Структурные критерии прочности косоугольно армированных пластиков тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ КОСОУГОЛЬНО

АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.1°.

1.1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прочности при одноосном растяжении, сжатии и сдвиге.10.

1.2. Результаты исследования прочности при комбинированном на-гружении.?9.

1.3. Особенности деформирования и разрушения косоугольно армированных пластиков.

1.4. Постановка задачи и цели работы.i.Ii

ГЛАВА 2. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СЛОИСТОГО МАТЕРИАЛА.

2.1. Закон деформирования слоистого материала.11.

2.2. Напряжения в слоях слоистого материала.Т.

2.3. Частные случаи закона деформирования.

2.3.1. Слоистые материалы с симметричной и антисимметричной структурой.

2.3.2. Косоугольно армированные слоистые материалы.

2.3.3. Косоугольно армированный слой.67.

2.3.4. Двунаправленно косоугольно армированные материалы.

2.3.5. Трехнаправленно косоугольно армированные материалы.

2.4. Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. ПРОЧНОСТЬ КОСОУГОЛЬНО АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ ПРИ

ПРОСТЫХ ВИДАХ НАГРУЖЕНИЯ.??.

3.1. Обобщенные критерии прочности слоя.

3.2. Прочность симметричного двунаправленно косоугольно армированного материала.

3.2.1. Прочность при одноосном растяжении. чпиитс lijjw идпииопим отстаю. чность при сдвиге. эсть симметричного трехнаправленно косоугольно арминого материала. чность при одноосном растяжении. чность при одноосном сжатии. чность при сдвиге. ость однонаправленно косоугольно армированного матеы по третьей главе. .Ш.

Директивами ХХУ1 съезда КПСС / I / по основным направлениям экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года предусмотрено развитие производства различных видов композитных материалов и изделий из них. Для максимального использования потенциальных возможностей применяемых композитных материалов необходимо не только качественно, но и количественно с достаточной точностью учитывать особенности работы этих материалов в различных условиях нагружения. Для изучения этих особенностей необходимо иметь ясное представление о роли волокон, связующего и сцепления между ними в процессе деформирования и разрушения армированного пластика. Количественно роль структурных элементов может быть оценено методами структурной механики. Структурная механика в настоящее время становится научной основой для проектирования рациональной структуры армированного пластика.

В настоящее время широкое применение получили различные виды косоугольно армированных пластиков. Косоугольное армирование, глав^ ным образом, применяется в случае, когда изделие изготовляется методом намотки. К таким изделиям, в первую очередь, следует, отнести трубы, оболочки, резервуары и различные сосуды давления. Конструирование этих изделий производится на основе соответствующих критериев прочности.

Применяемые в настоящее время критерии прочности косоугольно армированных пластиков построены на средних напряжениях слоя. Эти критерии имеют ограниченную область применения по той причине,что они в качестве независимых параметров содержат прочностные характеристики однонаправленно армированного слоя. Эти параметры определяются экспериментально и, таким образом, применимы только для конкретной структуры армированного слоя.

Актуальность работы заключается в том, что несмотря на широкое применение различных видов косоугольно армированных пластиков, в настоящее время отсутствуют критерии прочности, позволяющие оценить влияние на их прочность упругих и прочностных свойств связующего, волокон, сцепления между волокнами и связующим, объемного содержания, ориентации и вида упаковки волокон, симметрии слоистой структуры и сбалансированности структуры материала.

Для учета вышеперечисленных параметров необходимо разработать структурные критерии прочности. Практическое значение структурных критериев состоит не только в том, что они позволяют прогнозировать прочность косоугольно армированных пластиков по заданным их структурным параметрам, но также раскрывает перспективу решения обратной задачи - нахождения соответствующей структуры материала для обеспечения заданной его прочности.

Таким образом структурные критерии прочности являются теоретической основой для проектирования оптимальной структуры косоугольно армированных пластиков. Весьма распространенным видом косоуголь но армированных пластиков является трехнаправленно армированные, имеющие структуру -ув,/90°/ ±узм. Частным случаем такого материала приувк = 0° является ортогонально армированные пластики. Характерной особенностью трехнаправленно и ортогонально армированных пластиков является то, что при растяжении процесс их разрушения носит двухступенчатый характер. Это объясняется тем, что различно ориентированные слои не разрушаются одновременно. Первыми разрушаются наиболее невыгодно ориентированные слои и в результате материал теряет сплошность. Полное разрушение материала происходит при дальнейшем увеличении нагрузки. Первая ступень разрушения обычно связана с разрушением полимерного связующего или сцепления между волокнами и связующим. С точки зрения максимального использования потенциальных возможностей полимерного связующего очень важно обеспечить его одновременное разрушение со сцеплением. Следует отметить, что прочность сцепления в большой мере может быть регулирована методами поверхностной обработки волокон. В настоящее время отсутствует методика определения оптимальной прочности сцепления, обеспечивающая его одновременное разрушение со связующим.

Такая методика может быть разработана только на основе структурных критериев прочности.

Работа выполнена в соответствии с "Планом научных исследований по естественным и общественным наукам Академии Наук СССР на 19811984 годы": том I "Естественные науки"; тема 1.10.2.12.

Целью работы является разработка структурных критериев прочности косоугольно армированных пластиков при кратковременном пропорциональном нагружении в условиях комнатной температуры с учетом всех важнейших параметров материала.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- разработана общая методика аналитического определения средних напряжений в направлениях упругой симметрии однонаправленно армированного слоя, входящего в состав слоистой структуры материала:

- изучена зависимость механизма разрушения косоугольно армированных пластиков от угла ±^при одноосном растяжении, сжатии и сдвиге;

- разработаны зависимости, позволяющие прогнозировать прочность косоугольно армированных пластиков при одноосном растяжении, сжатии и сдвиге по заданной их структуре;

- разработаны структурные критерии прочности косоугольно армированных пластиков при двухосном нагружении и комбинированном осевом и сдвиговом нагружениях;

- произведено сравнение результатов теоретических исследований с опытными данными.

Научная новизна.

1. Разработаны критерии, позволяющие прогнозировать прочность по заданной структуре материала, прочностным и упругим свойствам его компонентов и учитывающие возможное разрушение полимерного связующего, волокон и сцепления между волокнами и связующим.

2. Предложены модели разрушения, учитывающие зависимость механизма разрушения слоев от их ориентации и напряженного состояния компонентов.

3. Учтено влияние несбалансированности структуры на прочность косоугольно армированного пластика.

Структура работы. Работа представляет собой замкнутый цикл исследований, включающий разработку теоретической основы диссертации и сравнение полученных результатов с опытными данными. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений.

ОБЩЕ ВЫВОДЫ

1. Предложены модели разрушения косоугольно армированных пластиков, учитывающие неодновременное разрушение различно ориентированных слоев и зависимость механизма разрушения слоев от их ориентации и напряженного состояния.

2. Разработаны и экспериментально подтверждены аналитические зависимости, позволяющие прогнозировать прочность косоугольно армированных пластиков при одноосном растяжении, сжатии и сдвиге по заданной структуре материала, прочностным и упругим свойствам его компонент.

3. Предложены зависимости, позволяющие определить средние напряжения в однонаправленно армированных слоях, входящих в состав несбалансированного косоугольно армированного материала, находящегося в условиях плоского напряженного состояния.

4. Предложены структурные критерии прочности косоугольно армированных пластиков при комбинированном нагружении, учитывающие возможное разрушение полимерного связующего, волокон или сцепления между ними.

5. Показано, что структурные критерии прочности удовлетворительно описывают предельные кривые косоугольно армированных пластиков при двухосном растяжении, комбинированном растяжении и сжатии, комбинированном растяжении и сдвиге и комбинированном сжатии и сдвиге.

6. Установлено, что в некоторых случаях первоначально сбалансированный материал в процессе нагружения становится несбалансированным. Учтено влияние несбалансированности структуры на прочность косоугольно армированных пластиков.

7. В случае комбинированного нагружения механизм разрушения косоугольно армированного пластика на различных участках предельной кривой качественно отличаются и зависят от отношения приложенных средних напряжений.

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М., Политиздат, 1981. 223с.

2. Ашкенази Е.К. К вопросу о геометрии теорий прочности. -Механика полимеров, 1967, № 4, с.703-707.

3. Болотин В.В. Механика разрушения композииционных материалов. Проблемы прочности, 1981, № 7, с.3-8.

4. Болотин В.В., Гольденблат И.И., Смирнов А.Ф. Строительная механика. Современное состояние и перспективы развития. М., Строй-издат, 1972. 191с.

5. Болотин В.В., Новичков Ю.Н. Механика многослойных конструкций. М., Машиностроение, 1980. 375с.

6. Ван Фо Фы Г.А. Конструкции из армированных пластмасс. Киев, Техника, 1971. 220с.

7. Ву Э.М. Феноменологические критерии разрушения анизотропных сред. В кн.: Композиционные материалы. Т.2. Механика композиционных материалов. М., Мир, 1978, с.401-479.

8. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности анизотропных материалов. Изв.АН СССР. Механика, 1965, № б, с.77-83.

9. Данилова И.Н., Соколова Т.В. О разрушении труб из композитных материалов при различных видах нагружения. Механика композитных материалов, 1981, № I, с.145-147.

10. Деформационные и прочностные свойства косоугольно армированных углепластиков при различных режимах нагружения/ Работнов Ю.Н., Березин A.B., Гинко И.Б. и др. Механика композитных материалов, 1980, № 6, с.1000-1009.

11. Ермоленко А.Ф., Протасов В.Д. Исследование прочности слоистых цилиндрических оболочек при непропорциональном нагружении. -Механика композитных материалов, 1981, № 6, с.1018-1024.

12. Зиновьев П.А., Песошников Е.М., Попов Б.Г., Таирова Л.П. Экспериментальное исследование некоторых особенностей деформирования и разрушения слоистого углепластика. Механика полимеров, 1980, № 2, с.241-245.

13. Исупов Л.Н. Метод расчета упругих и прочностных характеристик симметрично армированного композита. Машиноведение,1979, № 4, с.66-70.

14. Кирулис Б.А. Прочность сцепления в армированных пластиках. Дис. на соиск. уч.степ.канд.техн.наук. Рига, 1977. 131с.

15. Кузнецов С.Ф., Парцевский В.В. 0 механизме деформирования и разрушения многонаправленных композитных материалов. Механика композитных материалов, 1981, № 6, с.1006-1011.

16. Кузнецов С.Ф., Парциевский В.В. К моделированию разрушения тонкостенных элементов конструкций из слоистых многонаправленных композитных материалов. Механика композитных материалов, 1983, № I, с.26-32.

17. Малмейстер А.К. Геометрия теорий прочности. Механика полимеров, 1966, № 4, с.519-534.

18. Малмейстер А.К., Тацуж В.П., Тетере Г.А. Сопротивление полимерных и композитных материалов. Рига, Зинатне, 1980. 572с.

19. Марголин Г.Г., Яценко В.Ф. Прочность композитных материалов при сложном напряженном состоянии. Прикладная механика, 1982, № 5, с.57-61.

20. Мартиросян М.М. Упрочнение ориентированного стеклопластика при двухосном растяжении. Механика полимеров, 1976, № 6,с.1025-1029.

21. Образцов И.Ф., Васильев В.В. Оптимальная структура и прочность слоистых композитов при плоском напряженном состоянии.

22. В кн.: Разрушение композитных материалов. Рига, Зинатне, 1979, с.142-148.

23. Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М., Машиностроение, 1977. 144с.

24. Полилов А.Н. Схема расчета прочности косоугольно армированных композитов при плоском напряженном состоянии. Механика композитных материалов, 1980, № 2, с.221-226.

25. Работнов Ю.Н. Исследование прочности непрочных эпоксидных угле- и стеклопластиков при кручении, растяжении и поперечном изгибе. Механика полимеров, 1978, № 2, с.219-225.

26. Работнов Ю.Н. Прочность слоистых композитов. Механика твердого тела, 1979, № I, с.ПЗ-119.

27. Работнов Ю.Н. 0 прочности композитов, армированных в двух направлениях. Механика полимеров, 1978, № 5, с.832-834.

28. Роуландс Р. Течение и потеря несущей способности композитов в условиях двуосного напряженного состояния: сопоставление расчета и экспериментальных данных. В кн.: Неупругие свойства композиционных материалов. М., 1978, с.140-179.

29. Скудра A.M., Булаве Ф.Я. Структурная теория армированных пластиков. Рига, Зинатне, 1978. 192с.

30. Скудра A.M., Булаве Ф.Я. Прочность армированных пластиков. М., Химия, 1982. 213с.

31. Скудра A.M., Булаве Ф.Я., Роценс К.А. Ползучесть и статическая усталость армированных пластиков. Рига, Зинатне, 1971. 235с.

32. Сопротивление стеклопластиков./ Баженов В.Л., Гольденблат И.И., Копнов В.А., Поспелов А.Д., Синюков A.M./ Изд. Машиностроение, М., 1968. 303с.

33. Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. М., Химия, 1975. 263с.

34. Теннисон P.C., Варрен Г.Э., Эллиот Г. Приложение кубического условия прочности к анализу разрушения слоистых композитов. В кн.: Прочность и разрушение композитных материалов. Рига, 1983, с.127-135.

35. Цай С., Хан X. Анализ разрушения композитов. В кн.: Неупругие свойства композиционных материалов. М., Мир, 1978, с.104-139.

36. Чамис К.К. Проектирование элементов конструкций из композитов. В кн.: Композитные материалы. Анализ и проектирование конструкций. М., Машиностроение, 1978, с.214-254.

37. Adams D.F. Micro- and macromechanics analyses of composite materials. In: Advanced fibrous reinforced composites. SAMPE, ICth national symposium, 1968, vol. 1С, G-l?.

38. Agarwal B.D., Broutman L. Analysis ana performance of fiber composites. Kew York, 198C, p. 145-182.

39. Ashton J.E., Halpin J.C., Petit P.H. Primer on Composite Materials. Technomic Publishing Company, 1969, p. 196.

40. Bax I. Deformation behaviour and failure of glassfibre -reinforced resin material. Plastics and Polymers, 1970, p.27-30.

41. Bott T.R., Walford K.D. Model filament wound epoxy composites. - Plastics and Polymers, 1973, April, p. 79-83.

42. Brandmaier H.E. Optimum filament orientation criteria. -Journal of Composite Materials, 1970, vol. 4, pp. 422-425.

43. Bush H.G. Analytical design method for strength optimati-zation of composite orthotropic laminates. In: Composite materials in engineering design. Ohio, 1972, p. 391-402.

44. Chao C.C., Sun C.T., Eoh S.L. Strength optimization for cylindrical shells of laminated composites. J.Composite Mate- 206 -rials, 1975, v.9, p. 53-66.

45. Nichols R. Composite Construction Materials. Handbook. Oh. 11. Fiber Reinforced Composites. A. Brittle Fibers in a Ductile Matrix, Prentice Hall, N.I., 1976, p. 374-412.

46. Eckold G.C., Leadbetter D., Soden P.D., Griggs P.R. Lamination theory in the prediction of failure envelopes for filament wound materials subjected to biaxial loading. Composites,1978, October, p. 243-250.

47. Ikegami K., Nose Y., Yasunaga T., Shiratori E. Failure criterion of angle-ply laminates of fibre reinforced plastics and applications to optimize the strength. Fibre Science and technology, 1982, vol. 16, p. 175-190.

48. Kawabata S., Houseki Y., Imai S., Niohiyama T. Failure of polymer under multi-axial stress field. in: Proc. 2nd Int.Conf. Mech.Behav.Mater., Boston, 1976, p. 105-109.

49. Förster R.E. Experimentelle Untersuchungen an optimal ausgelegten dreischichtigen Wickelrohren aus Glasfaser/Kunststoff unter Innendruck. Kunststoffe, 1972, Bd. 62, H. 12, S. 881-886.

50. Förster R., Knappe W. Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Rissbildungsgrenze an zweischichtigen Wickelrohren aus Glasfaser/Kunststoff unter Innerdruck. Kunststoffe, 1971, Bd. 61, H. 8, S. 583-588.

51. Förster R., Knappe W. Spannungs- und Bruchanalyse an Glasfase Kunststoff Wickelkörpern. - Kunststoffe, 1970, Bd. 60, H. 12, S. 1053-1059.

52. Francis P.II., Walrath D.E., Weed D.N. First ply failure of G/H laminates under biaxial loadings. Fibre Science and Technology, 1979, vol. 12, p. 97-109.

53. Franklin H.G. Classic theories of failure of anisotropic materials. Fibre Science and Technology, 1968, No. 2, p.157-150.

54. Guess T.R. Biaxial testing of composite cylinders: experimental-theoretical comparison. Composites, 1980, July, p. 139148.

55. Guess T.R., Gerstle F.P. Deformation and fracture of resin matrix composites in combined stress states. J.Composite Materials, 1977, vol. 11, April, p. 146-163.

56. Hahn H.T. Residual stresses in polymer matrix composite laminates. J.Composite Materials, 1976, vol.10, p. 266-278.

57. Harris B. The strength of fibre composites. Composites, 1972, July, p. 152-167.

58. Harris A., Orringer 0. Investigation of angle-ply delami-nation specimen for interlaminar strength test. J.Composite Materials, 1978, vol. 12, p. 285-299.

59. Hashin Z., Rotem A. A fatigue failure criterion for fiber reinforced materials. ;j.Composite Materials, 1973, vol. 7, October, p. 448-464.

60. Herakovich C.T. Influence of layer thickness on the strength of angle-ply laminates. Journal of Composite Materials, 1982, vol.16, pp. 216-227.

61. Hill R. A theory of yielding and plastic flow of anisotropic metals. Proc. Roy. Soc., 1948, vol. 193, p. 281-297.

62. Hull D., Legg M.J., Spencer B. Failure of glass/polyester filament wound pipe. Composites, 1978, January, p. 17-24.

63. Jones M.L.C., Hull D. Microscopy of failure mechanisms in filament-wound pipe. J. of %terials Science, 1979, vol. 14, p.165.174-.

64. Jones R.M. Mechanics of Composite Materials. Scripta Book Company, Washington, 1975, p. 355.

65. Jones R.M. Mechanics of composite materials. New York, Mc. Graw-Hill Book Co., 1975, 432 p.

66. Yang J.N., Jones D.L. Stastical fatigue of graphite/epoxy angle-ply laminates in shear. J.Composite Materials, 1978, vol. 12, p.371-389.

67. Kim R.Y., Hahn H.T. Effect of curing stresses on the first ply-failure in composite laminates. J.Composite Materials, 1979, vol. 13, p. 2-16.

68. Krauss H., Schelling H. Mechrachsig beanspruchte Drei-Rich-tungs-Wickelrohre aus verstärkten Kunststoffen. Kunststoffe, 1969, Bd. 59, H. 12, S. 911-917.

69. Kulkarni H., Beardmore P. Design methodology for automotive components using continuous fibre-reinforced composite materials. Composites, 1980, October, p. 225-235.

70. Legg M.J., Hull D. Effect of resin flexibility on the properties of filament wound tubes. Composites, 1982, October, p. 369-376.

71. Lenain J.C., Bunsell A.R. The behavior of grp tubes cyclic pressuration. Composites, 1978, April, p. 77-82.

72. Lifshitz J.M. Impact strength of angle ply fiber reinforced materials. J.Composite Materials, 1976, vol. 10, p. 92-101.

73. Lockett F.J. Effects of anisotropy and inhomogeneity on GRP pressure pipe. Composites, 1980, October, p. 209-216.

74. Marin J. Theories of strength for combined stresses in no-nosotropic materials. Journal of the Aeronautical Sciences, 1957, April, p. 265-274.

75. Noyes I.V., Jones B.H. Analitical design procedures for the strength and elastic properties of multilayer fibrous composites.1.: AIAA/ASME 9th Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, Palm Springs, 1968, p. 16.

76. Pagano N.I., Pipes R.B. Some observations on the interlaminar strength of composite laminates. Int. J. mech. Sci., 1973, vol. 15, p. 679-688.

77. Pipes R.B. Boundary layer effects in composite laminates.-Fibre Science and Technology, 1980, vol. 13, p. 49-71.

78. Pipes R.B. On the off-axis strength test for anisotropic materials. J.Composite Materials, 1973, vol. 7, p. 246-255.

79. Puck A., Schneider W. On failure mechanisms and failure criteria of filament-wound glass-fibre/resin composites. Plastics and Polymers, 1969, vol. 37, p. 33-43.

80. Puck A. Zur Beanspruchung und Verformung von GFK Mehrschichtenverbund-Bauelementen. - Kunststoffe, 1967, Bd. 57» H. 7, S. 573-582.

81. Rotem A., Hashin Z. Failure modes of angle-ply laminates.-J.Composite Materials, 1975, vol. 9, p. 191-206.

82. Schneider G.I. Evaluation of lamina strength criteria by offaxis tensile coupon tests. Fibre Science and Technology, 1972, vol. 2, p. 29-34.

83. Snell M.B. Strength and elastic response of symmetric angle-ply cfrp. Composites, 1978, vol. 9, Ho. 4, p. 167-176.

84. Spencer B., Hull D. Effect of winding angle on the failure of filament wound pipe. Composites, 1978, October, p. 263-271.

85. Tennyson R.C., MacDonald D., Nanyaro A.P. Evaluation of the tensor polynominal failure criterion for composite materials. Journal of Composite Materials, 1978, vol. 12, p. 63-75.

86. The strength of a filament wound composite under biaxial loading /P.D.Soden, D.Leadbetter, P.R.Griggs, G.C.Eckold Composites, 1978, October, p. 247-250.

87. Thor S.E. Biaxial strength of graphite/epoxy laminates using flat test specimens. In: Advances in composite Materials, Paris, 1980, p. 866-873.

88. Tsai S.W., Hahn H.T. Introduction to composite materials.-Technomic Publishing Company, Y/estport, 1980, pp. 457«

89. Tsai S.W., Wu E.M. A general theory of strength for anisotropic materials. Journal of Composite Materials, 1971» vol. 5, p. 58-80.

90. Uemura M. Fracture strength of helically filament-wound composite cylinders. Composite Materials, 1979? Moscow University Press, p. 364-374.

91. Uemura Li. j Fukunaga H. Stress distributions in laminated composite cylinders under internal pressure. In: Advances in composite materials. Paris, 1980, p. 783-795»

92. Uemura M., Fukunaga II. Probalistis burst strength of filament wound cylinder under internal pressure. J.Composite Materials, 1981, vol. 15, p. 462-480.

93. V/u 3.M., Ruhrnan D.G. Stress rupture of glass-epoxy composites: environmental and stress effects. In: Composite Reliability. ASTM special technical publication. IT- 580, Philadelphia, 1974-, P. 263 - 287.1. УТВЕРЖДАЮ"

94. Проректор по научной работе ^¿TiS^KCKoro ордена Трудовогоп"кого

95. Методика проектирования оптимальной структуры трехкомпо-нентного пластика с точки зрения жесткости и прочности при сжатии поперек волокон (тема № 2781/76).

96. Методика определения упругих свойств слоистых пластиков (тема № 3155/79).

97. Методика определения прочностных свойств слоистых пластиков (тема № 3155/79).

98. Эти результаты составляют 50% от общего объема внедренных мероприятий по теме № 3155/79 и 30% по теме № 2781/76.

99. Научный руководитель тем № 2781/76 и № 3155/79 ст.н.с.,к.т.н.