Оценка несущей способности стеклопластика квази-продольно-поперечной намотки тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

!

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

СКАЧКОВ ЮРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СТЕКЛОПЛАСТИКА КВАЗИ-ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОЙ

НАМОТКИ

01.02.06 — Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Л1осква — 1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте химического машиностроения.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор СТЕПАНОВ Р. Д.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор КАНОВИЧ М. 3., кандидат технических наук, вед. н.с. АВАКЯН Р. А.

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский институт химического машиностроения (НИИХИММАШ).

Защита состоится » (-¿оуБ^З 1992 г. в 14 час.

на заседании специализированного совета К 063.44.02 в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте химического машиностроения по адресу: 107884, ГСП, Москва, Б-66, ул. Старая Басманная, 21/4, МИХМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « > о*!г>?яок%_1992 г.

Ученый секретарь Совета кандидат технических наук

В. А. ПИРОЖКОВ

1 -П

■ ' •-•¡"¡И

! _____'_____;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работ. Использование композиционных материалов на основа высокопрочных и высокомодульных стеклянных волокон обусловлено присущий ии комплексом физико-ыеханичоских свойств, по встречающихся у большей части традиционных конструкционных материалов. Это прежде всего высокая прочность в сочетании с малым удельным весом, стойкость по огповенив к болыяинсгву агрессивных сред, а главпое - возможность регулирования механических и физических характеристик при создании материала. Однако реализация больших потенциальных возможностей композиционных материалов, позволяющих им успешно конкурировать с моталлами, требует комплексного подхода к решению задач1 проектирования и расчета выполненных из них конструкций я зависит от степени изученности их свойств.

Ответственный этапом проектирования является определение прочностного ресурса создаваемого узла или конструкции из композита. Прогнозирование прочности связано с решением трех задач: определенней внешних сил, расчетом напряяенно-деформированного состояния и нормированием допускаемых напряжений. Первые две задачи решаются в рамках классических моделей механики сплоппых сред. Их успешное решение не может гарантировать прочность конструкции без прогресса в проблеме нормирования допускаемых напряжений.

Длительное время при оценке прочности действовало соглашение, по которому кратковременная статическая прочность материала полностью определялась предельным напрякенным состоянием, а разрушение представлялось как мгновенный акт. На смену этим взглядам пришло представление о разрушении как о процессе, начинающемся задолго до достигения уровня продельных напряжений и определяющим работоспособности материала. Многоплановость процессов, происходящих на разных масштабных уровнях структуры материала, не позволяет в данный момент построить теорию нёупругого деформирования и разрушения композитов методами физики твердого тела. Существующие экспериментальные методы так ле не в состоянии дать исчерпывающий ответ по вопросу нормирования допускаемых напряжений. В связи о этим актуальным остается создание инаенерных методик оценки прочностных свойств композитов.

- г -

Целью диссертационной работы является построенио эффективной инкенерной методики назначения норм прочности для композиционных материалов, базирующейся на связи напряженно-доформирован-ного состояния со структурой материала.

При этом решаются следующие задачи:

1. Разработка механических приспособлений и измерительных средств для проведения кратковременных статических испытаний трубчатых образцов из композитов в условиях сложного напряженного состояния.

2. Создание испытательного комплекса, обеспечивающего механические испытания высокопрочных намоточных стеклопластиков с одновременной фиксацией процесса разрушения методом акустической эмиссии.

3. Определение прочностных характеристик стеклопластика, по- лученного методом квази-продольно-поперечной намотки (КППН).

Исследование возможности применения различных феноменологических критериев для описания начальной и конечной стадий разрушения стеклопластика, полученного методом КППН.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

1. В результате исследования данных акустической эмиссии установлено, что качало процесса рассеянного разрушения статистически коррелируется с вл:ичиной макронапряжений.

2. Покааано, что для апроксимации поверхности прочности, соответствующей началу рассеянного разрушения стеклопластика, полученного кетовой КППН, без существенных потерь в точности может быть использован видоизмененный критерий Мизеса-Хилла.

3. Предложено определять уровень безопасных напряжений по моменту начала рассеянного разрушения.

Обоснованность и достоверность полученпых результатов подтверждается применение!! в исследованиях проверенных теоретических критериев прочности, а такае использованием апробированных экспериментальных методов.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Использование предлагаемой ыетодики позволяет с высокой степенью надежности определять прочностной ресурс конструкций из стеклопластика, полученного методом КППй.

Результаты работы использованы при расчете конструкций из стеклопластика, полученного методом К11ПН, в НПО "Стеклопластик".

Апробация работы. Основные полонения диссертации докладывались па 8-ой молодеяной научно-технической конференции, НПО "Стеклопластик", 1990 г.; на заседании кафедры "Сопротивление иатериалов", ШХУ, 1992 г.

Публикации. Материалы проведенных исследований опубликованы в трех печатных работах автора и изложены в двух отчетах по хоздоговорной тематике.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений. Общий объем работы - 141 страница, в том числе - 105 страниц машинописного текста, 26 рисунков, 10 таблиц. Список литературы"содержит 117 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулированы задачи исследования.

В первой главе рассматриваются методы экспериментальных исследований и аналитического описания механических свойств конструкционных стеклопластиков.

Анализ работ, посвященных механическим испытаниям, показал, что по сравнению с традиционными материалами, методики испытаний композиционных иатериалов отличаются большим разнообразием и в меньшей степени формализованы. Выбор методики зависит от цели исследований. При определении комплекса прочностных и деформационных характеристик руководствуются следующими принципами: максимальная идентичность технологии формования образцов и реальных изделий; учет влияния конечных размеров образца, краевого аффекта и эффекта перерезанных волокон; осуществление в образце того же вида разрушения, что и в конструкции. С этих позиций проанализированы основные аспекты организации испытаний по определению кратковременной статической прочности конструкционных стеклопластиков: выбор расчетной схемы и установление числа определяемых характеристик материала; выбор формы и размеров образцов с учетом возможности их использования для всего комплекса испытаний; определение траекторий нагрухения и продолжительности испытаний.

Значительное внимание в публикациях, посвященных композиционным материалам, уделяется изучению физико-механических явлений,

происходящих в иатериале на структурной уровне в процессе деформирования. Определяющими с точки зрения прочности считаются процессы микроразрушения на уровне армирующих элементов. Исследования ведутся по двум направлениям: разработка аналитических методов, позволяющих списывать механизмы возникновения и взаимодействия полей ыикротрещин; выделение из всей совокупности сопутствующих разрушению физико-механических процессов тех, чьи параметры позволяют с высокой степенью надежности оценивать структурное состояние материала. Установлено, что в качестве диагностических сигналов наиболее информативны параметры физических процессов, связанных с переносом энергии. Раскрыта сущность процессов, положенных в основу методов акустической эмиссии, механозмиссии и ме-ханолюминесценции. Рассмотрена возможность использования оптического метода для оценки дефектности композитов на основе стеклянных волокон и изучения процессов их микроразруиения. Этот метод открывает возможность изучения объемного разрушения и особенно важен для развития нового направления - анизотропии повреждаемости композитов. Изучение практического использования вышеперечисленных методов позволяет сделать вывод, что при прочих равных условиях наиболее доступным в аппаратурном оформлении является метод акустической эмиссии.

Для аналитического описания предельного состояния композитов, как показывают данные опубликованных работ, чаще всего привлекаются структурная и феноменологическая теории. Структурный подход наиболее эффективен при прогнозировании упругих и прочностных свойств вновь создаваемых армированных пластиков с учетом структуры и упруго-прочностных свойств составляющих компонентов, феноменологические теории через используемые характеристики прочности учитывают особенности технологического процесса изготовления конкретного материала, что существенно с точки зрения инженерных приложений. В основу всех известных феноменологических критериев положены два постулата: о существовании и единственности поверхности разрушения в пространстве независимых параметров нагруае-ния и о выпуклости поверхности разрушения (постулат Друккера), что не исключает большого разнообразия их форм. В данной главе рассмотрены модели Л.Фишера, О.Хоффмана, Дж.Марина, К.В.Захарова, В.Прагера, Е.К.Ашкенази, А.К.Ыалмейстера, Гольденблата-Когшова, Цая-Ву, различные модификации критерия Мизеса-Хилла. Приведен ,

краткий обзор развития этих моделей, сформулированы используемые при их построении допущения и выяснены границы применимости. На основании этих данных сделан вывод о наибольшей практической ценности критериев Гольденблата-Копнова, Малмейстера и Цая-Ву.

Вторая глава посвящена описанию испытательной техники и методики экспериментальных исследований.

Дано обоснование выбора в качестве объекта исследований стеклопластика, полученного методом КППН.

При выборе формы и размеров образцов исходили из следующих полохепий: максимальная идентичность технологии формования образцов и реальных изделий; обеспечение в зоне измерений однородного напряженного состояния вплоть до разрушения. Трубчатые образцы имели наружный диаметр 40 мм при толщине стенки 1,5 - 2,0 ыи. Длина цилиндрической части образца (без законцовок) составляла 170 мм. Таким образом исключалось влияние краевого эффекта на зопу измерений. Исходными компонентами материала образца служили стеклоровинг РБН13-126.0-43, стеклонить БС9-68х1х2 100-43, полимерное связующее на основе эпоксидной смолы марки ЭХД. Формование осуществлялось за один технологический проход с последующей термообработкой. Отдельно формовались и подвергались механической обработке головки образца.

Эксперименты по определению прочностных характеристик стеклопластика квази-продольно-поперечной намотки провс -ллись на универсальной испытательной ыаиине ZDMU-ЗОт. Ее использование обеспечивало пагрузение образца осевой силой до 300 Кп, крутящим моментом до 2000 н-u п внутренним давлением до 30 МПа. Сочетание гидравлического привода для создания осевой растягивающей (сжимающей) силы и внутреннего давления с электромеханическим - для крутящего момента позволило реализовать только сложные (непропорциональные) пути нагруг ~ния с поэтапным приложением силовых факторов. В соответствии с рекомендациями о продолжительности кратковременных статических испытаний время до полного разрушения образца составляло одну мииуту.

Исходя из поставленной задачи исследований осуществлен анализ конструкций механических приспособлений, обеспечивающих передачу силовых факторов от испытательной машины на образец. Установлено, что большинство из них предназначено для реализации одноосных напряженных состояний. В связи с этим была разработана

млело

конструкция захватного устройства, обеспечивающая нагрунение растягивающей силой, крутящий моментом и внутренний давлением в любых сочетаниях (рис.1).

Ее отличительной особенностью является использование для передачи крутящего момента разрезной конической втулки I & рисками глубиной 0,5 мы на внутренней поверхности. При сборке выступы в верхней части втулки I, подымаемой коническим вкладышем 2, входят в пазы корпуса 3 и, выполняя роль своеобразной тонки, препятствуют проворачиванию образца относительно корпуса.

Стандартная сило-измерительная система установки ЕБМи-ЗОт

Рис.1 Захватное устройство

была заменена комплексом регистрирующей аппаратуры, включающим тензоусилитель "ТОПАЗ-З", два двухкоординатных графопостроителя Н-307 и регистратор сигналов акустической эмиссии. Таким образом обеспечивалась одновременная запись двух зависимостей типа "на-пряхение-деформация" и "напряхение-оигнал АЭ". Реакция образца на' внешнее силовое воздействие воспринималась упругими элементами в форме цилиндрического стержня, пластины и полого цилиндра, включенными в силовую цепь непосредственно за образцом, чем достигалась наибольшая точность измерения. Обоснован выбор формы и размеров упругих элементов, схемы расположения и соединения тензоре-зпеторов, указано используемое для тарировки оборудование.

Для непрерывной регистрации деформаций в процессе испытаний применялись два электромеханических тензометра. Первый позволял измерить одновременно, или независимо друг от друга, линейные и угловые деформации. Диапазон измерений при мерной базе 50 мм составлял до 10 % - для относительных продольных деформаций и до

0,1 рад - для угла закручивания. Вторая конструкция обеспечивала регистрации относительных кольцевых деформаций до 5 %. В обоих тензометрах в качестве чувствительных элементов использовались двухнопсольные балки с наклеенными тонзорезасгорами. Благодаря независимому креплению упругих элементов к несущей части тензометров их тарировка проводилась простейшими измерителями - микрометром и индикатором часового типа.

В третьей главе приведено обоснование расчетной схемы и определены упруго-прочностные характеристики стеклопластика, полученного методом КППН.

На основании принципа энергетического сглаживания, предло-генного В.В.Болотиныы, гетерогенный, неоднородный материал, каковым является исследуемый стеклопластик, рассматривается как спло-пная, анизотропная среда. При переходе к такой модели объем испытаний и количество независимых упруго-прочностных характеристик определяется степенью анизотропии, которая в свою очередь для намоточных стеклопластиков задается схемой армирования (рис.2). Раскладка арматуры в двух практически перпендикулярных направлениях (угол раскладки осевой арматуры У = 0-12°) при ее совпадении с ыеридианальныц и кольцевым направлениями цилиндрической оправки позволяет считать его материалом с цилиндрической ортотро-пией механических свойств.

Рис.2 Обоснование расчетной схемы стеклопластика, полученного методоа КППН

По результатам одноосных испытаний определены упругие постоянные: Е< |Ег ~ модули упругости в осевом и кольцевом направлениях, С<2 - модуль упругости при сдвиге в плоскости армирования, - коэффициент Пуассона с использованием формул:

Р г 2М*Р

где осевое оастягивающее (+) или сжимающее (-) усилие;

Мкр - крутящий момент; - внутреннее давление при испытаниях;

Р - площадь поперечного сечения образца; Я , , Яьи - средний, наружный и внутренний радиусы трубчатого образца; Ь - толщина стенки образца; - относительные осевая и кольцевая деформации; - относительный угол закручивания.

Соответствующие характерные диаграммы деформирования представлены на рис. 3-6.

В рамках феноменологического подхода, описывающего явления течения и разрушения композитов безотносительно к виду нарушения сплошности, фиксировались нагрузки, соответствующие двум микроструктурами состояниям материала: началу процесса рассеянного разрушения и потере несущей способности. Соответствующие прочностные характеристики вычислялись по формулам:

с

1 г ь •

П-. Ррост п . гмко Д

г ~БТ) Л" •

где Ррост - растягивающее усилие на концах стальной ленты, обжимающей наружную поверхность образца при испытаниях на кольцевое сжатие; 6 - ширина стальной ленты.

По результатам единичных испытаний определены средние значения, даяа оценка точности определения прочностных характеристик стеклопластика, полученного методом КППН.

Четвертая глава посвящена построению предельной поверхности прочности стеклопластика, полученного методом КППН.

Для аналитического описания предельной поверхности использовались "модифицированный" критерий Цизеса-Хилла, критерии Цая-Ву, Малмейстера и Гольденблата-Копыова в сокращенном виде выражаемые формулами:

Рно. 3 Характерная диаграмма деформирования и акустограмма при растяжении вдоль образующая образца

Рис.»4 Характерная диаграмма деформирования и акустограмма при сжатии вдоль образующей образца

Рно. 5 Характерная диаграмма деформирования и акустограмма при растягенив в кольцевой направлении

б^МПа

Рис.' 6 Характерная диаграмма деформирования и акустограииа при чистом сдвиге в плоскости армирования

Рдб^»!, (I)

+ + »1. ( 2 ) (Р^О^^ув^ЛГРдке^бк)^...'! , ( 3 )

где 1*1,Ру. - компоненты тензоров поверхности прочности второго, четвертого и более высоких рангов; С^С^бк- компоненты тензора предельных рчпряжений.

Выраяение (2) соответствует формальной записи критериев Цая-Ву и Малмейстера. Для критерия Гольденблата-Копнова - формула (3) -показатели степеней принимались равными: оС-1, ^«0,5, X»-

Компоненты тензоров поверхностей прочности и Рц для всех четырех математических моделей определялись по результатам одноосных испытаний на растянение-схатие и чистый одвиг. С учетом симметрии прочностных свойств материала в плоскости армирования число независимых компонент сокращалось, т.к. Р<е = РабеРвт0*

Подробно рассмотрены способы вычисления коэффициента взаимного влияния нормальных напряжений и , в методике определения которых заключается главное отличие вышеназванных критериев. Предлояено определять Р12. по результатам испытаний на двухосное растяжение с соотношением 62/(5^ 2. Соответствие полученных результатов основным гипотезам феноменологических теорий разрушения проверялось соблюдением условия устойчивости:

Установлено, что оно выполняется для всех критериев. По результатам основных экспериментов построены соответствующие поверхности прочности. Наименьшое расхождение теоретической прочности о данными дополнительных экспериментов наблюдается при использования критерия Гольденблата-Копнова и Малмейстера. Различие в теоретически рассчитанных по этим критериям предельных напряжениях не превышает I %.

В пятой главе рассматривается методика оценки неоущей способности. стеклопластика, полученного методом КППН.

Данные опубликованных работ свидетельствуют о том, что в настоящее время отсутствует единая методика оценки прочности композитов. В качестве примеров рассмотрены методики с использованием гипотезы слабого звена, с учетом меры поврехденности материала

и т.д. Наиболее распространен подход, при которой уровень допускаемых напряжений определяется через систему коэффициентов «I , максимально учитывающих весь спектр эксплуатационных и технологических факторов, по формуле:

6долг б пред • Установлено, что в инженерной практике чаще всего под СЛр«д понимаются параметры предельных поверхностей прочности материала, каждая точка которых соответствует разрушению материала. Отмочено, что выдвинутая Черепановым Г.П. и Германовичем Л.Н. гипотеза о том, что множество предельных точек разрушения образует в пространстве напряжений в общем случае не поверхность, а некоторый объем (континиум разрушения), ве позволяет считать такой выбор Слрвд достаточно обоснованным.

На основании вышеизложенного предлагается за предельно допустимый уровень рабочих напряжений принимать напряжения, соответствующие началу рассеянного разрушения. Начало процесса совпадает с первой устойчивой цепочкой сигналов акустической эмиссии. Исследована возможность аналитического описания предельной поверхности, соответствующей нмалу рассеянного разрушения, феноменологическими критериями Цалмейстера, Гольденблата-Копнова, Ии-зеса-Хилла и Цая-Ву. Принимая во внимание незначительное отлично в пределах прочности при растяжении-сжатии вдоль осей структурной анизотропии исследуемого материала предложено использовать критерий Ыизеса-Хилла, выражаемый для случая плоского напряженного состояния формулой:

+4Гссв£ = 1. (4)

Компоненты тензоров поверхности прочности определяются выражениями: | { {

^''Ш*' (5 >

0,25(р~2- Рц-^гг), где р - осевое напряжение в испытуемом образце.

Кривые пересечения поверхностей начала рассеянного разрушения о плоскостями -6г), (Ом-Сб) и (6а-(э6) приведены на рис. 7-9. Черными кружками обозначены результаты основных экспериментов. *

Для оценки адекватности использованных теоретических моделей

ствующей началу рассеянного разрушения, о плоскостью -0>а) при использовании критериев: I- "модифицированного" иизеса-Хилла; 2- Гольденблата-Копнова а Цалмейстера; 3- Ыизеса-Хилла в предложенной форме

Рис. 8 Кривые пересечения поверхности прочности, соответствующей началу рассеянного разрушения, с плоскоотью

* Се) при использовании критериев: I- "модифицированного" Миаеса-Хилла; 2- Гольденблата-Копнова и Цалмейстера; 3- Миэеса-Хилла в предложенной форме

| <56,МПа

1(2,3)

С5Г2,М Па

& 9

Рис. 9 Кривив пересечения поверхности прочности, соответствующей началу рассеянного разрушения, с плоскостью (6^- С^) при использовании критериев: I- "модифицированного" Мизеса--Хилла; 2- Гольденблата-Копнова и Малмейстера; 3- Мизеса--Хилла в предложенной форме

были проведены дополнительные эксперименты. Плоское напряженное состояние в образцах контрольной серии создавалось путем различных комбинаций внешних силовых факторов по сложным траекториям нагружения. На рис. 7-9 результаты дополнительных экспериментов обозначены светлыми кружками, пути нагружения указаны стрелками.

На основании полученных данных сделан вывод, что степень приближения теоретических напряжений к экспериментальным максимальна при использовании критериев Гольденблата-Копнова и Малмейстера. Наибольшие отклонения при использовании формул (4) - (5) наблюдаются в области отрицательных напряжений, причем прогнозируемая прочность несколько ншсе действительной и это отклонение идет в запас прочности материала. С учетом того, что при использовании предложенной формы критерия Ыизеса-Хилла отпадает необходимость в проведении технически сложных испытаний на сжатие в осевом и кольцевом направлениях, ее преимущества очевидны.

Для случая двухосного растяжения проведена оценка теоретического запаса прочности путем сравнения полных напряжений при потере несущей способности материала и в.момент начала его рас-

сеянного разрушения. В зависимости от траектории нагруяения его значение колеблется от 4,2 до 6,9, что практически совпадает с назначаемыми в реальной практике запасами прочности.

ВЫВОДЫ

1. Разработан испытательный комплекс, обеспечивающий проведение механи'-зских испытаний, необходимых для оценки несущей способности высокопрочных намоточных стеклопластиков в условиях статического нагружения при комнатной температуре. Он включает

в себя: универсальное захватное устройство для испытаний трубчатых образцов в условиях одноосного и плоского напряженных состояний; устройство для нагруяения трубчатого образца осевой сжимающей силой; устройство для измерения осевых и угловых деформаций трубчатого образца.

2. Определены упруго-прочностные характеристики стеклопластика, полученного методом квази-продольно-поперечной намотки. Исследована возможность применения для описания его прочностных свойств феноменологических критериев Мизеса-Хилла, Цая-Ву, Малмейстера, Гольденблата-Копнова. Установлено, что с точки зрения инженерных приложений, предельное состояние исследованного материала наиболее точно описывается критерием Гольденблата-Копнова.

3. Исследована возможность использования иетода акустической эмиссии для оценки несущей способности стеклопластика, полученного методом КППН. Установлено, что начало процесса рассеян-пого разрушения статистически коррелируется с уровней макронапряжений.

4. Показано, что для построения поверхности прочности, соответствующей началу процесса рассеянного разрушения, для стеклопластика, полученного методом КППН, можно использовать видоизмененный критерий Цизеса-Хилла. При этом отклонение теоретических данных от экспериментальных идет в запас прочности материала.

5. Исходя из данных акустической эмиссии, впервые предлохе-па методика определения запаса прочности элементов конструкций из стеклопластика, полученного методой КППН.

Основное содержание, положения и выводы диссертации опубликованы з следующих работах:

I. Скачков Ю.А. формование тонкостенных трубчатых образцов

из стеклопластика методой косослойной продольно-поперечной намотки. - В кн.: Прочность и надежность химического оборудования.-Ц.: ЧИН, 1989, с. 53-55.

2. Скачков С.А. Исследование деформирования и разрушения стеклопластиков квази-продольно-попорочноЗ намотки. - Ипформ. бюлл. по хим. пром. - 11.: НИИТЭЮШ, 1990, б (133), с. 29-33.

3. Скачков Б.А. Оценка несущей способности стеклопластика, полученного методом квази-продольпо-поперочной намотки. - Информ. бюлл. по хим. пром. - Ы.: НИИТЭШ, 1990, Й 6 (133), с. 33-38.