Разработка моделей для оценки работоспособности и долговечности элементов цельнокомпозитных конструкций тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ им А А Благонравова

на правах рукописи

ХРУЛЕНКО МАКСИМ АНДРЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕЛЬНОКОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 01 02 06 Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

1 8 СЕЧ 2000

003445994

Работа выполнена в Институте машиноведения им А А Благонравова РАН и на предприятии ООО «НТИЦ АпАТэК-Дубна» (Россия),

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Ю В Суворова

Официальные оппоненты

доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники России, профессор И В Демьянушко

доктор технических наук, профессор И А Разумовский

Ведущая организация

ОАО «ДМЗ-КАМОВ» (Открытое Акционерное Общество Дубненский Машиностроительный Завод - Камов)

Защита диссертации состоится « 2008 года в_

час в Институте машиноведения им. А А. Благонравова РАН по адресу 101990, Москва, Малый Харитоньевский переулок, 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института машиноведения им А А Благонравова РАН по адресу Москва, ул. Бардина, 4

Автореферат разослан « »¿ЙЙфЗД'ЗОО8 г

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук

В М. Бозров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: В связи с широким внедрением композитов в современное машиностроение, в настоящее время начали создавать цельнокомпозитные конструкции, имеющие большое преимущество перед традиционными при оценке их работоспособности и долговечности в течение длительных периодов эксплуатации (Современные требования составляют период 106 часов (примерно 100 лет)) В настоящей работе описаны возникающие проблемы и дается оценка долговечности некоторых элементов на примере их эксплуатации в конструкции цельнокомпозитных мостов

Одной из важных проблем создания конструкций из композитных материалов является соединение различных ее элементов Обычно используются крепежные соединения, изготовленные из нержавеющей стали (болты, гайки и т п) Эти соединения представляют опасность, поскольку нарушается структура материала, что может служить причиной разрушения, как местного, так и всей конструкции в целом

Когда же рассматривают конструкции длительного применения, например, цельнокомпозитные мосты или какие либо другие, для которых расчетным периодом эксплуатации является период 50-100 лет, то возможные первичные нарушения конструкции, не слишком значительные при малых временах, могут постепенно захватывать все большие области и привести к разрушению всей конструкции раньше заданного периода эксплуатации

Поэтому в последнее время все больше внимания уделяется разработке клеевых соединений, свободных от указанных выше недостатков

Актуальность поставленной задачи очевидна Применение клеевых соединений повышает технологичность изготовления конструкций и уменьшает ее стоимость

Разрабатывая мостовые конструкции из стеклопластиковых композиционных материалов, специалисты столкнулись с проблемой, заключающейся в типе дорожного покрытия, которое можно было бы применить на стеклопластиковых настилах Традиционно используемые материалы, такие как асфальтобетон и дорожный бетон не удобны для применения на мостовых конструкциях из композитных материалов, так как например, переработка и укладка асфальтобетонного покрытия происходит при температуре 140-155 °С, что превышает температуру стеклования стеклопластика ^ = 93 °С) и может привести к его термодеструкции Бетонное покрытие неприемлемо из-за значительного увеличения веса мостовой конструкции В связи с этим в работе была поставлена задача по разработке полимербетонного дорожного покрытия (ПБ-М) и оценке его физико-механических, адгезионных, эксплуатационных свойств, а также исследованию условий, обеспечивающих совместную работу элементов конструкции при действии расчетных нагрузок

В виду отсутствия механизации нанесения таких покрытий, была разработана схема установки, а также математическая модель технологического процесса нанесения износостойкого покрытия

Создание нового дорожного покрытия, а также разработка метода нанесения имеют большое значение для строительства пешеходных и автомобильных мостов

Актуальность выбранной тематики подтверждается также тем, что исследования проводились в рамках грантов РФФИ №№ 04-01-00745, 0508-18086,06-08-08155 и 07-01-00277

Основные результаты работы были премированы на конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения «МИКМУС-2004» и «МИКМУС-2005»

Цель работы Состоит в разработке методов прогнозирования долговечности элементов целыюкомпозитных конструкций и в оптимизации их прочностных характеристик для повышения работоспособности, надежности и ресурса всей конструкции в целом, а также для обеспечения ее экономической эффективности при длительной эксплуатации (десятки лет)

Рассматриваются клеевые соединения стеклопластиковых деталей на основе эпоксидного и полиуретанового клеев, а также элементы стеклопластикового настила с полимербетонным покрытием Научная новизна работы состоит в следующем

• получены новые экспериментальные данные по длительной прочности двух типов клеевых соединений стеклопластиковых деталей,

• разработаны модели прогнозирования длительной прочности с использованием критерия, основанного на наследственных представлениях о накоплении повреждений с применением различных ядер ползучести,

• разработан упрощенный инженерный метод оценки длительной прочности, основанный на использовании логарифмической зависимости прочности от времени до разрушения,

• разработано новое полимербетонное покрытие ПБ-М для стеклопластиковых настилов, определены его физико-механические и адгезионные характеристики,

• решена задача выбора толщины покрытия для обеспечения оптимальных прочностных свойств конструкции настила при изгибе в зависимости от значений модулей упругости при растяжении и сжатии,

• разработан метод нанесения покрытия, определяющий скорость движения дозатора (или скорость перемещения профиля относительно дозатора), обеспечивающую равномерное распределение покрытия и его заданную толщину

Достоверность полученных результатов подтверждается тщательным экспериментальным анализом свойств композитной (стеклопластиковой) конструкции при различных эксплуатационных режимах, в частности,

анализом клеевых соединений и полимербстонного покрытия, а также сопоставлением расчетных и экспериментальных данных

Практическое значение Результаты работы уже используются в серийном производстве нанесения дорожного покрытия на стеклопластиковые профили настила мостовых конструкций, что подтверждается приложенным актом внедрения

Предложенная методика прогнозирования, использующая упрощенный критерий длительной прочности позволяет прогнозировать поведение клеевых соединений стеклопластиков на весьма большие времена нагружения порядка 50^-100 лет, а также может быть использована в инженерной практике для оценки долговечности конструкций

Апробация работы: Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах XV, XVI, XVII и XVIII Международных интернет-конференциях молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения, Twelve International Confcrence on Composites/NANO Engineering ICCE-12 Tenerife, Spam August 1-6, 2005, семинарах молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения, семинарах лаборатории механики материалов ИМАШ РАН и научно-технических совещаниях группы компаний АпАТэК

Результаты работ были представлены на международных выставках на ежегодной международной выставке JEC COMPOSITES SHOW 2005, «The 13 China International Technical Expo» г Пекин (Китай) с 12 по 14 сентября 2007 г и на ежегодной международной выставке COMPOSITES & POLYCON, проводимой под эгидой Ассоциации Американских Производителей Композитов (АСМА) с 17 октября по 19 октября 2007 г в городе Тампа (Флорида, США).

Публикации: Основное содержание работы отражено в 13 печатных трудах, список которых приведен в конце автореферата

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 118 наименований Работа изложена на 141 странице машинного текста, содержит 74 рисунка и 25 таблиц

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы исследований, сформулированы темы и задачи, изложены основные идеи, развитые в диссертации, определена ее структура

В первой главе представлено описание материалов, используемых в цельнокомпозитных конструкциях стеклопластиков, углепластиков, износостойких покрытий, способы соединений элементов, в частности, клеевых соединений, а также рассмотрена проблема создания новых покрытий для стеклопластиковых настилов, имеющая большое значение в мостостроении

Стеклопластики применяют как конструкционный и теплозащитный материал при производстве корпусов лодок, катеров, судов и ракетных двигателей, кузовов автомобилей, цистерн, рефрижераторов, радиопрозрачных обтекателей, лопастей вертолетов, коррозионностойкого оборудования и трубопроводов, небольших зданий, бассейнов для плавания и др, стеклопластик используется как электроизоляционный материал в электро- и радиотехнике, а также значительным сектором по применению стеклопластиковых композитных материалов является мостостроение Известны работы Браутмана JI, Крока Р, Скубре А М, Альперина В И, Вольфсона С А, Бабаевского П Г, Гуняева Г М, Сориной Т. Г, Андреевской Г. А, Келли А, Панкова А В , Зайцева М Д, Jan Knipper и др

Изделия из стеклопластиков с ориентированным расположением волокон изготавливают методами пултрузии, намотки, послойной выкладки или протяжки с последующим автоклавным, вакуумным или контактным формованием либо прессованием, из пресс-материалов - прессованием и литьем Анализу этих вопросов посвящены работы Виноградова В М, Жовнера Б А, Царева В Ф, Ушакова А Е, Сафонова А А, Хайретдинова АХ идр

В работе описаны клеевые композиции, применение которых является перспективным методом соединения пултрузионных профилей Клеевые композиции имеют множество преимуществ, таких как

- Склеенные соединения профилей типично более жесткие, чем традиционные болтовые соединения

- Некоторые типы клеевых композиций чрезвычайно прочны, что делает возможным ограничить протяженность области контакта

- Клеевые соединения хорошо переносят динамические нагрузки

В работе описаны специальные покрытия к поверхностям настила пешеходных и автомобильных мостов, к которым предъявляются требования защиты настила от повреждений, износостойкости, механической прочности, стойкости к воздействию агрессивных сред, воды и перепаду температур

В качестве покрытия настила пешеходных мостов и сходов из стеклопластиковых пултрузионных профилей в данной работе используются высоконаполненные износостойкие композиции, обеспечивающие удобство передвижения пешеходов, обладающие при этом противоскользящими свойствами Полимерной матрицей такого покрытия служит термореактивный полиуретановый компаунд свободной заливки, обладающий высокими физико-механическими характеристиками и диапазоном рабочих температур от - 60 °С до + 120 °С, что обеспечивает работоспособность такого покрытия независимо от времени года и климатических условий. В качестве наполнителя применяются как традиционные минеральные наполнители - гранит, мрамор, серпентинит,

амфиболит, так и продукты вторичной переработки, например перемолотая резиновая крошка или дробленое стекло В настоящее время такие покрытия применены на пешеходных мостах производства НПП «АпАТэК»

Вторая глава посвящена исследованию клеевых соединений стеклопластиков В качестве объектов исследований (адгезивов) были выбраны два типа клеевых композиций Эпоксидный двухкомпонентный конструкционный клей Araldite 2015, производства фирмы Huntsman и полиуретановый двухкомпонентный конструкционный клей АДВ 11-2, производства НПФ «АДГЕЗИВ»

Исследовалось влияние температуры на механические характеристики клеевых соединений Образцы испытывались при температурах Т = +20°С и Т = -60°С, результаты испытаний представлены в таблице 1

Таблица 1 Результаты испытаний при температурах Т = +20°С и Т = -60°С

№ группы Наименование клеевой композиции г., МПа Модуль сдвига, МПа Сдвиговая деформация при разрушении, у.

Результаты испытаний при температуре Т = +20°С

1 Araldite 2015 18 4±6 3% 184±15 6% 0 345±308%

2 АДВ 11-2 19 6±11% 217±31 2% 1 096±16 9%

Результаты испытаний при температуре Т = -60°С

3 Araldite 2015 301±5 9% 254±33% 0 2047±36%

4 АДВ 11-2 15 3±11% 599±10% 0 0283±21%

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы

- При температуре минус 60°С клеевые швы на АДВ-11-2 становятся хрупкими и предел прочности при сдвиге снижается в 1 3 раза по сравнению с испытаниями при комнатной температурой

- Предел прочности при сдвиге клея АгаИие 2015 при температуре минус 60°С увеличился в 1 49 раза и составил 30,1 МПа

- Швы клея АгаМйе 2015 в диапазоне температур от 20°С до минус 60°С имеют самый низкий модуль сдвига

- Деформация разрушения клеевой композиции АгакМе 2015 при минус 60°С уменьшилась всего в 2 6 раза в сравнении с испытаниями при комнатной температурой

- Деформация разрушения клеевой композиции АДВ-11-2 при минус 60°С уменьшилась в 39 раз в сравнении с испытаниями при комнатной температуре

Длительная прочность клеевых соединений

Размеры и форму образцов для испытаний выбирали в соответствии с

ГОСТ 14579-69 «Клеи Метод определения прочности при сдвиге»

Квазистатические эксперименты

Для определения влияния скорости нагружения на характеристику прочности при сдвиге исследуемых клеевых соединений проводили испытания при различных скоростях нагружения 0,75, 2,07, 20,7 и 206,7 МПа/мин

В результате эксперимента были сняты зависимости сдвиговых напряжений в исследуемых клеевых соединениях от скорости нагружения Значения прочности при сдвиге т для различных скоростей нагружения представлены на рисунках 1 и 2 и в таблице 2

Таблица 2

№ Наименование Скорость нагружения, МПа/мин Средняя прочность при сдвиге т, МПа

0,75 15,1

1 Образцы на основе клеевой 2,07 15,4

композиции АДВ 11-2 20,7 15,9

206,7 19,5

Образцы на основе клеевой композиции АгаМйе 2015 2,07 14,6

2 20,7 15,6

206,7 18,1

14------

0 05 1 13 2 2,5

Логарифм скорости на/ружения, МПа/мик

Рис 1 Диаграмма зависимости прочности при сдвиге образцов клеевого соединения АДВ 11-2 от скорости нагружения

Логарифм скорости нагружения, МПа/мин

Рис 2 Диаграмма зависимости прочности при сдвиге образцов клеевого соединения АгаЫие 2015 от скорости нагружения

Анализируя построенные диаграммы, видно, что характеристика сдвиговой прочности исследуемых клеевых соединений растет с увеличением скорости нагружения, как для соединения на основе клея АДВ 11-2, так и для АгаЫие 2015 На основании этого можно сделать предположение о том, что характер разрушения соответствует принципу накопления повреждений, причем, чем меньше скорость нагружения, те

больше его время, тем ниже прочность за счет более высокого числа накопленных повреждений

Для каждою из исследуемых клеевых соединений была определена средняя величина разрушающей нагрузки Для клеевого соединения АДВ 112 она составила - 21 МИа, а для АгаШе 2015-18 МПа Исходя из значений разрушающих нагрузок, определяли значения нагрузок для испытаний на длительную прочность (примерно 0 9, 0 8, 0 7 и 0 6 от разрушающей предельной нагрузки)

Для определения времени разрушения образцов в лаборатории к установке УМ-5 была подключена видеокамера, которая с интервалом в 10 минут производила съемку испытуемых образцов с сохранением данных на жестком диске ЭВМ

В настоящей работе основное внимание уделялось прогнозированию прочностных характеристик этих клеев на большие времена нагружения, вплоть до 106 часов (~100 лет эксплуатации) по экспериментальным данным, полученным в течение шести недель (103 часов)

Модели длительного разрушения

Проблема прогнозирования прочности на большие времена нагружения порядка десятков лет очень важна для современного машиностроения Поскольку цельнокомпозитные конструкции предназначаются, как правило, для очень длительной эксплуатации (десятки лет), то оценка возможного приращения деформаций, не приводящего за этот срок к разрушению, является первоочередной задачей конструктора и инженера Возникает необходимость в оценке пределов роста деформации и оценке долговечности материала под действием нагрузок различного уровня Если нагрузка достаточно высока, наряду с процессом ползучести, вызываемом вязкими эффектами, идет параллельный процесс увеличения деформации за счет постепенного накопления повреждений Последний приводит к постепенному увеличению скорости деформации и, в конце концов, к разрушению армирующего слоя

В связи с вышесказанным необходимо решить следующие задачи

1 Оценить максимально допустимый уровень нагрузок, при которых эффекты накопления повреждений (если таковые и имеют место), не дают сколько-нибудь значительного вклада в развитие деформации ползучести - уровень безопасности

2 При заданном уровне нагружения, меньшем, чем уровень безопасности, рассчитать возможное увеличение деформации в течение длительного пребывания под нагрузкой (обычно порядка 100 лет, те. порядка 106 час) При этом следует учитывать, что максимально допустимые деформации ограничены

3 Правильно сформулировать задачу прогнозирования поведения материала при длительной эксплуатации по результатам кратковременных испытаний, т е испытаний, доступных для лабораторных исследований

Если материал представляет собой упругую или даже нелинейно-упругую среду, то вопросы прогнозирования, как правило, удается решать введением в статический критерий прочности некоторых понижающих коэффициентов, учитывающих длительность приложения нагрузки и влияние внешних факторов, например таких, как температура и влажность Однако, в случае, когда рассматриваются детали из полимеров или полимерных композитов, для которых определяющие уравнения представляют собой гораздо более сложные конструкции, содержащие время, вопрос о длительном прогнозировании существенно усложняется. Определяющие соотношения в случае ползучести, как правило, имеют вид

F(cг,d^í^¿,0=o

Иногда могут быть использованы и более сложные соотношения, включающие производные более высокого порядка Однако, как правило, подобные соотношения хороши для описания обозримого в экспериментах участка ползучести и редко пригодны в более широкой области

Прогнозированию ползучести материалов уделялось достаточно много работ и разработаны различные варианты.

Весьма популярен принцип аналогий, до настоящего времени широко используемый в инженерной практике и действующий в рамках выбранного определяющего уравнения Принцип температурно-временной аналогии был введен в 50-е годы Ферри и далее развит большим количеством исследователей Он основан на том, что в уравнение вводится не просто время, а время, зависящее от температуры

Здесь величина ат, называемая фактором температурного сдвига,

определяется, как правило, в соответствии с зависимостью

1п

С2+(Г-Г0)'

где С) и С2 - эмпирические константы, Т0 - температура приведения

В этом случае вид определяющего уравнения не меняется, нужно только лишь учитывать, что время, входящее в определяющее уравнение, зависит от температуры Решения задач остаются такими же, как и раньше, но требуют дополнительной расшифровки по температуре Такой подход позволяет рассматривать термореологически тождественные процессы.

В инженерной практике он довольно удобен, так как можно провести кратковременные эксперименты при повышенной температуре и предсказать поведение материала при более низкой температуре и больших временах нагружения Кроме того, для оценки поведения тех или иных материалов принципы аналогий вполне пригодны и дают наглядную картину Однако большие сложности возникают при нахождении всего набора необходимых параметров, число которых в случае нелинейности очень велико, что приводит к неоднозначности их определения К тому же при анализе

становится ясно, что такой подход возможен лишь в области установившейся ползучести, в которой деформации растут линейно со временем Кроме того, повышение температуры в течение длительного времени может вызвать изменение структуры материала, что сразу же ставит под сомнение правомочность использования этого метода Переход к третьему, неустановившемуся, участку кривых ползучести невозможно описать в рамках темпсратурно-врсмснной аналогии Из этого следует, что и вопрос об анализе кривых длительной прочности и прогнозировании результатов на большие времена, также не может быть решен в рамках ТВА

Другим подходом к прогнозированию ползучести является использование представлений о наследственном характере деформирования материалов с использованием интегрального уравнения Вольтерра и различных ядер ползучести, широко используемый и развиваемый в лаборатории механики композиционных материалов Института машиноведения При таком подходе введения температуры не требуется, а основным вопросом решения задачи прогнозирования является вопрос о выборе ядра уравнения, существенно влияющего на окончательные результаты прогнозирования Например, ядра Работнова и Слонимского позволяют наиболее достоверно прогнозировать поведение полимерных и композитных материалов с установившейся областью ползучести Если параметры этих ядер определены по кривым 1000-часовой ползучести, то они могут быть использованы для прогнозирования на три порядка времен вперед, те на 10б часов, и дают в принципе идентичные результаты В тех редких случаях, когда ползучесть оказывается неограниченной и установившейся области не наблюдается, следует ограничиться в расчетах простым ядром Абеля

Попытки прогнозирования длительной прочности материалов предпринимались, в основном, для металлов при повышенных температурах Основаны они на введении величины ® - степени поврежденности поперечного сечения образца Считается, что полное разрушение наступает тогда, когда эта величина достигнет некоторого определенного значения (во многих случаях это значение принимается за 1) Для описания процесса разрушения строится некоторое кинетическое уравнение

/{а>,а,&,&,{) = О

форма которого, как правило, основывается на анализе имеющихся экспериментальных кривых длительной прочности Вопрос о возможности использования именно такого уравнения для прогнозирования долговечности на большие времена остается открытым

Использование представлений о наследственном характере не только процесса деформирования, но и процесса накопления повреждений был тщательно изучен в работах Суворовой Ю В, Викторовой И В, Думанского АМ Показана связь используемого произвольного ядра с величиной СО и возможность применения для описания процессов разрушения тех же ядер, что и для описания обратимого вязкого деформирования Этот важный вывод

позволяет построить модель длительного разрушения с использованием интегральных представлений А результаты работ, связанных с вопросами выбора ядер для прогнозирования длительной ползучести на времена порядка 10 часов позволяют конкретизировать модель прогнозирования длительной прочности (или длительного разрушения)

Определяющее уравнение можно записать в следующем виде

т = (1)

о о

Здесь <р{£)- кривая мгновенного деформирования, те кривая, соответствующая времени нагружения 1=0, и являющаяся фактически некоторой математической абстракцией, т е функцией, определяемой расчетным путем

1(1 - и ядра уравнений, причем первое из них характеризует

вязкую обратимую деформацию, а второе - необратимый процесс накопления повреждений, в конце концов, приводящий к разрушению

В том случае, когда материал вязкими характеристиками не обладает,

определяющее выражение содержит только лишь ядро, характеризующее

процесс постепенного разрушения

/

т = (2)

о

И уравнения (2) следует и критерий прочности

(3)

о

Где <т0' - предельная точка кривой мгновенного деформирования (прочность бездефектного материала)

Из этого соотношения можно сделать следующие выводы а) о зависимости прочности от скорости нагружения - чем выше скорость нагружения, тем выше значение прочности, что объясняется меньшими повреждениями в структуре материала, б) о зависимости деформации от скорости нагружения - чем ниже скорость, тем большее значение деформации будет соответствовать моменту разрушения.

Рассматриваемые в настоящей работе клеевые соединения после отверждения не проявляют свойств ползучести (обратимой вязкости), что было проверено экспериментально. Поэтому к ним может быть применено определяющее уравнение (2) и соответствующий критерий прочности (3) Поскольку рассматриваются сдвиговые характеристики, то критерий прочности перепишем в виде

т;=т+)м(1-д)г(Ыд (4)

о

Здесь обозначение г характеризует сдвиговые напряжения, т'0 -константа материала, соответствующая пределу прочности при полном отсутствии внутренних повреждений, развивающихся во времени (или, можно сказать, соответствует нагружению, осуществляемому за нулевое время), M(t -£)- ядро интегрального соотношения (3), которое должно быть выбрано в соответствии с экспериментальными данными, а также в соответствии с основными требованиями к ядрам интегральных уравнений

]г

При использовании простейшего ядра Абеля M(f) = —, 0<а<1 соотношение (4) интегрируется при х = const и записывается в виде

+ (5)

Было установлено, что соотношение (5) достаточно хорошо описывает процессы деформирования и разрушения при малых временах (пределы применимости соотношения устанавливается самостоятельно для каждого исследуемого материала) Очевидно, что при г-»0, причем

зависимость является степенной Однако длительные эксперименты на ползучесть и длительную прочность показали, что зависимость прочности от времени нагружения при больших временах имеет экспоненциальный характер Это означает, что ядро уравнения при больших временах должно содержать экспоненту В качестве примера возьмем ядро Слонимского у ш сс

Mit) = --ja-, 0<а<1, 0<у, 0<ю

В этом случае соотношение (4) также может быть проинтегрировано и принимает вид

r0'=r [l+m^-c'1"")] (6)

г-

При этом если /-»■*>, то г —> —2—, т е в этом случае есть нижний

] + Л

предел, ограничивающий падение напряжений во времени Такой результат подтверждается многочисленными исследованиями

В настоящей работе для расчетов длительной прочности использованы оба ядра (Абеля и Слонимского), а также предложен новый упрощенный метод прогнозирования, предполагаемый экспериментальное построение кривой длительной прочности в интервале до 103 часов и дальнейшее прогнозирование на более длительные времена

На рисунках 3 и 4 приведены кривые длительной прочности для двух исследованных клеевых соединений, Точками обозначены экспериментальные данные В случае использования ядра Абеля параметры и и в определялись по данным, полученным в интервале времени 0,001 <t<0 (в часах)

г0* = 25М7й , — = 0,27f(Wr), а = 0,854

Для ядра Слонимского параметр а был выбран тем же самьм, так как он характеризует только порядок сингулярности при малых временах нагружения Кроме того, предел прочности кривой мгновенного деформирования не меняется Таким образом, в формуле (6) необходимо определить из эксперимента два параметра ии у Для этого были выбраны времена I = 1 час = 0) и /=1000 час I =3)

Из рисунков 3 и 4 видно, что ядро Абеля дает вполне удовлетворительные результаты при малых временах нагружения, а прогнозирование поведения клеевых соединений может быть сделано на 3 порядка вперед, т.е до 1000 часов для клея Ап1а1Не 2015 и на 2,5 порядка, т е. до 100 часов для клея АДВ 11-2

с!

4

*

* *

% V

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 в Г !д I, (час)

Рис 3 Кривые длительной прочности для клеевого соединения на основе композиции АДВ 11-2, где ООО экспериментальные данные

............ использование ядра Абеля, формула (6)

_____ использование ядра Слонимского, формула (5) _ _ _ . использование упрощенного соотношения, формула (7)

С-

• .3

1

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 1д 1, (час)

Рис 4 Кривые длительной прочности для клеевого соединения на основе композиции АгаШе 215, где ООО экспериментальные данные

........... использование ядра Абеля, формула (6)

_____ использование ядра Слонимского, формула (5) _ _ _ « использование упрощенного соотношения, формула (7)

Формула (6), использующая ядро Слонимского, показывает экспоненциальный (логарифмический) закон падения прочности во времени, соответствующий экспериментально наблюдаемым эффектам Большинство известных ядер интегрального уравнения (1) представляют собой комбинацию интегрируемой особенности типа ядра Абеля и экспоненты Наиболее универсальным в данном плане является ядро Работнова в"

Щ0 = т 'а%Г[(п + 1) (1-*)],°<а<1'/?<0, Л>°' представляющие собой бесконечный знакопеременный ряд, первым членом которого является ядро Абеля, а на бесконечности ((—>»=) оно может быть аппроксимировано экспонентой В работах Д Ю Куприянова и А В Мосина показано, что ядро Работнова при прогнозировании поведения материалов на времена в 105— 106 часов даег такой же результат, что и ядро Слонимского

Использование сложных комбинированных ядер и интегральных уравнений Вольтерра 2-го рода дает большие возможности исследователю для описания свойств и поведения материалов при различных режимах нагружения Более того, определив, например, параметры модели при ползучести, можно рассчитать и процессы релаксации, циклического нагружения и др А добавив еще одну константу, определяющую предельную прочность кривой мгновенного деформирования, можно рассчитать прочностные характеристики при различных режимах нагружения, например, зависимость прочности от скорости нагружения, долговечность материала при постоянной нагрузке или даже усталостное разрушение

Упрощенная методика прогнозирования

В настоящей работе была поставлена также задача построения упрощенной модели, описываемой алгебраическим выражением, которое по начальному участку кривой длительной прочности (103 часов, полтора месяца) могла бы предсказать и разрушение при временах порядка 106 часов (-100 лет)

Предлагается следующее соотношение (по аналогии с (6))

г0'=г (1 + ю1Ё0 (7)

Здесь значение г0* соответствует (в данной работе) прочности при 1=1 час (/£/=0), а коэффициент т определяется из экспериментальных данных, соответствующих времени 1=1000 час (^1=2)

В таблице 3 для двух исследованных клеевых соединений приведены параметры уравнений (5), (6) и (7)

Таблица 3 Параметры уравнений исследуемых клеевых комозиций

Ядро Абеля Ядро Слонимского Инженерный подход

АДВ 11-2 АгаМПе 2015 АДВ 11-2 АгаШе 2015 АДВ 11-2 Ага1сМе2015

< 25 21 25 21 19,6 13,8

а 0,854 0,879 0,854 0,879 - -

т 0,04 0,06 0,82 3,01 0,075 0,15

У - - 0,4151 0,186 - -

Из рис (1) и (2) видно, что предлагаемое соотношение (7) показывает примерно те же результаты, что и ядро Слонимского, однако оно существенно проще при расчетах и содержит фактически только один параметр За г0* можно принять и некоторое другое значение, например, просто известную статическую прочность, что только немного изменит значение параметра т в ур (7)

Третья глава посвящена разработке и исследованию характеристик полимербетонного дорожного покрытия для мостовых конструкций из композитных материалов

Полимербетоном является бетон, в котором вяжущим веществом служит синтетический полимер, обычно термореактивная смола (эпоксидная, полиэфирная, акриловая, фурфурольно-ацетоновая и др ) В зависимости от применяемого связующего в качестве отвердителей используются кислые, перекисные, аминные отвердители По сравнению с традиционными бетонами на основе воды и цемента, полимербетон в два раза прочнее и несколько легче, не пропускает влагу, не дает трещин, обладает высокой морозостойкостью, устойчив к агрессивным средам

Разработка рецептуры полимербетонной композиции ПБ-М производилась исходя из предъявляемых требований к покрытию с учетом технологичности приготовления и нанесения на покрываемую поверхность настила Соотношение полимерной матрицы и минерального наполнителя устанавливалось экспериментальным путем

Механическая подготовка поверхности, связанная с зашкуриванием или струйной очисткой, является трудоемкой операцией, из-за крупных габаритов композитных настилов В связи с этим проведены исследования влияния разных способов подготовки поверхности на адгезионную связь полимербетона со стеклопластиком В качестве характеристики, оценивающей адгезионную прочность, принималась прочность при сдвиге

Оценка адгезионной прочности ПБ-М к поверхности стеклопластикового настила производилась на двусрезных образцах, представляющих собой сэндвич, состоящий из двух стеклопластиковых пластин, соединенных между собой полимербетонной композицией Результаты испытаний представлены в таблице 4

Таблица 4 Влияние подготовки поверхности на адгезионную связь полимербетона со стеклопластиком___

№ образца Вид подготовка поверхности Тсдв, МПа Характер разрушения

1 Без подготовки поверхности 0,275 адюзионное

2 Зашкуривание 0,814 адгезионное

3 Нанесение праймера без подготовки поверхности 2,45 когезиопно-адгезиоииое

Для оценки физико-механических характеристик и эксплуатационных свойств разрабатываемого полимербеюнного покрытия был проведен ряд испытаний по определению прочности при сжатии, прочности при изгибе, ударной вязкости, истираемости и морозостойкости Результаты испытаний представлены в таблице 5

Таблица 5 Физико-механические характеристики разработанного полимербетонного покрытия

№ Наименование Методика испытаний Ед изи Значение

1 Прочность при сжатии ГОСТ 4651-82 МПа 70*60

2 Прочность при изгибе ГОСТ 4648-71 МПа 16+25

3 Ударная вязкость - кДжГм1 75,54

4 Истираемость ГОСТ 13087-81 г/см2 0,149

5 Морозостойкость* ГОСТ 10060 2-95 F 400

* Потери в прочности на сжатие после 55 циклов составили - 4,86% Поскольку мостовое покрытие подвергается, как правило, изгибным нагрузкам, для осуществления экспериментов и последующего анализа процесса изгиба была принята схема трехточечного изгиба

Нижний слой толщиной hem - стеклопластиковый настил, который в принятой схеме работает на растяжение (нижняя часть) с модулем упругости £/>ас/и=32000МПа и на сжатие (верхняя часть) с модулем упругости £сэ/с=26000МПа На стеклопластиковый настил сверху наносится полимербетонное покрытие толщиной Лис модулем упругости на сжатие в пределах £=10000-26000МПа

Полимербетон может работать только на сжатие, прочностные характеристики его при растяжении очень низки

Этот факт требует создания такой конструкции настила, при которой бы нейтральная ось проходила бы внутри стеклопластиковой подложки

Рис.5. Схема изгиба стеклопластикового настила толщиной А и полимербетонного покрытия толщиной к

Анализ рисунка приводит к следующему уравнению изгиба

У Ераст^ = )Есж^ + г)т

О О 2

и, после интегрирования

2 ^ЕрастКш+Ек , ЕрасЯт ~ ^ _ ^

2, т" —и (о)

р _ р р — р

раст сж раст сж

На рисунке 5 приведена рассчитанная по уравнению (8) зависимость положения нейтральной оси от толщины полимербетонного покрытия с модулем Е=20000 МПа.

Равенство модуля на сжатие стеклопластика и полимербетона Е = Есж обусловило вырожденный характер решения уравнения (8), при котором зависимость координаты положения нейтральной оси от толщины полимербетона представляет прямую линию при фиксированной толщине стеклопластикового настила и описывается следующим выражением

раст ~ Есж — [,Ераст ~ -\]ТрастеЕсж )ЬСЩ + {Е(Ж — ^ЕрастЕсж

На рисунке 6 представлены три прямые линии, соответствующие трем различным значениям толщины стеклопластикового настила кст=\, 2, 3 мм.

Рис б Зависимость положения нейтральной оси от толщины полимербетонного покрытая для случая Е =26000 МПа Линии 1,2, 3 соответствуют толщине стеклопластикового настила в 1,2 и 3 мм соответственно

Для анализа характера разрушения были осуществлены эксперименты для случаев Ьст=Ъ мм, Ь=\ 5, 3,4 5 и 6 мм

Рисунок 6 показывает, что случаи Ъ — 4 5 и 6 мм будут соответствовать отрицательным значениям г и недопустимы Расчеты (и рисунок 6) дают следующее соотношение между Инг при кст ==3 мм (Таблица 6)

Таблица 6 Соотношения между Аиг при Нст=Ъ мм

N h, мм Z, мм

1 15 0 87

2 3 0 15

3 45 -0 56

4 6 -1 26

Случаи 1 и 2 вполне допустимы При этом выбор толщины покрытия зависит от технологичности его нанесения и способа производства Эксперименты показали, что для случая z = -1 26 при изгибе прежде всего разрушается само полимербетонное покрытие, при этом изгибная прочность образца составила значение <Ju:l = 160 МПа, а для случая, когда h = hcm, (z= 0 15 мм) изгибная прочность оказывается существенно больше (Тю= 250 МПа

Чем более заметна разница между Е и Есж, тем более заметно отклонение зависимости z от h от прямой линии и превращение ее в параболическую кривую На рисунках 7 и 8 представлены зависимости координаты срединной линии от толщины полимербетонного покрытия для случаев, когда £=20000 МПа и Я=10000МПа

- лм

^ ММ

И,толщина полимербетона

Рис 7 Зависимость положения нейтральной оси от толщипы полимербетонного покрытия для случая ^=20000 МПа Кривые 1, 2,3 соответствуют толщине стеклопластикового настила в 1,2 и 3 мм соответственно

мм

1

У

\ I мм

И, толщина полимербетона, мм

Рис 8 Зависимость положения нейтральной оси от толщины полимербетонного покрытия для случая Е =10000 МПа Кривые 1,2,3 соответствуют толщине стеклопластикового настила в 1,2 и 3 мм соответственно

В четвертой главе представлены две схемы механизированного нанесения износостойкого покрытия, а также математическая модель технологического процесса его нанесения

Как известно габаритные размеры мостовых конструкций (площадок и сходов) очень велики, а работа по нанесению на них износостойкого покрытия является очень сложной и трудоемкой операцией, поэтому для внедрения в серийное производство, с целью изготовления элементов конструкций с износостойким покрытием в момент их сборки, была поставлена задача о разработке оборудования для механизированного нанесения износостойкого покрытия на поверхности пултрузионных профилей стеклопластика СППС

Возможны два варианта изготовления профилей с износостойким покрытием Первый вариант - нанесение износостойкого покрытия на уже изготовленные пултрузионные профили заданного размера Второй вариант -нанесение износостойкого покрытия в процессе изготовления профилей на пултрузионной установке

Преимущества и недостатки варианта №1 Преимущества и недостатки варианта Х:2

Основным преимуществом является -возможность нанесение износостойкого покрытия на любую поверхность профиля, а недостатком - большое количество вспомогательного оборудования и необходимость отведения специальных производственных площадей Основным преимуществом является изготовление пластика и нанесение износостойкого покрытия в одну стадию, не требует дополнительных площадей и рабочей силы Недостатком - является нанесение износостойкого покрытия только на сторону, соответствующую положению фильеры

Рассмотрим вариант нанесения износостойкого покрытия в процессе изготовления профилей на пултрузионной установке Выделим три главные составляющие процесса нанесения покрытия

• нанесение полимерной матрицы (связующего) покрытия,

• полимеризация покрытия (матрица + наполнитель),

• захват пластика, с нанесенным покрытием, тянущими устройствами. Одним из самых сложных моментов в разработке установки для

механизированного нанесения износостойкого покрытия является проектирование дозатора для полимерной матрицы и минерального наполнителя

В качестве дозатора для полимерной матрицы была разработана конструкция щелевой головки, принципиальная схема которой представлена на рисунке 9

з

Рис 9 Схема щелевой головки дозатора полимерной матрицы

1 - стеклопластиковый профиль,

2 - щелевая головка,

3 - полимерная матрица износостойкого покрытия Постановка задачи

Стеклопластиковый профиль совершает поступательное движение со скоростью I/ относительно наполненного полимерной композицией щелевого-дозатора В результате движения происходит вытекание полимерной композиции через щель высотой 6

Требуется определить скорость и перемещения стеклопластикового профиля, при которой он будет равномерно покрыт полимером толщиной, равной зазору 5

Задача представляет собой анализ движения вязкой жидкости между двумя движущимися относительно друг - друга плоскостями, с одновременно имеющимся градиентом давления Ее можно в силу линейности разбить на

два слагаемых, 1) равномерно поступательное движение жидкости между движущимися плоскостями и 2) движение жидкости между плоскостями с имеющимся градиентом давления

В первом случае расположим систему координат так, чтобы оси х и ъ были параллельны плоскости перемещения щелевого дозатора, в то же время ось х должна совпадать с направлением движения и скоростью и. Тогда все величины будут зависеть от у, а скорость везде направлена по оси х

Рассмотрим уравнения движения несжимаемой вязкой жидкости Навье-Стокса

—+ = рпи/ р +—Ау (Я)

Эг р р 4 '

-»

Здесь вектор V- вектор скорости потока жидкости между двумя плоскостями, р- давление, р- плотность, 77-коэффициент динамической вязкости

др; дх

уравнения (8) сразу же следует

Поскольку = 0, vy = v2 = 0, vx = const и нет зависимости от z и /, то из

j -0 или vx=ay+b

Учитывая граничные условия ух=и, а при у=д и при у=0,

получаем

у

Такое течение жидкости называется куэтговским Средняя скорость жидкости равна

- 1" 1

у = -и (9)

"о

Во втором случае (задача с градиентом давления) систему координат располагаем так же, как и в первом случае Из уравнения движения несжимаемой вязкой жидкости Навье-Стокса получаем

(10)

(¡у1 7/ Эх 4 '

Справа стоит функция зависящая от х, слева от у Для выполнения

равенства обе части должны быть постоянными — = const Интегрируя

dx

уравнение (10), получим

v =~^Е-у2 + ау + Ъ, постоянные а и Ъ определяются из граничных 2 t) dx

условий, в результате получаем

2r)dx[4 I 2

Средняя скорость течения вязкой жидкости для такого течения составляет:

~djL (П)

Ylr] dx к '

Складывая полученные уравнения для средней скорости (10) и (11), получаем движение вязкой жидкости между движущимися плоскостями при воздействии давления:

- 8г dp и „„

У =---- + — (12)

127J dx 2

Для того, чтобы полимерное покрытие равномерно покрывало стеклопластиковый профиль на толщину зазора 8, необходимо, чтобы средняя скорость движения жидкости через поперечное сечение была равна 0. Приравняв уравнение (12) к нулю, получаем:

677 dx

где S - высота зазора (толщина покрытия), 77 - коэффициент динамической вязкости полимерной композиции. В силу того, что:

Ф

— = const

dx

эту величину можно вычислить экспериментальным путем, установив щелевой дозатор, наполненный полимерной композицией в начальном положении и замерив при помощи линейки величину А см. рисунок 10.

Рис.10.

(РёН + Р^, ^ Ф _ РёН

Д Д dx А

Для того, чтобы скорость и оставалась постоянной, необходимо выполнять условие с1рА1х=соп,ч/, следовательно, нужно сохранять pgH=const. Для этого требуется постоянно подпитывать недостающий объем полимерной композиции, либо компенсировать недостаток давления вследствие вытекания полимера подачей воздуха.

Таким образом, полученные зависимости позволяют определить скорость и перемещения стеклопластикового профиля и установить ее в технологическом процессе его изготовления, при которой он будет равномерно покрыт полимерным покрытием толщиной, равной зазору д.

23

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Осуществлены экспериментальные исследования длительной прочности двух типов клеевых композиций эпоксидного двухкомпонентного конструкционного клея АгаШйе 2015 и полиуретанового двухкомпонентного конструкционного клея АДВ 11-2, которые могут быть рекомендованы для соединения стеклопластиковых элементов конструкций

2 Использование наследственных представлений, положенное в основу моделей длительного разрушения и критерия прочности, позволило решить задачу длительного прогнозирования, предполагающего получение данных о прочности в интервале десятков лет на основании экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях

3 Анализ моделей с различными ядрами накопления повреждений дал возможность выяснить границы их применимости Вывод о том, что ядро должно содержать экспоненту, позволил сформулировать упрощенную модель и упрощенный критерий длительной прочности, предполагающий логарифмическую зависимость между прочностью и временем до разрушения

4 Разработано новое полимербетонное покрытие для стеклопластиковых мостовых настилов, определены его физико-механические и адгезионные характеристики

5 Решение задачи об изгибе стеклопластикового настила с полимербетонным покрытием позволило установить оптимальную (по прочности) толщину покрытия в зависимости от значений модулей упругости

6 Осуществлен расчет скорости движения дозатора, наносящего полимербетошюе покрытие, обеспечивающей его равномерность и заданную толщину

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях

1 М А Хрулснко Износостойкие покрытия для мостовых конструкций из стеклопластика // Юбилейная XV Международная Интернет-конференция молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения Тезисы докладов Москва

2003 г с 27

2 Т Г Сорина, А Е Ушаков, М А Хруленко Разработка и исследование полимербетонной износостойкой композиции ПБ-М для защиты мостового полотна // Внедрение опыта прикладных перспективных технологий авиастроения в промышленности и на транспорте Сборник статей под редакцией д т н , проф Ушакова А Е ЦАГИ Москва 2004, вып 3 , с 63-69

3 М А Хруленко Совместное деформирование полимербетонного покрытия и стеклопластиковой подложки // XVI Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС-2004) Тезисы докладов Москва

2004 г, с 60

4 М А Хруленко Совместное деформирование полимербетонного покрытия и стеклопластиковой подложки // XVI Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС-2004). Избранные труды конференции Москва 2004 г, с 293-296

5 М А Хруленко Использование полиуретановых композиций в качестве изолирующей оболочки для металлополимерной накладки // XVII Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС-2005) Тезисы докладов Москва 2005 г, с 64

6 Prof AY Ushakov, Prof YV Suvorova, and MA Khrulenko Joint deformation of polymer-impregnated concrete layer and glass fiber reinforced plastic substratum//ICCE-12 Tenerife, Spain August 1-6,2005 , с 250-253

7 СБ Пучков, MА Хруленко Обоснование оптимального соотношения толщин полимербетонных покрытий и мостовых настилов из стеклопластика // XVIII Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС-2006) Тезисы докладов Москва 2006 г, с 50

8 М А Хруленко. Исследование длительной прочности клеевых соединений мостовых конструкций из армированных пластиков // XVIII Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС-2006) Тезисы докладов Москва 2006 г, с 50

9 Ю В Суворова, М А Хруленко Оптимизация полимербстонных настилов на путепроводах Заводская лаборатория Диагностика материалов, 2007, т 73, №5 , с 57-59

10 Ю.В Суворова, СБ. Пучков, МА Хруленко Изгиб элемента конструкции стеклопластикового мостового настила с полимербетонным покрытием// «Проблемы машиностроения и автоматизации» 2007 г , №2, с 114-117

11 М А Хруленко Исследование длительной прочности клеевых соединений стеклопластиков, применяющихся в строительстве мостов из композиционных материалов // Проблемы машиностроения и автоматизации, №4,2007, с 107-109

12. Ю.В Суворова, М А Хруленко Прогнозирование длительной прочности клеевых соединений элементов цельнокомпозитных мостов // Заводская лаборатория Диагностика материалов, 2007, №12, т 73, с 38-41

13 Хруленко М А применение полимерных полимербетонных покрытий настилов в мостостроении // Внедрение опыта прикладных перспективных технологий авиастроения в промышленности и на транспорте Сборник статей под редакцией д т н, проф Ушакова А Е ЦАГИ Москва 2007, вып 4, с 84-88

Подписано в печать 20 08 2008 г Формат 60x84 1/16, Уел Печ Лист 1,5 Тираж 100 экз Заказ № 1139 Отпечатано а типографии «ДЦ «Каретный Двор»» 101000, Москва, ул Покровка, д 12, стр 1 Тел (495)517-81-77 www allapnnt tu

Введение.

Глава I Принципы создания цельнокомпозитных конструкций.

1.1 Особенности и преимущества создания цельнокомпозитных конструкций.

1.2 Композитные материалы, используемые в мостостроении.

1.2.1 Конструкционные материалы: стеклопластики.

1.2.2 Конструкционные материалы: углепластики.

1.3 Клеевые соединения элементов конструкций.

1.3.1 Опыт применения клеевых соединений в конструкциях.

1.3.2 Применение клея в соединениях инвентарного моста, построенного HI 111 «АпАТэК».

Глава II Прогнозирование долговечности клеевых соединений стеклопластиков в мостостроении.

2.1 Склеивание.

2.2 Выбор клеевой композиции.

2.3 Выбор объекта исследований.

2.4 Влияние температуры на механические характеристики клеевых соединений.

2.4.1 Изготовление образцов.

2.4.2 Порядок проведения испытаний.

2.4.3 Обработка результатов испытаний.

2.4.4 Проведение испытаний.

2.5 Длительная прочность клеевых соединений стеклопластиков.

2.5.1 Изготовление образцов.

2.5.2 Влияние скорости нагружения на характеристики прочности клеевых соединений.

2.5.3 Эксперимент на длительную прочность.

2.5.4 Прогнозирование длительной прочности клеевых соединений элементов цельнокомпозитных конструкций.

2.5.4.1 Критерий длительной прочности, основанный на модели наследственного типа.

2.5.4.2 Сопоставление опытных данных с результатами прогнозирования длительной прочности.

2.5.4.3 Упрощенная методика прогнозирования.

Глава III Моделирование процесса деформирования элементов настила с полимербетонным покрытием.

3.1 Полимербетоны как композитные покрытия настилов мостов.

3.2 Износостойкие покрытия.

3.3 Материалы для изготовления полимербетонов.

3.3.1 Полимерная матрица.

3.3.2 Минеральный наполнитель.

3.3.2.1 Мелкий наполнитель.

3.3.2.2 Крупный наполнитель.

3.3.2.3 Разработка рецептуры полимербетонной композиции "ПБ-М".

3.3.3 Противоскользящее покрытие.

3.4 Оценка адгезионной прочности полимербетона к поверхности стеклопластикового настила.

3.5 Исследование физико-механических характеристик элементов мостового настила с полимербетонным покрытием.

3.6 Задача о совместном деформировании полимербетонного покрытия и стеклопластиковой подложки.

Глава IV Моделирование процесса нанесения полимербетонного покрытия заданной толщины.

4.1 Объекты исследований.

4.2 Аналитическая оценка работоспособности конструкции.

4.2.1 Постановка задачи.

4.2.2 Решение.

4.3 Экспериментальная оценка работоспособности конструкции.

4.4 Второй вариант изготовления профилей с нанесенным износостойким покрытием.

4.4.1 Технологические критерии успешности совмещенного процесса.

4.4.2 Подходы по формированию математической модели совмещенного пултрузионного процесса.

4.4.3 Нанесение полимерного покрытия.

4.4.4 Полимеризация полимерного покрытия. 4.4.4.1 Постановка задачи.

4.4.4.2 Пример аналитического решения.

4.4.5 Захват изделия тянущим устройством.

Актуальность темы: В связи с широким внедрением композитов в современное машиностроение, в настоящее время начали создавать цельнокомпозитные конструкции, имеющие большое преимущество перед традиционными при оценке их работоспособности и долговечности в течение длительных периодов эксплуатации. (Современные требования составляют период 106 часов (примерно ЮОлет)). В настоящей работе описаны возникающие проблемы и дается оценка долговечности некоторых элементов на примере их эксплуатации в конструкции цельнокомпозитных мостов.

Одной из важных проблем создания конструкций из композитных материалов является соединение различных ее элементов. Обычно используются крепежные соединения, изготовленные из нержавеющей стали (болты, гайки и т.п.). Эти соединения представляют опасность, поскольку нарушается структура материала и это может служить причиной разрушения, как местного, так и всей конструкции в целом.

Когда же рассматривают конструкции длительного применения, например, цельнокомпозитные мосты или какие либо другие, для которых расчетным периодом эксплуатации является период 50-И 00 лет, то возможные первичные нарушения конструкции, не слишком значительные при малых временах, могут постепенно захватывать все большие области и привести к разрушению всей конструкции раньше заданного периода эксплуатации.

Поэтому в последнее время все больше внимания уделяется разработке клеевых соединений, свободных от указанных выше недостатков.

Актуальность этой задачи очевидна. Применение клеевых соединений повышает технологичность изготовления конструкций и уменьшает ее стоимость.

Разрабатывая мостовые конструкции из стеклопластиковых композиционных материалов, специалисты столкнулись с проблемой, заключающейся в типе дорожного покрытия, которое можно было бы применить на стеклопластиковых настилах. Традиционно используемые материалы, такие как асфальтобетон и дорожный бетон не удобны для применения на мостовых конструкциях из композитных материалов, так как например, переработка и укладка асфальтобетонного покрытия происходит при температуре 140-155 °С, что превышает температуру стеклования стеклопластика (Т§ = 93 °С) и может привести к его термодеструкции. Бетонное покрытие неприемлемо из-за значительного увеличения веса мостовой конструкции. В связи с этим в работе была поставлена задача по разработке полимербетонного дорожного покрытия (ПБ-М) и оценке его физико-механических, адгезионных, эксплуатационных свойств, а также исследованию условий, обеспечивающих совместную работу элементов конструкции при действии расчетных нагрузок.

В виду отсутствия механизации нанесения таких покрытий, была разработана схема установки, а также математическая модель технологического процесса нанесения износостойкого покрытия.

Создание нового дорожного покрытия, а также разработка метода нанесения имеют большое значение для строительства пешеходных и автомобильных мостов.

Актуальность выбранной тематики подтверждается также тем, что исследования проводились в рамках грантов: РФФИ №№ 04-01-00745, 0508-18086, 06-08-08155 и 07-01-00277.

Основные результаты работы были премированы на конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения «МИКМУС-2004» и «МИКМУС-2005».

Цель работы: Состоит в разработке методов прогнозирования долговечности элементов цельнокомпозитных конструкций ив оптимизации их прочностных характеристик для повышения работоспособности, надежности и ресурса всей конструкции в целом, а также для обеспечения ее экономической эффективности при длительной эксплуатации (десятки лет).

Рассматриваются клеевые соединения стеклопластиковых деталей на основе эпоксидного и полиуретанового клеев, а также элементы стеклопластикового настила с полимербетонным покрытием.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• получены новые экспериментальные данные по длительной прочности двух типов клеевых соединений стеклопластиковых деталей; у

• разработаны модели прогнозирования длительной прочности с использованием критерия, основанного на наследственных представлениях о накоплении повреждений с применением различных ядер ползучести;

• разработан упрощенный инженерный метод оценки длительной прочности, основанный на использовании логарифмической зависимости прочности от времени до разрушения;

• разработано новое полимербетонное покрытие ПБ-М для стеклопластиковых настилов, определены его физико-механические и адгезионные характеристики;

• решена задача выбора толщины покрытия для обеспечения оптимальных прочностных свойств конструкции настила при изгибе в зависимости от значений модулей упругости при растяжении и сжатии;

• разработан метод нанесения покрытия, определяющий скорость движения дозатора (или скорость перемещения профиля относительно дозатора), обеспечивающую равномерное распределение покрытия и его заданную толщину. ч

Достоверность полученных результатов подтверждается тщательным экспериментальным анализом свойств композитной (стеклопластиковой) конструкции при различных эксплуатационных режимах, в частности, анализом клеевых соединений и полимербетонного покрытия, а также сопоставлением расчетных и экспериментальных данных.

Практическое значение Результаты работы используются в серийном производстве нанесения дорожного покрытия на стеклопластиковые профили настила мостовых конструкций, что подтверждается приложенным актом внедрения.

Предложенная методика прогнозирования, использующая упрощенный критерий длительной прочности позволяет прогнозировать поведение клеевых соединений стеклопластиков на весьма большие времена нагружения порядка 50-^100 лет.

В первой главе представлено описание материалов, используемых в цельнокомпозитных конструкциях: стеклопластиков, углепластиков, износостойких покрытий, способы соединений элементов, в частности, клеевых соединений, а также рассмотрена проблема создания новых покрытий для стеклопластиковых настилов, имеющая большое значение в мостостроении.

В работе описаны клеевые композиции, применение которых является перспективным методом соединения пултрузионных профилей.

Клеевые композиции имеют множество преимуществ, таких как:

- Склеенные соединения профилей типично более жесткие, чем традиционные болтовые соединения.

- Некоторые типы клеевых композиций чрезвычайно прочны, что делает возможным ограничить протяженность области контакта.

- Клеевые соединения хорошо переносят динамические нагрузки.

Также описаны специальные покрытия к поверхностям настила пешеходных и автомобильных мостов, к которым предъявляются требования защиты настила от повреждений, износостойкости, механической прочности, стойкости к воздействию агрессивных сред, воды и перепаду температур. :

В качестве покрытия настила пешеходных мостов и сходов игз стеклопластиковых пултрузионных профилей в данной работе используются высоконаполненные износостойкие композиции, обеспечивающие удобство передвижения пешеходов, обладающие при этом противоскользящими свойствами. Полимерной матрицей такого покрытия служйгт термореактивный полиуретановый компаунд свободной заливка, обладающий высокими физико-механическими характеристиками jm диапазоном рабочих температур от - 60 °С до + 120 °С, что обеспечивает t работоспособность такого покрытия независимо от времени года ; и климатических условий. В качестве наполнителя применяются как традиционные минеральные наполнители - гранит, мрамор, серпентиниту • амфиболит, так и продукты вторичной переработки, например перемолотая резиновая крошка или дробленое стекло. В настоящее время такие покрытая применены на пешеходных мостах производства НПП «АпАТэК».

Вторая глава посвящена исследованию клеевых соединений стеклопластиков. В качестве объектов исследований (адгезивов) были выбраны два типа клеевых композиций. Эпоксидный двухкомпонентный конструкционный клей Araldite 2015, производства фирмы Huntsman и полиуретановый двухкомпонентный конструкционный клей АДВ 11-2,, производства НПФ «АДГЕЗИВ».

Исследовалось влияние температуры на механические характеристики клеевых соединений. Образцы испытывались при температурах Т = +20°С и Т = -60°С.

Проведены испытания на длительную прочность клеевых соединений стеклопластиков. Особое внимание уделено прогнозированию прочностных характеристик этих клеев на большие времена нагружения, вплоть до Ю6 часов (—100 лет эксплуатации) по экспериментальным данным, полученным в п течение шести недель (10 часов).

Третья глава посвящена разработке и исследованию характеристик полимербетонного дорожного покрытия для мостовых конструкций из композитных материалов.

Полимербетоном является бетон, в котором вяжущим веществом служит синтетический полимер, обычно термореактивная смола (эпоксидная, полиэфирная, акриловая, фурфурольно-ацетоновая и др.). В зависимости от применяемого связующего в качестве отвердителей используются кислые, перекисные, аминные отвердители. По сравнению с традиционными бетонами на основе воды и цемента, полимербетон в два раза прочнее и несколько легче, не пропускает влагу, не дает трещин, обладает высокой морозостойкостью, устойчив к агрессивным средам.

Разработка рецептуры полимербетонной композиции ПБ-М производилась исходя из предъявляемых требований к покрытию с учетом технологичности приготовления и нанесения на покрываемую поверхность настила. Соотношение полимерной матрицы и минерального наполнителя устанавливалось экспериментальным путем.

Механическая подготовка поверхности, связанная с зашкуриванием или струйной очисткой, является трудоемкой операцией, из-за крупных габаритов композитных настилов. В связи с этим проведены исследования влияния разных способов подготовки поверхности на адгезионную связь полимербетона со стеклопластиком.

Для оценки физико-механических характеристик и эксплуатационных свойств разрабатываемого полимербетонного покрытия был проведен ряд испытаний по определению прочности при сжатии, прочности при изгибе, ударной вязкости, истираемости и морозостойкости.

Поскольку мостовое покрытие подвергается, как правило, изгибным нагрузкам, для осуществления экспериментов и последующего анализа процесса изгиба была принята схема трехточечного изгиба.

В четвертой главе представлены две схемы механизированного 1 нанесения износостойкого покрытия, а также математическая моде.ть технологического процесса его нанесения. j s } i

Апробация работы: Основные положения работы докладывались | и I обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XV, XVI, XVII!и

XVIII Международных интернет-конференциях молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения, Twelve International Conference (>xi i

Composites/NANO Engineering. ICCE-12 Tenerife, Spain. August 1-6, 2005, t семинарах молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения, I семинарах лаборатории механики материалов ИМАШ РАН и научноi технических совещаниях группы компаний АпАТэК. j

Результаты работ были представлены на международных выставках: аа ежегодной международной выставке JEC COMPOSITES SHOW 2005, «The 13 China International Technical Expo» г. Пекин (Китай) с 12 по 14 сентября 2007 г. и на ежегодной международной выставке COMPOSITES ;& POLYCON, проводимой под эгидой Ассоциации Американских Производителей Композитов (АСМА) с 17 октября по 19 октября 2007 г в городе Тампа (Флорида, США).

По результатам диссертации опубликовано 13 работ, из них 4 — в рецензируемых журналах.

Автор благодарен своему научному руководителю д.т.н., проф. Ю.В.Суворовой и Генеральному директору НПП «АпАТэК» д.т.н., проф. А.Е.Ушакову за постановку задач и постоянное внимание к работе, а таюке сотрудникам лаборатории механики композиционных материалов ИМАП1 и отдела расчетных исследований ООО «НТИЦ АпАТэК-Дубна» за помощь в осуществлении экспериментальных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Осуществлены экспериментальные исследования длительной прочности двух типов клеевых композиций эпоксидного двухкомпонентного конструкционного клея Ага1сШе 2015 и полиуретанового двухкомпонентного конструкционного клея АДВ 11-2, которые могут быть рекомендованы для соединения стеклопластиковых элементов конструкций.

2. Использование наследственных представлений, положенное в основу моделей длительного разрушения и критерия прочности, позволило решить задачу длительного прогнозирования, предполагающего получение данных о прочности в интервале десятков лет на основании экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях.

3. Анализ моделей с различными ядрами накопления повреждений дал возможность выяснить границы их применимости. Вывод о том, что ядро должно содержать экспоненту, позволил сформулировать упращенную модель и упрощенный критерий длительной прочности, предполагающий логарифмическую зависимость между прочностью и временем до разрушения.

4. Разработано новое полимербетонное покрытие для стеклопластиковых мостовых настилов, определены его физико-механические и адгезионные характеристики.

5. Решение задачи об изгибе стеклопластикового настила с полимербетонным покрытием позволило установить оптимальную (по прочности) толщину покрытия в зависимости от значений модулей упругости.

6. Осуществлен расчет скорости движения дозатора, наносящего полимербетонное покрытие, обеспечивающей его равномерность и заданную толщину.

7. Предложены подходы по формированию математической модели совмещенного пултрузионного процесса изготовления настила с противоскользящим покрытием.

Согласовано» бна» О.Г.

АКТ ВНЕД1

Настоящим актом подтверждается внедрение в серийное производство изготовления цельнокомпозитных мостовых конструкций, износостойкого полимерного покрытия ППУ-АР, разработанного заместителем начальника отдела перспективных технологий Хруленко Максимом Андреевичем в ходе подготовки диссертационной работы «Моделирование работоспособности и долговечности некоторых элементов цельнокомпозитных конструкций».

Разработанное покрытие ППУ-АР используется в качестве покрытия дорожного полотна и сходов мостовых конструкций, изготовленных из полимерных композитных материалов.

В настоящее время покрытое ППУ-АР успешно применено в следующих конструкциях, изготовленных ООО ПО «АпАТэК-Дубна»: ♦ Пешеходный мост через железнодорожные пути на станции Косино, г.

• Быстро возводимый мост пешеходный «Инвентарный мост», г. Москва;

• Подземный пешеходный переход на станции метро Смоленская, г.

• Стеклопластиковый настил на мостах в парковой зоне Царицыно, г. Москва;

• Пешеходные мосты через реку Лихоборка, г. Москва;

• Пешеходный переход на автомобильном мосту г. Нижний Новгород;

• Стеклопластиковый настил на памятнике культурного наследия Ростокинском акведуке г. Москва.

Москва;

Москва;

От ООО «НТИЦ АпАТэК-Дубна»

От ООО ПО «АпАТэК-Дубна» # Главный технолог

Утверждаю» Управляющий директор

Щт\ АпАТэК-Дубна» енин Ю.Г. 2008 г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Настоящим актом подтверждается внедрение в серийное производство изготовления цельнокомпозитных мостовых конструкций, упрощенной модели прогнозирования долговечности клеевых соединений стеклопластиков, описываемой алгебраическим выражением, которое по начальному участку кривой длительной прочности (103 часов, полтора месяца) может предсказать и разрушение при временах порядка 106 часов 100 лег).

Данная модель разработана заместителем начальника отдела перспективных технологий Хруленко Максимом Андреевичем в ходе подготовки диссертационной работы «Моделирование работоспособности и долговечности элементов цельнокомпозитных конструкций».

Разработанная упрощенная модель оценки длительной прочности клеевых соединений мостовых конструкций будет использована в проработке проектов цельнокомпозитных конструкций, содержащих клеевые соединения стеклопластиков, а также использована в разработке технических условиях на клеевые соединения мостовых конструкций.

От ООО «НТИЦ АпАТэК-Дубна»

Зам. генерального директора к.т.н. /^/tyw^Панков A.B.

Главный специалист к.т.н # J, О Сорина Т.Г. ртИ^

132

1. Jan Knipper. Инновационные концепции конструирования композитных мостов в Германии. Университет г. Штутгарда, Германия. Статья №1 сборника COBRAE Conference 2005

2. Альперин В.И. Конструкционные стеклопластики. М.: Химия, 1979. 360с.

3. Вольфсон С.А. Композиционные полимерные материалы сегодня и завтра (Комплексная научно-техническая целевая программа). М., 1982.-64 с.

4. Браутман Л., Крок Р. Современные композиционные материалы. — М.: Мир, 1970. 672 с.

5. Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов (ТПКММ). Труды международной конференции 27 30 августа 2003, Москва, Россия.

6. Технические свойства полимерных материалов: Уч.-справ. Пос. / В. К. Крыжановский, В. В. Бурлов, А. Д. Паниматченко, Ю. В. Крыжановская. СПб., Изд-во «Профессия», 2003. - 240 с.

7. А. К. Буров, Г. А. Андреевская, Стекловолокнистые материалы и их техническое применение, Изд. АН СССР, М. (1956).

8. Киселев Б.А. Состояние и перспективы в области создания стеклопластиков. // Композиционные материалы. Киев, 1975.-е. 147160.

9. Стеклопластик марки СППС технические условия ТУ 2296-005 -39790001-2003.

10. BEDFORD Plastics Design Guide www.bedfordplastics.com.

11. FiberLine Design Manual www.fiberline.com.

12. Томас Рот, Heinz Meier. Модульная система пешеходного моста из композиционных материалов, шаг вперед в конструкциях из композиционных материалов. Статья №10 сборника COBRAE Conference 2005.

13. Интернет материал, взятый с сайта компании FiberLine, www.fiberline.com.

14. Ениколопян Н. С — ЖВХО им. Д. И. Менделеева, 1978, т. 23, № 3, с. 243—245.

15. Гуняев Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов. -М.: Химия, 1981. -232 е., ил.

16. Бабаевский П. Г. — В кн.: Пластики конструкционного назначения/Под ред. Е. Б. Тростянской. М., Химия, 1974, с. 75—120.

17. Гуняев Г. М., Сорина Т. Г. — В кн.: Термоустойчивость пластиков конструкционного назначения. М., Химия-, 1980, с. 1161—182.

18. Туманов А. Т. — Вестн. АН СССР, 1975, № 3, с. 37—44.

19. Киселев Б. А. Стеклопластики. М., Госхимиздат, 1961. 240 с.

20. Розенберг Б. А., Олейник Э. Ф., Иржак В. И. — ЖВХО им. Д. И. Менделеева, 1978, т. 23, № 3, с. 272—284.

21. Enicolopov N.S.— In: Composite Materials ML, Moscow University Press, 1979, p. 42—95.

22. Асланова M. С. — В кн.: Новые неорганические материалы. М., Химия, 1972, с. 107—110.

23. Асланова М. С. — ЖВХО им. Д. И. Менделеева, 1978, т. 23, № 3, с. 249—252.

24. Келли А. Высокопрочные материалы. М., Мир, 1976. 261 с.

25. Кобец JL П., Гуняев Г. М. — В кн.: Пластики конструкционного назначения. Под ред. Е. Б. Тростянской. М., Химия,., 1974, с. 204—246.

26. Циплаков О. Г. Научные основы технологии композиционно-волокнистых материалов. Пермь, Пермск. кн. изд-во, 1975 4.2. 274 с.

27. Колкин A.A. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М., Химия, 1974. 376 с.

28. Jenkins G.M., Kawamure К. — Polymeric Carbons-Carbon Fiber. Glass and Shar. Cambridge University Press, 1976. 178 p.

29. Конкин A.A. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М., Химия, 1974. 376 с.

30. Г.С. Петелина, В.Н. Грибкова, С.И. Троянова. Современные композиционные материалы/ Под ред. JI. Браутмана и Р. Рока. М., Мир, 1970. 665 с.

31. Углепластик марки АпАТэК-УППС Технические условия ТУ-2256-002-93660864-2007.

32. М. Schiaich. Professor Dr. sc. techn. Мост с лентами преднапряжения из углеволокна Университет г. Штутгарда, Германия. Статья №5 сборника COBRAE Conference 2005

33. Применение углепластиков в конструкции летательных аппаратов // Механика композитных материалов: 1981. № 4. С. 657— 667. (Совм. с А.

34. A. Туполевым, В. Ф. Кутьиновым, В. П. Когаевын, А. В. Березиным и1. B. В. Сулименковым.).37,38,39,40,41,42,43,44,45