Прочностные аспекты создания сложнонагруженных деталей из композиционных материалов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

' ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЩЯГГЕГ ПО ДЕ.1УЛ „ НАУКИ Л ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РСФСР

МОСКОВСКИЙ АВТаЕАНИЧИЯИЙ' РШСТТГГУТ ^

на Брагах рукопгсж

фкин Алекс ндр Сергеевич

7ДК 620.22:530.4

ПРОЧНОСТНЫЕ АСПЕКТЫ СОЗДАШЬ СЛШН0НШ7ЕЕНШХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

( ЗА ПРИМЕРЕ ШАТУНОВ ДВС )

Специальность: 01.02.06. - динамика и прочность глпкн.

приборов я аппаратуры

АВТ0Р35ЕРАТ

диссертации на соискание учйноЗ степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена на лафедре "Сопротивление материалов" Московского автокеханиче ского институте.

Научный руководитель - док-эр технических наук _ профессор Тябликов Ю.Е.

Официальные оппоненты: д.т.н., проф. Сухинин С.Н. -

начальник лаборатории Центрального Еаучно-исследоват ельского института •. машиностроения;

д.т.н., проф. Сенин М.И. -• ' заведующий кафедрой Российского

■( ' • • заочного институт: текстильной и ;

лёгкой промышленности I

.Бедзтзее г;.эдприятие: Автомобильный завод им. Ленинского - комсомола

. "Защита состоится " У " 1992 г.

В / / часов на заседании специализированного Совета , . К 0и.3.49.01. п: присуждению ученой степени кьлдидата.технических наук Московского автомеханического института по; адресу; 105023 г.Гэсква, ул. Б.Семеновская, 33,. МАШ, ауд. Б-301

С диссертацией кояно ознакомиться в научно-гэхнической ' .библиотеке института '

Автореферат разостлан "_[_УЛ/^ 19.52 г.

Ученый секретарь

ттэдиализированнсго совета К 06? 49.01 — ——

ГОС> { < ; -БШШОШхА

■3 , С»>

Общая характеристика работы

Актуальность ч&щ: Научно-технический прогресс в первую • очеррдь связывают с развитием . лшино строения, которое в свою . очередь определяет развитие других отраслей промышленности и хозяйства в целом. Совершенствование машин, оборудования тгдет . путем улучшения юс конструкций из традиционных материалов:. стали,

чугуна, алюминиевых сплавов и т.д., а тагскь путрад все бльшего " вн(. _фения новых материалов - в пергую очередь композиционных, которые позволяет снизить массу конструкций на 25-5СЙ, уменьшить трудоемкость изготовления в 1,5-3 раза и материалоемкость в 1,6-3,5 раза, ° тага- сократить энергоемкость производства до 10 раз. Использование композиционных материалов позволяет увеличить ресурс техники в 1,5-3 раза, сократить до минимума потери от коррозии, на движущихся механизмах сокра: ль расход топлива.

На композит энные материалы ориентируется и мировое авто' мобилестроение. Следует отметить, .что в настоящее время плабтн- ; ки й композиты используются в основнс :.для ненагруаенных и мало-нагруаенных деталей. Нагруженные и высоконагруженныэ' детали. • изготовленные из композитов составляют около 1% издэ. Л.

Совершенствование технологии производства, появление новых

композиционных материалов и их компонентов, обладавших уникаль-* '

ними, ранэв практически не дрстип«мяла свойствами, расширяет

возможности использования композитов дяя создан?- несущих кон>. _

струкций, деталей, элементов, в том числе имеющих сложную геометрическую форму. .

Наибольшая эконо тческая эффективность от применения кем-позщионнкх матзриалов может быть получена при использовании их для снижения массы деталей, движущихся в процессе своей работы со значительными скоростями и ускорениями. Н пример, для элемез-

4 .

тов шатунно-порпневс Ч группы ДО, к конкретно для шатуна, устраняя которого достигают 1JOO д и болеа. Снижений' его массы влечет ч собой снижение кагруженности как самого шатуна, так и сопряженных с ншл деталей. А эт" в свою очиредь позволяет умень-шЖхь дассипативные потери, гассу других деталей и двигателя в целом, увеличить его подлость, повысить топливную экономичность.

Исследования, направленные на создание слокнонагруяэнных деталей из композиционны?, материалов, например, шатунов ДВС, ' являться- чрезвычайно важными и актуальными.

Цель работы; ' Установление принципов конструирования слож-. нонагрузсе ных деталей, на примере шатунов ДВС, разработки ".он-г тция ine компоновки, и создания кошозициокп: х материалов с

заданной анизотропией свойств, в том числе за счёт выбора натравле армирования, создания условий предварительного напряжения и ста сне лого сяатия, обеспечивающих оптимальную сопротивляемость конструкции действупцим нагруз: s. Uл. ее достижения поставлены следующие задачи:

-. Разработь.'ь .энструкции шатунов ДВС из композиционных мате-

i ■ ■ . риалов, основываясь на результатах моделирования поляркза-

ционяоог-ическим методом.

- Исследовать особенности нагруженного состояния элементов' конструкции и возможностей их структурного упрочнения.

- Определить физико-механические свойства композиционных мате-• риалов в неорАЙнар"чх условиях нагружчния, в частности в •

условиях предварительного напряжения к стесненного сжатия.

- Выявить особенности поведен-л элементов шатуна из компози-•'" иконного материала а влияния на их .разрушение статических и

динамических видов нагружения.

- Провеет стат""чэск1:е и динамические испытания различных r.oi: г-рукщй шатунов.

- Провести расчетную проработку шатунов ДВС из композиционных материалов.

Объект исслэцовани^: шатуны автомобильных двигатг-ей внут-ренныч> сгорания, изготовленные о применением композщиозных материалов.

Методы исследование. использованные в работа: математического моделирования, программирования, численные математического анализа, теории упругости, механики разрушения, статистики, теоретически мезз.:ики, сопротивления материалов, теории механизмов и шиш, подобия, афшшого соответствия, физического мо- . делирования, экспериментальные метода.

Наг пая новизна; йазработана методика исследования полнри-рдцЕонно-оптическим методом конструкций и алеме: ?ов из орто-тропных материалов, в том числе армированных и предварительно' напряженных на моделях из изотропного армированного материала. Проведены исследования различных вариантов конструкций шатуна' ■и его элементов. .

Предложено использовать з качестве' аппарата обработки результатов исследований поляризацнокно-оотического моделирования метод афинного соответствия. Проведена обработка результатов модельного эксперимента. *

Экспериментально определено влияние на прочностные и-деформационные свойства композиционных материалов различных технологических, конструктивных, эксплуатационных параметров, • предварительного напряжения. стесненного сжатия. ' -

Разработана концепция создания сложнонагруяенных деталей из композиционных материалов, на основании, которой скоЕг^зуиро- ' ваны,. изготовлены, а в последущем и испытаны серии 'шкетгтых образцов шатунов-ДВС.

Получены уравнения для инненерногс расчёта шатунов из

• 6 •

' композиционного ш ариата, а также ихзлементов, находящихся в условиях стесненного сжатия. ".

Разработан и исследован принципиально новый материал -"Тритерин", получаемый метода:, холодного отверждения из состава, .включающего в качестве реагентов неорганические компоненты.

Практическая пенност^.: Разработана концепция конструирования сложнонагрухенных деталей из композиционных материалов-шатунов ДВС. основанная на совместной комплексном проектировании - • изделия и комшзша, предназначенного для использования в данной конкретной конструкции при зада тише условиях эксплуатации. Она вкл^шэт в себя: I - принцип сепаратного восприятия внешних нагрузок отдельными элементами шатуна, г.е. конструкция . представляется состоящей из элементов, каждый из которых работаем ил:: только на растяиение иди холысо на сжатие; 2 - условие обязательного предварительного напряжения конструкции, пре-вышахщего максимальную внешнюю нагрузку; 3 - услох э. полной конструктивной кесткости конструкции, определяемой более жест-, .ними алеминтгли, влияние, менее жестких элементов относительно незначительно; 4 - принципа повышения жесткости и прочности элементе.! созданием условий всестороннего-окатия; 5 - методику

проектирования конструкций,' состоящую из: а-ыетод!. поляриза-. * • - •

ционно-олтического моделирования; б-обработки полученных результатов методом айинного соответствия; в-экспериментального -

■ I

определения прочностных и деформацион,тых свойств матер ала; г-дроведрния ишеенерных расчётов конструкции; д-изготовления и испытания мЬдельных образцов шатунов и чх элементов.

Указанная концепция позволяет проектировать шатуны ДВС и другие .сложлонагруженныс деталь, конструкции, изделия из кошо -31Л0Р, Зеспе ^¡ая при заданных услоьлях эксплуатации потребные гро г'осно-двфориацвопные параметры при значительном снижении ыассг изделия п у-еучченш эксплуатационных характеристик.

Реализвдщ работу: Результаты эксперт..читальных и теоретических работ бьии использованы для создания але"9нтов перспективного доигателя во БНИШототюме и АЗЛК.

Апробатта работы: Результаты работы докладывались на Московской международной конкуренции по композитам "М1СС-90", 7 Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженер-' ных сооружен^ "ЗИИС-91" научно-технических конференциях МАГИ, ШЛ, МАМИ 1988-1991 годов.

Публикашщ: г шовные результаты исследований опублшсованы в 18 печатях работах. ■ .

Структура и объем работы: Диссертация состоит из пяти глав, основны-: результатов и выводов, списка литературы, вклвчапяего' 26? наименований. Работа содержит 174 страницы текста, 7С рисунков и фотографий, 14 таблиц. "

Содержание работы.

Во ¿ведащт прсэнализировацы тенденции использовали жом-, позиционных материалов в машиностроении, в том числе для' натру- ' жоннш. и' сложнонагруженных- деталей. Отмечается, что наибольшая эффективность применения- композитов достигается при снижении . массы деталей, движущихся в процессе своей работы-со значительными скоростями и ускорениями, за счёт возможности облегчения, и других функционально связанных элементов конструкции. Выбран объект исследования - шатун двигателя ьлутреннего сгораю.., обоснована актуальность теш и цеде исследования.

В петаой главе проведен анализ эффективности применения облегченных шатунов ДВС из композиционного материала, который в частности показал, что эффект, от снижения- шссн шатуна 'усиливается возможностями по облегчению сопряженных о ним деталей и' других элементов двигателя. Возможности по снижению массы шатунов, изготовленных из стали практически исчерпаны, поэтому даль-

• • ■ ■ 8 . Ьв&шев ее снижение • эзможно только за счёт применения новых

прогрессивных материалов. Знедрение композиционн&х материалов

открывает широкие возможности по совершенствовании двигателей:

форсированию по оборотам, свдогшв металлоемкости, улучшению

топливной экономичности, га-шшешт мощности, снижению шумности

и т.д. ■

По конкурентные соображениям, в литературе, открытой для широкого круга читателей мало сведений о работе зарубежных фирм ■по созданию шатунов из композпционных материалов. Однако, многочисленные патенты говорят об интенсивных исследованиях, доводимых в зтс . направлена в странах развитого автомобилестроения: СТА, Япония, ФРГ, Францйи и других.

Имещиеся данные позволят: сделать выводы об экономической целесообразное? применения композитов для шатунов, возможности . создания таких конструкт. 1, а также в отсутствии единого подхода в создании слохнонагруженных деталей, например, шатунов.

Рассмотрение экспериментальных методов исследования напря-жекцодефор.рс энного состояния, с учетом.их эффективности, до'' ступнрсти, экономичности, отработанности технологии применения и т.д. игзволило выбрать, как наиболее приемлемые для исследования шатунов из композита, два из них: поляризацисчно-оптичес-кий" метод моделирования и метод измерения в отдельных точках -

метод тензометр}ш. Целесообразным следует признать сочетание, - •

»

экспериментальных и -еоретЕческих мето^ов-численных, согэотив-лензл материалов и др. - исследования напряженно-деформированного состоять-рассматриваемо., конструкции/

3 связи с вышеизложенным представляется актуальными сле-. 7одие задач::, ранение которых кьлдется целью тассертации: I. Опррде гать I тлнис изменены массн шатуна и изменения его га^вс;овки на нагружошюотх. самого затуна :: сопряженных с ним ■ д¿талей дьигагеля.

о

■ • .

2. На основе анализа результатов моделирования поляризационно- • -оптическим методом разработать шатуны из композита.

у . -

. Исследовать особенности кинетики разрушения «элементов шатуна из композиционного материала 1ри статическом - динамическом на-гружении.

4. Провести статические и динамические испытания различ: л конструкций шатунов.

5. Провести расчетные исследования шатунов ДВС, в конс-тукциях которых используется композиционные материалы.

6. Определить пути конструктивной компоновки шатуна с учетом зависимости сопротивляемости композиционного материала от направления его армирования предварительного напряжения п действующей ■ внешней нагрузки.

Втотая главд посвящена анализу условий работы шатуна ДВС. ■ Для этого просчитана нагруженность шатуна и со ряженных с нт-м элементов двигателя с учетом внешних, реактивных, инерционных нагрузок-. Определены требования по обеспечении прочностных и . жесткостных параметров; необходимей долговечности, температурно-

ч • •

1лу режиму, а также по невосприимчивости применяемых материалов к.нидкобтно-газовой среде. Используемый аналитически аппарат позволил моделировать изменение массы шатуна и- его рг.звелвки о целью прогнозирования изменения нагруженпости деталей двигателя. Выявлена потребность в снижении, в первую очередь, массы шатуна, • . приведенной к ос., поршневого пальца.

Для получения данных по возм^жно!ду варьировании габаритных размеров шатунов проведено определение их предельно допустшых размеров для двигателей автомобилей ГАЗ, ВАЗ, АЗЛК.' .'

Сопоставление фи^ико-механичесяих, эксллуатациояных.твхно-логических, экономических параметров позволило вобрать наиболее приемлемый композиционный материал для использования в кояструк- . цкях шатунов. Оптимальнкь является композит, чзготовляемый на

10 . основе наполнителя - стеклянного волокна ели рсвинга и матрицы -

компаунда пз эпоксидной диг ювой смолы и отвердителя.

"Гпсткт глава.посвялона описании экспериментальных работ. В> ней приведены результаты проведенных исследований и их анализ.'. Для рационального приме-экия в слокнонагружепных деталях •композиционных материалов, учитывая ярко выраженную анизотропии г возможности искусст_ энного изменения физико-механических свойств материала, требуется параллельное конструирование изделия и материала для него, способного работать в кон:ф-тно заданны:: условиях эксплуатации. Для этого необходимо проведение слетгтщсх экспериментальных работ: ' I - исследовать основные -характеристики кошюнгйо:; композиционного материала и самого композита. ■•'

2 - исследовать '-инструктивные формы детали с учётом особениос--. т'ей применяемого композиционного матор:.£ла..

3 - выбрать оптимальную структур!1- материала, предназн' тенного

■ для .ционального использования в данной конструкции, ое . . . июмонтг и чанных условиях .эксплуатации.

Одним из эффективных методов'теории упругости является по-ляризационн^-оптический метод исследования напряжений, который б. I использован для модельных проработок конструкции натунов пз компбзкцлонного материала. Для пересчета результатов модельных исследований на натурную конструкцию, как правило, используют , . метод'подо'бия, ос .ованный на соблюдении.условия инвариантности обобщенного закона Гука. В случав Зпзкческого моделирования тро-" буется, чтобы гзтериал модели гчел ту Ев анияотропию свойств, •чю и исследуемый объект. Подобрать оптически активный-материал, /дтл отворяющий указанным уолоеглл. по представляется еоьмокнь.л. Е связи с егим прогтокено использовать с'инноо соответствие, тогда "та плоского моделирох-ания:

/ - аи (Г* -(лггСр. [ ,У = си, Ъхъ ■

При выборе одного 'г.асштаба геометрии - Лг7у и одного масштаба внешних сил ]7?е/р/-а>7/{1;'А.1Рас!У0ТСЯ определение четырех нгэависи-мых переменных. Проведенные исследования показали высокую эффективность применения афинЕого соответствия при моделировании анизотропных материалов: однонаправле1шых и-слоистых ортотропных композицио. лес материалов.

На установке 1ШУ-7 поляризационно-оптическим м-годо:.. прове- ■ дены Есслодования моделей при растяжении, етатии, изгибе; направление на:

1 - определение оптимальной формы шатуна;

2 - определение влияния армирования материала "епрерывными *о-

локягми на напрязопно-дефоршфоваяноо состояние;

3 - выявление- необходимости предварительного напряжения и его.

уровня на изменение напряяенногдеформированного со'с-оянпя рассматриваемой' детали.

; Разработана методика получения армированных прозрачна моделей путем поэтапного их изготовлено!: I - изготовление армирующих элементов из стеклянных нитей или волокон, пропитанных эпоксидным связующим, 2 - заливка в форме аркиругцих злементоз компаундом, сост ящим из эпоксидной смолы ЭД-2&1. отверздаемой метилуетрагидрафталевкм ангидридом в пропорции 100:58 с добавкой 15? дибутллфталата у. 0,1% дяме^илланияина; .3 - изготовление моделей заданной'конфигурации. .

Оптические исследования модели шатуна традиционной форлы • показали невозмэкность эффективного использования композ-дион-ного материала при данной геометрии изделия. Под композит необходимо создание конструкций шатунов принципиально новой формы.

Применение голярнсационно-оптического метода позволило

'оптимизировать фоод шатуна путем сопоставления результатов ' исследования моделей, в которых последовательно 'изменялись геометрические размеры, а также виды сопряжения составляющих элементов. На армированных моделях определена наилучшие схемы - укладки армирущих непрерывных волокон для различных конструкций шатунов. Результаты исследований, предварительно напряженных армированных моделей, однозначно показывает высокую эффективность применения для шатунов предварительного напряжения. В ■случ .,■если предварительное напряжение превышает максимальную внешнюю воздействующую нагрузку наблюдается сепаратное восприятие ее составляют* элементами шатуна: одна часть из них исшивает только сжатие, а'другая часть только растяжения. В этом случае' обеспечивается саше выигршное применение в детали композиционного материала, обладащего высокими фкзико-механичес-кими характеристиками только в определенных направлениях.

| Конструирование изделий из композиционных материалов принципиально отличается от конструирования изделий из изотропных ■ материалов. Фактически процесс-консттуированил включает в себя • не только процесс проектирования' самого изделия', но и создание материала, для него. Требуется определение составляющих элементов- композита, их геомэтрии, -структуры, способа изготовления. ■При ¿том только экспериментальным путем можно установить соответствие свойств материала о выдвигаемыми х нему требованиями.

Статические исп. гания образцов из- композиционного материала, элегентов шатунов и шатунов в сборе проводились на универсальных машинах ЦДЙ-10. ЛЦ-ЮШ, ЗЙВЕР/'-ЗО. Перемещения • •' измерялись шцгскаторага часового типа, деформации измерялись методами'тензометрии с использованием те'нэороз:. сторов. подклю-. чеяных к ^егист^гтущей аппаратуре .СШ'-З, а также рычажными те-чзоиотг^ми. Для реше"ия поставленное задач потребовалось разработать и тзготоаить ряд сгециальннх приспособлений, в

. . • • • 13

частности, для испытания длинных образце:, на сжатлэ, для лскуо-• ственною создания условий стесненного сжатия, для испытаний намотанных композитов на растягошго, для проведения исс гадований при позшенпь; температурах и другие, а таюко провести ряд уоо- . верпенствований и модернизаций испж зуемого обо1тдования й аппаратуры.

Проведены исследогангя композитов на статно: оддонаправлен-тя - вдоль укладки волокон и перпендикулярно им, слогстых - • вдоль основы ткани, вдоль утка ткани и перпендикулярно слоям ее укладки. Практически полное отсутствие данных об испытаниях на сзатио слоистых кошозптов перлэндшеулкрро слоям укладки ар-мируадих волокон, потребовало особое внимание уделить атому виду нагруяелия. На прямоугольных образцах равной илозэда поперечного сечения, но разного соотношения стстон е_яспзно, что разруиение • носит характер хрупкого и происходит под углом 45° по стороне, имещеЕ мектдиЯ размер. Увеличение соотношения сторон приводит к линейному уменьшении разртшахцого .»:утаения, но йв влияет па упругие, свойства. При ^скуствонйо:.! разрушении матрицы-эпоя-сидного связупяого' в цп- шдричоских образцах, прочность составного образца, уменьшилась с увеличением числ. рар-тшепиЗ, по дахо в случае разрушения всех менткановых гроьенутков, составляла бо-лао 5Ц? от прочности образца с монолитной матрицей.

Опытнш пттем исследована возмс'.жсть ивышенг-т прочностно- • . дефог'-гацио:. .нх сюйств различных материалов (композитов, ¿тщания, резины, эпоксидного компаунде, и др.' конструцлоншя..^'методами, например, дутом создания условий стесненного сяатия Омочено, что маторп&л в этих условиях становится .'сак бы существенно ж^стчо и прочнее - раэтзуионгл "в происходи? при напряжениях в 1000 МПА п визе. В случае, если стесненные условия создастся методом ОбМГТЮ! ОбраЗЦОи ВЫСОКОК,Одульнш^, ВЫСОКОПРОЧНЫМИ т..'яьп1 . ко1шоз1х..:оняого гаториала, гас сь^йс^'^а п определит споЯстЕа

исслеуемых образцов.

Исследовано изменение доформациоааых и прочно г-шос ,сво£отв

■»композиционного штериача и его маттацы - эпоксидного компаунда в оави&шости от температуры нагрева. Выявлено, что .прочностные свойства материала в целом во многом определяются характером изменения прочностных свойств матриц:. в то время как -деформа-

• 1_-.ошщ9 свойства композита в меньшей степени ^авиепт от изменения дафор:лациошшх свойств эпоксидного компаутда. Важно и --о, что материал с большой плотностью укг -ми вологан менее вое-

л (

привмчгв к увеличению тошоратуры.

Исследования на рысглкенио однонаправленных.композиционных, материалов, поденных методсь. яамотяъ на полудиски, удаленные друг от друга на некоторс ч расстояние, показали но линейное >ве-

• лиЧениь их грочностно-деформац.^нныг свойств с увеличением числа .намотки, но при ог.:осительно малом число, слоев данную зависимости можно линеаризировать. иохьпоь влиянчз ьа прочностные . свойст: а окаилва!.г величина радиус^ полудасков: со умены-ание приводит к резкому уменьшению прочности при сохранении жесткост-.ньыС свойств, пр* этом Источником разру :ешш являются места пе-

• рахйда от прямолинейных участков к криволинейным^

1 ^ . На основе шалила поляризационно-оптических исследований, с учетом наив1 однчйшого исплъзования свойств композита, выявленных статическими исследованиями, разработана" концепция кон-стргирования шатгчов из композиционного материал*: требуется оооспечение принципа сепаратного восприятия внешних нагрузок • oтдeJ ными элемеН'. ш: ядра ша уна из слоистого тканевого композита, хорошо .работаицегс на сжатие и оболочки шатуна из однонаправленного намотанного композита, хорошо воспринимающего растягивающие нагрузки. Знакопсотоянство воспринимаемых нагрузок может быть обеспечено предварительным напряже: гем конструкции, превышающем максимальную воздействующую внешнюю нагрузку.

■ ' 15

Продв'арителыюа напряжение 'можно создать:

1 - растязеилем оболочки с -по^ледунцой установкой ядра,

* л

2 - агатном ядра с послодутаей пагдоткой оболочки,

3 - применением различных клиновых вставок,

4 - другими спосоСами, например, за счёт со единит елыпрс элемр'ч-

701 в шатунах с разъемной кривошипной головкой. Динамические испытания гроводались на угопзор -алыгай »мигше фирмы 4,^-т н> 10/"0/7, снабженной и. .ггпалънкмя дк..амоиет-

ричес::л,л захватами.

Дпнамическа" прочность при знакопостоянном растяжении однонаправленных памо~аннЕХ композитов, используемых для оболочки шатуна. сохранялась при напряжениях, составляадих ГО-35# от статического продола прочности. В то ао вры.от дикш-ггеская пр:7ность' слоистого композита - ядра шатуна - при действ.ж зна.сопоотоян-пой сжимавдой нагрузки. перпендикулярно слоям, сохраняюсь при папгтаопиях з 50-60$ от статического продела прочности. Создание стесненнш: условий при. сжатии и при дп.аиичоскси ртгрукении обе-спечиваот зпачитольпоз повышенно прочностных ь деформационных свойств материала-. .' ;.

Опыты ¿оказали, что раоотоспособность шатунов обесп'чивает а! при проднапряжении, составляли««! но менее 121$ от максимальной бое действу щой наг.узки. Пр-вшоние продлапряжекия на 2ь% максимальной нагрузки обеспечивает работоспособность конструкции з условиях перераспределения папряжоний вследствие ползтчес-тп, релаксации, в^брополэучестп, температурных факторов материалов, /используемьис з конструкции шступа.

Четветдря гтава посвящена ипконерн"и методам расчёта шатунов кз композицеонныг \итврпалов.

Эксперимент? тыю о продольно, что дот изготовлент. элзмеп-тоз шатуна целесообразно использовать о^нонаправлецнго и слоистые ортотропныо композиционные га?отпали. Это матопиалы с ярко-

гыражвняой е-изотрониеЛ свойств, но учитывая конкрет*-лу данннх материалов в решаемых задач, о высоко?' степенью достоверности ^ можно принять, что они микрон ыакро однороден. В данном случае пр'менен феноменологический подход - материал обладает усредненными характеристиками, определяемыми акслериментальныы путем. Г^оработанш I концепция конструирования слозшонаг.рухенных . дчтал " из композитов о сепаратным восприятием элементами шашней нагрузки во всем их диапазоне, потребовала раздельного рас-ч8таоостааг_лвдих эл монтов шатуна.

Для тгредъарлтально напряженного патуы из композиционного материала, работающего в -оловиях воздействующих на него внешних нагрпок и температурь пре.-ложены -ысенернке расчётные формулы; В ядрб г чтуна, работающем на сжатие, наибольшие напряже-. ния- (с-амацге) возникают при действии внешней сшшавдей нагруз-ги ** и определяются:

.Оболочка шатуна, восприниш&т раотягиващие нагрузки. В ней наибольшие напр^ения (растягийапцие) возникают от внешней рас-^ тягивапцей силы />> вычисляются

■ I соъи. / 1

Усилия цреднапряжения для яара г оболочки определяется соот-вет-гвенно: для ;.дра:

А/го* {Ы * *ТН-к *2Сг)

И! гт*) /✓ £ I

гю - / гео* и. /

где - усилие прецнапряжения;

^ - коэффициенты температурного расширения, соответ-

для оболочки

. , • ' Г7 ственио оболочки и ядра;

»

- температура нйгрэва детали; бС - угол Наклона линейных участков оболочки в оси шатуна;

дТ

"çjjj^ - жесткость оболочки; .

Ci « ^У - жесткость ядре; FÏÏÏi

.Jt ■ -рабочая лшна, сосветственно оболочки и ядр"; ' fit, fit ~ площадь поперечного сечения, соответствзнно оболочки и яд^а; CL — модуль упругости материала оболочки при растлении вдо-гь волокон; — модуль упругости ¿штерн? та ядра три сжатии перпендикулярно слоям укладки армщлщцих -ч) локон; Для создания потребной величины прьдаапрлгнаия необходимо наличие превышения S". номинальных размеров ядра и оболочки, которое может быть- определено:

■ S . f^^fà -к). '

Используя обобщенную теорше прочности д-л анизотропных материале! Гольденблата-Копнова,. южно провести прочностнув проработкзг ■элементов конструкции, работавдих на сжатие: G* е nj £ -g' и элементов, работещих на растяжение: G^s ^г ~ ~

где о g - предел прочности материала ядра.г.и сжатии дикулярно армирующих слоев; О£ - предел прочности материала оболочки при растяженил ■ в;,оль аргльруиц волокон. Экспериментальные коэффициенты: г форды и лнооитсыьных •размеров поперечього сечения, - наличие расслоений о материале, Цу и Ki - температурные Kî - метан его из ¿лдауов навивкг ' Кг - радиуса перехода от верхней головки к линейное

' • • •• 18 участку, А^ и ^ - коэффициенты -снижения прочностных свойств

при динамически нагрузках.

Значительная часть элементов, работающих н~ сжатие могут быть нжуственно упрочнены путей создания для них условий стесненного сжатия;

В сл, ¿ае недеф^рыируемости по напряжениям 2 и У имеет место:

\и = р -к*

[а* г с* 5 <Гт *'

где <5* -осевая деформация;

Сг - нормальные напряжения; \

. В г модуль упругости материала при сжатии; г

соотвртсгмеьно силовой в дэформапонный коэффициенты стестенного сжатия; ■

у" -г ксэффи..лент Пуансона то направленны гХ 2¥.

В- ргтльноси условие практически не достижимо.

Пх^нимая г =£^ О и решая систему уравнений сакона 1^ка для объемного напряжет, ./го состояния поЛгтам:

■ • - 2£•*'

а '

^ ' ^ги, | ^ 5

■ (Г* * мЪъ-к-+ ¿рр

Если условия стесненного сжатия создаются методом ..обмотки высохо-модульчыми' "'¿сокопр^чнши волокнами деформация . £. , входящая во втор_е слагаемое системы уравнений определяется: £ * где - аапряжени растяжения, возникающие в обмотке;

Рл - модуль упругости материала обмотки. Очеъидно, что можно подобрать некоторое количес тво различных сочетаний материалов, находящихся з условиях стесненного сжатия и материалов для создания стесненных уыювий, отвече-тщх возможностям их применения в конструкциях шатунов ДВС, изготовленных

о примененном ксмпс зиционншс'материалов.

Пятая :лавд посвящена разработке и исследованию материалов

' J

холодного отверждения.

Эпоксидные диановые смолы, обладая шогими достоинствами - э

I

сравнению с другими связулцими материалами, получили самое, широкое распространение в качестве матриц различных компогтщионных материалов. Однако, кроме неоспоримых преимуществ смолы ос'лэцаюг и существенными недостатками: с:ш не экологпны, а ряд отзердгае-_ гей дтя них даже токсичен, имеют относительно малый амператур-ный диапазон прт-енения, сложно утилизируется и т.д. связи о этим задача разработки для композитов новых связующих, в :.арвую очередь экологичных, является чрезвычайно £-стуал*ной.

Наболев перспективны разработки, направленные на создание материалов, способных работать в условиях нор 'ольшг , нгзких, высоких температур и значительных механических нагрузоч,. гол^-чае-шх по безобжиговой технологии из составов холодного отверждения, т.е. составов, отверждаадихся г условргх комнатных.температур.

Г&зрабс.'ан принципиально новый материал, отвечающий вышеуказанным требованиям, вкль-шщий в качестве реагентов хчлгеес-

реакции неорганические компоненты. Материалам, которые мпгут быть получены на о сноп Запатентованного состава холодного • отверждения присвоено наименование "Тритерин'.

Спектрально-ультразвуковым методом проведено исследование • « **

кинетики отверждения Тритерина. Установлено: после смещения ингредиентов соогава в течение 30-40 минут происходит снижслие вязкости композиции этот латентный период определяет ».^вз .есть состава: надмолекулярная структура еще не начинает фор»тироваться. Ъ течение 90 мшгт формируете. надмолекулярная структ: а происходит набор прочности с постепенным пс идущим че увеличением. Изготовлены варианты композиционного материала, в котором

матрицеГ являемся Тритериь, а те полнит ел ем стеклоткань. Прочно рт-ные г опытаниг образцов из данного стеклотекстолита хги различье температурах показали, что при температурах выше 660Рс наблюдается .сущаственкое сгижение прочностных показателей. Указанная температура тянется температурой потери несушей способности стеклонитями. Применение более териосггойкл наполнителей обеспечивает прочность композита при болып х темпера': /рах.

Комш. л:сные исгчтания ¿ритерина позволили выявить его основные свойства:

- Объемный вео 450-2200 хг/м3 . '■■'.■}■ , - Рабочая температура - ¿00 + ИООРс.

- Предел прочности при сжатии 4C-I000 Миа и более.

- Предел прочности при изп Зе 12-70 ЫПа и более. Пробивное нрпркжение ал. тока ле мегэе 1000 я/мм.

- Теплопроводность 0,0.-0,29 Вг/»^С.

- ^садкь теле первого нагрева нь барчв 2%.

- Термоь,лоадеьат.; СЁ.

- Количество наполнителя до 90-95?.

- -Коэффициент линейного "расширения II- Увеличение объема-после отверждения 0-40С#. -

1 Д;т<х материала Три -ерин в качества наполнителей могут применяться дасперс -Ше частицы органических и неорганических веществ, например* кераыгт, песок, резиновая кройка, гранулы « *

оргагтческих вещее з, древесины и т.д. Тритерин мочет выступать в качестве связующего для голокнистых материалов и тканей ■ на их лове, например, стекловс юкон,- углеволокон, волокон { СШ, мешковины ь др. Он обладает высокими адгезионными свойствами практически ко всем материалам за исключением фторопласта, полиэтилена и некоторых других, а также масло-бензостойклми свойствами. Перечисленные свойства дают основание ^едполагать потенциальные возможности по использованию разработанного ма-

терпала для изгстох гения шатупов ДВС, а также других деталей ¡а элементов дьигателя и автомобиля в целом. '

Основные результаты и выводы по диссертации:

1. Разработана концепция конструирования шатунов ДВС из чомпо-зйрюнных материа~ов, включая в себя принцип сепаратного восприятия вгтшних нагрузок элементами шатуна, условие пред; фительно-го напряжения конструкции, условие полной конструктивной ^ас?- , кости, принципа повышения жесткостно-прочнос .чшх параметра ма-.■ерие "а всесторонним сжатием, методику проектитхэванин конструкций.

2. Предложены шга"черные методы расчёта предварительно на^ряяен-ннх шатунов из композитов и элементов шатунов, нгходящихся в уоловш.-. стесненного сжатия.

3. Исходя из разработанной концепции, разработаны и лзгс товлены серии макетных шатунов г их элементов из композиционны:: материалов . которые были испытаны при статических и динамических видах нагружения. .

4. Ьа г снова проведенных пссгэдований разработаны ко: зтрукции шатунов ДВС ¿^'композиционных материалов, обладающие в I 5-2,5 раза-меньше.Л массой, чем металлические.

5. Разработан, исследован и запатентован новый неорганический материп холодного отг радения ■ Тритерин, иторый ¿ложет бть использован в качестве связующего1 для композиционных мг-1 аргалов, работающих в диапазоне температур от -20С]РС до +1400?С

6. Исследования прозрачных моделей поляризационно-слтическим методам позволила выявить закономерности изме-ения напряяаьло-. -деформированного' состояния шатунов ДЗС от формы; наличия и вида армирования, наличия ч величины прьднапряженир, что обеспечило возможность Еыбо^1 а_ллучших вариантов.

7. предложено использовать метод афиннс о соответствия для обт^а-ботки результатов поляризационно-оптических исследований, в том

^исле на ары. рованннх и презрительно напряженных моделях, это

»

обеспечило "чсокую степень достоверности результатов.

8. Проведены экспериментальные ЕсстьмОвания н.. статическое и динамическое нагруже^ие композиционных материалов, которые позво-

' ..или выявить влияние на прочностные и деформационные свойс-гва стеклопластиков различных факторов: рпзметюв и формы образцов, , т мпературы, наличия и вида дефектет, вида на руже тя и т.д.

9. Опытно -экспериментальньыи исследованиями получены данные) по существенному повышеиию прочностных и деформационных свойств материалов методов искуствевног" созданчя дня них 7словий стесненного сжатия.

10. На ос ове аналитической прс.работки установлено, что эффект от снижения массы и смеще*зя центра тяжести шатуна к кривошипной. головке возрастает за счёт зозмо^ностей уменьшения . ассы,

' сопряженных с ним дет; тай и других элементов, что обеспечивает , ■уменьшьлие .цлссипативных гот ерь, облег ание дчигателя, повыше. ние его мощно.ти, топливной экоштшостй. ■ XI. Показано, что создание слоннонагруженных деталей из композиционных материалов обеспечивается прс зедением. комплекса иссле- ' • .доваяия, включающего необходимый минимум работ: моделирование ч нотяризациоано-оптичоским методом,, экспериментальное исследование когаозициог-'огб материал?, проведение статических и динаш-чесгапс испытаний, с использованием тензометрии,:на модельных образцах', аналитические исследования.

12. Совместнее комплексное прооптирование, разработка и иссле- . дованг^ изделия и : )шюзкщганнс о материала, приспособленного для работы в да юй койструкции и заданные условиях эксплуатации обеспечивает в минимальные сроки создание рациональных сложнонагруженных конструкций из композитов.

13. По физико-технологическим, экономическим показ^ :елям для шатулов ДВС целесообразно использовать композиционные натерла-

лы, созданные на основа гширупцего материала - наполнителя из стоюцггчых ни?ой, роглнга и с язувдего - матрицы из компаундов на основа эпоксидных диановнх смол.

14. Проводс-гч многочисленные модернизации и доработки оборудования, приборов, аппаратуры, позволившие повысил- эффективность экспершептальных работ, ароматизировать ряд процесса. По теме диссерталии 0115 ^ликова_:ы следующие работы: -

1. ^ше, Прилепин, Старо дуб ец "Обоснование размещения арг.'лтурн

в шатуне из композита" (Б.И. ЧШТИ "Делонпрог игнкэ научные работы И 6 1988)

2. Прилепк.1, Старо^бец, фябликов "Парспекпгы использования композиционных материалов щатунах ДВС" (т, ериалы научяо--технической конференции ШШ 1988 г.).

3. ^киь, При: зпин, ~тародубец, Тяблилоч "О конструировгаШ! татуна из композиционно-о материала" .(Межвузовский сбор'-.пс научных работ 1539 г.).

4. Герасимова, Лукин "Исследование структуры и св.йств композитов "дли детале." двигателя" (каториалы научно-технической и научно-методической кс фергтции ШЛИ 1989 г.).

5. Яукпн, Стародубец, Тяблшсов "Анализ напряжений в шат^е кз композита методом фотоупругостл" (.Матерг-алы научно-теюгаческ-и н?7чяочлетодичесЕой конференций ШШ 1989 г.).

6. Лотфг - Дтглц, Гирэ1Ьх> "Фалины с титравл^ческзи Еозб>,£дением ■ (Материал" научно-техгттеской и "аучно-четоАНческой коя"?рЕ

ций 1ШИ 1989 г.).

7. Дукин, Сгародуоец, Тяблгасов "Основные мето^дческиэ принципы создания дет лло,. из ломпог щионяого ш.ериалв" (''атериазш научно-технической и нау _ .ю -.мот о диче ско:1 кояферея^зй МАЧК 1989 г.). • 8. Лотфи, Лутсш, ЛареЕро "Кспользованио разонаясяьзс гзфектов в ис1. лато.сыюй техник" . (Мате^иат'! науно-техническоЛ и нpvчн'■ --метод'-часксй конференций МЛЩ 198Г г.).

: * 24

9. Тукан, Данин Стародубец "Особенности испытаний преднапряжен- • ных композитов" (Бюллетень строительной г^хшки Л 3 1ЭЭ0 г.).

10. Алпмов, Бе..оусов, Лукин "Оптимизация конструкт"вньх параметров шатунов ДЗС из композиционных материалов". (Матер-алы XX научно--тс.жческой конференции ЗИЛ 1990 г.). ' -

11. Бондарев, Лукин, ьотникоь "Разг'ботка «етодиет программы расчета на ЭЕ'.локалоНых макподефорывций вкладышей форсировснных ДВС" (Материалы XX ьаучно-технической конференции ЗИЛ 1990 г.).

12. Бондарев, Гостеь, Лукин "Исследование возможиости применения в конструкции шатунов композиционных материалов" (Материала XX яауч-но-техначескЛ конференции ЗИЛ 19Э0 г.).

13. Лукин, Старидубец, Л.лбликов "Шатун с композита" (Аетомо- " бильная промышленность В 5 1990 г.). )

14. Бондарлв, Лукич, Стподубец, Тябликов 'Внедрение композиционных материалов в конструкцию ДВС не примере зоздания- шатунов" (Межвузовски" сбо^лик научных оабс.- 1990г.).

15. Лукин "Смите. окне и динамические испытания елажновагружен-ных деталей гч композиционных материалов" (Тезисы докладов

7 Всесоюзной конференции ЗИИС-91, Оумн т991 г.).

16. Луки^ Стародубец, Тг1ликоз "Исследование несущих конструкций. ип композигчонных материалов потаризагиснво-оптячоскии мьгодом" (Тезисы докладов 7 Вс ю-яной конф-рекцид С..Ж-91, Сумы 1991г.). \ '' •

17. Патент № 5000100/33 СССР "Состав колодного отверждения" Беляев, Лукин. ' . / :

18. Беляев,.Дукин ""ритерин - новый неорганический "материал, холодного отверждения" (Бютаетеьь строительной техники 1992г.).

___________ _________________. . .______

Лукин Александр. Сергеевич . ^ .

иЦроч1 зстше аспект: создания с "ожнонагружешшх де алей . из композиционных материа;.лв".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технически«, наук.

Под- ясано ^ печать С9.07.92. Заказ 276-92. Тираж 100. Формат 30x42/4. Бумага типографская. Бесплатно.

Ротапринт МАШ. Москва, ".Семеновская ,38.