить не удается, так как наличие сотового заполнителя как основания существенно усложняет анализ. В связи с этим в настоящее время деформирование и разрушение таких конструкций изучается, в основном, экспериментально. Некоторые особенности поведения сотовых конструкций при ударе можно найти в работах Rhodes M.D., Bernard Mi., Lagace PA., Wilson Tsang P.H., Dugundji J., Shanna A.V., Abbott IL, Jonas PJ„ Shin W.K., Oplinger D.W., Slepetz J.M. и других авторов.

На основании выполненного обзора в диссертации формулируются основные задачи:

- провести экспериментальное исследование локального контактного деформирования и разрушения сЬтовых панелей с тонкими композитными обшивками при вариации диаметра инденгора, материала сотового заполнителя и обшивок;

- разработать математическую модель, описывающую деформирование тонкостенной обшивки трехслойной панели при локальном квазистатическом нагружении;

6

- разработать методику для прогнозирования нагрузок прорыва обшивки :феричесмш индентором;

- оценить прочность обшивки о реальным дефектом при растяжении.

ЭКСПЕР11МЕПТАЛЫЮЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ТРЕХСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ ПРИ УДАРЕ Испытаны панели со следующими характеристикам!: обшивка из органопластика (ОГГ) ЮТ с укладками-[0]4 и [±45]s (толщина обшивок 0,6 мм), за-юлнитель из стеваосотопласта (ССП) высотой 8,5 мм и размером ячейки 2,5 мм; ¡бшйвка толщиной 0,39 мм из углепластика (УП) ГСМУ-43 с укладкой [±45/0]т и с аполнителем из алюминиевой фольга ЛМг-2Н высотой $В,б мм и размером ячейки 1,5 мм; обшивка толщиной 0,65 мм из УП КМУ-4Э с укладкой [±45]s и с аполнителем из полимсрсотопласта (ПСП) высотой 10,5 мм и размером ячейки 2,5 ■ш; обншзка толщиной 0,S4 мм 553 угдеорганопластнка [(¿45cn)s/'0yn]x и аполшггслем из ССП. Образцы укладывались г га жесткое основание (как наиболее ¡пасный случай, например, удар вблизи опоры) а подвергались локальному юперечному (по нормали к поверхности) йагрукеито, Размеры панелей были избраны таким образом, чтобй исключить потерю устойчивости обшивки в процессе гагружешш.

Проведено три серии испытаний (1 - при Локальном поперечном ударе :фер!гчЕскнм индентором, 2- при кййзпстаттгческо'г,! контактном нагруженки :фернческнм ипдснтором, 3 - яри хназистагаческом контактном нагружешш равяем). Испытания образцов первой серии Производились на установке маятнико-юго типа ийдентором со сферическим основанием диаметром 10 мм. Во время удара агнал С пьезокерамического акселерометра Д!4, установленного на икденторе, агшсывался на запоминающий осциллограф С8-17 в виде развертки ускорения во '.ремеии ("a-f'). Полученные ост!ллограммы подвергали фильтрации от щсокочастотньк шумов с помощью известного спектрального метода с [«пользованием быстрого преобразования ' Фурье. Диаграммы контактного сформирования получены путем двойного интегрирования отфильтрованных 1Сциллограмм, считая индентор жестким телом (рис. 1). Здесь же приведены >езультаты испытаний второй серии образцов. На рис. 1 и ниже заштрихованной

Вид укладки дан по между народному коду ориентации волокон в слоях композитных гатериаяов, предложенный Лабораторией материалов ВВС США.

областью показан разброс эксперименгальныхданных. Энергию удара в испытаниях изменяли в диапазоне 0,5...10 Дж..

Образцы второй серии нагружали квазисгатическн сферическим индентором. Радиус индентора изменялся от 2 до 15 мм. Испытания проводили на сжатие машине типа 2055-Р0,5. Размеры полученных дефектов определены методом теневого муара (линейчатый растр, источник света и угол наблюдения были выбраны таким образом, чтобы первая полоса соответствовала прогибу обшивки 0,1 мм).

Рис.1. Диаграммы контактного деформирования: а) обшивка ОП [0]; б) обшивка из УП [0^45].,; - ~ удар;—•— ~ квазистатическое деформирование

Результаты испытаний показали следующее:

- осредненные диаграммы контактного деформирования при квазисгатическом и ударном воздействиях хорошо коррелируют между собой;

•характер и размеры повреждений, возникающих в обшивках при ударном и квазистатическом контактом воздействиях при одинаковых энергиях практически совпадают (рис. 2). Максимальное отличие в размерах, повреждений не превышает 5%;

• максимальное отличие в нагрузках, соответствующих прорыву обшивки в случае ударного воздействия и квазистатического контактного деформирования для обшивок из УП КМУ-4Э [±45/0]т и [±45]3 не превышает 15% (были испытаны в среднем по 10 панелей);

а)

б)

Рис.2. Разрушение в обшивке из УП [^45/0^ трехслойной панели с заполнителем из АМг-2Н, подверженной статическому вдавливанию и удару стальным шаром диаметром 10 мм: а) статическое вдавливание (Р=500 Н); б) удар (Уо=2,5 м/с)

- диаграмма контактного деформирования практически не зависит от размера индентора (см. рис. 3, где показаны осредненные диаграммы с участками разгрузки, полученные по 10 испытаниям).

Третья серия образцов, как и вторая, нагружалась квазистатически индентором из гравия фракции 10..20 мм (такие фракции применяются для жестких покрытий аэродромов). Диаграммы контактного деформирования сферическим индентором диаметром 10...30 мм и гравием представлены на рис. 4, откуда следует, что эти диаграммы близки. Поэтому далее исследование поведения трехслойных сотовых панелей, с тон-• кими обшивками из армированных пластиков при ударе производили на панелях при квазистатическом контактном деформировании индентором со сферическим основанием.

МОДЕЛЬ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

.1,0 • 2,0 3,0 мм Выше, показано, что испытания на

Рис.3. Диаграмма контактного уд ар можно заменить квазистатическими

деформирования испытаниями. Это позволило разработать

(обшивка из УП [*45/0]г, математическую модель деформирования

заполнитель из АМг-2Н) _ . _ „

тонкой обшивки сотовой панели при

9

квазистатическом контактном наг ружении., Модель основывается на еле дующих допущениях.

- Обшивка - упругая ортотропна мембрана.

• - Заполнитель - идеальное жест копластическое тело с пределом теку чести сг Экспериментально были опрг делены значения ат для типовых запол нителей га ССП, ПСП и АМГ-2Н. Харак терные диаграммы при равномерно» сжатии заполнителя вдоль граней со-показаны на рис. 5.'

- Форма вмятины аппроксимирована пирамидой высотой основанием которой является ромб с полуосями оь в2 (1 и 2 - главные оси симметрии упругих свойств материала обшивки).

- Рассматривали нагружение обшивки сосредоточенной силой, так как выцк показано, что диаграмма контактного деформирования практически не зависит от

Р,Н

1500

1000 500 0

Сферич. иг иенго Рг-й * , /

Грш зий -Гу )

1/. -V/ <' / ¿У

/А,

1,0 2,0 3,0 №,мм

Рис. 4. Диаграммы контактного деформирован! и

°,МПа

1,6

0,8

О

1

г

З.МПа

4,8

2,4

1 2 е,.% Рис. 5. Диаграммы деформирования заполнителя: 1 -АМг-2Н; 2 - ССП

диаметра индевтора.

Принято, что прогибы обшивки малы, то есть

ЛУ « <21, Ш «Й2* О)

На рис. 6 представлена расчетная схема искривленной част обшивки. Параметры пирамиды иг, ^ йог принимаем за обобщенные координаты. Варьируя их в выражений принципа возможных перемещений, получим систему уравнений

2 2 -г

+

О? + V,'2

2 2о"! „

•э - +

2 2ст2 -0102СУт=-5-

О^ + ЧУ-5

где 5-толщина обшивки,

В1 м направлении,

а1 У=и, (3)

<3у - компоненты матрицы жесткости материала обшивки, которые определяются по классической теории слоистых пластин.

Решая систему уравнений (2) с учетом Рис. б. Расчетная схема искривленной выражений (1) п (3), получим выражение, части обшивки описывающее диаграмму контактного

■ деформирования

. Р = 2,^г)^1'5 (4)

и выражения для определения размеров вмятины

022

= / у 1/,

... 1/2от(<)Ши)Г4

(5)

Расчетные диаграммы контактного деформирования по формуле (4) показаны на рис. 7 сплошной линией (ССП: Ох=1,0 МПа; ПСП: 0^0,7 МПг; АМг-2Н: ст-г=1,0 МПа; ОП: Е,=28 ГПа, Ег=24 ГПа, 0=2 ГПа, у=0,1; УП: Е,=120 ГПа, Е2=б7 ГПа, 0=3 ГПа; У1=0,3)..

Анатпячески получено, что диаграмма контактного деформирования .имеет степенной характер и описывается выражением Р = где к в константа

обшивки, которая зависит от свойств материала обшивки и заполнителя. Аппроксимация экспериментальных диаграмм контактного деформировагжя показала аналогичную зависимость с степенью 1,4...1,6.

• . - ' - , 11

Р,Н

400

200

2.Ч& <•■// •кспер / яме«*' / /

//и ¿/' Л ^счет

< /. .1: ..... У\ „

/я /я •/ 1Ш А у'

РЛ 2000

1000

1

■«г, мм

Рис.7. Диаграммы контактного • деформирования: 1 - обшивка: ОП [0], заполнитель: ССП; 2- обшивка: УП [±45/0],, заполнит.: АМг-2Н

МОДЕЛЬ РАЗРУШЕНИЯ ОБШИВКИ

Упругое деформирование обшивки под индентором рассмотренное в предыдуше! части, заканчивается ее прорывом (на рис. 3 точка А). Рассмотрим модель для оценки нагрузки прорыва тонкой обшивки из армированного волокнами пластика сотовой панели при квазистатичеком воздействии сферическим индентором. В ней рассматривается зона контакта обшивки с индентором. Эта модель основана на следующих допущениях.

- Зона контакта аппроксимирована эллипсом.

- Прочностью и жесткостью матрицы в обшивке пренебрегаем и считаем, что усилие со стороны индентора воспринимают только нити (нитяная модель), так как в обшивке прочность матрицы намного меньше прочности волокон. Поэтому в зоне контакта к моменту прорыва обшивки она.практически разрушена.

Каждая система нитей (т.е. набор идентичных одинаково направленных нитей) работает независимо от других, т.е. трение между системами отсутствует.

- При взаимодействии каждой системы нитей со сферическим индентором все нити в зоне контакта нагружены одинаково и разрушаются одновременно.

Расчетная схема показана на рис. 8. Из условия предельного равновесия обшивки в месте контакта ее с индентором, получим

Рр=|рь (б)

- 1=1

Р5 =4а;6ч/*р1Хр

7Л Ро ГЧ/ «V

п - количество систем нитей, ^ - относительная толщина ьй системы (рис. 9),

(8)

'ис.8. Расчетная схема обшивки в зоне контакта

С 5 - напряжение а ьй системе в момент разрушения обшивки, Хр размер зоны контакта, определяемый из выражения

Х{ =2Я\у Л-

-СОЗ" ф}

гол ф; показан на рис. 8.

Отсюда, с учетом выражений (4), (5) получим

Р 70Й022 +012[ы

(9)

1,5

А! = СОЗ2 <р{ $1а2 Фй

(10)

Рис. 9. Схема обшивки

В{ = С032 Ш{ ^ вт2

Величины в (П) определены по алгоритму, в котором рассмотрено пропорциональное увеличение деформаций под индентсром; диапазон изменения гформашй разбит на т участков.

Нагру;::ение считается кинематическим (задаются деформации) и разбивается а т шагов. " .>

1. Деформацию в 1-й системе нитей на к-м участке определяем из модели

-о«,

сформирования с привлечением допущений нитяной модели: с¡д = е5 А,.

2. Напряжение в 1-й системе: С}^ • где - модуль упругости

/

нити. .

3. Если с. к>Р;V тогда, напряжение сг^к равно нулю (Р; - предел прочности нити, V - объемная доля волокон).

4. Далее следует переход к новому шагу нагружения. в Нагрузка, соответствующая прорыву обкщвки, определяется по следующему

уравнению: .

Р„ ~ 'г- ■ - 1 ■ ' — 11»«

тах

л=1

:,3

(И)

Предел прочности нити зависит от длины образца, то есть от базы испытаний,

поэтому необходимо проводить испыташм на нескольких базах с последующей

экстраполяцией на длину шгги, равной

__размеру зоны _ контакта. В данной работе

I" г III а

1 прочность нити определена по испытаниям

на трех базах (на каждой базе испытано по 3 —Т^^^^Цз^! ■ Т- 30...40 нитей) (рис. 10).

Сопоставление результатов расчета

I __I_| нагрузок прорыва обшивки сотовой панели и

О 80 160 /, мм экспериментальных данных представлено на Рис. 10. Зависимость прочности Рис-. Ч- В расчете учтены разброс нити СВМ от базы испытаний прочностных свойств нити и заполнителя, , , разброс упругих свойств ' материала

обшивки, а также угол отклонения уточной нити от заданного направления (на рис. 11 заштрихованные области). Экспериментально установлено, что угол отклонения уточной нити от заданного направления для органопластика па основе ткани СВМ сатинового ■ переплетения можно огшсгггь нормальным законом распределения с параметрами (1°40', 1,97). Максимальная погрешность ■ в определении нагрузок прорыва обшивок Рр составила 15% для радиусов индентора 5...15 мм и 50% для Я = 2...5 мм.

На основе анализа микромеханики (укладки волокон в волокнистом композите), показано слабое влияние параметров технологического процесса изготовления сотовых панелей,-влияющих на объемную долю волокон (температура и давление

прессования), на диаграмму деформирования и нагрузку прорыва обшивки при локальном контактном воздействии индентором со сферическим основанием.

2400

1800 1200 600 0

4 8 К, мм

8 . И, мм

Рис. 11. Зависимость нагрузки прорыва обшивки от радиуса индентора:

а) 1 - обшивка ОП заполнитель ССП; 2 ~ обшивка УП [*45] 5, заполнитель ПСП;

б) обшивка углеорганопластик [(-^Б0),^],,заполнитель ССП; 2" обшивка УП [±45/0],, заполнитель АМг-2Н

Длину прорыва обшивки можно вычислить исходя из представленной мелели разрушения обшивки сотовой панели по следующему выражению:

21 = к

\-Q22J

(12)

где к - расчетный коэффициент, зависящий от энергии удара, материала обшивки (его определение подробно описано в диссертации). .

ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОЙ ПРОЧНОСТИ ОБШИВКИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ

Учет особенностей реальных дефектов (расслоения, вмятины, прорывы обшивки) в расчетах на прочность обшивки представляет собой сложную задачу. Поэтому в данной работе использовали традиционный подход: заменяли реальный

о

дефект острым надрезом с длиной равной длине прорыва (формула (И)), ориентированной перпендикулярно направлению растягивающего, напряжения в обшивке.

Эксперименты, проведенные в работе, показали, что дефекты без прорыва обшивки снижают прочность последней на 5... 10%, а дефекты с прорывом обшивки -на 40...60%г

Экспериментально показано, что прочность обшивки с дефектом отличается от прочности аналогичной обшивки с острым надрезом, имитирующем трещину, длиной, равной максимальной длине прорыва обшивки и расположенной перпендикулярно направлению нагружения не более чем на 10%. Такая замена позволяет использовать для оценки остаточной прочности известные модели механики разрушения композитов.

Оценка прочности композитов на растягиваемых образцах с центральным острым надрезом проведена с помощью двух моделей.

1. Двухпараметрическаа модель, предложенная Б. Каминским с соавторами. Эта модель основана на экспериментальном определении некоторой величины "с", называемой зоной растрескивания материала около надреза, на базе которой осредняются напряжения. Модель применима, если длина надреза хотя бы в 3 раза больше величины а. Основные зависимости этой модели представлены ниже:

/а-соз(я//В) V 1 + а

-1

г.' 1

софт//В)'

где БХ1 - предел прочности на растяжение композита в направлении нагружения, ос -напряжение разрушения образца с надрезом, 21 - исходная длина образца, В - ширина образца.

2. Расчетная, модель, разработанная С.Б.Сапожниковым. Модель основана на исследовании кинетики деформированна и разрушения ■ элементов композитных конструкций, которая базируется на решении методом конечных элементов плоской задачи теории упругости. Компоненты матрицы зкесткосгга треугольных конечных элементов корректируются в зависимости от типа и уровня мнкроповреждений в слоях в соответствии с использованной моделью монослоя как набора параллельно работающих ячеек.'

Максимальная погрешность в определении нагрузок разрушения образцов по второй модели составила 10%. \

Исследованные материалы обшивок сотовых панелей (ОП {0/90] и УП [±45]) при наличии прорыва обшивки длиной свыше 4 мм (ОП) и 2 мм (УП) будут снижать свою прочность более, чем в 1,5 раза, определенной основным коэффициентом запаса 16

а

по Едшшм нормам Летной Годности Самолетов для силовых конструкций агрегатов планера. Это соответствует энергиям удара гравием фракции I0...20 мм равными 4 и 0,6 Дж, соответственно.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ H ВЫВОДЫ

1. Разработана модель дейормврсвзття сосредоточенной силой гонкой ортотрояной обшивки трехслойной панели с сотовым заполнителем, которая позволила получить зависимость прогиба сбшявш и> от величины контактного усилия Р (диаграммы ксмгписгного дефсрм5фо2гяия) и определить размеры искривленной части обшивки. Получено, что дзшга зггнспмссть имеет степенной характер Р = kw1'5., где к - константа обшивки, зависящая от свойств материала обшивки и заполнителя. Аппроксимация экспериментальных диаграмм контактного деформирования показала а!Шогичную зависимость с степенью 1,4... 1,6.

2. Разработана модель, описыгзаггага р-астутиеяпе топкой обшивки трехслойной сотокой панели,'состоящей из стоагкзш армированного волокнами пластика. Ота модель позволяет огфедмита.магхккглы^э изгрузяу. которую может выдержать обшивка при контактном деформкрогакка пядгктором со сферическим основанием, и длину трешииы прорыва.

3. В расчетах проведен учет гаутркляртпошого рэдброса параметров панели а также отклонение угла укладки уто^гой ¡пгги от зздагшого направления. Теоретически. на основе анализа микрокгхгппкй солошиялых композитов, обосновано слабое влияние техно л о пгсссесго процесса - кзгсгтозлигст сстоеых панелей на диаграмму деформирования и нагрузку прсрька обшжкп при локальном контактном воздействии индентором. со сфер!кгс:с*м осиопгжкм. Выявлены основные параметры, влгиюягог на рассеяние нагрузка проркзз обшивки. Найденные расчетные нагрузки прорыва обшивок при контактном деформировать сферически инденшром удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Максимальная погрешность в определении нагрузок прорыва сбппшш для индеятороз с радиусами 5...15 мм состгшша 15%, дяя инденпсров с радиусом 2.. .5 мм -50%.

4. Экспериментально обоснована возможность применения теории Герна для сценки динамических характеристик ударлсго воздействия (продолжительность удара, максимальное контактное усилие, величины прогиба и т.д.) па трехслойные панели с сотовым заполнителем и тошаши оошпгаамн из армированных пластиков с использованием квазистатическнх диаграмм контактного деформирования.

17

Экспериментально показана идентичность диаграмм контактного деформированы характера и размеров, возникающих при этом дефектов. Максимальное отличие нагрузках* соответствующих прорыву обшивки, при динамическом и квази т.пическом воздействии составляет 15% для панелей с обшивками из углепластш КМУ-4Э и заполнителями из ССП. ПСП и алюминиевой фольги АМг-2Н.

5. Установлено, что диаграмма контактного деформирования сотовых памеле практически не зависит от формы и размера индентора вплоть до прорыва обшивки.

6. Экспериментально обоснована замена реального индентора - камня фракци 10...20 мм на сферический индентор с диаметром 8...16 мм (с вероятностью 0.90) пр исследовании трехслойных панелей при контактном деформировании. При это нижняя граница нафузок прорыва обшивки при воздействии камнем соответствуЕ нагрузкам прорыва при воздействии сферическим индентором диаметром 8 мм.

7. На основе экспериментальных данных, полученных в настоящей рабоп показано, что реальный дефект тина вмятины с прорывом обшивки можно заменит на острый надрез, имитирующий трещину, расположенный перпендикуляры направлению нагружения с длиной, равной максимальной длине прорыва обшивки.: ном случае различие в остаточных нрочностях не превышает 10%.

8. Предложен расчетный способ определения длины острого надреза дл определения остаточной прочности обшивки, который базируется на разработанной диссертации модели разрушения тонкой обшивки из армированных волокнам пластиков сотовой панели при контактном деформировании индентором с сферическим основанием. При этом максимальная ошибка в определении длиш надреза составила 15%..

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В РАБОТАХ

1. Сапожников С.Б., Буслаева О.С. Расчетная оценка на1рузок разрушенн элементов конструкций из слоистых композиционных материалов с концентраторо! напряжений// Технология. Сер.: Конструкции из композиционных материалов. -1992 -№ 1.-С. 9-15.

2. Буслаева О.С., Сапожников С.Б. Экспериментальное и расчетное иссле дование деформирования и разрушения трехслойных композитных панелей пр низкоскоростном ударе// Прочность машин и аппаратов при переменных наг ружениях: Тематический сб. науч. трудов. - Челябинск: ЧГТУ, 1994. - С. 71-77.

3. ЗаявкаХ» 94014579 от 19.04.94 "Способ определения места случайного локального ударного воздействия", решение о выдаче патента от 17.07.95 1авторы: Сапожников С.Б., Буслаева О.С.).

4. Сапожников С.Б.. Буслаева О.С. Опенка повреждений и остаточной прочности обшивки трехслойной пластины с сотовым заполнителем при ударе сферическим индентором: Тезисы докладов// Ш Российская школа по проблемам проектирования неоднородных конструкций. - Миасс. 20-22 июня. ¡995.

5. Сапожников С.Б., Буслаева О.С. Расчетная оценка повреждении обшивки трехслойной пласгииы с сотовым заполнителем при локальном возденет ими сферическим индентором: Тезисы докладов// Научно-техническая конференция "Расчетные методы механики деформируемого твердого тела". - Новосибирск: СГАПС, 11-14 сентября, 1995.

6. Буслаева О.С. Оценка повреждения в обшивках трехслойных композитных панелей при низкоскоростном ударе: Тезисы научной конференции// Молодежная научная конференция "XXI Гагаринские чтения".- Москва, 4-8 апреля, 1995. - Часть 4.-С. 44.

7. Sapozhnikov S.B. and Buslaeva О.С. A prediction of fracture load of fiber reinforced plastic with arbitrary concentrator under tension// Proc. Of COMPLAS IV, Fourth International Conference on Computational Plasticity, Fundamentals and Application,Barcelona, Spain, 3-6 April, 1995. - P. 1227-1235.

ЛР X- 020364 от 20.01.9Е. Подписано в печать II.I0.96. Формат 60x84 I/I6. Печать офсетная. Усл.печ. л.0,93. Уч.-изд. л. I. Тирая 100 экз.. Заказ 226/521.

У0П издательства. 454060, г..Челябинск, пр. ям.Ь.И.Ленина, 76.

Издательство Челябинского государственного технического университета