Метод прогнозирования долговечности полимерных конструкционных композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Кладов Максим Юрьевич

МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СОВМЕСТНЫХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ

НАГРУЖЕНИЯХ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский Государственный Университет Леса».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Семенов Юрий Павлович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Котенко Владимир Дмитриевич кандидат технических наук, доцент Булгаков Виктор Иванович

Ведущая организация - РКК «Энергия»

Защита состоится уХ? у> декабря 2006 г, в /2 час. на заседании диссертационного совета Д 212.146.05 при ГОУ ВПО «Московский Государственный Университет Леса» по адресу: 141005, Московская обл., г. Мытищи-5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУ Л.

Автореферат разослан «¿7 » ноября 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Галкин Ю.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Полимерные композиционные материалы нашли широкое применение в инженерных конструкциях, строительных изделиях, несущих конструкциях, изоляционных материалах. Их применяют в строительстве, машиностроении, авиастроении.

В ряде композиционных материалов наблюдается высокая неоднородность распределения компонентов по объему. Такое строение осложняет изучение и прогнозирование их физико-механических свойств. В настоящее время при проектировании строительных, машиностроительных конструкций широко используется метод предельных состояний. Влияние дополнительных факторов, снижающих физико-механические показатели, учитывается поправочными коэффициентами. Это приводит к многократному запасу прочности и деформативностн материала и не позволяет с достаточной достоверностью рассчитывать работоспособность композиционных материалов в реальных условиях эксплуатации.

При изучении прочностных и деформационных характеристик, прогнозировании работоспособности композиционных материалов в сложных условиях эксплуатации важным остается вопрос прогнозирования долговечности (времени до разрушения) под действием совместных тепловых и механических нагружений, изменяющихся во времени в широких пределах.

Как показывают многочисленные экспериментальные исследования для полимерных композиционных материалов и композиционных материалов на основе древесины, резко проявляется температурно-силовая зависимость долговечности при действии механической нагрузки.

Для разработки метода прогнозирования долговечности композиционных материалов использована кинетическая (термофлуктуационная) теория прочности твердых тел, развитие которой обязано, в первую очередь, фундаментальным работам СЛ. Журкова. В данной теории рассматривается тепловое движение атомов (кинетических единиц), как решающий фактор процесса разрушения твердого тела, а роль механической нагрузки заключается в уменьшении энергии этих связей.

Актуальность данной работы обусловлена применением подхода к изучению процесса деформирования и разрушения, прогнозирования долговечности исследуемых материалов, связанного с исследованием их кинетических параметров. Предложенный метод позволяет учитывать влияние теплового и механического нагружения, время их действия.

Цель работы. Целью работы являлась разработка экспериментально-расчетного метода прогнозирования долговечности полимерных конструкционных композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях.

Исходя из этого, в работе были поставлены следующие задачи: — исследование с позиций кинетической теории закономерностей деформирования и разрушения ряда композиционных материалов в широком

диапазоне заданных постоянных и переменных по времени температур я механических нагружений; |ч

— выявление зависимостей, связывающих параметры: долговечность, температуру, механическое напряжение; :

— экспериментальное исследование влияния теплового' нагружения (постоянное, переменное по времени) и механического нагружения (постоянное, переменное по времени; растяжение, сжатие) на величины кинетических параметров механодеструкции;

— экспериментальное исследование процессов термодеструкции в ряде композиционных материалов; ' г

— сопоставление процессов термодеструкции и механодеструкции;

— сравнение кинетических параметров термоде<;трукции < и механодеструкции исследуемых материалов по результатам многочисленных экспериментов;

— экспериментальное подтверждение многостадийности процессов, протекающих при совместном действии тепловых и механических нагрузок;

— разработка математической модели для расчета долговечности полимерных композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях;

— разработка программного обеспечения для расчета долговечности полимерных композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях;

— экспериментальное подтверждение адекватности математической модели по результатам многочисленных исследований долговечности полимерных композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях.

Научная новизна. Выявлены термофлуктуационные закономерности деформирования н разрушения для широкого класса композиционных материалов при разных видах нагружения. Впервые получены величины кинетических параметров многостадийных процессов термодеструкции и механодеструкции для ряда композиционных материалов, определяющих их долговечность при деформировании и разрушении. Получены экспериментальные результаты по совместному действию тепловой и механической нагрузки на закономерности разрушения исследуемых материалов, а также величины кинетических параметров, физических и эмпирических констант, определяющих их долговечность. Разработан экспериментально-расчетный метод прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов в широком диапазоне изменения температуры и механической нагрузки. .

Достоверность полученных экспериментальных результатов основана на использовании в эксперименте приборов, прошедших метрологическую проверку) использовании различных методов тестирования и контроля измерительной системы экспериментальных установок, включая тщательную тарировку приборов. Проведением экспериментов С достаточной воспроизводимостью; статистической обработкой и значительным количеством

повторных испытаний; сравнение их с аналогичными результатами, полученными другими авторами, которое показало хорошее соответствие результатов друг другу. Достоверность теоретических решений проверялась их сравнением с экспериментальными результатами.

Практическая ценность работы. Разработан экспериментально-расчетный метод прогнозирования долговечности ряда композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях. Его внедрение позволит снизить материалоемкость конструкций, повысить их надежность. Впервые получены многостадийные кинетические параметры процессов механодеструкции и термодеструкции материалов СВМ, Терлон, ДВП, В ИМ №1. Разработано программное обеспечение в интегрированной среде MathCAD для расчета долговечности композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагружен иях.

Внедрение результатов. Теоретические разработки и результаты экспериментальных исследований использованы на предприятии РКК «Энергия». Ряд положений используется в учебном процессе МГУЛ при изучении дисциплин «Теплотехника» и «Пожарная безопасность промышленной продукции».

Автор защищает:

а) результаты исследований по влиянию теплового и механического нагружения на закономерность деформирования и разрушения ряда полимерных композиционных материалов, а также кинетические параметры, физические и эмпирические константы, определяющие их долговечность;

б) математическую модель прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях;

в) экспериментально-расчетный метод прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов в широком диапазоне изменения тепловой и механической нагрузки.

г) результаты экспериментальных исследований по влиянию нестационарных тепловых и механических нагружений на долговечность исследуемых материалов.

Апробация работы. Материалы отдельных разделов диссертации были представлены, докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах МГУЛ в 2000,2004—2006 годах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ и 2 работы в электронном журнале Труды Московского Государственного Университета Леса".

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 105 наименований и одного приложения. Текст диссертации содержит 141 страницу, включая 56 рисунков и 17 таблиц. В приложении, содержащим 35 страниц, представлены результаты экспериментальных исследований долговечности композиционных материалов СВМ (нить), Терлон (нить), ДВП, В ИМ №1 при совместных нестационарных тепловых н механических нагружениях, примеры расчета долговечности в

интегрированной среде МаЛСАО, результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко охарактеризованы тема и актуальность диссертационной работы, сформулирована её цель.

В первой главе приводится обзор опубликованных работ по теме исследования, анализируются современные подходы, методы исследования прочности и прогнозирования долговечности композиционных материалов.

Из обзора следует, что эффективность применения конструкционных композиционных материалов во многом зависит от их работоспособности при заданных режимах эксплуатации в течение всего срока службы. В статических критериях прочности Грнффитса, Ирвина предполагается, что существует критическое напряжение, по достижении которого одной из компонент тензора напряжений разрушение наступает мгновенно. Интеграл повреждений Тулера-Бучера учитывающий время действия напряжения справедлив для случаев интенсивного, откольного разрушения. Использование этих критериев недостаточно для прогнозирования и расчета композиционных материалов при сложном динамическом нагружеиии, когда не происходит превышение критического напряжения. Объясняется это явление тем, что время действия нагрузки может быть недостаточным для накопления критического количества микроповреждений.

При циклическом нагружении в материале со временем накапливаются повреждения, которые приводят к разрушению элементов и потере работоспособности конструкции. Для этого случая используются различные гипотезы суммирования повреждений: Пальм грена-Майнера, Робинсона, БеЙли. Нагружение в этом случае является характеристической функцией исследуемого материала и ее нужно определять из экспериментов. Критерий длительной прочности Ильюшина описывает характер накопления повреждений в материале. Ядро повреждений можно определить из опытов на ползучесть, растяжение, сжатие. .Для прогнозирования физико-механических характеристик материала по этому критерию при сложном нагружении (в случае одновременного действия нескольких факторов) требуется более полное и общее определение функции, которая характеризует накопление повреждений.

Трудностью методов, основанных на математическом моделировании процессов разрушения является выбор оптимальной модели, способной достоверно описать характер разрушения при кратковременных испытаниях и дать прогноз для времени, превышающем начальное на несколько порядков.

При использовании метода температурно-временной аналогии задача прогнозирования деформируемости для заданных значений температур, влажности, интенсивности напряжений, среднего напряжения сводится к отысканию на основе предварительного эксперимента соответствующих эмпирических масштабно-временных функций. Область применения этого

метода ограничивается условием неизменности структуры композиционного материала с изменением температуры.

Кинетическая теория С.Н. Журкова учитывает процессы накопления повреждений в материалах, подвергающихся нагруженизо при условии неизменной температуры и механического напряжения во времени. Основной характеристикой в критерии С.Н. Журкова является время до разрушения, поэтому он может быть яспольэован в качестве основы для разработки новых методов прогнозирования долговечности материалов в конкретных условиях нагружения.

Модели, связанные с накоплением повреждений исследовались В.В. Болотиньш, АЛ. Гольдманом, ВЛ, Тамужем, П.В. Тихомировым, В.Д. Котенко, И.В. Сапожннковым. В этом ключе подробно исследуются вопросы, связанные с накоплением повреждений в несколько стадий (двух и больше), каждая из которых протекает по своим законам. Тем не менее, ряд вопросов здесь еще малоизучен.

Таким образом, при разработке метода прогнозирования долговечности необходимо дополнительное исследование физико-химических превращений и изменения физико-механических характеристик материала в широком диапазоне тепловых и механических нагрузок, с учетом их стадийности и времени действия нагружения.

Во второй главе изложены методы исследования кинетических параметров механодеструкции и термодеструкции. Обоснована их взаимосвязь. Разработана математическая модель долговечности композиционных материалов в условиях совместных нестационарных тепловых и механических нагружений. Сформулированы принятые допущения н определены замыкающие соотношения.

В случае, когда исследуемый материал подвергается одновременно тепловым и механическим нагрузкам, процессы термодеструкции и механодеструкции протекают совместно.

Механодеструкцию можно рассматривать как процесс последовательного разрушения напряженных межатомных связей внутри материала, вследствие приложения механической нагрузки. А термодесгрукцию как процесс физико-химических превращений внутри материала под действием теплоты, сопровождающийся разрушением напряженных межатомных связей. Этот процесс носит многостадийный характер для большинства композиционных материалов.

В качестве допущения принимается, что реакции протекают параллельно и независимо; каждая стадия характеризуется своей степенью превращения и сопровождается разрывом определенного количества межатомных связей, что приводит к потере запаса долговечности материала. Расчет кинетических параметров этих стадий проводят по результатам термогравиметрического анализа исследуемого материала.

Предположим, что разрушение определенного количества связей под действием механической нагрузки сопровождается потерей запаса долговечности материала. И пусть каждый этап потери долговечности

материалом соответствует разрушению группы связей вследствие течения процесса термодеструкции.

Бели величины воздействия механической нагрузки и температуры не меняются во времени, то запас долговечности по формуле Журкова на первой стадии физико-химических превращений составит:

г,-г,-ехр( |, (1)

на второй:

(и,

Я*}

на третьей:

г3=г0-ехр| I, (3)

на п- й стадии:

(ио.-Г.е) ...

= <4)

Тогда полный запас долговечности материала можно представить так: или

т-г1+г3+г,+... + ги. (6)

Таким образом, каждая I— я стадия термодеструкции определяет значения кинетических параметров механодеструкции и01,уг Чтобы отыскать полный набор этих параметров необходимо рассчитать температуру и время нагрева исследуемого материала, произвести отжиг всех стадий термодеструкции за исключением последней, по заранее определенному режиму по методу непредельного разложения.

Суть метода непредельного разложения заключается в экспериментальном исследовании физико-механических характеристик материала поэтапно, после завершения в нем определенной стадии структурных превращений. Для этого материал подвергается отжигу в условиях, которые позволяют завершить процессы термодеструкции на определенных стадиях. Температурный режим отжига рассчитывается по известным кинетическим параметрам, степеням превращений отдельных стадий и температурным интервалам превращений на каждой стадии по следующей формуле:

,1=,0<.ехр[.;|ех^]) (7)

Эту информацию позволяет получить разработанный Шведовым Б.А. в ОНИЛ «ТКМ» МГУЛ экспериментально-расчетный метод исследования кинетики многостадийных процессов термической деструкции.

В случае раздельного протекания или слабоперекрывающихся интервалов протекания смежных стадий процесса термической деструкции материала, реализация режима отжига не представляет трудности и требует лишь рассчитать температуру, соответствующую максимальной скорости реакции на данной стадии, и время изотермической выдержки при этой температуре для полного завершения структурных изменений на этой стадии.

В случае термической деструкции материала, когда интервалы протекания смежных стадий сильно перекрываются, температура изотермической выдержки должна задаваться на 5 — 10 градусов меньше, чем температура начала реакции следующей стадии. При этом время выдержки существенно возрастает.

Произведя отжиг всех стадий термической деструкции за исключением последней, определяют ряд значений долговечности г материала на этой стадии при постоянной температуре и механической нагрузке. Используя полученные из эксперимента значения долговечности г, температуры Т и механического напряжения сг рассчитывают значение параметров и„,у, используя формулу V(<г)~ий~уа по методу, описанному в разделе 2.1 диссертации. Получив набор параметров ио,у для последней, п-й стадии термодеструкции вклад этой стадии тя в общий запас долговечности материала можно определить по формуле Журкова (6). Затем производится отжиг всех стадий за исключением последних двух, и снова определяют набор значений г, Т и <т. Также рассчитывают ий,у. Таким образом, запас долговечности последних двух стадий будет составлять . Тогда для предпоследней стадии запас долговечности долговечность можно выразить так = т„ - . Далее определяют значение параметров 1/0,у по такому же алгоритму последовательно для каждой стадии термодеструкции до первой включительно.

Если стадия термодеструкции не завершена, т.е. реальное значение лежит в пределах то для определения запаса долговечности на

данной стадия необходимо ввести функциональную зависимость г, от <а,:

•/,{*,)* <8> где г" — потеря долговечности материала на / - ой стадии термодеструкции; т) — долговечность материала на (- ой стадии при текущем значении да,. ю, - степень превращения I- ой стадии термодеструкции.

Очевидно, что /,(©,) изменяется от I до 0. Конкретный вид этой функции определяется экспериментально. Задавая набор значений степеней

превращения стадии, определяют долговечность материала на данной стадии. По виду полученной зависимости определяют функцию /, (й>, ).

Тогда полный запас долговечности материала можно представить в следующем виде:

г=< •/,(<*>,)+*! -АШ+К •/,<*>,-лю, (9)

Когда происходит нагружение при переменных по времени Г и сг, для расчета долговечности материала можно воспользоваться критерием Бейли

"•'ки4 ^

Исходя из предложенной модели для композиционного материала при механическом нагружении и протекании многостадийной термодеструкции, он будет иметь вид:

'> Л

(МЭДН

=1, <И)

или

Î;

. = 1, (12)

Zv/fa) i-i

где tf — время до разрушения, с.

Согласно формуле (12) разрушение материала в условиях 7*(<) и <r(f) наступает в момент времени tp, при котором левая часть выражения равна единице.

Для обоснования части принятых при разработке математической модели допущений, обеспечения возможности проведения численных расчетов по ней и ее апробации необходимо было: - разработать ряд экспериментальных методов определения кинетических параметров механодеструкции, термодеструкции, эмпирических констант; - разработать и изготовить экспериментальные установки, а также методики проведения экспериментальных исследований; — провести предварительные экспериментальные исследования материалов с целью определения кинетических параметров термодеструкцни, механодеструкции, их долговечности (т.е. времени существования неразрушенного образца при постоянных в процессе эксперимента температуре и напряжении) при различных Т и сг ; — провести экспериментальные исследования долговечности полимерных композиционных материалов при совместных тепловых и механических наг^э ужениях.

В третьей главе приведены описания экспериментальных установок и методов исследований. Методы исследования кинетических параметров физико-химических превращений и механодеструкции в материалах, методы испытания этих материалов, имитирующие натурные энергетические

воздействия, реализованы в экспериментально-измерительном комплексе. Он включает в себя: — установку для термогравиметрических исследований; — установку для исследования термомеханических характеристик; — установку для исследования долговечности полимерных нитей; - установку для исследования долговечности полимерных нитей при совместных нестационарных тепловых и механических нагруженнях; — установку для исследования долговечности полимерных композиционных материалов при совместной длительной тепловой и механической нагрузке; - испытательную машину для исследования прочностных характеристик композиционных материалов; - контрольно-измерительную систему и персональный компьютер.

Схема экспериментальной установки для термогравиметрических исследований в вакууме представлена на рис.1.

Установка разработана на базе вакуумной печи СШВЛ-1,25/25М. Она состоит из вакуумной системы с форвакуумным и диффузионным насосами, термостатированной вакуумной камеры, нагревательной печи, пружинных весов, катетометра В-630, а также системы управления, контроля и регистрации различных параметров, меняющихся в процессе проведения экспериментальных исследований. Исследуемый материал помещается в кольцевой тигель. Такая конструкция тигля позволяет равномерно распределять исследуемый материал в изотермическом участке печи и вокруг измерительной термопары. Измерение температуры тигля осуществляется бесконтактным методом.

Исследование деформационных свойств материалов при сжатии проводилось на установке для исследования термомеханических характеристик композиционных материалов (рис.2). Установка состоит из основания, нагревательной электрической печи, датчика линейного перемещения и приспособления для крепления груза. В зависимости от программы исследований механическое нагружение может производиться по заданному закону во времени, например при линейном нарастании напряжения сжатия. Исследования долговечности полимерных нитей были проведены на экспериментальной установке схема которой приведена на рис.3. Исследование долговечности проводилось при постоянной темепратуре. Ее измерение осуществлялось с помощью термопары, расположенной вблизи плимерной нити. При этом температура, измеряемая термопарой, практически соответствовала температуре полимерной нити.

Схема установки для исследования долговечности полимерных композиционных материалов при совместной длительной тепловой и механической нагрузке показана на рис 4. Основная часть установки представляет собой электрическую нагревательную печь и штатив. Печь имеет цилиндрический канал, внутри которого производили тепловое нагружение исследуемого материала. Механическая нагрузка задавалась добавлением груза на нижний подвес.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для термогравиметрических исследований в вакууме: 1 - крышка весов; 2 - плоская спиральная пружина; 3 - репер; 4 - подвес; 5 -весы; 6 - кольцевой тигель; 7 — электрическая печь; 8 -термопара; 9 - вакуумная камера; 10 — стойка катетометра; 11 -многооборотное сопротивление; 12-окуляр; 13-каретка; 14 — стекло.

Рис, 2. Схема установки для исследования термомеханических характеристик композиционных материалов: 1 — датчик линейного перемещения; 2 — держатель датчика линейного перемещения; 3 - штанга; 4 - корпус нагревательной печи; 5 — основание установки; б — балка; 7 - подача воды; 8 -емкость для воды; 9 - латунная втулка; 10 — изолированные клеммы; 11 — обмотка нагревателя печи; 12 — образец исследуемого материала; 13 — термопара; 14 - поршень; 15 —ось поршня; 16-зажим; 17 - проволока.

7 В

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для исследования долговечности полимерных нитей: 1 - блок; 2 - верхняя тяга; 3 — зажим; 4 - нить; 5 -термопара; б - нижняя тяга; 7 - шкив; 8 - червячный редуктор; 9 - реверсивный двигатель; 10 - печь; 11 — чашка; 12 — груз; 13 - катетометр; 14 — метка; 15 -пружинный компенсатор; 1 б — вакуумная камера.

1

2

3

4

5

11

10

Рис. 4. Схема установки для исследования долговечности полимерных композиционных материалов при совместной длительной тепловой и механической нагрузке: I - электродвигатель с червячным редуктором; 2 — платив; 3 — электрическая печь; 4 - груз; 5 - контактный выключатель; 6 — исследуемый материал (нить); 7 — отводы от контактного выключателя; 8 — подвод питания к электрической печи; 9 - термопара; 10 - подвес груза; 11 -подвод питания к электродвигателю.

В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований. Приведены кинетические параметры многостадийных процессов термической деструкции, кинетические параметры многостадийных процессов механической деструкции композиционных материалов: - полимерное сверхвысокомодульное волокно (СВМ); образцы исследуемого материала представляли собой нить марки АРМос—бООа-к диаметром 2,5-1м; плотность 1320 кг/м'; линейная плотность 58,8 текс (ТУ-6-12—172-915); - полимерное волокно Терлон; образцы исследуемого материала представляли собой нить диаметром 2,4-\0~* м; плотность 1320 кг/м3; линейная плотность 58,8 текс; -древесноволокнистая плита (ДВГТ); размеры образцов 20/20/10 мм; плотность 192 кг/м3; — высокотемпературный изоляционный материал (ВИМ) №1; размеры образцов 20/20/20 мм; состав; кремнеземное волокно, кремнийорганическое связующее; плотность 151 кг/м3.

Обработка экспериментальных данных термогравиметрического анализа исследуемых материалов проводилась на персональном компьютере, по методу Шведова Б. А. Результаты обработки на примере материала Терлон представлены графически на рис. 5, где приведены графики изменения относительной массы образца о> по времени * и графики скорости изменения массы образца <1а>1 ск от времени * (рис, 6), Пунктирные кривые обозначают индивидуальные стадии термической деструкции. Они обозначены цифрами, начиная от самой низкотемпературной. Результаты расчета кинетических параметров физико-химических превращений для материала Терлон представлены в Таблице 1, кинетических параметров механической деструкции на примере материала Терлон представлены в Таблице 2.

Таблица 1

Результаты расчетов кинетических параметров термической деструкции

/ Г«, К та К г, т Е, Дж/моль А, с1

1 375 407 427 0,9998 0,0329 1,26-105 0,1204-10'7

2 606 651 670 0,9998 0,0472 2,78-103 0,1053-10й

3 647 696 722 0,9996 0,8887 2,67-105 0,3749 1030

4 727 770 790 0,9897 0,0338 4,00*10' 0,7800-1017

Аг= 10с; <&)=6,30070Ы0'5; <0о£= 1,002488

Таблица 2

Результаты расчетов кинетических параметров механической деструкции

( Тщ ,с 1/о> Дж/моль у, (Дж *м2)/(моль-Н)

1 1СГ" 2,100-Ю5 6,880-10"5

2 10-'* 2,035-105 5,152-КГ1

3 10Ги 2,053-10® 4,437-М*4

4 10-,г 2,057*105 2,835-10*^

Т,К

Рис. 5. График изменения относительной массы образца а> из материала Терлон по времени /,

(Ы<к Т. К

Рис. 6, График скорости изменения относительной массы образца <3ю1 Ж из материала Терлон по времени с.

Подтверждение адекватности предложенного экспериментально-расчетного метода требовало проверки работоспособности математической модели на достаточно большом количестве опытов. Для этого был проведен ряд экспериментальных исследований данных материалов. Всего было проведено 24 эксперимента. Примеры исследования представлены на рис. 7 - 10. На графиках показаны законы изменения температуры T{t), механического напряжения oit) и величины \ — Ba(t), имеющей смысл запаса долговечности. На графиках для f£f* приведенные законы T(t) и <т(() соответствуют экспериментальным. Для случая t? > t'p в диапазоне tp <t<,tp расчет проводился с допущением Г(/) = Г(^) и сг(0 = <т(/*), где Г* - время до разрушения по экспериментальным данным, - время до разрушения по расчету по модели.

Образцы материалов СБМ (нить) и Терлон (нить) подвергались испытанию на одноосное растяжение при совместных тепловых и механических нагружениях с переменным законом изменения температуры Т(г) и механического напряжения cr(t). При испытании на растяжение регистрировалось время t'p до разрушения образца.

Сопоставление результатов расчета долговечности (времени до разрушения tp) по модели с экспериментом для материала СВМ (нить) представлено на рис. 7. Относительная погрешность сопоставления расчета с экспериментом составила 7,4 %.

Сопоставление результатов расчета долговечности (времени до разрушения /£) по модели с экспериментом для материала Терлон (нить)

представлено на рис. 8. Относительная погрешность сопоставления расчета с экспериментом составила 4,1 %.

Программа испытаний образцов материалов ДВП и В ИМ №1 была задана таким образом, что следовало при различных законах изменения температуры и механического напряжения зафиксировать время t'p, при котором образцы деформировались ка 10%. Время до достижения заданного значения деформации при сжатии определялось по кривым время - деформация, регистрируемым в ходе эксперимента.

Сопоставление результатов расчета долговечности (времени до достижения заданного значения деформации /*) по модели с экспериментом

для материала ДВП представлено на рис. 9. Относительная погрешность сопоставления расчета с экспериментом составила 3,8 %.

Сопоставление результатов расчета долговечности (времени до достижения заданного значения деформации tp) по модели с экспериментом

для материала ВИМ №1 представлено на рис. 10. Относительная погрешность сопоставления расчета с экспериментом составила 4,3 %.

Рис. 7. Сопоставление результатов расчета с экспериментом. Материал: СВМ.

Среда испытания: воздух. На графике: —— = 1-Ва(0\-= ег(7);-------- Г{/).

ш 380 с - время до разрушения по экспериментальным данным; = 408 с -время до разрушения по результатам расчета по модели. Относительная погрешность сопоставления эксперимента с расчетом по модели составляет Дг = 7,4%.

1-Ва Т,К 1,0ч 450

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0.

I =1834с I Р=19Ю с ст,Па 2,0x10

1,5x10

1,0x10

5,0x10

—0,0 2500

1,с

Рис. 8. Сопоставление результатов расчета с экспериментом. Материал: Терлон,

Среда испытания: воздух. На графике:----= 1~Ва(1);-= <т{/);-------= Г(0.

^ ■=» 1834 с - время до разрушения по экспериментальным данным; г* = 1910 с - время до разрушения по результатам расчета по модели. Относительная погрешность сопоставления эксперимента с расчетом Дг = 4,1 %

1-Ва 1,00,80,6 0,40,20,0-

Т,К 650

550

450

350

250

18

t=212c г '=220 с р

l-Ba(t) "Ч !

о(0 ' \ 1 ...... ; " ¿Н

: ! Ï

' ■ s;

' 1 1 \\ ---------:'тю ; :\\ !

о, Па 1,2х104

1.0x104

8,0x103

6,0x103

4,0x1 о'

2,0x10'

50

100

150

200

250

0,0 300

t. с

t =3450 с I Р=3600 с t_

Рис. 9. Сопоставление результатов расчета с экспериментом. Материал: ДВП. Среда испытания: воздух. На трафике: — = l*Ba(t); — = <т(/); —— =* T{t). f^*»212 с - время до достижения заданного значения деформации по экспериментальным данным; г£=220 с — время до достижения заданного

значения дефорамции по результатам расчета по модели. Относительная погрешность сопоставления эксперимента с расчетом Ат = 3,8 % !-Ва Т. К 1,0-1 550

0,8 0.6 0,4 0,2 0,0

Рис. 10. Сопоставление результатов расчета с экспериментом. Материал: В ИМ №1. Среда испытания: воздух. На трафике: — ~ ]-Ba(t)\ — <т(/); —— » Г(/>. /**3450 с — время до достижения заданного значения деформации по экспериментальным данным; =3600 с — время до достижения заданного значения деформации по результатам расчета по модели. Относительная погрешность сопоставления эксперимента с расчетом ¿г ■ 4,3 %

1-Ва Т,К

1.0- 850

0,8- 750

650

0.6-

550

0,4. 450

о> 350

250

0,0-

t110 с tp-J 20 о t 12 7 с Ш

t.c

Рис. 11. Сопоставление результатов расчета с экспериментом. Материал: СВМ. Среда испытания: вакуум. 10 с - время до разрушения по данным Золотова; /£«120 с — время до разрушения по результатам расчета по модели;

46 с — время до разрушения по результатам расчета Золотова; /£"=127 с -время до разрушения по результатам расчета Шведова, Относительная погрешность сопоставления эксперимента с расчетом по модели составляет ¿г = 9,1 %; с расчетом Золотова Дт = 58,2 %; с расчетом Шведова Дг = 15,5 %.

t.^324 с t "=380 с t '«408 с 0»Пг>

1-Ва Т,К

1.0- 750

0,8- 650

0,6- 550

0,4- 450

0,2- 350

0,0. 250 0

l-Ba(i) ~ -J ]

k,J ."ч ' ''fljn * *

■ i • t .«*>. j ! \

t ! 1

i * t * 1 * 1

t : ■ i .! 1

100

200

300

400

5x10

4x10*

3x10'

2x10!

■|1х10'

0 500

t, с

Рис. 12. Сопоставление результатов расчета с экспериментом. Материал: СВМ. Среда испытания; воздух. ("=380 с - время до разрушения по данным Золотова; /£'=324 с — время до разрушения по расчетам Золотова; /£=408 с -

время до разрушения по результатам расчета по модели. Относительная погрешность сопоставления эксперимента с расчетом по модели составляет Дг = 7,4 %; с расчетом Золотова Дг = 14,7 %.

Также было проведено сравнение расчетных исследований по предложенному методу с результатами экспериментально-расчетных исследований Золотова С.Б. и Шведова Б.А. долговечности нитей СВМ при различных режимах нагружения.

Сопоставление результатов расчета долговечности (времени до разрушения по модели с экспериментом Золотова С.Б. для материала СВМ

(нить) представлено на рис. 11. Относительная погрешность сопоставления расчета по модели с экспериментом составила 9,1 %; расчета Золотова С.Б. с экспериментом 58,2 %; расчета Шведова Б.А. с экспериментом 15,5 %.

Сопоставление результатов расчета долговечности (времени до разрушения (*) по модели с экспериментом Золотова С.Б. для материала СВМ (нить) представлено на рис. 12. Относительная погрешность сопоставления расчета по модели с экспериментом составила 7,4 %; расчета Золотова С.Б. с экспериментом 14,7 %,

Обращает на себя внимание, что использование полученных многостадийных кинетических параметров и01,у1Уг0 для обработки экспериментов по исследованию долговечности нитей СВМ при нестационарных воздействиях дает хорошее совпадение и и лучшее совпадение и I*, чем результаты расчетов авторов при сложном характере

нагружения (рис. 11 и рис. 12), что подтверждает применимость математической модели.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о применимости предложенного экспериментально-расчетного метода к оценке долговечности материалов СВМ, Терлон, ДВП и В ИМ Ла1 с произвольным законом изменения температуры и механического напряжения.

ВЫВОДЫ

1. С позиций кинетической концепции экспериментально исследованы закономерности деформирования и разрушения ряда композиционных материалов в широком диапазоне заданных постоянных и переменных по времени температур и механических нагружений. Получены величины кинетических параметров и эмпирических констант для исследованных материалов.

2. Экспериментально установлено, что зависимость долговечность — механическая нагрузка; долговечность — температура в широком диапазоне заданных постоянных напряжений и температур для данных материалов представляют собой семейство веерообразных прямых в виде «прямого» пучка. Для их описания предложено уравнение Журкова.

3. Экспериментально установлено, что для данных материалов в исследованном диапазоне температур и механических нагрузок проявляется различный характера разрушения, что отражается на величине кинетических

параметров; энергии активации механодеструкции и структурно-чувствительного коэффициента. 1

4. По результатам многочисленных термогравиметрических экспериментов установлено, что процесс термодеструкции исследуемых материалов носит сложный многостадийный характер.

5. Произведено сопоставление результатов многочисленных экспериментов и выявлена аналогия в процессах термодеструкции и механодеструкции. Установлено, что процесс механодеструкции также носит сложный многостадийный характер для исследуемых композиционных материалов.

6. Разработана математическая модель для расчета долговечности полимерных композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях. > "■■■•■'

7. Разработан экспериментально-расчетный метод прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических кагруженях.

8. Разработана программа в интегрированной среде МаЛСАО для расчета долговечности материала при совместных тепловых и механических нагружениях.

9. Проведен комплекс экспериментальных исследований долговечности композиционных материалов СВМ, Терлон, ДВП, В ИМ №1 при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях. Полученные результаты могут быть использованы при расчете режимов эксплуатации инженерных изделий на основе данных материалов.

По теме диссертации опубликованы работы:

1. Ермоченков М.Г., Евстигнеев А.Г., Кладов М.Ю. Влияние тепловых воздействий на прочностные свойства карбамидоформапьдегидных смол И Научн. тр. - М.: МГУ Л, 2000. - Вып. 312.-С. 154-162.

2. Кладов М.Ю., Ермоченков М.Г., Евстигнеев А.Г. Критерии длительной Прочности композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях // Научн. тр. - М.: МГУЛ, 2004. — Вып. 324. - С. 185-192.

3. Кладов М.Ю., Ермоченков М.Г., Евстигнеев А.Г. Прогнозирование длительной прочности композиционного материала при его совместном тепловом и механическом нагруженни // Научн. тр. - М.: МГУЛ, 2005, -Вып. 326. - С. 132-142.

4. Кладов М.Ю., Ермоченков М.Г. Исследование кинетических параметров механодеструкции композиционных материалов// Научн. тр. — М.: МГУЛ, 2005. — Вып. 331. — С. 193-202.

5. Кладов МЛО. Взаимосвязь между кинетическими параметрами термодеструкции и механодеструкции полимерных композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях // Научн. тр. - М.: МГУЛ, 2006. - Вып. 342. - С. 151-163.

6. Кладов М.Ю. Влияние тепловых воздействий на прочность клея БФ // Электронный журнал "Труды Московского Государственного Университета Леса" (Свидетельство о регистрации средства массовой информации ГК РФ по печати N018875 от 27 мая 1999г.) - М.: МГУЛ, 2006. - Вып. 5.

7. Кладов М.Ю. Исследование кинетических параметров термического разложения нитей, материала СВМ до и после механического воздействия // Электронный журнал "Труды Московского Государственного Университета Леса" (Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПС РФ по печати N018875 от 27 мая 1999г.) - М.: МГУЛ, 2006. - Вып. 5.

8. Кладов М.Ю. Кинетика разрушения композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник - М.: МГУЛ, 2006. -Вып. 6. - С. 13-23.

Отпечатано в полном соответствии с качеством представленного оригинал-макета Подписано в печать 15.11.2006. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 т/и1 Рвзографид. Усл. печ д, 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 894-

Изда-гельство Московского государственного университета леса 14100S, Мьетищи-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail: izdalfjfonpul. ас. гц

Список обозначений.

Введение.

Глава 1. Анализ методов исследований процесса разрушения твердых тел.

1.1. История исследования прочности. Задача прогнозирования долговечности.

1.2. Методы исследований процесса разрушения композиционных материалов. Основные критерии разрушения.

Глава 2. Экспериментально-расчетный метод прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях.

2.1. Взаимосвязь кинетических параметров термодеструкции и механодеструкции композиционных материалов.

2.2. Физико-математическая модель долговечности композиционных материалов в условиях совместных нестационарных тепловых и механических нагружений.

Глава 3. Экспериментально-измерительный комплекс.

3.1. Экспериментальная установка для термогравиметрических исследований.

3.2. Экспериментальная установка для исследования термомеханических характеристик композиционных материалов.

3.3. Установка для исследования долговечности полимерных нитей.

3.4. Установка для исследования долговечности полимерных нитей при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях.

3.5. Установка для исследования долговечности полимерных композиционных материалов при совместной длительной тепловой и механической нагрузке.

3.6. Испытательная машина для исследования прочностных характеристик композиционных материалов.

3.7. Автоматизация обработки экспериментальных данных.

Глава 4. Результаты экспериментально-расчетных исследований.

4.1. Кинетические параметры многостадийных процессов термической деструкции.

4.2. Кинетические параметры многостадийных процессов механической деструкции.

4.3. Сравнение расчетных данных с результатами независимых экспериментально-расчетных исследований

4.4. Сравнение расчетных данных с результатами экспериментальных исследований долговечности композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях.

Выводы.

Список публикаций по теме диссертации.

Сведения о прочности твердых тел, ставшие основой целой науки, относятся к одним из самых древних в развитии человеческого знания. Под механической прочностью понимается способность материалов, изделий, конструкций сохранять свою целостность без разрушения при действии на них механических нагрузок. С глубокой древности, когда люди начали создавать различные изделия, орудия труда, охоты, войны, позднее - строительные сооружения, корабли и др., вопросы обеспечения достаточной прочности всего изготовляемого или строящегося становились предметом размышлений, поисков, изобретений.

К 40 - 50-м годам прошлого века накопился комплекс вопросов относительно прочности твердых тел, которые требовали решения. Новая техника, в процессе развития которой повышались рабочие температуры, сложным образом менялись нагрузки на работающих деталях, строились крупные объекты многолетнего назначения, подталкивала к дальнейшему изучению прочности.

Например, авиации стали совершенно необходимыми прочные и легкие сплавы, новые композиционные материалы. В эпоху же космической техники необходимость материалов с высокой удельной прочностью (большая прочность при низкой плотности материала) стала еще более острой. Прочность имеет и огромное экономическое значение. Так, в масштабах страны увеличение прочности материалов ведет к значительной экономии металлов, древесины, бетона, пластмасс.

В 60-х годах XX века была создана Всемирная организация -Международный конгресс по разрушению (International Congress of Fracture). Характерно, что задачей этой организации стало выяснение путей упрочнения материалов и повышения надежности, долговечности работы конструкций, но названа она была не «Конгрессом по прочности», а «Конгрессом по разрушению». Можно сказать, что приведенным примером с постановкой вопроса о прочности в международном масштабе также хорошо демонстрируется важнейшая роль исследования явления разрушения.

Развиваются и прочностные исследования нового типа. Последние десятилетия характеризуются небывалым размахом в использовании множества тонких физических и физико-химических методов для получения прямой информации о конкретных формах и деталях процесса разрушения. Так, выясняются структурные особенности материалов, создающие места повышенных напряжений, где наиболее интенсивно развивается термофлуктуационный процесс разрушения. Непосредственно регистрируются разрывы межатомных связей и измеряется накопление этих разрывов. Прослеживается очень важный этап разрушения - переход от одиночных разрывов связей к возникновению зародышевых разрывов сплошности -мельчайших трещин (с размерами в десятки - сотни размеров атомов). Далее выясняются закономерности укрупнения зародышевых трещин, которое может идти путем как индивидуального роста трещин, так и их слияния. После достаточной степени укрупнения трещин формируются магистральные трещины, прорастание которых через сечение образцов и приводит к разрушению. Очень важно подчеркнуть, что на всех отмеченных этапах разрушения выявляется единый атомно-молекулярный механизм -флуктуационный разрыв напряженных связей. Таким образом, представление о разрушении как о процессе, подводящем нагруженное тело к разрыву, наполняется конкретным и детальным содержанием. Именно эта информация открывает новые пути упрочнения материалов, увеличения их работоспособности, продления их долговечности. Эти же данные позволяют решать важные задачи прогнозирования долговечности уже эксплуатируемых систем, выяснения степени исчерпания их прочностных ресурсов со временем. Многообразие конструкционных материалов и условий, в которых они работают, выдвигает широкий круг задач, связанных с кинетическими (как феноменологическими, так и микроскопическими) исследованиями. Для их решения потребуются еще многие годы.

Подход к разрушению именно как к процессу дал основание рассматривать механическую прочность тел как такое свойство, которое имеет не «чисто механическую» природу, определяемую только силовым взаимодействием атомов, а кинетическую природу, определяемую закономерностями внутренней атомной динамики в твердых телах. Поэтому кинетический подход к разработке проблем прочности является той основой, которая в настоящее время является необходимой для дальнейшего исследования механизмов процесса разрушения.

Целью работы является разработка экспериментально-расчетного метода прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях.

При выполнении работы решались следующие задачи:

1. Исследование с позиций кинетической теории закономерностей разрушения и деформирования ряда композиционных материалов в широком диапазоне заданных постоянных и переменных по времени температур и механических нагружений;

2. Выявление зависимостей, связывающих параметры: долговечность, температуру, механическое напряжение;

3. Экспериментальное исследование влияния теплового (постоянное, переменное по времени) и механического нагружения (постоянное, переменное по времени; растяжение, сжатие) на величины кинетических параметров механодеструкции;

4. Экспериментальное исследование процессов термодеструкции в ряде композиционных материалов;

5. Сопоставление процессов термодеструкции и механодеструкции;

6. Сравнение кинетических параметров термодеструкции и механодеструкции исследуемых материалов по результатам многочисленных экспериментов;

7. Экспериментальное подтверждение многостадийности процессов, протекающих при совместном действии тепловых и механических нагрузок;

8. Разработка математической модели для расчета долговечности полимерных композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях;

9. Разработка программного обеспечения для расчета долговечности полимерных композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях;

10. Экспериментальное подтверждение адекватности математической модели по результатам многочисленных исследований долговечности полимерных композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях.

Актуальность работы. Полимерные композиционные материалы нашли широкое применение в инженерных конструкциях, строительных изделиях, несущих конструкциях, теплоизоляционных материалах: в строительстве, машиностроении, авиа - и космических отраслях. Также на практике широко используются композиционные материалы на основе древесины. Одним из преимуществ данных материалов является существенная экономия различного рода сырья. Кроме того, такие материалы обладают хорошими теплоизоляционными, звукоизоляционными свойствами и высокими механическими характеристиками.

В ряде композиционных материалов наблюдается высокая неоднородность распределения компонентов по объему. Такое строение осложняет изучение и прогнозирование их физико-механических свойств. В настоящее время при проектировании строительных, машиностроительных конструкций широко используется эмпирический метод предельных состояний.

А влияние дополнительных факторов, снижающих прочностные показатели, учитывается поправочными коэффициентами. Это приводит к многократному запасу прочности и деформативности материала.

Методы, используемые для прогнозирования долговечности конструкционных композиционных материалов, широко применяются в инженерной практике. Однако большая часть из них основана на эмпирическом подходе и дает возможность достоверно описать поведение материала лишь узком диапазоне нагрузок. Это справедливо и для ряда математических моделей, описывающих поведение материала под нагрузкой. Для более полного прогнозирования работоспособности материалов необходимо проведение значительного количества экспериментальных исследований, что не всегда возможно.

При изучении прочностных и деформационных характеристик, прогнозировании работоспособности композиционных материалов в реальных условиях эксплуатации важным остается вопрос прогнозирования долговечности (времени до разрушения) под действием совместных тепловых и механических нагружений, изменяющихся во времени в широких пределах.

Как показывают многочисленные экспериментальные исследования, для полимерных композиционных материалов и композиционных материалов на основе древесины резко проявляется температурно-силовая зависимость долговечности при действии механической нагрузки [1-5].

Для разработки метода прогнозирования долговечности композиционных материалов использована кинетическая (термофлуктуационная) теория прочности твердых тел, развитие которой обязано, в первую очередь, фундаментальным работам С.Н. Журкова [1, 3, 8, 9]. В данной теории рассматривается тепловое движение атомов (кинетических единиц), как решающий фактор процесса разрушения твердого тела, а роль механической нагрузки заключается в уменьшении энергии этих связей.

Актуальность данной диссертационной работы обусловлена применением подхода к изучению процесса разрушения и деформирования, прогнозирования долговечности исследуемых материалов, связанного с исследованием их кинетических параметров. Предложенный экспериментально-расчетный метод позволяет учитывать совместное нестационарное влияние теплового и механического нагружения на долговечность материала, время их действия.

Обоснование достоверности полученных экспериментальных результатов основано на использовании в эксперименте приборов, прошедших метрологическую проверку, использовании различных методов тестирования и контроля измерительной системы экспериментальных установок, включая тщательную тарировку приборов. Проведением экспериментов с достаточной воспроизводимостью; статистической обработкой и значительным количеством повторных испытаний; сравнение их с аналогичными результатами, полученными другими авторами, которое показало хорошее соответствие результатов друг другу. Достоверность теоретических решений проверялась их сравнением с экспериментальными результатами.

Научная новизна.

1. Выявлены термофлуктуационные закономерности разрушения и деформирования для широкого класса композиционных материалов при разных видах нагружения.

2. Впервые получены величины кинетических параметров многостадийных процессов термодеструкции и механодеструкции для ряда композиционных материалов, определяющих их долговечность при разрушении и деформировании.

3. Получены экспериментальные результаты по совместному действию температуры и механической нагрузки на закономерности разрушения исследуемых материалов, а также величины кинетических параметров, физических и эмпирических констант, определяющих их долговечность.

4. Разработан экспериментально-расчетный метод прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов в широком диапазоне изменения температуры и механической нагрузки.

Практическая ценность результатов. Разработано программное обеспечение в интегрированной среде MathCAD для расчета долговечности композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях. Его применение позволит автоматизировать практические и исследовательские расчеты, в конечном итоге снизить материалоемкость конструкций, повысить их надежность. Впервые получены многостадийные кинетические параметры процессов механодеструкции и термодеструкции материалов Терлон, ДВП, ВИМ №1.

Внедрение результатов. Теоретические разработки и результаты экспериментальных исследований использованы на предприятии РКК «Энергия». Ряд положений используется в учебном процессе МГУЛ при изучении дисциплин «Теплотехника» и «Пожарная безопасность промышленной продукции».

Автор защищает: а) результаты исследований по влиянию теплового и механического нагружения на закономерность разрушения и деформирования ряда полимерных композиционных материалов, а также кинетические параметры, физические и эмпирические константы, определяющие их долговечность; б) математическую модель прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях; в) экспериментально-расчетный метод прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов в широком диапазоне изменения температуры и механической нагрузки. г) результаты экспериментальных исследований по влиянию нестационарных тепловых и механических нагружений на долговечность исследуемых материалов.

Апробация. Материалы отдельных разделов диссертации были представлены, докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах МГУЛ в 2000, 2004-2006 годах. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ и 2 работы в электронном журнале МГУЛ.

Автор выражает признательность своему научному руководителю - д.т.н., профессору Семенову Ю.П., научному консультанту - к.т.н., доценту Ермоченкову М.Г. и ведущему инженеру Евстигнееву А.Г. за всестороннюю поддержку и постоянную практическую помощь при выполнении работы.

ВЫВОДЫ

1. С позиций кинетической концепции экспериментально исследованы закономерности разрушения и деформирования ряда композиционных материалов в широком диапазоне заданных постоянных и переменных по времени температур и механических нагружений. Получены величины кинетических параметров и эмпирических констант для исследованных материалов.

2. Экспериментально установлено, что зависимость долговечность -механическая нагрузка; долговечность - температура в широком диапазоне заданных постоянных напряжений и температур представляют собой семейство веерообразных прямых в виде «прямого» пучка. Для их описания предложено уравнение Журкова.

3. Экспериментально установлено, что для всех материалов в исследованном диапазоне температур и механических нагрузок проявляется различный характера разрушения, что отражается на величине кинетических параметров: энергии активации механодеструкции и структурно-чувствительного коэффициента.

4. По результатам многочисленных термогравиметрических экспериментов установлено, что процесс термодеструкции исследуемых материалов носит сложный многостадийный характер.

5. Произведено сопоставление результатов многочисленных экспериментов и выявлена аналогия в процессах термодеструкции и механодеструкции. Установлено, что процесс механодеструкции также носит сложный многостадийный характер для исследованных полимерных композицонных материалов.

6. Разработана математическая модель для расчета долговечности полимерных композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях.

7. Разработан экспериментально-расчетный метод прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагруженях.

8. Разработана программа в интегрированной среде Mathcad для расчета долговечности материала при совместных тепловых и механических нагружениях.

9. Проведен комплекс экспериментальных исследований долговечности композиционных материалов СВМ, Терлон, ДВП, ВИМ №1 при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях. Полученные результаты могут быть использованы при расчете режимов эксплуатации инженерных изделий на основе данных материалов.

Список публикаций по теме диссертации:

1. Ермоченков М.Г., Евстигнеев А.Г., Кладов М.Ю. Влияние тепловых воздействий на прочностные свойства карбамидоформальдегидных смол // Нучн. тр. - М.: МГУЛ, 2000. - Вып.312. - С. 154-162.

2. Кладов М.Ю., Ермоченков М.Г., Евстигнеев А.Г. Критерии длительной прочности композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях // Научн. тр. - М.: МГУЛ, 2004. - Вып. 324. - С. 185-192.

3. Кладов М.Ю., Ермоченков М.Г., Евстигнеев А.Г. Прогнозирование длительной прочности композиционного материала при его совместном тепловом и механическом нагружении // Научн. тр. - М.: МГУЛ, 2005. - Вып. 326.-С. 132-142.

4. Кладов М.Ю., Ермоченков М.Г. Исследование кинетических параметров механодеструкции композиционных материалов // Научн. тр. - М.: МГУЛ, 2005.-Вып. 331.-С. 193-202.

5. Кладов М.Ю. Взаимосвязь между кинетическими параметрами термодеструкции и механодеструкции полимерных композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях // Научн. тр. - М.: МГУЛ, 2006. - Вып. 342. - С. 151-163.

6. Кладов М.Ю. Влияние тепловых воздействий на прочность клея БФ // Электронный журнал "Труды Московского Государственного Университета Леса" (Свидетельство о регистрации средства массовой информации ГК РФ по печати N018875 от 27 мая 1999г.) - М.: МГУЛ, 2006. - Вып. 5.

7. Кладов М.Ю. Исследование кинетических параметров термического разложения нитей материала СВМ до и после механического воздействия // Электронный журнал "Труды Московского Государственного Университета Леса" (Свидетельство о регистрации средства массовой информации ГК РФ по печати N018875 от 27 мая 1999г.) - М.: МГУЛ, 2006. - Вып. 5.

8. Кладов М.Ю. Кинетика разрушения композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник - М.: МГУЛ, 2006. -Вып. 6.

1. Кинетическая природа прочности твердых тел. В.Р. Регель, А.И. Слуцкер, Э.Е. Томашевский. М., 1974. - 560 с.

2. Свойства и химическое строение полимеров. Ван-Кревелин Д.В. М.: Химия, 1970 -416 с.

3. Журков С.Н. // Вестн. АН СССР, 1957, 11, 78.

4. Физико-механические испытания строительных композитных материалов: Метод, указ. / Сост.: В. П. Ярцев, О. А. Киселева. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003.24 с.

5. Прогнозирование деформационно-прочностных свойств полимерных и композиционных материалов / А.Я. Гольдман. Л.: Химия, 1988. - 272 с.

6. Иоффе А.И. Физика кристаллов. М. Л., Госиздат, 1929.

7. Иоффе А.И., Кирпичева М.В., Левитская М.А. ЖРФХО, 56,495,1924.

8. Журков С.Н., Санфирова Т.П. ДАН СССР, 101,237,1955.

9. Журков С.Н., Э.Е. Томашевский. ЖТФ, 25,66,1955.

10. Griffith A.A. The Phenomena of Rupture and Flow in Solids // Phil. Trans. Roy. Soc. London, Ser A 221.1921. V. 221. P.163 -198.

11. Griffith A.A. First Intern. Cingr. Appl. Mech. Delft, 55 ,1924.

12. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн.2/ Под. Ред. Дж. Любина. М.: Машиностроение, 1988. - 448 с.

13. Александров А.И., Журков С.Н. Явление хрупкого разрыва. М. Л., Изд. ГТТИ, 1933.

14. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. М., Наука, 1975. - 460 с.

15. Фрейдин А.С., Вуба К.Т. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины. М.: Лесная промышленность, 1980. 222 с.

16. Изнашивание и разрушение полимерных композиционных материалов / М.В. Ханин, Г.П. Зайцев. М.: Химия, 1990. - 256 с.

17. Прочность и разрушения стекла. Пух .В.П. Изд. «Наука», Ленингр. Отд., Л., 1973,-156 с.

18. Фрейдин А.С., Турусов Р.А. Свойства и расчет адгезионных соединений. -М.: Химия, 1990.-256 с.

19. Влияние тепловых воздействий на прочностные свойства карбамидоформальдегидных смол. Ермоченков М.Г. Евстигнеев А.Г. Кладов М.Ю. // Технология и оборудование для переработки древесины/Научн.тр. -Вып. 312. М.: МГУЛ, 2000.

20. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. М., Химия, 1978. - 476 с.

21. Физико-механические испытания строительных композитных материалов: Метод, указ. / Сост.: В. П. Ярцев, О. А. Киселева. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. 24 с.

22. Irwin G. Analysis of Stress and Strains near the End of a Crack Traversing a Plate // J. Appl. Mech. 1957. №3. P.361 364.

23. Штремель M.A. Прочность сплавов. M. : Металлургия, 1982. 4.1: Дефекты решетки. 280 с.

24. Глушак Б.Л., Куропатенко В.Ф., Новиков С.А., Исследование прочности материалов при динамических нагрузках. Новосибирск: Наука, 1992.294 с.

25. Слуцкер А. И., Михайлин А.И., Слуцкер И.А. // Успехи физических наук. 1994. Т. 164, №4. С. 357-366.

26. Испытание материалов. Справочник. Под. Ред. Х.Блюменауэра. М.: Металлургия, 1979.-448 с.

27. Кособлик Ф.И. Расчет деталей механизмов и машин на усталостну прочность. Хабаровск, ДГУПС, 2000 115 с.

28. Bailey J. // Glass Industry. 1939. Vol.20. P.21-30.

29. Ильюшин А.А. Об одной теории длительной прочности. Механика твердых тел. №3,1967, С.21-35.

30. Кравчук А.С., Майборода В.П., Уржумцев Ю.С. Механика полимерных и композиционных материалов. М., Наука, 1985.-303 с.

31. Экспериментальное определение критерия длительной прочности для композиционного материала. Апетьян В.Э. // Технология и оборудование для переработки древесины / Научн.тр. Вып. 312. - М.: МГУЛ, 2000. - С. 108 - 112.

32. Котенко В.Д., Сапожников И.В. Длительная прочность композиционных материалов в условиях периодического теплового нагружения // В межвуз. сб.: Гидродинамика и тепломассообмен в технологических процессах. Вып. 239. -М.: МЛТИ, 1991. с. 57-60.

33. Котенко В.Д., Сапожников И.В. Численный анализ прочности композиционных материалов в условиях периодического теплового нагружения // В межвуз. сб.: Гидродинамика и тепломассообмен в технологических процессах. Вып. 259. -М.: МЛТИ, 1993. с 9 12.

34. Schwarz L.E., Staverman A.Y. //J.Appl. Phys. 1951 - v.23, №83. - P. 838 - 843

35. Рогинский C.A., Канович M.3., Колтунов M.A. Высокопрочные стеклопластики. М., Химия, 1979. 144 с.

36. Работнов Ю.Н. Элементы наследственной механики твёрдых тел. М.: Наука, 1977.-384 с.

37. Ржаницын А.Р. Теория ползучести. М.: Стройиздат, 1968. 416 с.

38. Колтунов М.А. Ползучесть и реология. М.: Высшая школа, 1976. 277 с.

39. Апетьян В.Э. Экспериментальное определение ядер релаксации и ползучести при растяжении композиционного материала // Научн. тр./ МГУЛ. 2000. Вып. 312: Технология и оборудование для переработки древесины. - С. 103 - 108.

40. Котенко В.Д., Апетьян В.Э. Применение температурно-временной аналогии для проведения ускоренных испытаний композиционных материалов // Научн. тр. 2002. / МГУЛ. Вып. 316: Технология и оборудование для переработки древесины. С. 129 - 132.

41. Гольдман А.Я., Мурзаханов Г.Х., Сошина О.А. // Механика полимеров. -1974.№4.-С. 614-620.

42. Гольдман А.Я., Мурзаханов Г.Х., Сощина О.А. // Механика полимеров. -1978. -№3.- С. 430 . 434.

43. Котенко В.Д., Миролюбов А.В., Шевляков А.А. Экспериментальное исследование термовязкоупругих свойств препрегов // Научн. тр. / МГУЛ. -1994. Вып. 273. Технология химико-механической переработки древесины. С. 33-41.

44. Ferry J.D. Visco-elastic Properties of Polymers, Wiley, New York, 1970.

45. Уржумцев Ю.С. // Механика полимеров. 1974. - №2. - С. 209 - 215.

46. Уржумцев Ю.С., Максимов Р.Д. // Механика полимеров. 1970. №3. С. 420 -428.

47. Уржумцев Ю.С., Максимов Р.Д. // Механика полимеров. 1970.№3. С. 416 -420.

48. Прочность полимерных нитей при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях. Золотов С.Б. В межвуз. сб.: Гидромеханика и тепломассообмен в технологических процессах. Вып.207.-М.: МЛТИ, 1988.

49. Прогнозирование условий изготовления хлопчатобумажных тканей из пряжи малой линейной плотности на ткацких станках СТБ. А.С. Николаев, Э.А. Оников // Журнал: Технология текстильной промышленности

50. Характеристики элементарных актов в кинетике разрушения металлов. А.И. Слуцкер // Физика твердого тела, 2004, том 46, № 9.

51. Кинетика разрушения нагруженных материалов при переменной температуре. В.И. Бетехтин, В.М. Ройтман, А.И. Слуцкер, А.Г. Кадомцев. // Журнал технической физики, 1998, том 68, №11.

52. Исследование кинетических параметров механодеструкции композиционных материалов. М.Ю. Кладов, М.Г. Ермоченков // Технология и оборудование для переработки древесины / Науч. тр. Вып. 331. — М.: МГУЛ, 2005.

53. Цепаев В. А. Длительная прочность и деформативность конструкционных древесно-цементных материалов и несущих элементов на их основе. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Нижний Новгород 2001

54. Волынский В.Н., Влияние скорости (времени испытания) на прочность и деформативность древесины. АГТУ, 2000 - 45 с.

55. Леонтьев Н.Л. Длительное сопротивление древесины. М.: Гослесбумиздат, 1957- 130 с.

56. Иванов Ю.М., Славик Ю.Ю. Оценка длительной прочности древесины при изгибе по результатам кратковременных испытаний // Лесной журнал 1981. -№2

57. Активационные параметры ступенчатой деформации полимеров. Н.Н. Песчанская, П.Н. Якушев. // Физика твердого тела, 1998, том 40, № 9.

58. Стадийность деформации микрокристаллического алюминий-литиевого сплава в условиях сверхпластичности. М.М. Мышляев, В.В. Шпейзман, М.М. Камалов // Физика твердого тела, 2001, том 43, № 11.

59. Влияние надмолекулярной структуры на энергию активации установившейся ползучести ориентированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена. В.И.

60. Веттегрень, Е.М. Иванькова, М.А. Крючков, В.А. Марихин, Л.П. Мясникова, П.Н. Якушева. // Физика твердого тела, 2005, том 47, № 5.

61. Кинетические особенности деформации твердых тел в нано- и микрообъемах. Ю.И. Головин, С.Н. Дуб, В.И. Иволгин, В.В. Коренков, А.И. Тюрин. // Физика твердого тела, 2005, том 47, № 6.

62. Характеристики элементарных актов в кинетике разрушения металлов. А.И. Слуцкер // Физика твердого тела, 2004, том 46, № 9.

63. Жигунов С.В. Тепломассообмен и кинетика термодеструкции при высокотемпературном нагреве композиционных материалов: Дис. канд. техн. наук 05.14.05. М.: МГУЛ, 1990. - 184 с.

64. Шведов Б.А. Дис. докт. техн. наук 05.14.05. -М.: МГУЛ, 1990. 542 с.

65. Влияние тепловых воздействий на прочностные свойства карбамидоформальдегидных смол. Ермоченков М.Г. Евстигнеев А.Г. Кладов М.Ю. // Технология и оборудование для переработки древесины/Научн.тр. -Вып. 312. М.: МГУЛ, 2000.

66. Инструкция по обслуживанию машины для испытания на растяжение-сжатие Z 10/90. Народное предприятие «Тюрингер индустриверк», ГДР. 1981 50 с.

67. Исследование кинетических параметров термического разложения нитей материала СВМ до и после механического воздействия. М.Ю. Кладов // Электронный журнал МГУЛ / Вып. 5. М.: МГУЛ, 2006.

68. Влияние тепловых воздействий на прочность клея БФ. М.Ю. Кладов // Электронный журнал МГУЛ / Вып. 5. М.: МГУЛ, 2006.

69. Критерии длительной прочности композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях. Кладов М.Ю., Ермоченков М.Г., Евстигнеев А.Г. // Технология и оборудование для переработки древесины / Научн. тр. Вып. 324. - М.: МГУЛ, 2003.

70. Физическая химия. Теоретическое и практическое руководство. Учеб. Пособие для вузов / Под ред. Акад. Б.Н. Никольского. 2-е изд., перераб. и доп. -Л.: Химия, 1987.-880 с.

71. Кинетическая трактовка структурно-временного критерия разрушения. П.А. Глебовский, Ю.В. Петров // Физика твердого тела, 2004, том 46, № 6.

72. Варшавский В.А. Исследование влияния неоднородности строения древесины на модуль упругости и предел прочности крупных образцов при изгибе с установлением связи между показателями прочности и жесткости. Дис. канд. техн. наук 05.21.03. -М.: МЛТИ, 1975.

73. Поликарпов Е.И. Исследование упруго-вязких свойств древесины и некоторых полимеров при динамических нагрузках. Дис. канд. техн. наук. М.: МЛТИ, 1969.

74. Хвесько Г.М. Исследование анизотропных упругих и прочностных свойств модифицированной древесины при сжатии. Дис. канд. техн. наук. М.: МЛТИ, 1978.

75. Лапшин Ю.Г. Деформативность и прочность древесины и ДСтП в технологических процессах. Дис. канд. техн. наук. М.: МЛТИ, 1981.

76. Уголев Б.Н. Деформативность древесины поперек волокон и внутренние напряжения при сдвиге. Дис. канд. техн. наук. -М.: МЛТИ, 1967.

77. Щуклин А.В. Влияние циклического воздействия температуры и влажности на прочность древесины. Дис. канд. техн. наук. М.: МЛТИ, 1952.

78. Михальченко Т.А. Теоретические основы регулирования упругих и прочностных свойств многослойной клеевой фанеры. Дис. канд. техн. наук. -М.: МЛТИ, 1974.

79. Борисенко Н.Ф. Исследование механических свойств чистой древесины в хвойных пиломатериалах, оцененных силовым методом. Дис. канд. техн. наук. -М.: МЛТИ, 1975.

80. Сердюков В.И. Исследование ползучести и атмосферостойкости ДСтП применяемых в деревянном домостроении. Дис. канд. техн. наук. М.: МЛТИ, 1977.

81. Лапшин В.В., Смирнова Н.А., Борисова Е.Н., Семенов К.В. Костромской государственный технологический университет. Автоматизированная системадля термомеханических исследований текстильных материалов // Журнал: Технология текстильной промышленности.

82. Ю.В. Петров, П.А. Глебовский. Критерий инкубационного времени в задачах импульсного разрушения и электрического пробоя. // Журнал технической физики, 2004, том 74, №11.

83. Петров Ю.В., Ситникова Е.В. Прогнозирование динамической трещиностойкости конструкционных материалов на примере разрушения авиационного сплава при ударном воздейстии. // Журнал технической физики, 2004, том 74, №1.

84. Слуцкер А.И., Поликарпов Ю.И., Васильева К.В. К определению энергии активации релаксационных переходов в полимерах методом дифференциальной сканирующей калориметрии. // Журнал технической физики, 2002, том 72, №7.

85. Уэндландт У. Термические методы анализа. М.: Мир, 1978. -526 с.

86. Бусев А.И., Ефимов И.П. Определения, понятия, термины в химии. 3-е изд., перераб. - М.: Просвещение, 1981.-192 с.

87. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике: 2-е изд., перераб. М.: Наука, 1985.-512 с.

88. Чистов А.Ю. Восстановление тепловых режимов работы изделий из деструктирующих материалов. Дис. канд. техн. наук. -М.: МЛТИ, 1990.

89. Сопротивление материалов с основами теории упругости. В 3-х ч. 4.1 / Учеб. Пособие / Под. ред. проф., д.т.н. Г.С Варданяна. М.: МИСИ, 1992. - 246 с.

90. Сопротивление материалов с основами теории упругости. В 3-х ч. 4.2 / Учеб. Пособие / Под. ред. проф., д.т.н. Г.С Варданяна. М.: МИСИ, 1993. - 246 с.

91. Сопротивление материалов с основами теории упругости. В 3-х ч. Ч.З / Учеб. Пособие / Под. ред. проф., д.т.н. Г.С Варданяна. М.: МИСИ, 1993. - 297 с.

92. Прочность, жесткость и устойчивость элементов изделий из древесины и древесных материалов. Учебное пособие по спецглавам сопротивления материалов для специальности 26.02. Ю.С. Соболев. М.: МЛТИ, 1992 - 76 с.

93. Механика древесины и древесных композиционных материалов: Учебное пособие для студентов спец. 260200 / Ю.Г. Лапшин, В.Н, Осипова, М.В. Васильев и др. М.:МГУЛ, 2003 - 88 с.

94. Физическая химия. Мелвин-Хьюз Э.А М.: Иностранная литература, 1962 -446 с.

95. Тепловая защита. Ю.В. Полежаев, Юревич Ф.Б. М.: Энергия, 1976 - 391 с.

96. Технологические измерения и приборы. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю. М.: Высшая школа, 1989 - 456 с.

97. Тканые конструкционные композиты: Пер. с англ./Под ред. Т.-В. Чу Ф. Ко. -М.: Мир, 1991.-432 с.

98. Смирнов М.А. Исследование влияния деформации деталей корпусной мебели на длительность ее эксплуатации. Дис. канд. техн. наук. М.: МЛТИ, 1978.

99. Физика полимеров / Бартенев Г.М., Френкель С.Я. / под ред. д-ра физ.-мат. Наук A.M. Ельяшевича. Л.: Химия, 1990. - 731 с.

100. Годовский Ю.К. Теплофизика полимеров. М.: Химия, 1982. 280с.

101. Древесные композиционные материалы в машиностроении: Справочник/А.И. Вигодорович, Г.В. Сагалаев, А.А. Поздняков. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1991. - 240 с.

102. Атрошенко С. А., Кривошеев С.И., Петров Ю.В., Уткин А. А., Федоровский Г.Д. Разрушение сферопластика при статических и динамических нагрузках. // Журнал технической физики, 2002, том 72, №12.

103. Тугов И.И., Кострыкина Г.И. Химия и физика полимеров: Учеб. Пособие для вузов. М.: Химия, 1989. - 432 е.: ил.