Устройства и методы для изучения механических свойств анизотропных стеклопластиковых стержней тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

ии. . с/

БЛАЗНОВ АЛЕКСЕИ НИКОЛАЕВИЧ

УСТРОЙСТВА И МЕТОДЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АНИЗОТРОПНЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ СТЕРЖНЕЙ

Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

- 1 ОКТ 2009

Барнаул-2009

003478769

Работа выполнена в Алтайском государственном университете и ООО «Бийский завод стеклопластиков»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Старцев Олег Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Попов Валерий Андреевич

доктор технических наук, профессор Бабаевский Петр Гордеевич

доктор технических наук, доцент Татаринцева Ольга Сергеевна

Ведущая организация Институт физики прочности и материаловедения

СО РАН, г. Томск

Защита состоится 23 октября 2009 года в 15.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.005.03 в Алтайском государственном университете по адресу: 656049, г. Барнаул, пр-т Ленина, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета

Автореферат разослан 22 сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Рудер ДД.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе эпоксисоединений, армированные углеродными, органическими, стеклянными волокнами, являются анизотропными системами, и их применение с каждым годом расширяется. Согласно мнению ведущих ученых в области разработки методов механических испытаний ПКМ (Ю.М. Тарнопольский с сотрудниками), стандарты, разработанные еще в 80-х гг. прошлого века в основном для изотропных пластмасс, отстают от быстро развивающихся технологий создания анизотропных ПКМ. Стандартные методы испытаний обладают рядом недостатков, главный из которых - зависимость результатов измерений от разрешенных стандартами вариаций формы и размеров образцов и способов крепления. Различия измеренных показателей прочности и модулей упругости составляют недопустимые десятки процентов. Особенно проблемными являются испытания на длительную прочность, воздействие температуры, циклическую выносливость. Применение стандартных методов для испытаний образцов круглой формы зачастую невозможно из-за проблем соединения с металлическим захватом, внутри которого или по границе и происходит разрушение под действием контактных напряжений.

Разработке новых и совершенствованию ранее принятых методов испытаний анизотропных ПКМ посвящено большое количество работ, но отдельные достигнутые положительные результаты не нашли широкого распространения и не стандартизованы. Это вызвано сложностью, высокой стоимостью и временными затратами на изготовление образцов и оснастки для испытаний, что делает предложенные способы и установки малопригодными для массовых испытаний при контроле серийной продукции. Часто методы и оснастка не обеспечивают воспроизводимости результатов, которые зависят от квалификации исследователя.

В настоящее время технологии создания и исследований ПКМ отнесены к критическим, имеющим приоритетное значение для развития научно-технологического комплекса России. В связи с реализацией новых наукоемких технологий изготовления и расширением номенклатуры ПКМ, разрыв между технологиями и методами испытаний возрастает с каждым годом. Таким образом, на сегодняшний день «инструмент», с помощью которого можно надежно характеризовать механические свойства вновь создаваемых композитов, прогнозировать изменение этих свойств в процессе эксплуатации и сравнивать их с зарубежными и отечественными аналогами, нуждается в существенном усовершенствовании.

При проектировании ответственных конструкций: зданий, сооружений, мостов, тоннелей, корпусов на основе ПКМ необходимы надежные данные о материале для расчета несущей способности в условиях эксплуатации на длительный период. Обычно, для нового малоизученного материала, прогнозирование производят на основе экспериментальных исследований для каждого вида нагружения, приближенного к условиям эксплуатации. При этом, вызванное погрешностями экспериментального метода, чрезмерное завышение несущей способности может привести к аварийной ситуации, большим убыткам и человеческим жертвам, а занижение истинной прочности в результатах испытаний и расчетов увеличивает себестоимость конструкции, и делает материал малопривлекательным и неконкурентноспособным по сравнению с традиционными, такими как металлы и сплавы.

В связи с этим, актуальной задачей является развитие методов испытаний для определения механических и эксплуатационных свойств анизотропных ПКМ, получение достоверных экспериментальных данных о характеристиках материала в исходном состоянии и снижении их в процессе длительной эксплуатации, разработка новых способов обработки экспериментальных данных с целью повышения точности результатов, снижения стоимости и сроков испытаний и развитие методик расчета несущей способности конструкций из ПКМ на основе оптимизации технико-экономических показателей и экспериментально проверенных свойств материалов.

Часть исследований выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (мероприятие 1.3 Программы, 1 очередь), заявка 2009-03-1.3-24-06-142, тема «Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и формированию научно-технического задела в области создания и обработки композиционных и керамических материалов», госконтракг № 02.513.11.3457.

Целью работы является разработка новых и совершенствование известных методов и устройств механических испытаний анизотропных стержней круглой формы, обладающих универсальностью, простотой осуществления, обеспечивающих информативность, достоверность и воспроизводимость результатов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить комплекс задач:

- провести анализ состояния вопроса механических испытаний ПКМ, выявить недостатки существующих методов и устройств испытаний с целью их исправления;

- создать специальное оборудование для реализации методов испытаний, учитывающих особенности анизотропных стержней;

- проанализировать и минимизировать источники погрешносга методов испытаний и оценить величину вносимых погрешностей в определяемые характеристики;

- провести экспериментальную отработку и выбор оптимальных условий испытаний и размеров образцов, обосновать требования к оснастке и измерительным приборам;

- провести апробацию методов и устройств на испытаниях выбранного класса анизотропных стержней, выявить граничные условия методов испытаний;

- разработать алгоритмы автоматизированного управления и обработки результатов испытаний;

- разработать прикладные методики и оборудование для исследовательских, типовых, сертификационных, приемосдаточных испытаний анизотропных ПКМ и изделий, пригодные для введения в нормативную документацию;

- провести экспертизу и апробацию разработанных методов и устройств в независимых организациях и на действующем производстве, накопить статистику результатов испытаний, внедрить разработанные методы в практику промышленного контроля материалов и изделий.

Объектом исследования являются методы механических испытаний ПКМ на растяжение, сжатие, изгиб, методы длительных и усталостных испытаний и термомеханических исследований.

Предметом исследования являются круглые однонаправленно армированные стеклопластиковые стержни диаметром от 2 до 46 мм с высоким объемным содержанием стеклянных армирующих волокон 0,60-0,75. Матрицей в исследованном стеклопластике является связующее марки ЭДИ на основе эпоксидных смол ЭД-20 или ЭД-22 и ангидридного отвердителя изо-МТГФА. Армирующие волокна - ровинги из алюмоборосиликатного стекла (стекла Е) с диаметром элементарной нити от 13 до 20 мкм. Эти стержни обладают наиболее высокой прочностью вдоль армирования при достаточно низкой прочности в поперечном направлении, что вызывает дополнительные трудности при проведении измерений механических показателей. Апробация разработанных методов испытаний выполнена также на нескольких видах однонаправленных стекло- и базальтопласти-ковых стержней круглого сечения диаметром 5-7 мм, и углепластиковых плитах авиационного назначения толщиной 2,4,10 мм.

Для решения поставленных задач применены теоретический и экспериментальный методы исследований. Теоретическим методом исследовано поведение образцов в процессе нагружения, найдены выражения для описания напряженного состояния стержней, оценки погрешностей методов испытаний. Для обработки и обобщения результатов экспериментов в аналитические и эмпирические зависимости применены методы статистической обработки данных с использованием ЭВМ. Экспериментальные исследования служат для отработки оборудования, исследования влияния размеров образцов и оснастки на результат испытаний, исследований применимости установок для испытаний ПКМ, демонстрации работоспособности методов и устройств на примере определения механических характеристик материала в исходном состоянии, а также при длительном действии постоянных и циклических нагрузок при различных температурах.

Научная новизна. Разработаны новые экспериментальные методы и устройства для изучения механических свойств анизотропных стеклопластиковых стержней. При этом впервые:

- разработан новый метод продольного изгиба для определения механических свойств анизотропных стержней цилиндрической формы, позволяющий при локализации разрушения в рабочей зоне образца одновременно определять значения модуля, прочности, предельной деформации, энергии разрушения, и упругих показателей ПКМ;

-исследовано влияние факторов, влияющих на результаты измерений методом продольного изгиба (форма и размеры образцов, эксцентриситет оси образца, температура испытаний и др.), на основе которых обоснована универсальность метода для статических и циклических режимов испытаний стеклопластиковых стержней и предложены корректирующие выражения для минимизации погрешностей;

-предложена новая методика расчета конструкционной прочности ПКМ, основанная на информации о механических показателях, определенных продольным изгибом и учете факторов заделки в зажимах (концентрации напряжений) при растяжении и сжатии;

-определены закономерности влияния длительно действующих постоянных нагрузок при растяжении, сжатии и продольном изгибе на стеклопластиковые

стержни, на основе которых разработаны метод и устройства для экспресс-испытаний на длительную прочность при постоянной нагрузке при температурах, соответствующих стеклообразному состоянию связующего;

-предложена новая методика обработки результатов испытаний стеклопла-стиковых стержней на долговечность при статических и циклических нагрузках, основанная на гипотезе о соответствии между прочностью и долговечностью ПКМ, позволяющая сократить время длительных испытаний до 3 месяцев, уменьшить количество образцов и повысить точность измерений;

-разработана методика инженерного расчета несущей способности стекло-пластиковых стержней для ответственных конструкций, учитывающая влияние размеров, способов заделки, длительности и величины приложенной нагрузки и температуры на исходные свойства изделий.

Практическая значимость заключается в разработке прикладных методик и оригинальных конструкций установок для испытаний однонаправленных стекло-пластиковых стержней круглого сечения на растяжение, сжатие, поперечный и продольный изгиб; автоматизации процесса испытаний и обработки результатов; применении приемов малообразцовых испытаний на длительную прочность и циклическую выносливость, в совокупности с оригинальной обработкой результатов. Существенно расширена область применения метода продольного изгиба в диапазоне температур от минус 70 до 60 °С, соответствующих температурам эксплуатации изделий в условиях разных климатических районов; с помощью разработанных методов проведены сравнительные исследования однонаправленных круглых стержней из стекло- и базальтопластиков, отличающихся по рецептуре и свойствам; методы получили практическое использование для испытаний плоских образцов, вырезанных из углепластиковых плит авиационного назначения.

Реализация результатов исследований. Разработанные методы и устройства внедрены в ООО «Бийский завод стеклопластиков» (БЗС) для приемосдаточных, периодических и типовых испытаний. Методы и оборудование для механических испытаний временной, длительной и усталостной прочности однонаправленных стеклопластиков, а также способы оригинальной обработки результатов использованы в нескольких организациях: БЗС, г. Бийск; испытательном центре СМИК «СибНИИстрой», г. Новосибирск; ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт авиации имени С.А. Чаплыгина» (СибНИА), г. Новосибирск; испытательном центре СМИК «Стройэксперт», г. Новосибирск; Институте проблем нефти и газа (ИПНГ) СО РАН, г. Якутск. Методики испытаний введены в технические условия для заводского контроля изделий на основе однонаправленных стеклопластиковых стержней круглого сечения, полученные характеристики внесены в нормативную документацию на изделия и используются для проектировочного расчета ответственных конструкций в строительстве, нефтегазовом машиностроении, электротехнической промышленности и горном деле.

Разработанные методы и устройства для испытаний, полученные характеристики композиционных материалов и публикации автора используются в учебном процессе в лекционных курсах, при проведении практических и лабораторных занятий, выполнении курсовых и дипломных работ в Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ) им. И.И. Ползунова, Алтайском государственном университете (АлтГУ), г. Барнаул, и Бийском технологическом институте

6

(БТИ). Использование результатов исследований на промышленных предприятиях, в ведущих научных центрах и вузах подтверждено актами внедрения.

Достоверность результатов исследований подтверждена использованием известных положений фундаментальных наук и непротиворечивых физико-математических моделей, удовлетворительным согласованием расчетных и опытных данных, использованием для выполнения экспериментальных измерений высокоточных современных измерительных приборов, проведением государственной поверки используемого оборудования, анализом погрешностей экспериментов по стандартным методикам, независимой апробацией и экспертизой разработанных методов и устройств испытаний в сторонних организациях, а также успешным многолетним применением разработанных методов и устройств для контроля выпускаемых стеклопластиковых изделий на промышленном предприятии.

На защиту выносятся:

- методы и устройства для экспериментальных исследований анизотропных стеклопластиковых стержней круглого сечения на растяжение, сжатие, трехточечный поперечный изгиб, сдвиг вдоль волокон, метод и устройство термомеханических испытаний армированных пластиков;

- метод испытания на продольный изгиб и конструкции установок для определения временной, длительной и усталостной прочности, модуля упругости и деформации однонаправленных стеклопластиков;

- новые способы обработки результатов малообразцовых длительных и циклических испытаний;

- результаты экспериментальных исследований предложенными методами однонаправленных стеклопластиковых стержней в диапазоне диаметров 2-46 мм, в интервале температур от минус 70 до 60 °С; в диапазоне времени длительных испытаний до 7 лет; в диапазоне усталостных испытаний до 10 циклов.

- методика расчета конструкционной прочности, долговечности и выносливости стеклопластиковых стержней и конструкций;

- результаты экспериментальных исследований базальтопластиковых круглых стержней, испытаний плоских образцов из углепластиковых плит.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-технических конференциях: II-VI Всерос. науч.-техн. конф. «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г. Бийск, 2001-2005); науч.-практ. конф. «Технические проблемы современного жилищно-гражданского строительства. Проектирование и строительство» (г. Новосибирск, 2002); IV Всерос. конф. «Проблемы качества в строительстве» (г. Новосибирск, 2003); конф. «Проектирование и строительство монолитных многоэтажных жилых и общественных зданий, мостов и тоннелей» (г. Москва, 2004), межд. науч.-техн. конф. «Подвесные и опорные полимерные изоляторы: производство, технические требования, методы испытаний, опыт эксплуатации, диагностика» (г. Санкт-Петербург, 2004); 10-я Сибирская мевд. конф. по железобетону (г. Новосибирск, 2004); III межд. науч.-техн. конф. «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте» (г. Самара, 2005); IV, VI- IX Всерос. науч.-практ. конф. «Техника и технология производства теплоизоляциионных материалов из минерально-

го сырья» (г. Бийск, 2004, 2006-2009); 19-я Всерос. конф. «Численные методы решения задач теории упругости и пластичности» (г. Новосибирск, 2005); I, И-я Всерос. науч.-пракг. конф. «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (г. Бийск, 2006, 2007); У-я Всерос. науч.-практ. конф. «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (г. Бийск, 2006).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 72 научных работы, в том числе 16 статей в центральных журналах, рекомендуемых ВАК, 2 патента на изобретение и 1 коллективная монография, остальные доклады в сборниках конференций.

Личный вклад автора состоит в формулировании основных научных идей, разработке программ исследований и планировании экспериментов, разработке методов испытаний и конструкций оборудования; в создании прикладных методик и инструкций испытаний и обработки результатов, руководстве аспирантами, сотрудниками и студентами-дипломниками по работам в исследуемой области, выполнении приемосдаточных, периодических, типовых и сертификационных испытаний изделий, подготовке технических условий на производстве, реализации научных разработок в учебном процессе. Большая часть экспериментальных исследований выполнена автором.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 335 наименований, 12 приложений, изложена на 345 страницах текста, содержит 126 рисунков, 32 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель и содержание поставленных задач, дано описание объекта, предмета и методов исследований, сформулированы научная новизна и практическая значимость результатов работы, представлена реализация результатов исследований и их апробация; указаны основные положения, выносимые на защиту, дано краткое изложение диссертации по главам.

Первая глава посвящена литературному обзору действующих методов и устройств для испытаний ПКМ на растяжение, сжатие и изгиб, сдвиг вдоль волокон, термомеханических исследований, анализу их достоинств и недостатков. Приведены количественные сравнения результатов испытаний разными методами и продемонстрирована зависимость результатов измерений от схемы испытаний, формы и размеров образцов.

В этой главе рассмотрены современные методы механических испытаний ПКМ, стандартизованные в России, США, Германии, Великобритании, Франции. Большинство методов предназначены для испытаний плоских образцов в форме пластин и лопаток различной конфигурации и размеров.

По литературным данным продемонстрировано, что для образцов, используемых разными стандартами для испытаний на растяжение, вариация характерных форм двусторонних лопаток шириной нагрузочной части от 25 до 40 мм, длиной 127-400 мм, при ширине рабочей части в диапазоне 6-20 мм не приводят к каким-либо закономерным улучшениям точности определяемых характеристик: значения прочности на растяжение варьируются от 500 до 800 МПа, при значениях разбросов 10-20 %. Результаты испытаний на сжатие в еще большей степени

чувствительны к форме и размерам образцов, и изменяются в диапазоне от 200 до 400 МПа, т.е. вдвое. Измеренная прочность на сдвиг по разным методам составляет 60-100 МПа для углепластиков, и 48-84 МПа для стеклопластиков. Такие значительные разбросы вызваны не свойствами материалов, а несовершенством методов и устройств для испытаний анизотропных ПКМ, обладающих высокой прочностью вдоль армирования и низкой - в поперечном направлении. В силу указанных специфических свойств однонаправленных композитов, при использовании стандартных методов и устройств происходит проскальзывание в захватах, разрушение путем расслаивания или разрушение внутри захвата или по краю его вследствие низкой сдвиговой прочности. Стандартные методы статических испытаний образцов круглой формы отсутствуют.

Существенные различия в результатах экспериментов послужили причиной внесения в справочные данные разных значений прочности и модуля упругости для разных видов нагружения. Для однонаправленных композитов значения модуля Юнга Е и прочности а при растяжении и сжатии вдоль волокон теоретически должны быть равны, и рассчитываться по известному правилу смесей: Е = Ek-ipA + Eu(1-<pa), \ а = (ЕА-<рл+Еи-(1-<рА))-£, j (1)

где Еа, Ем - модуль упругости армирующего материала и полимерной матрицы соответственно; фА - объёмное содержание армирующих волокон в композите; 8 -предельное значение деформации материала.

Несоответствие экспериментальных и расчетных по правилу смесей данных исследователи объясняют не погрешностью методики измерений, а природой композита. При трудоемкой и тщательной подготовке образцов и захватов для испытаний, при корректной обработке результатов крайне редко удается достичь равенства значений прочности и модуля упругости при сжатии, растяжении и изгибе. Таким образом, до сих пор в литературе существуют противоречивые данные об экспериментальных результатах определения механических свойств ПКМ, вызванные несовершенством использованных методов измерений.

Для испытаний ПКМ в условиях длительного и усталостного нагружений применяют растяжение, сжатие и изгиб. Длительную прочность и долговечность исследовали Журков С.Н., Бартенев Г.М., Скудра A.M., Булаве Ф.Я., Роценс К.А., Ратнер С.Б., Регель В.Р., Степанов В.А., Иванова И.Н., Петров М. Г., и многие другие ученые. Для определения долговечности t предложено несколько выражений, основанных на кинетической концепции разрушения материалов, наибольшее распространение среди которых получила формула Журкова:

t = to.exp((U0-y-a)/kT), (2)

где t0 - постоянная времени (для стеклопластиков 10"13 с), U0 - энергия активации процесса разрушения; у - структурно чувствительный параметр, достигающий 10-И О3 атомных объемов; а - постоянное приложенное напряжение; к = 8,314 Дж/моль-К - постоянная Больцмана; Т- температура, К.

На практике, используя результаты, полученные при разных температурах в широком диапазоне скоростей нагружения, и принцип температурно-временной аналогии, по выражению (2) экстраполируют результаты испытаний длительностью несколько часов на срок эксплуатации материалов в 50-100 лет.

Формула Журкова справедлива для различных материалов (более 100): металлов и сплавов, стекол, полимеров, композитов, горных пород. В связи с этим она была положена в основу различных кинетических концепций разрушения твердых тел. Однако долговечность эластомеров и некоторых классов полимерных материалов не удается описать формулой Журкова. Для этих материалов применяют формулу Бартенева:

I = С-о"ь-ехр(и/кТ), где С-константа, определяемая эмпирическим путем.

Для прогнозирования долговечности стеклопластиков Скудра и Булаве предложили зависимость

ч в ; а-<Рл)-нм+<Рл-Еа (3)

х]п__-О-р,)-*-_

{{\-<рА)-Ел-Р-е-ЕА-А-((\-<рлуНи+<рА-Ел)\[{\-?А)-Ни+(рА-ЕА\ где п, В - коэффициенты, ^ - постоянная нагрузка, А - площадь поперечного сечения, Нм - модуль длительной упругости матрицы.

В области кратковременных испытаний, длительностью несколько часов, выражения (2) и (3) дают близкие результаты, но значительно расходятся при экстраполяции экспериментальных данных на большое время, которое представляет основной интерес для предсказания работоспособности материала. Согласно представлениям Скудры и Булавса, для некоторых ПКМ имеется безопасное напряжение с/«,, физический смысл которого определяет наличие у композита предела длительной прочности - такого максимального напряжения, ниже которого материал не будет разрушаться сколь угодно долго. Согласно экспериментальным исследованиям, для стеклопластиков величина безопасного напряжения составляет 0,4 - 0,7 от значения временной прочности.

Проблема экспериментального подтверждения долговечности заключается в сложности организации эксперимента на длительный срок. Для ПКМ, согласно многим исследователям, эта проблема осложнена еще и повышенным разбросом свойств в исходном состоянии, что влечет повышенный разброс значений долговечности. Таким образом, при длительных испытаниях ПКМ в естественных условиях неизбежно возникнет ситуация, что часть образцов разрушится в реальном времени, отведенном на эксперимент, а часть не разрушится сколь угодно долго.

В связи с этим методы ускоренных испытаний не отражают истинное поведение материала в реальных условиях под действием постоянной статической нагрузки, поэтому не обеспечивают необходимой достоверности, а методы испытаний, основанные на измерении долговечности нагруженного образца, малопригодны для контроля изделий и материалов при изготовлении, отработке рецептур и технологии. Необходима разработка новых экспериментальных методов длительных испытаний и обработки результатов, которые опирались бы на фундаментальные основы материаловедения и физики прочности материалов, но с другой стороны, позволяли достоверно прогнозировать свойства ПКМ на заданный срок эксплуатации до 50-100 лет за разумное время лабораторных испытаний, не превышающее нескольких месяцев.

Данные по исследованию усталостной прочности и выносливости ПКМ под действием переменных циклических нагрузок показывают, что каждый материал ведет себя индивидуально и результаты испытаний сильно зависят от схемы на-гружения (растяжение, сжатие, изгиб) и величины минимального и максимального напряжения в цикле. Оценка усталостной прочности производится каждый раз эмпирическим путем для нового материала или изделия. При усталостных испытаниях особо сказываются проблемы соединения с захватом, формы и размеров образцов, температуры испытаний, скорости нагружения, присущие методам статических испытаний. Все это и порождает противоречивые результаты.

В результате анализа выявлены главные источники погрешностей при измерениях механических показателей анизотропных ПКМ: форма и размеры образцов; степень анизотропии ПКМ; температурно-временной режим нагружения; схема нагружения; влияние креплений и захватов на разрушение образцов; инструментальные погрешности; погрешности при обработке результатов измерений.

Это определило область дальнейших исследований, направленных на развитие новых и совершенствование известных методов испытаний анизотропных стеклопластиков в условиях статического, длительного и циклического нагружения.

Во второй главе дано краткое описание промышленно изготавливаемых однонаправленных стеклопластиковых стержней, и обоснован их выбор как основного материала для исследований. Основная часть главы 2 посвящена развитию методов статических испытаний при различных видах нагружения.

Современные стержневые изделия из ПКМ обладают высокой прочностью в осевом направлении, низким коэффициентом теплопроводности, высокой электрической прочностью, низкой удельной массой. Уникальное сочетание перечисленных свойств этого класса изделий открыло широкие возможности для применения их в различных отраслях техники. Стеклопластиковые стержни диаметром от 1 до 4 мм применяют в качестве силового армирующего элемента в оптоволоконных кабелях, а стержни диаметром 4-32 мм используют в качестве гибких связей в трехслойных панелях и стенах или стеклопластиковой арматуры (СПА) в строительстве. Из-за хорошей электроизолирующей способности стержни диаметром 10-50 мм и более служат для изготовления полимерных изоляторов. В последнее время в России ведется разработка стеклопластиковых насосных штанг для нефтедобывающей промышленности, использование которых уже хорошо зарекомендовало себя за рубежом в связи с уменьшением в 2-3 раза веса колонны штанг и хорошей стойкостью стеклопластика в агрессивных средах, сопутствующих нефтедобыче. В горном деле стеклопластиковые стержни круглого сечения используют в качестве силовой составляющей анкерных элементов шахтной крепи, что создает щадящие условия для работы проходческого оборудования при последовательной выработке угольного или рудоносного пласта.

В результате анализа выявлены требования к изделиям из однонаправленного стеклопластика по основным механическим показателям: прочность на растяжение и сжатие вдоль волокон 800-1300 МПа, на изгиб 1300-1600 МПа, на сдвиг вдоль волокон 40-60 МПа; модуль Юнга не ниже 50-55 ГПа; температурный интервал хранения и эксплуатации стержней в пределах от минус 70 до 60 °С; долговечность в статических условиях нагружения 50-100 лет; долговечность в усло-

виях циклического нагружения не менее 107 циклов. Выполнение этих требований осложняется тем, что отсутствуют обоснованные методы для испытаний ПКМ круглого сечения, что и обусловило выбор однонаправленных стеклопластико-вых круглых стержней как основного материала для исследований.

Поскольку в литературе имеются противоречивые сведения о результатах испытаний стеклопластиков разными методами, для оценки достоверности того или иного метода были выполнены сравнительные испытания разными методами на одном материале. За основу принимались стандартные методы испытаний, предназначенные для плоских образцов. Испытательные устройства дорабатывали и усовершенствовали для образцов круглой формы.

Растяжение. В работе исследовано 18 различных схем соединения металлических оконцевателей с круглыми стеклопластиковыми стержнями. В зависимости от конструкции узла соединения получены значения прочности на растяжение от 600 до 1350 МПа. Разрушение образцов для всех схем происходило либо внутри оконцевателя, либо в месте перехода металл-стеклопластик, следовательно, истинный предел прочности материала на растяжение не достигнут. Из сравнения литературных данных и результатов выполненных измерений по ГОСТ 25.60180, были выбраны две схемы испытаний на растяжение цилиндрических образцов постоянного диаметра от 1,5 до 4 мм и диаметром 5,5 и 7,5 мм с анкерными уши-рениями, показавшие наилучший результат (табл. 1), которые внедрены на БЗС для испытаний на растяжение стеклопластикового силового элемента ТУ 2296005-20994511 и СПА ТУ 2296-001-20994511.

Таблица 1. Влияние формы образца на результат испытаний при растяжении стек-лопластиковых стержней (расчетное значение прочности 2000-2200 МПа)

Вид образца Метод испытаний Характер разрушения аР> МПа V« %

плоский образец ГОСТ25.601-80 в зажимах 795 25

пат.США№ 4360288 растяжение по краю оконцевателя 1100 15

цилиндрический образец с проточкой ТУ 6-4800204961-35-96 сдвиг центральной части относительно головок 1140 12

силовой элемент ТУ 2296-00520994511 обрыв в рабочей зоне, начало трещины по краю захвата 1350 8

СПА с анкером: - без засыпки - с сухим цементом - с алюминиевыми вкладышами ТУ 2296-00120994511 разрыв в зоне перехода цилиндрической части в коническую 800 1200 1300 6 8 8

с анкером, по литературным данным в рабочей зоне 14001700 10

ор - среднее арифметическое значение прочности на растяжение, У„ - значение коэффициента вариации для прочности

Закрепление образца силового элемента осуществляется в двух парах фрикционных накладок, имеющих продольные пазы, соответствующие профилю и размерам изделия. При высоких результатах, (табл. 1), способ имеет недостатки: трещина зарождается по краю захвата, повышенное требование к точности накла-

док препятствует использованию для массовых приемосдаточных испытаний. Методика испытаний СПА заключается в растяжении анкерного стержня, закрепленного в разрезных втулках. Для предотвращения контакта образца со стальным захватом устанавливают прокладки из пластичного материала (медь, алюминий) или делают засыпку из сухого цемента. Разрушение образцов происходит в пределах захвата при значениях прочности, в 2 раза ниже расчетных, и обусловлено действием не только растягивающих, но и значительных по величине поперечных сжимающих напряжений.

Наилучшие результаты в таблице 1, взяты из литературы для оконцевателей в форме толстостенной трубы, заполненной расширяющимся цементом, или в форме длинного переходника, соединенного клеевым соединением со стержнем. Это приводит к распределению по большой длине поперечных напряжений, плавно возрастающих к задней части крепления стержня без резкой концентрации. Разрушение происходит в виде классического расслоения «метелкой» в средней части образца между захватами, при значениях прочности, наиболее близких к расчетным.

Таким образом, применяемые в настоящее время методы испытаний на растяжение не позволяют получить результаты, характеризующие прочностные свойства стержней из ПКМ круглого сечения с удовлетворительной точностью. Основная проблема состоит в том, что отсутствует единый универсальный способ соединения образца с захватом испытательной машины.

По результатам испытаний на растяжение показано, что усовершенствование устройств приводит к существенному улучшению результатов, повышая его вдвое по сравнению со стандартным методом испытаний плоских образцов. Предложенные устройства дают стабильные воспроизводимые результаты дня контроля свойств однотипной продукции при ее массовом изготовлении. Однако при переходе к другому объекту необходимо трудоемкое исследование для обоснования вида новых захватов, что снижает ценность достигнутого улучшения методики.

Сжатие. При осевом сжатии, по мере увеличения нагрузки, может произойти потеря устойчивости стержня, искажающая результат испытания. Для проверки корректности использования стандартных методов для испытаний стеклопласги-ковых стержней проведены исследования допустимых пределов нагружения при сжатии в зависимости от их длины и способов заделки.

Испытания на сжатие с жесткой заделкой концов проводили в трех видах приспособлений: механическое крепление одновременно трех образцов с центровкой устройства в площадках испытательной машины; испытание одного круглого стержня с креплением в захватах по ГОСТ 4651-82; вклеивание стержней в металлические плунжеры и испытание по направляющей в виде трубы. Литературные данные и результаты испытаний СПА диаметром 5,5 мм одинаковой длины в разных приспособлениях на сжатие приведены в таблице 2. Видно, насколько сильно схема испытаний и способ заделки стержня влияют на результат.

Приспособление по ГОСТ 4651-82, адаптированное к круглым стержням, использовали в методике испытаний технических условий на СПА первой редакции в начале серийного выпуска, в результате испытаний было получено значение прочности при сжатии 450 МПа. Методика, основанная на испытании соосно вклеенных образцов в направляющих, введена в ТУ 2296-001-20994511-04 для пе-

риодических испытаний на сжатие СПА диаметром 5,5 и 7,5 мм, при этом повышено минимальное значение прочности того же материала до 900 МПа, т.е. вдвое по сравнению с начальными результатами. Недостатки схемы - разрушения по краю захвата, результаты очень чувствительны к несоосности приложения нагрузки, поэтому плунжеры должны точно соответствовать диаметру образца, а операция вклеивания повышает трудоемкость и время на подготовку к испытаниям, результаты зависят от качества работы исполнителя.

Таблица 2 - Результаты испытаний СПА на сжатие

Вид образца, схема испытаний Характер разрушения о« МПа v., %

плоский образец, ГОСТ 465182, (литературные данные) смятие торцев, расслоение, потеря устойчивости 200-400 20

сжатие трех цилиндрических образцов смятие торцев, подлом по краю захвата 600 15

цилиндрический образец, ГОСТ 4651-82 срез, излом по краю захвата 800 10

цилиндр, образец, «по направляющей» излом со сдвигом под углом 45° в рабочей части 1000 8

ос - среднее арифметическое значение прочности на сжатие

Из результатов выполненных исследований можно сделать аналогичный вывод, сформулированный для растяжения. Стандартная схема испытаний на сжатие в зависимости от свойств композита допускает возможность потери устойчивости, а результат существенно зависит от способа крепления образцов. Путем специальных трудоемких исследований можно подобрать оптимальную схему закрепления образца. Но эта схема не является универсальной, а, следовательно, не является принципиальным улучшением методики испытаний на сжатие.

В ходе дальнейших испытаний на сжатие установлена зависимость критического напряжения от гибкости, которая имеет три ярко выраженные зоны, что соответствует наблюдаемым зависимостям для других материалов (например, стали - зона, ограниченная пределом текучести, зона Ясинского и зона Эйлера), (рис. 1).

igK>)

3,75 3,25 2,75 2,25 1,75 1,25 0,75

0,25 0,4

Рисунок 1 ■

1, 2 - жесткая заделка СПА-5,5 и 7,5 мм, соответственно; 3 - комбинированная заделка СПА-5,5 мм; 4, 5, 6 - шарнирная заделка стержней диаметром 5,5; 15 и 46 мм; 7 - результаты испытаний трех образцов СПА одновременно; линии - расчетные зависимости по выражениям (4)-(6)

0,9 1,4 1,9 2,4 1д(\)

Зависимость критического напряжения от гибкости для стержней разного диаметра с различными способами заделки

V СТц>~Ти ЕА.

♦ 1 ■ ? «3 • 4 ЛЬ Ж6 07

ч Г 1 х^4*«

~ п[р=805(1-0 ,92X-°'7') ~ ГХ

I

k Скр=58350?.'(1-0,92А, )

При анализе результатов определены границы перехода одной области в другую и предложены эмпирические выражения для расчета величины критического напряжения акр с учетом коэффициента вариации и коэффициента запаса.

При 3<А<16 для коротких стержней а,:р имеет постоянное значение и не зависит от длины образца, для расчета его величины в работе предложено выражение: ^„=805-(1-0,92-Я-0'79). (4)

Для средних стержней на участке Я от 16 до 105 зависимость а^ от Я отличается от кривой Эйлера, носит степенной характер (с коэффициентом 1,58) и определяется по выражению:

о*кр = 58350 • Я"1'58 • (1 - 0,92 • Я*0,79). (5)

При Я свыше 105 для длинных стержней зависимость от Я носит степенной характер (с коэффициентом 2,0), и определяется по формуле Эйлера с максимальным расхождением расчетных значений от экспериментальных 1-2 %, что объясняется технологическим разбросом значений модуля упругости образцов от 52 до 57 ГПа в зависимости от содержания связующего 15-20 % по массе:

с7^=кг-Е-Х'г (6)

Комбинация геометрических размеров стеклопластиковых стержней и вариация способов заделки не приводят к изменению зависимости критического напряжения от гибкости, все экспериментальные точки в пределах разбросов ложатся на одну линию; следовательно, полученная зависимость характеризует не образцы и способы заделки, а исследованный материал - однонаправленный стеклопластик.

Важно отметить, что величина разбросов имеет максимальное значение до 16% для коротких стержней, затем снижается, достигая 4-6 % при гибкости 20, и асимптотически приближается к значению 2 % с увеличением гибкости. Такие разбросы характерны для определяющих критериев: прочности для коротких образцов, комбинации прочности и модуля - для средних, и модуля для длинных образцов, которые теряют устойчивость без разрушения.

Трехточечный изгиб. Схема статического изгиба получила наибольшее распространение для испытаний ПКМ благодаря своей простоте. ГОСТ 25.604-82 регламентирует испытание образцов в форме пластин, что не позволяет напрямую применить данный метод для образцов круглой формы. Для того, чтобы обосновать такую возможность, были выполнены испытания СПА диаметром 5,5 мм, с разными нажимными наконечниками в форме цилиндра, шкива, призмы (рис. 2), чтобы обеспечить контакт с образцом в одной, двух и четырех точках. В одном из вариантов для исключения контакта металлического наконечника со стеклопла-стиковым стержнем использовали резиновую прокладку (рис. 2г). Чтобы установить влияние расстояния между опорами L на результат и привести все схемы к одной базе, испытания по схемам 4, в, г проводили при L = 85 и 100 мм, учитывая ширину наконечника 15 мм.

ш

I

-хр"

ж

Рисунок 2 - Схема испытания круглых стержней на прочность при изгибе по ГОСТ 25.604-82 (а): 1 - нажимной наконечник, 2 - образец, 3 - опоры; и нажимные наконечники в виде шкива (б), призмы (в), призмы с резиновой прокладкой (г)

При испытаниях на стандартной машине Р-05, оснащенной датчиками измерения силы и перемещения, совмещенными с ПЭВМ, образцы доводили до разрушения, записывая диаграмму нагрузка-перемещение. Для повышения достоверности испытывали по 50 образцов для каждой схемы нагружения. Исходные диаграммы обрабатывали методом наименьших квадратов. По выражениям (6)-(8) определяли значения прочности 0-„> предельной деформации ес„ и модуля Юнга Ее, проводили статистическую обработку результатов испытаний и определяли

средние значения параметров, и коэффициенты вариации V для них (табл. 3).

--

£си 1} (7)

£„ =Эег„/д£„ (8)

где Р- поперечная сила; I,1„ - длина нагружаемой базы образца и наконечника; с1 - диаметр образца; /- прогиб; величина 4(/71)\ учитывающая влияние продольной составляющей реакции опоры на величину нагрузки.

Таблица 3 -

1+4- 7" г'

1.

(6)

Схема испытаний ь, Напряжение Деформация Модуль Юнга

мм Ос, МПа Ув, % £сч, % Уе,% Ее, ГПс УЕ,%

По рис. 4-а 85 1130 8,27 2,23 7,85 53,0 3,97

По рис. 4-6 85 1560 11,2 3,41 9,91 44,9 3,70

По рис. 4-в 100 1480 10,1 3,21 10,6 45,6 2,97

По рис. 4-г 100 2180 3,91 5,51 4,73 45,9 2,62

По рис. 4-в 85 1410 13,4 3,40 13,4 35,0 2,75

По рис. 4-г 85 2130 2,65 5,60 5,02 37,6 3,10

Расчетные значения — 2030 2,70 3,60 2,78 56,3 2,70

Полученные результаты сопоставлены в таблице 3 с расчетными значениями по выражениям (1). Большая статистика дает возможность установить причину экспериментальных разбросов при механических испытаниях. Коэффициенты вариации прочности для схемы рисунка 2г составляют 2-3%, что приближается к разбросу свойств материала. Этот же материал при испытаниях по другим схемам

дает разбросы на уровне 10-13 %, что говорит об отклонениях, вносимых схемой испытаний и погрешностью метода. Средние значения определяемых характеристик и степень их приближения к расчетным также свидетельствуют о качестве метода. Это лишний раз показывает, что использованные для исследований образцы СПА достаточно хороши с методической точки зрения как объект исследования, так как разбросы их свойств малы.

Большое отличие результатов испытаний обусловлено различной концентрацией напряжений в зоне контакта испытуемого образца с нажимным наконечником. При испытаниях с наконечником по ГОСТ 25.604-82 точечный контакт создает наихудшие условия взаимодействия, чему соответствуют самые низкие результаты по прочности. Но эта схема дает наиболее близкие к истинным значения модуля Юнга с отклонением около 5 %. При испытаниях с наконечниками в форме шкива и призмы, снижение контактных напряжений влияет на рост значения прочности испытуемого образца. Испытания же с резиновой прокладкой характеризуются контактом образца и нажимного наконечника практически по всей площади их соприкосновения, что и отражается на результатах испытаний - получена максимальная прочность, наиболее соответствующая расчетной. Эта схема внедрена в ТУ 2296-001-20994511-06 для определения прочности СПА при поперечном изгибе. В ней не учитываются завышенные значения деформации и заниженные значения модуля Юнга из-за смятия прокладки.

При испытаниях на трехточечный изгиб продемонстрировано, как с помощью существенной доработки методики можно достичь достоверных измерений, близких к расчетным. Для этого необходимо использовать два разных приспособления для измерения прочности и модуля, что недопустимо по временным и материальным затратам в производственных условиях для контроля продукции. Поэтому нужны более рациональные универсальные решения, которые позволяли бы в одном испытании достоверно определять упругопрочностные свойства материала.

Продольный изгиб. Именно этот метод позволил преодолеть недостатки рассмотренных выше схем нагружения. Сущность метода заключается в продольном изгибе шарнирно опертого тонкого стержня вплоть до разрушения, с регистрацией продольной силы Р и величины взаимного перемещения (сближения) концов образца А (рис. 3). Прогиб образца в средней части / определяют непосредственно измерением в процессе испытания или косвенно по значениям сближения концов Л, с учетом формы изогнутой линии стержня.

г

¿

А, В - начальное и текущее положение подвижного конца стержня; 0 - место расположения неподвижного конца; (у, <р) - система координат, связанная со стержнем: <р - угол наклона касательной к стержню в системе координат (х; г); у - расстояние от начала координат до произвольной точки на продольной оси стержня

Рисунок 3 - Расчетная схема упругого стержня при продольном изгибе

Классическая теория продольного изгиба идеального тонкого упругого стержня дает выражения для определения прочности а„, предельной деформации е„и и модуля ЮнтаЕт материала, из которого изготовлен стержень:

ю

V я-а

ет=±И2р, (10)

Ет = дат / дет, (11)

где й - момент сопротивления поперечного сечения и диаметр образца, р - радиус кривизны изогнутой линии в средней части, в месте наибольшего прогиба.

Как показали расчеты и измерения, составляющая напряжения в выражении (9), обусловленная растяжением/сжатием, занимает около 1,0-1,5% от прочности, поэтому влиянием растяжения/сжатия при испытаниях на продольный изгиб можно пренебречь.

Для определения величины прогиба/ и радиуса кривизны р в выражениях (9) и (10) численным решением уравнения продольного изгиба упругого стержня получены формулы, которые связывают в безразмерном виде/и р с величиной А, измеряемой в эксперименте. Для круглых упругих стеклопластиковых стержней, выражения для определения прочности и деформации принимают вид:

11 (<? + 0,25 \98% + 0,0772678% + 0,078775<Г) а =+Л- РЬ (0Д25 - 0,0152<У-0,0083<У2) . ^

~ к1)? ' (1 + 0,5038<5 + 0,23Ш!+ 0,31515') £ =+1 ж. 11 °>25т* + 0,077267£3 + 0,078775(5"*^ е""~ 2 ь'*']! (0,125-0,0152£-0,0083<5!) Здесь 5 =А/£ ~ относительное сближение концов стержня при продольном изгибе; I - исходная длина стержня.

Ограничением данного метода является то, что расчетные выражения справедливы для модели идеального упругого стержня, однако в ходе дальнейших исследований метод продольного изгиба получил развитие и для вязкоупругих материалов.

Автором были выполнены оценки влияния на диаграмму нагружения и точность испытаний наиболее значимых факторов: сдвига, сжатия, кривизны образцов, эксцентриситета. Исследование проводили с помощью численных решений, которые сравнивали с экспериментальными данными. Показано, что отличие численных решений от экспериментальных не превышает 1 %, а влияние различных факторов на прочность составляет от 1 до 2 %, что пренебрежимо мало для инженерных испытаний. Для более точной оценки свойств предложены корректирующие выражения для учета влияния перечисленных факторов при реальных испытаниях, в отличие от идеальной схемы.

В процессе апробации метода усовершенствованиям подвергались конструкции устройств для испытаний. На первом этапе устройства вертикального крепления образца и датчики контроля силы и перемещения размещались на базе испытательной машины Р-05, что вызывало потери на трение в узле передачи нагрузки от опоры к датчику, необходимость учета собственного веса образца и опор в показаниях нагрузки, ограничения по нагрузке до 5 кН и длине испытуемых стержней до 600 мм.

В целях расширения возможностей метода были разработаны автономные установки с горизонтальным расположением оси нагружаемого стержня отдельно для испытаний образцов диаметром 4—8 мм, при длине от 150 до 300 мм и более толстых стержней диаметром 10-46 мм при длине от 360 до 1950 мм.

Для минимизации потерь на трение в узлах передачи нагрузки от образца к силоизмерительному датчику усовершенствована конструкция неподвижной опоры с помощью шарнирной подвески, отстоящей от места взаимодействия наконечника и силоизмерителя, что обеспечивает высокую точность получаемых результатов.

Типичная диаграмма нагружения образца СПА-5,5 мм методом продольного изгиба на разработанной установке приведена на рисунке 4а, а на рисунке 46 представлена диаграмма нагружения, обработанная с помощью выражений (11)-(13).

о.МПа

2000 1500 1000 500

а =57218е R2 = 1

40 А, мм

2,3 2,1 1,9 1,7 1,5

cr = 0,104z + 2,27 R2 = 0.98

= 0,077z+ 1,98 R2 = —ь

-Т" 0083*+1,70

R2 ■= 0,99 i 1 —1 .—1—

-2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 * Рисунок 5 - Зависимости прочности от обратной функции нормального распределения

0 0,01 0,02 0,03

а б

Рисунок 4 - Исходная (а) и обработанная (б) диаграмма нагружения СПА диаметром 5,5 мм длиной 200 мм на продольный изгиб

Для испытанного образца искомые параметры имеют следующие значения: £г„„=2160 МПа, £„„=0,038=3,8% и £„„=57,2 ГПа. Дополнительно можно заключить, что однонаправленные стеклопластиковые стержни ведут себя как линейно-упругие вплоть до разрушения. Это утверждение соответствует литературным данным и позволяет применить модель линейно-упругого стержня к испытуемым образцам. а, ГПа

2,5

Апробацию описанной установки проводили на выборке стеклопластиковых стержней в количестве по 60-200 штук от трех партий, заведомо отличавшихся прочностными характеристиками в связи с разной степенью армирования. Результаты распределения образцов по прочности показаны на рисунке 5, из которого видно, что закон распределения

соответствует нормальному с отклонениями до 2 %.

В таблице 4 приведены сводные результаты сравнительных испытаний однонаправленных стеклопластиковых стержней разными методами, рассмотренными выше (при сжатии, растяжении, трехточечном и продольном изгибе). Для каждого вида нагружения выбраны наилучшие результаты испытаний, свидетельствующие о наиболее качественном методе и оборудовании для испытаний.

Согласно полученным данным, значения модуля, измеренные разными методами, являются наиболее воспроизводимыми, величина разброса находится в пределах 2-4 %, что объясняется технологическими разбросами свойств изделий. Следовательно, модуль упругости малочувствителен к методу испытаний.

Таблица 4 - Сводные результаты испытаний

Вид испытаний Напряжение Деформация Модуль

МПа МПа К, % % •5» % Уе, % Е, ГПа ГПа Уе, %

Осевое растяжение 1350 70,2 5,20

Осевое растяжение СПА типа 2 (с анкером) 56,3 1,39 2,47

Осевое сжатие (база 25 мм) 1100 182 16,6 — — - — — —

Осевое сжатие (база 100 мм) — — — — — — 56,1 1,23 2,19

Поперечный изгиб по рис.4а ИЗО 93,7 8,27 2,23 0,18 7,85 53,0 2,10 3,97

Поперечный изгиб по рис.4г 2180 85,0 3,91 5,51 0,26 4,73 45,9 1,20 2,62

Продольный изгиб 2020 85,4 4,21 3,67 0,15 4,20 56,8 1,99 3,50

Расчетные значения 2030 54,7 2,70 3,60 0,10 2,78 56,3 1,52 2,70

а, е, Е- средние арифметические значения показателей; 5„ Бе, - среднеквадра-тическое стандартное отклонение от средних значений; У„, Уа Уе, - значения коэффициентов вариации для прочности, предельной деформации и модуля упругости соответственно

Совпадение значений модуля при сжатии, растяжении и изгибе позволяет использовать правило смесей для расчета теоретических значений прочности и модуля упругости, задавшись значениями деформации. Расчетные значения в этом случае служат для оценки качества того или иного метода испытаний по величине реализации теоретической прочности. По данным таблицы, прочность и предельная деформация образцов зависят от метода испытаний в значительно большей степени, чем модуль. Критерием оценки качества метода является место и характер разрушения образца. При испытаниях на осевое сжатие и растяжение разрушение всегда происходит в захватах, или в месте перехода от металла к пластику и редко наблюдается в рабочей части образца между захватами. Этому соответствуют и более низкие значения прочности и большой их разброс. Место разрушения образцов при изгибе находится в средней рабочей части образца, на расстоянии от зажимов, и характер разрушения соответствует «метелке», что свидетельствует о равнопрочности испытуемого стеклопластика на сжатие и растяжение. При испытаниях на изгиб получены результаты прочности, наиболее соответствующие теоретическим расчетным данным, и наименьший разброс значений, обусловленный не погрешностью метода, а разбросами свойств образцов.

За многолетний период приемосдаточного контроля СПА на БЗС накоплен достаточно большой статистический материал, который показывает, что при контроле разных партий изделий одним и тем же методом результат испытаний может изменяться в пределах 10-15 % (при внутрипартийном разбросе 2-4 %), что является обычным разбросом свойств для ПКМ.

Анализируя данные, приведенные в таблице, отметим, что методы испытаний при растяжении, сжатии и поперечном изгибе не универсальны для определения упругих и прочностных характеристик. Для измерения прочности при сжатии используют короткий образец, чтобы исключить потерю устойчивости, а для измерения модуля упругости используют более длинные стержни для установки экстензометра и уменьшения погрешности измерений. При растяжении удается проводить измерение модуля и прочности на одном образце, но так же, как и при сжатии, невозможно получить диаграмму нагружения вплоть до разрушения стержня, из-за вероятности повреждения дорогостоящих приборов при разрушении образца. По этим показателям метод продольного изгиба значительно превосходит рассмотренные аналоги, поскольку позволяет получать максимально большое количество определяемых параметров из результата единичного испытания одного образца, дополнительно к известным и принятым характеристикам дает информацию о линейном поведении образца, позволяет экспериментально определить силу потери устойчивости, энергию разрушения, и записать диаграмму деформирования образца вплоть до момента разрушения, которое происходит в средней части, в зоне наибольшего прогиба, и всегда удалено от захватов.

Следует отметить простоту и универсальность метода испытаний, высокую точность измерений, низкую энергоемкость установок (для потери устойчивости образца и разрушения требуется сила, в 50 раз меньшая нагрузки при растяжении/сжатии), возможность автоматизации процесса испытаний, воспроизводимость результатов испытаний в разных независимых организациях.

Сдвиг вдоль волокон. Экспериментальные исследования были выполнены в два этапа. На первом этапе выбрана форма нажимного наконечника для проведения испытаний, на втором определена длина образца и испытательной базы.

Испытания проведены на разрывной машине Р-05 на образцах СПА диаметром 5,5 мм до разрушения в приспособлении по той же схеме и с теми же нажимными наконечниками, что и для трехточечного изгиба (рис. 2).

В момент разрушения фиксировали максимальное значение поперечной силы величину предельного прогиба / в середине образца и характер разрушения (излом или скол вдоль волокон). По результатам испытаний рассчитывали предел прочности на сдвиг вдоль волокон т испытанного образца по формуле Журавско-го:

Р

Х З'я-^2

Экспериментально установлено, что наиболее часто, в 100 % случаев разрушений, сдвиг волокон наблюдался при использовании нажимного наконечника с резиновой прокладкой (рис. 2г). Этой же схеме испытания соответствуют и максимальные значения напряжения сдвига 40-60 МПа, которые на 44 % выше значений, полученных при испытаниях с цилиндрическим наконечником, на 31 % -при испытаниях с наконечником в форме шкива и на 16 % - при испытаниях с тем

же наконечником, но без резиновой прокладки. Такое различие значений обусловлено концентрацией контактных напряжений для наконечников разных форм. Таким образом, как с точки зрения полученной средней величины прочности, так и количества разрушений вследствие сдвига, оптимальной выбрана схема по рисунку 2г.

На следующем этапе провели испытания по выбранной схеме образцов диаметром 4,0; 5,5 и 7,5 мм на длине испытательной базы Ьч = 5(1..Л0с1с шагом 0,5г/. В результате анализа зависимости прочности образцов от длины экспериментально установлено оптимальное значение Ь„=9с1, при длине образца не менее 1 чтобы исключить выскальзывание образца из опор при испытаниях.

В предложенном виде методика применяется для определения прочности на сдвиг вдоль волокон СПА диаметром 5,5 и 7,5 мм ТУ 2296-001-20994511 и стержней для электроизоляторов диаметром от 4 до 22 мм ТУ 2296-009-20994511. Использование ее для испытаний стержней больших диаметров ограничено габаритными размерами приспособления, размерами и мощностью испытательной машины. Развитие технологии получения стержней изоляторов диаметром до 46 мм и 80 мм поставило задачу разработки другой методики испытаний, обеспечивающей достоверные результаты.

Одним из видов испытаний на сдвиг является продавливание образцов на приспособлении, состоящем из пуансона и матрицы с минимальным зазором между ними. Для разработки схемы испытания применительно к стержням круглого сечения были проведены специальные исследования и сравнение с результатами, получаемыми методом трехточечного изгиба.

Предел прочности при сдвиге вдоль волокон методом продавливания определяют по формуле:

где Р - продольная сила; с/„ - диаметр поверхности сдвига; I - длина образца.

Экспериментальные исследования провели в диапазоне варьирования длин образцов от 5 до 20 мм с шагом 5 мм для стержней диаметром 20, 26 и 36 мм; в диапазоне изменения диаметра матрицы от 5 до 40 мм с шагом 5 мм, при постоянном значении зазора 0,25 мм на образцах длиной 10 мм, отрезанных от одного стержня диаметром 46 мм; в диапазоне изменения зазоров 0,15; 0,25; 0,5; 0,75 мм при фиксированном диаметре матрицы 11 мм на образцах длиной 10 мм от стержней диаметрами 26, 36 и 46 мм. В результате анализа значений прочности и коэффициентов вариации подобрали наиболее оптимальную высоту образца 10 мм и величину зазора между пуансоном и матрицей 0,5 мм.

При сравнении результатов испытаний стержней методами трехточечного изгиба и продавливания на образцах, отрезанных от одних стержней, получили качественную корреляцию, свидетельствующую о том, что все значения прочности для двух методов находятся в диапазоне от 40 до 65 МПа. Полученные разбросы объясняются малой выборкой образцов для испытаний, и особенностью разрушения при продавливании: сдвиг происходит с образованием на входе гладкой цилиндрической поверхности, которая переходит в неровную на выходе. Таким образом, погрешность расчета прочности на сдвиг по формуле (14) вызвана погрешностью измерения площади сдвига.

Разработанная методика контроля прочности на сдвиг стеклопластиковых стержней диаметром свыше 22 до 46 мм внедрена в ТУ 2296-009-20994511.

Термомеханические испытания. Для ПКМ, состоящих из высокопрочных армирующих волокон и полимерной матрицы, характерным является переход ее из стеклообразного состояния в эластичное при нагревании. Этот переход сопровождается резким и значительным снижением механических характеристик полимерной матрицы, а, следовательно, композиционного материала. В связи с этим исследование термомеханических характеристик является важным и необходимым условием для успешной эксплуатации ПКМ и изделий из них.

Для того, чтобы расширить температурный интервал измерений механических свойств СПА, была усовершенствована методика и разработана автоматизированная установка для термомеханических испытаний высокопрочных анизотропных стержней из ПКМ. Сущность испытаний заключается в нагружении образца методом трехточечного изгиба и измерении зависимости нагрузки от температуры в режиме релаксации напряжений (рис. 6). В результате исследований предложен способ определения температуры стеклования и температуры начала перехода из стеклообразного состояния в высокоэластичное, основанный на определении экстремумов функций первой и второй производной термомеханической кривой - зависимости нагрузки от температуры.

Рисунок 6 - Схема устройства термомеханических испытаний (а): 1 - термометр сопротивления ЭЧП-21; 2 - термокамера; 3 - образец; 4 - тяга; 5 - силоизмери-тельный датчик ГСП 1909 ДСТ-0,1; 6 - талреп; и типичный вид полученной на устройстве термомеханической кривой (б)

Как малоизученный и оригинальный, метод испытаний термомеханических характеристик стеклопластиков при трехточечном изгибе был протестирован с помощью метода динамического механического анализа при свободно затухающих крутильных колебаниях, разработанного в лаборатории физики полимеров АлтГУ. Сравнение выполняли по значению температуры стеклования образцов. В результате исследований установлено, что между характеристическими температурами, найденными двумя методами, существует корреляция, которая определяется линейной зависимостью Ткрут=к-Т11зг, с коэффициентом к = 1,16±0,06.

На предлагаемый метод испытания с помощью трехточечного поперечного изгиба получено заключение НИИ Экологического мониторинга при АлтГУ, в котором рекомендуется применение его в заводских лабораториях предприятий, выпускающих или потребляющих полимеры и материалы на их основе, используемые в ответственных конструкциях, для определения температур термомеханических переходов, в интервале значений температур стеклования от 60 до 150 "С.

В связи с высокой производительностью и универсальностью, метод определения температур переходов с помощью трехточечного поперечного изгиба внедрен в технические условия на силовой элемент ТУ 2296-005-20994511 и СПА ТУ 2296-001-20994511.

В третьей главе представлена разработка и усовершенствование экспериментального метода испытаний анизотропных стеклопластиковых стержней на длительную прочность при статических нагрузках. Большое значение для точности измерений длительной прочности имеет выбор величины нагрузки и способа ее приложения, обработки результатов, выбор температур, количества образцов и длительности испытаний.

Схемы нагружений для длительных испытаний такие же, как и для статических, с присущими им достоинствами и недостатками. Патентный и литературный поиск по длительным испытаниям показал, что в основном создают длительные растягивающие нагрузки с помощью рычагов и грузов или специальных машин. Реализовать такой способ длительных испытаний на сжатие и изгиб сложно. Растяжение выбрано еще и по той причине, что основная длительно действующая нагрузка для однонаправленных ПКМ совпадает с направлением армирования.

Ускоренные испытания на первом этапе исследований долговечности СПА на растяжение в совокупности с обработкой данных по формуле Журкова дали заниженные значения коэффициента условий работы на уровне 0,22 для умеренного климата (тогда как другие литературные данные дают значения 0,65). Причины такого занижения: испытания проведены при разных скоростях возрастания нагрузки, длительность самого большого промежутка нагружения не превышала нескольких часов, для исследований использован диапазон температур от минус 32°С при быстром разрушении, до 80...100°С - при медленном, т.е. верхний диапазон температур был значительно выше температуры стеклования связующего СПА (около 70°С) и выше допустимых условий эксплуатации.

Для реальных условий работы СПА характерны все виды длительного нагружения: сжатие, изгиб, растяжение и их комбинация. В литературе для длительной прочности, также как и временной, превалируют мнения о том, что эта величина должна быть разной для перечисленных видов нагружения. Все расхождения обосновывают природой материала и мало внимания уделяют методическим вопросам измерений.

Для уточнения и проверки достоверности результатов ускоренных испытаний и определения длительной прочности стеклопластика отдельно для каждого вида нагружения и сравнения результатов были разработаны метод и устройства длительных испытаний на растяжение, сжатие и продольный изгиб, со статистической обработкой данных.

Устройства длительных испытаний СПА на растяжение требуют нагружения до 20 кН на разрывных машинах типа ГРМ и МТБ. Поэтому, для проведения исследований в автономном режиме без дорогостоящего громоздкого оборудования, разработан и запатентован способ и устройство для проведения комплексных длительных испытаний на растяжение, сжатие и изгиб. Сущностью технического решения является нагружение двух идентичных образцов: одного на сжатие, другого на растяжение равной силой с помощью реакции продольно изогнутых стержней, которые выполняют роль нагружающего механизма и испытуемых образцов одновременно.

Методика длительных испытаний заключается в нагружении двух представительных выборок образцов от одной партии в количестве 20-40 иггук на временную прочность при заданной температуре с заданной скоростью нагружения и на долговечность в условиях постоянно приложенной нагрузки заданной интенсивности при заданной температуре. Методика предусматривает расчет величины длительно действующей нагрузки на основе статистической обработки результатов испытаний на прочность образцов первой группы с таким расчетом, чтобы за несколько месяцев, отведенных на эксперимент, обеспечить разрушение половины или большей части образцов второй группы, для построения силовых зависимостей.

Способ обработки длительных испытаний заключается в определении законов распределения образцов по прочности и долговечности, совместной обработки из непротиворечивой гипотезы о соответствии образцов с более высокими значениям прочности образцам с более высокими значениями долговечности. Чтобы обобщить данные для разных схем нагружения при сжатии, растяжении и продольном изгибе и результаты испытаний образцов от разных партий, в качестве интенсивности нагрузки выбрана не абсолютная, а относительная величина приложенных напряжений. При статистическом распределении образцов по прочности эта величина показывает, на какую долю от временной прочности нагружен индивидуально каждый образец при длительных испытаниях. Такой подход позволяет недостаток ПКМ - большие разбросы по прочности и долговечности -обратить в достоинство метода испытаний: учитывается каждый разрушенный образец, в то время как, обычно, принято усреднять результаты испытаний 10-20 образцов в одну точку. При этом относительные напряжения исследованных образцов вследствие разбросов находятся на уровне 0,7-0,9 от предела прочности. Статистическая обработка результатов испытаний по Вейбулу показывает, что закон распределения образцов по прочности наиболее соответствует экспоненциально-нормальному и определяется выражением (15), а распределение по долговечности образцов подчиняется логарифмически-нормальному закону (16) с коэффициентами достоверности Д2 = 0,99.

ехРМ/>)] = 0,44/^+5,02; (15)

1п(г) = 10,76?^+2,62. (16)

Результаты испытаний одинаковых образцов ускоренным методом на растяжение и трехточечный изгиб и обработка по формуле Журкова дают значение относительной прочности от 0,20 до 0,32 от значения исходной, в то время как длительные испытания прямым методом дают значения от 0,63 до 0,65, совпадающие

для растяжения и продольного изгиба. Таким образом, испытания образцов предлагаемым методом дают более достоверные результаты, соответствующие литературным данным, обладают простотой, малой трудоемкостью и не требуют большого времени на проведение эксперимента. Достоверность данных доказана воспроизводимостью результатов, полученных в нескольких независимых организациях: БЗС, ФГУП «СибНИА», ИЦ «СибНИИСтрой».

Большое расхождение экспериментальных данных и расчетных на основе кинетической концепции разрушения по формуле Журкова может объясняться самой природой материала. Зависимость долговечности СПА в полулогарифмических координатах (рис. 7) имеет нелинейный характер, а кривые располагаются в форме «веера», сходящегося вверху, что свидетельствует о наличии предела длительной прочности стеклопластиков, согласно исследованиям Скудры и Булавса, в то время как для других материалов линейные зависимости по выражению (2) сходятся внизу, что говорит об отсутствии предела длительной прочности.

1па с)

17 15 13 11 9 7

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 у

Рисунок 7 - Зависимость долговечности СПА от приведенного напряжения

Разработанные метод, устройства испытаний и способ обработки результатов нашли применение для исследований длительной прочности СПА диаметром 5,5 мм в диапазоне температур от минус 30 до 50°С.

В четвертой главе приведены результаты исследований усталостной прочности стеклопластиковых круглых стержней разными методами. Проведены испытания на растяжение на машинах МТБ-10 и ГРМ-1. Трудоемкое изготовление образцов, материало- и энергоемкое проведение испытаний и недостатки, присущие растяжению (разрушение образца в захватах, большие продольные нагрузки, высокий разброс результатов) обосновали необходимость развития более высокопроизводительного метода усталостных испытаний.

Предложен способ усталостных испытаний и запатентованное устройство, основанные на продольном изгибе по заданному закону сближения концов шарнирно опертого гибкого стержня, измерении усилия, возникающего в результате сопротивления образца продольному изгибу, определении количества циклов до разрушения. Принцип действия установки (рис. 8а) заключается в уравновешивании рычажной системы попарно установленными на противоположных плечах рычага упругими стержнями, доведенными до состояния потери устойчивости. Это позволяет испытывать любое четное количество стержней, ограниченное габаритными разме-

рами и прочностью узлов конструкции. В процессе испытаний энергия привода затрачивается лишь на выведение системы из состояния равновесия, что для продольно изогнутых упругих стержней составляет 10-14 % от силы потери устойчивости. Это обеспечивает малую энергоемкость установки.

а б

Рисунок 8 - Установка для циклических испытаний на продольный изгиб (а) и зависимость продольной силы от количества циклов (б)

Типичный график изменения нагрузки при продольном циклическом изгибе в полулогарифмических координатах приведен на рисунке 86.

Приведенная зависимость Р от N наилучшим образом аппроксимируется «сигмоидом» Р = а + Ы(\ + ехр((-1сщ N - с)/йГ)), где а, Ь, с, <1 — эмпирические коэффициенты.

При обработке результатов за начало разрушения принято значение Л', соответствующее падению нагрузки на 2,5 % от начальной вследствие разрушения образца. Измеряемая продольная сила прямо пропорциональна модулю Юнга, следовательно, данная установка основана на измерении зависимости от циклов на-гружения модуля, который является более воспроизводимой характеристикой исследованных стержней, чем предельные свойства - прочность и деформация, и имеет малые разбросы 1-2 %. Это обеспечивает повышение точности измерений.

Разрушение образцов всегда происходит в месте наибольшего прогиба в средней части, вдали от захватов, где на образец не действуют контактные нагрузки (рис. 8а). При этом возникают сжимающие и растягивающие напряжения на внутренних и наружных слоях, соответственно. Таким образом, результаты циклических испытаний на продольный изгиб оценивают усталостную прочность образца в комплексе на растяжение-сжатие, а характер разрушения в средней части подтверждает более высокую достоверность результатов по сравнению с другими методами циклических испытаний, не исключающих действие контактных напряжений.

Предложенная установка в связи с малой энергоемкостью, высокой точностью измерений и производительностью применяется на БЗС для массовых циклических испытаний однонаправленных стеклопластиковых стержней при отработке рецептуры и технологии и приемосдаточных испытаниях.

Сравнение результатов циклических испытаний для разных конструкций соединений стеклопластиковых стержней диаметром 5,5 и 19 мм на растяжение, ба-

зальтопластиковых стержней диаметром 6 мм и стеклопластиковых стержней диаметром 5,5 мм на продольный изгиб и растяжение, показало, что усталостная прочность при продольном изгибе на 20 % выше, чем при растяжении. Это соответствует известным из литературы наблюдениям других исследователей, и в нашем случае вполне может объясняться влиянием металлических захватов при растяжении, внутри которых или по границе происходит разрушение стержня. Таким образом, получают результаты испытаний конкретной конструкции, которые всегда меньше результатов испытаний стержня на продольный изгиб, отражающих выносливость не конструкции, а материала - однонаправленного стеклопластика.

В пятой главе приведены примеры прикладных исследований для стекло-пластиковых стержней БЗС. В итоге анализа результатов и требований, предъявляемых к изделиям, выявлены основные определяемые характеристики и разработаны методы механических испытаний, учитывающие индивидуальные требования и условия эксплуатации стержней.

На выбор метода и устройства для испытаний влияют требования к конкретному изделию, форма и размеры образцов. Например, в ТУ 2296-005-20994511 на силовой элемент определяют прочность и модуль Юнга методом растяжения вдоль армирования, поскольку для диаметра прутков от 1,5 до 2 мм метод продольного или трехточечного изгиба обладают большей погрешностью, чем прямое растяжение. Погрешность обусловлена периодическим профилем силового элемента. При растяжении модуль и прочность зависят от диаметра во второй степени, тогда как при продольном изгибе - в четвертой, соответственно, погрешности измерений возрастают в квадрате.

Установки для приемосдаточных испытаний большого числа партий на продольный изгиб автоматизированы в целях повышения производительности, увеличения точности и снижения влияния человеческого фактора на результат (рис.9).

Рисунок 9 - Функциональная схема автоматизированной системы управления испытанием стержней на продольный изгиб

В результате многолетнего успешного применения метода продольного изгиба для приемосдаточных испытаний СПА и стержней для электроизоляторов накопились статистические данные о свойствах стержней разных диаметров. При анализе данных установлено, что прочность и модуль Юнга могут быть рассчитаны по правилу смесей (1) с отклонением экспериментальных данных от расчетных до 2 %. Стержни больших диаметров обладают меньшей прочностью и предельной деформацией, чем стержни СПА-5,5 и 7,5 мм при сопоставимом значении модуля Юнга.

Разработанные методы и устройства использованы на БЗС для испытаний СПА на длительную прочность в процессе выполнения данного диссертационного исследования. Учитывая важность выводов для широкомасштабного внедрения, для повышения достоверности была проведена дополнительная независимая экспертиза двумя аккредитованными в области испытаний материалов организациями: ИЦ «СибНИИстрой» и ФГУП «СибНИА», г Новосибирск.

Для расчета длительной прочности у, с коэффициентом запаса в исследованном диапазоне температур, не превышающих 50 °С, предложено эмпирическое выражение:

у, =0,75 -0,0064 -Iní, которое хорошо согласуется с расчетами по выражению (3), предложенному другими авторами по длительным испытаниям стеклопластиков.

Получены сопоставимые данные о циклической выносливости однонаправленных стеклопластиковых стержней в СибНИА на устройствах, установленных в захватах испытательных машин MTS, которые можно в рамках данной работы рассматривать как независимую экспертизу предложенного метода определения ресурса работоспособности СПА при циклических нагрузках.

В результате объединения данных циклических испытаний на продольный изгиб, растяжение и литературных данных в относительной приведенной форме, предложено эмпирическое выражение для расчета усталостной прочности изделий исследуемого класса в зависимости от циклов нагружения:

у„ = 0,9ЛГ°"15. (17)

На основании результатов испытаний временной, длительной и усталостной прочности и предложенных вариантов обработки данных продемонстрирована методика инженерного расчета ответственных конструкций с применением однонаправленных стеклопластиковых стержней. В основу ее закладывается расчетная или временная прочность по статистическим результатам испытаний представительной выборки стеклопластиковых стержней на продольный изгиб. Для учета влияния масштабного фактора (технологии изготовления) и способа заделки вводятся понижающие коэффициенты у„ и у3. Зависимость прочности от температуры в стеклообразном состоянии определена методом продольного изгиба и учитывается выражением:

°в с(Т) = Кс у,-®,(7)= Кс Уз- [ут -ств „р + 5,6(296 - Т)], где Кс - коэффициент запаса прочности, для большинства конструкционных материалов равный 0,75-0,85; для исследованных стеклопластиков эмпирические значения коэффициента у„ в пределах 0,58-0,96 и коэффициента заделки для исследованных узлов соединения уг от 0,45 до 0,6.

С учетом длительности испытаний, выражение для оценки длительной прочности узлов соединений примет вид: аг = Кс у,- у, [ут ст,.пр + 5,6(296 - Т)] = Кс [0,75-0,00641пт]- у3-[ут с..„р + 5,6(296 - Т)] С учетом выражения (17), расчетное уравнение для оценки зависимости усталостной прочности узлов соединения реальных стеклопластиковых стержней от количества циклов и температуры эксплуатации изделий, имеет вид: <U7)= Уз [Гт <т,„р + 5,6'(296 - 7)]-0,9-ЛГ°'15 Таким образом, продемонстрированы примеры использования разработанных методов и устройств для испытаний конкретных изделий, выпускаемых БЗС. С помощью оригинальных способов обработки результатов получены выражения для оценки конструкционной прочности однонаправленных стеклопластиков, работающих в условиях длительного статического и циклического нагружения, в диапазоне температур эксплуатации.

В главе 6 рассмотрены перспективы применения предложенных методов и оборудования в машиностроении.

При оценке хладостойкости СПА в СибНИА на маятниковом копре в соответствии с ГОСТ-4647 в диапазоне температур от 20 до минус 120 °С получены существенные разбросы значений ударной вязкости, которые не позволяют сделать количественную оценку зависимости ударной вязкости от температуры. Ориентируясь на средние и минимальные значения даже при таких больших разбросах, можно заключить, что с понижением температуры ударная вязкость увеличивается. По результатам испытаний сделан вывод о высокой хладостойкости стеклопластиковых стержней при любых низких температурах эксплуатации.

Для оценки морозостойкости температурную зависимость прочности исследовали методом продольного изгиба стержней диаметром 5,5 мм в диапазоне температур от 60°С до минус 70°С по предложенной в главе 2 методике.

Для оценки температурной зависимости прочности результаты испытаний нескольких партий привели к комнатным условиям. Полученная зависимость относительной прочности от температуры имеет степенной вид (рис. 10).

В качестве независимой экспертизы испытания при различных температурах методом продольного изгиба были выполнены в лаборатории ПКМ ИПНГ СО РАН (г. Якутск). В этих экспериментах образец с захватами был расположен внутри термокамеры.

Рисунок 10-Зависимость относительной прочности СПА от температуры

Диаграммы нагружения образцов подтвердили общую закономерность предложенного нами метода продольного изгиба не только при комнатной, но и при других температурах в области стеклообразного состояния связующего. По результатам испытаний ИПНГ установлено, что стержни из ПКМ обладают свойством линейной упругости вплоть до разрушения при температуре испытаний минус 60 и 20 °С.

По результатам независимых испытаний показано, что деформация и прочность стержней с понижением температуры увеличиваются, а модуль упругости остается практически постоянным. Это подтверждает приведенные выше результаты собственных исследований и литературные данные о температурной зависимости прочности стеклопластиков.

При испытаниях на продольный изгиб нескольких партий СПА выявлено увеличение предельной деформации, предела прочности и плотности энергии разрушения при уменьшении температуры от 60 до минус 70 °С при практически постоянном значении модуля упругости. Стеклопластиковые стержни являются морозостойкими и пригодными к эксплуатации в любых климатических условиях в нашей стране.

Результаты испытаний на морозостойкость были внесены в технические условия на стеклопластиковые изделия ТУ 2296-001-20994511, ТУ 2296-00520994511, ТУ 2296-009-20994511, что позволяет с 2003 года эксплуатировать их во всепогодных условиях.

Испытательными центрами «Стройэксперт» и «СибНИИстрой», были проведены сравнительные испытания СПА ТУ 2296-001-20994511-2004 и базальтопла-стиковой арматуры (БПА) ТУ 2292-014-20994511-2005; БПА ТУ 571490-00213101102-2002; связей композитных гибких цементостойких для кирпичной кладки ТУ 2296-003-23475912-2000; анкерных стержней стеклопластиковых ТУ 2296001-40886723-2001 разных производителей.

Исследования выполняли с помощью методов и устройств, разработанных в настоящей диссертации, определив ряд показателей для сравнения, по следующим видам основных испытаний: продольный изгиб до и после химического старения; прочность сцепления гибких связей с бетоном при растяжении; осевое сжатие; теплостойкость по температуре стеклования при трехточечном изгибе; химическая стойкость связей под нагрузкой при повышенной температуре. В результате испытаний получены количественные значения определяемых характеристик для каждого вида изделий.

Отмечена высокая эффективность, универсальность и производительность разработанных методов испытаний для применения их к оценке механических характеристик однонаправленных стержней круглого сечения из ПКМ. При испытаниях методом продольного изгиба образцов в исходном состоянии установлено, что все они соответствуют модели линейно-упругого стержня, с максимальным отклонением не более 2 %. В состаренном состоянии поведение стержней существенно отличается от линейно-упругого, величина отклонения для изделий разных производителей составляет от 6,2 % до 76,3 %. Показано, что результаты испытаний таких стержней на продольный изгиб необходимо обрабатывать на линейном участке диаграммы о - £. Для снижения погрешности испытаний неупругих стержней предложены поправки в расчетные выражения, с учетом которых

метод продольного изгиба может быть использован (с точностью 2-5 %) также для испытаний материалов, не обладающих линейной упругостью.

С целью оценки применимости метода продольного изгиба для плоских образцов из других ПКМ, были выполнены сравнительные испытания пластин углепластика КМУ-11, вырезанных из плит толщиной 2, 4 и 10 мм, изготовленных Всероссийским институтом авиационных материалов (ВИАМ) на основе эпоксидных связующих ЭДТ-69Н и ЭДТ-69Н(М) и углеродных равнопрочных тканей УТ-900-ЗК (Россия) и Porcher 3692 (Франция) с объемным содержанием наполнителя 58%.

Испытания на продольный изгиб были выполнены на установке, смонтированной на стандартной разрывной машине по методике, разработанной для круглых стержней, с точностью измерения нагрузки 0,1 H и перемещения 0,01 мм. Для обеспечения достоверности результатов часть параллельных образцов была испытана в ВИАМе на аттестованном оборудовании по ГОСТ 25.601-80 (растяжение), ГОСТ 25.602-80 (сжатие) и ГОСТ 25.604-82 (изгиб).

Выполненные исследования доказали работоспособность метода продольного изгиба и для плоских образцов. Например, типичная диаграмма нагружения образцов толщиной 2 мм приведена на рисунке 11а, из которого видно линейно-упругое поведение образцов вплоть до разрушения, описываемое выражением:

Р = Р3 ■ [1 + 0,50385 +0,23 Шг +0,3151<53] (18)

где Рэ - эйлерова (критическая) сила.

Напряжение и деформацию в образцах рассчитывали по выражениям (12) и (13), вводя ширину и толщину для плоских образцов, вместо диаметра для круглых. Модуль Юнга определяли по углу наклона на линейном участке диаграммы напряжение-деформация (рис. 116).

Рисунок 11 - Диаграмма нагружения (а) и зависимость напряжения от деформации (б) для пластин углепластика: 1 - тип ЭДТ-69Н/УТ-900-ЗК; 2 - тип ЭДТ-69Н(М)/РогсЬег 3692; линии - аппроксимация моделью линейно-упругого стержня

Проведена количественная оценка отклонений от упругости вр как относительное отклонение экспериментальных значений нагрузки от расчитанных по выражению (18). Аналогично проводили оценку отклонений от линейности ва на диаграмме зависимости напряжение-деформация.

32

Результаты сведены в таблицу 5. Из данных таблицы следует, что стандартные методы испытаний при растяжении, сжатии и изгибе дают существенно разные значения прочности (на 11-24%) и модуля упругости (на 19-26%), которые отличаются от теоретических представлений о прочности упорядочений армированных ПКМ. Наблюдаемые экспериментальные результаты соответствуют распространенному мнению о том, что прочность и модуль упругости при растяжении должны быть выше, чем при сжатии. Прочность при статическом изгибе имеет наибольшее значение, модуль явно занижен вследствие сдвиговых деформаций , которые не учитываются при обработке результатов по ГОСТ 25.604-82 с короткой базой образца. Расхождения и неточность измерения прочности при испытаниях на растяжение объясняется влиянием захватов на результат, при испытаниях на сжатие - малой базой испытаний 10 мм, смятием торцев, влиянием захватов.

Таблица 5 - Результаты испытаний плит КМУ-11 толщиной 2 мм

Вид испытаний Параметр Серия 1 Серия 2 Серия 3

Ср.знач к % Ср. знач. V, % Ср. знач. V, %

Растяжение ГОСТ 25.601-80 ар, МПа 920 5,16 685 3,65 — ■—

Ер, ГПа 65,5 1,53 62,7 2,47 — —

Сжатие ГОСТ 25.602-80 а с, МПа 790 7,53 700 7,14 670 9,85

Ес, ГПа 48,0 2,08 — — 63,6 1,34

Статический изгиб ГОСТ 25.604 сТс, МПа 1040 3,02 — — 1120 5,46

Ecv, ГПа 52,6 3,72 — — 72,2 0,55

Продольный изгиб <7„„, МПа 1110 5,04 831 12,6 1000 8,48

Ет, ГПа 66,6 7,53 59,6 5,65 83,2 1,72

£fm> % 1,82 9,27 1,57 9,36 1,35 6,23

И^МДж/м" 10,10 13,9 6,60 21,2 6,60 13,5

0п,% 5,29 — 5,39 — 4,57 —

0„, % 8,09 — 11,24 — 13,1 —

Примечание. Образец 1 - ЭДТ-69Н(М)/ Porcher 3692 (вырезка под углом 0°); Образец 2 - ЭДТ-69Н(М)/ Porcher 3692 (вырезка под углом 90°); Образец 3 - ЭДТ-69Н/УТ-900-ЗК (вырезка под углом 0°); а, Е, е, W-прочность, модуль Юнга, предельная деформация и плотность энергии

Из данных, полученных стандартными методами испытаний, наиболее достоверными можно считать значения прочности при статическом изгибе и значения модуля Юнга при растяжении. Эти показатели лучшим образом согласуются с результатами испытаний методом продольного изгиба: значения прочности расходятся на 5,9 %, значения модуля - на 2 % , что сопоставимо с точностью измерений (1-2%) и естественным разбросом свойств образцов 5-7 %. На диаграмме на-гружения и в таблице видно, что метод продольного изгиба чувствителен к упругим свойствам образца: более жесткий образец 1 показывает больший модуль, но меньшее значение предельной деформации, чем образец 2, при соизмеримом значении предела прочности (рис. 11). Дополнительно, метод продольного изгиба позволяет для каждого образца в одном испытании определять значение предельной деформации вплоть до разрушения; значение плотности энергии, которая выражает удельную работу образца до разрушения (энергетическая характеристика, ана-

33

логичная ударной вязкости). Метод продольного изгиба позволяет оценить упругое поведение стержней и величину отклонения материала от идеально-упругого.

Из сопоставления данных таблицы следует вывод о том, что метод продольного изгиба может найти применение не только для определения механических свойств круглых стержней из однонаправленных стеклопластиков, но и для пластин, вырезанных из плит слоистых углепластиков. По сравнению со стандартными, метод продольного изгиба для пластин дает сопоставимые и более точные результаты в одном испытании, согласующиеся с теоретическими представлениями о прочности и упругости композитов. Метод продольного изгиба обладает простотой подготовки образцов и проведения испытаний, оперативностью контроля, воспроизводимостью при испытаниях в разных независимых лабораториях, не требует специального оборудования, легко автоматизируется.

Аналогичные исследования при растяжении, сжатии и продольном изгибе были выполнены на пластинах углепластика толщиной 4 и 10 мм, которые показали при нагружении продольным изгибом более существенную неупругость, чем пластины толщиной 2 мм. Сравнение результатов испытаний показало, что метод продольного изгиба дает значения прочности, в среднем отличающиеся на 4... 10 % от прочности при статическом изгибе, и значения модуля упругости, отличающиеся на 7...15 % от значений модуля при растяжении. Отличия значений модуля упругости и прочности между стандартными методами еще более значимые, чем для плит толщиной 2 мм - от 20 % до двух раз. Степень неупругости и нелинейности составляет для образцов толщиной 4 мм 10...14 %, для образцов толщиной 10 мм-до 30%.

Благодаря опыту испытаний большого количества образцов, в диапазоне неупругости от 1 % до 76 %, разработана специальная методика испытаний, которая использована для определения механических характеристик неупругих стержней периодического профиля ТУ 2296-016-20994511-2009.

Таким образом, показана широкая область применения метода продольного изгиба не только для упругих однонаправленных стеклопластиковых стержней, но также и неупругих стекло- и базальтопластиковых круглых стержней постоянного диаметра, плоских образцов из углепластиковых плит и стеклопластиковых стержней периодического профиля. В дальнейшем метод продольного изгиба вследствие простоты и достоверности получаемых результатов, может найти полезные применения для термомеханических исследований, исследований временной, длительной и усталостной прочности различных материалов.

В приложениях представлены акты внедрения разработанных методов и устройств для испытаний анизотропных ПКМ в ООО «БЗС» (г. Бийск), СибНИА (г. Новосибирск), ИПНГ СО РАН (г. Якутск). Также представлены методики испытаний, введенные в технические условия для заводского контроля изделий на основе однонаправленных стеклопластиковых стержней круглого сечения.

Приведены акты внедрения материалов научных исследований в учебный процесс кафедры «Физика и технология композиционных материалов» в АлтГТУ (г. Барнаул) и кафедры «Технология химического машиностроения» в БТИ (г. Бийск).

выводы

1. Разработан и развит метод испытаний на продольный изгиб и устройства для его осуществления, которые позволяют проводить испытания образцов с размерами и профилем однонаправленных упругих стеклопластиковых стержней без механической обработки, определять в одном испытании значения прочности, предельной деформации, модуля Юнга и другие показатели с высокой точностью. Введены корректирующие выражения для точной оценки свойств материалов, чье поведение отличается от идеально-упругого тела более чем на 5 %. Проведена апробация метода для испытаний базальтопластиковых круглых стержней диаметрами 5-7 мм (отклонения от упругости от 10 до 70 %) и плоских образцов из угле-пластиковых плит толщиной 2,4 и 10 мм (отклонения от упругости от 7 до 30 %).

2. Разработаны и внедрены метод и устройства для длительных статических испытаний анизотропных ПКМ. Получен патент на способ и устройство для комплексных испытаний на растяжение, сжатие и продольный изгиб, которые за трехмесячный период испытаний позволяют прогнозировать работоспособность конструкций на срок эксплуатации до 50-100 лет. Проведена апробация предложенных методов и устройств для испытаний стеклопластиковых стержней, длительностью от двух недель при минус 30°С до 3-х лет при 50 °С, до 7 лет в комнатных условиях.

3. Разработаны и внедрены метод и запатентованное устройство для усталостных испытаний анизотропных ПКМ в режиме циклических переменных нагрузок, которые позволяют получать достоверные кривые усталости по результатам испытаний ограниченного числа образцов. Проведена апробация метода и устройства на однонаправленных стекло- и базальтопластиковых стержнях круглого сечения в диапазоне циклов нагружения до 107.

4. Экспериментально доказано, что существующие стандартные и нестандартные методы и устройства для испытаний ПКМ на растяжение, сжатие и изгиб непригодны для изучения механических свойств анизотропных однонаправленных стеклопластиковых стержней круглого сечения. Стандартные методы предназначены для плоских образцов, но при испытаниях пластин дают результаты для сжатия и растяжения, отличающиеся от 20 до 100% для разных видов и схем нагружения, так и для образцов разных форм и размеров при одном виде нагружения. Для критерия оценки качества и погрешностей методов испытаний предложены теоретические характеристики, рассчитанные по правилу смесей для модельного однонаправленного стеклопластика, выбранного предметом исследований.

5. Разработаны и усовершенствованы методы и устройства для получения достоверных результатов испытаний однонаправленных стеклопластиковых стержней круглого сечения на растяжение, сжатие и трехточечный поперечный изгиб. Показано, что даже трудоемкая тщательная подготовка образцов и приспособлений для растяжения и сжатия вдоль волокон не позволяет добиться разрушения в рабочей части образца и получить истинные значения прочности материала. Достоверные значения прочности получены модифицированным методом трехточечного поперечного изгиба, а модуля Юнга - методами осевого растяжения и сжатия.

6. В результате испытаний на сжатие и устойчивость однонаправленных стек-лопластиковых стержней разной длины с жесткой, шарнирной и комбинированной заделкой установлена зависимость критического напряжения от длины, которая имеет три характеристические области. Найдены границы областей и предложены эмпирические выражения для расчета величины критического напряжения, с учетом коэффициентов вариации и запаса прочности. Полученная зависимость справедлива для однонаправленных стеклопластиков с объемным содержанием армирующих волокон от 0,60 до 0,75 в широком исследованном диапазоне длин и диаметров стержней.

7. Разработаны устройства для испытаний на сдвиг вдоль волокон методом трехточечного изгиба короткой балки круглых стержней диаметром до 22 мм, и методом продавливания стержней диаметром свыше 22 мм. Разработано устройство для термомеханических испытаний образцов ПКМ круглой и плоской формы при нагружении трехточечным поперечным изгибом.

8. Разработаны и внедрены рекомендации по выбору способа испытаний натурных фрагментов изделий без механической обработки, учитывающие их форму, размеры и свойства. Определены факторы геометрического подобия для испытаний круглых стержней в широком диапазоне варьирования размеров. Разработанные методы иллюстрированы конкретными примерами приемосдаточных заводских испытаний однонаправленных стеклопластиковых стержней разных диаметров для силового элемента, СПА, насосной штанги, электроизоляторов.

9. Проведена апробация и государственная экспертиза разработанных методов термомеханических испытаний, статических испытаний на продольный изгиб, длительных и усталостных испытаний в нескольких независимых лабораториях ведущих испытательных центров и научных учреждений. Получены положительные заключения о разработанных методах испытаний для анизотропных ПКМ.

10. На основании теоретических представлений, анализа и обобщения экспериментальных данных по статическим испытаниям на растяжение, сжатие, поперечный и продольный изгиб, термомеханическим испытаниям, по длительным и усталостным испытаниям для изучаемого класса однонаправленных стеклопластиковых стержней предложена методика инженерного расчета ответственных конструкций в реальных условиях эксплуатации. Методика внедрена для проектировочного расчета конструкций с применением стеклопластиков в строительстве, нефтегазовом машиностроении, электротехнической и горнодобывающей промышленности.

11. Разработанные методы и устройства для статических испытаний на растяжение, сжатие, поперечный и продольный изгиб, на сдвиг вдоль волокон, для термомеханических испытаний введены для определения контролируемых параметров при производстве изделий в технические условия на СПА ТУ 2296-00120994511, стеклопластиковый силовой элемент ТУ 2296-005-20994511, стекло-пластиковые стержни для электроизоляторов ТУ 2296-009-20994511, анкер стеклопластиковый ТУ 3142-012-20994511-05, стержни арматурные периодического профиля ТУ 2296-016-20994511. Методы, устройства и полученные результаты использованы для сравнительных, исследовательских, типовых и сертификационных испытаний стекло- и базальтопластиковых образцов в нескольких независимых испытательных центрах, а также нашли применение в учебном процессе.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Блазпов, А.Н. Прогнозирование длительной прочности стеклопластиковой арматуры / А.Н. Блазпов, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой, В.Ф. Савин //Механика композ. матер. и констр. - 2003. - Т.9. - № 4. - С. 579-592.

2. Волков, Ю.П. Метод определения механических характеристик стержней по результатам испытаний на продольный изгиб / Ю.П. Волков, А.Н. Луговой, В.Ф. Савин, А.И. Хе, А.Н. Блазнов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2004. - Т. 70, №9.-С. 58-62.

3. Блазнов, А.Н. Аппроксимирующие выражения для описания параметров тонкого продольно изогнутого, шарнирно опертого стержня / А.Н. Блазнов, В.Ф. Савин, А.Н. Луговой // Известия вузов. Машиностроение. - 2004. - № 12. - С. 16-26.

4. Савин, В.Ф. Исследование механических свойств стеклопласгиковых стержней методом продольного изгиба / В.Ф. Савин, А.Н. Луговой, А.Н. Блазнов, Ю.П. Волков, А.И. Хе //Механика композиц. матер, и констр. -2004, - Т. 10. -№ 4.-С. 499-516.

5. Волков, Ю.П. Методика определения прочности стеклопластиковой арматуры при межслоевом сдвиге / Ю.П. Волков, А.Н. Блазнов, А.Н. Луговой, В.Ф. Савин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2005.-Т. 71, № 11.-С. 39-41.

6. Савин, В.Ф. Продольный изгиб как метод определения механических характеристик материалов / В.Ф. Савин, А.Н. Луговой, Ю.П. Волков, А.Н. Блазнов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2006. - Т. 72. ~№ С. 55-58.

7. Блазнов, А.Н. Испытания на длительную прочность стержней из композиционных материалов / А.Н. Блазнов, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой, В.Ф. Савин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2006. - Т. 72. -№ 2. - С. 44-52.

8. Савин, В.Ф .Прогнозирование прочности конструкций из однонаправленно армированных стеклопласгиковых стержней / В.Ф. Савин, А.Н. Блазнов, М.Г. Петров, Г.И. Русских // Механика композиц. матер, и констр. - 2007. - Т. 13. - № 1. - С. 97-112.

9. Савин, В.Ф. Методика определения сопротивления усталости стеклопласгиковых стержней круглого сечения / В.Ф. Савин, А.Н. Блазнов, Н.М. Киселев // Заводская лаборатория. Диагностика материалов - 2007. - Т. 73. - № 7. - С. 48-52.

10. Савин, В.Ф. Влияние эксцентриситета оси стержня относительно опор на результаты испытания при продольном изгибе/ В.Ф. Савин, А.Н. Блазнов, Н.М. Киселев,

A.B. Ширяева// Заводская лаборатория. Диагностика материалов.- 2007 - Т. 73.- № 9-С. 70-75.

11. Блазнов, А.Н. Исследование прочности и устойчивости однонаправленных стеклопласгиковых стержней при осевом сжатии / А.Н. Блазнов, В.Ф. Савин, Ю.П. Волков,

B.Б. Тихонов//Механика композиц. матер, и констр. -2007.-Т. 13. -№ 3. - С. 426-440.

12. Савин, В.Ф. Метод построения силовых зависимостей долговечности для стержней из полимерных композиционных материалов / В.Ф. Савин, А.Л. Верещагин, А.Н. Блазнов, А.Н. Луговой, В.Б.Тихонов, О.В. Быстрова // Заводская лаборатория. Диагностика материалов - 2008. - Т. 74. - № 8. - С. 58-62.

13. Савин, В.Ф. Усталостная прочность и выносливость стержней из композиционных материалов / В.Ф. Савин, Н.М. Киселев, А.Н. Блазнов, А.Л. Верещагин, О.В. Быстрова // Механика композиц. матер, и констр. - 2008. — Т. 14. - № 3. — С. 332-352.

14. Блазнов, А.Н. Автоматизированный релаксомстр для определения температуры стеклования полимеров / А.Н. Блазнов, О.В. Старцев, В.Ф. Савин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - №1. - С. 198.

15. Блазнов, А.Н. Автоматизированная установка для определения прочности и модуля Юнга упругих стержней при продольном изгибе / А.Н. Блазнов, О.В. Старцев, В.Ф. Савин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - №1. - С. 199.

16.Блазнов, А.Н. Автоматизированная установка для усталостных испытаний стержней при продольном изгибе / А.Н. Блазнов, О.В. Старцев, В.Ф. Савин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - №1. - С.200.

17.Поздеев, С.П. Способ испытаний упругих стержней на долговечность и устройство для его осуществления / С.П. Поздеев, А.Н. Блазнов, В.Ф. Савин, В.Б. Тихонов, Н.М. Киселев // Пат. РФ № 2357223. 0публ.27.05.2009, бюл. №15.

18. Поздеев, С.П. Установка для усталостных испытаний образцов/ С.П. Поздеев, В.Ф. Савин, А.Н. Блазнов, Н.М. Киселев// Пэт.РФ №2357225.0публ.27.05.2009, бюл.№15.

19. Испытания упругих стержней методом продольного изгиба / В.Ф. Савин, А.Н. Блазнов, О.В. Старцев и др. - Барнаул: Изд-во Алт. гос. ун-та, 2009. - 222 с.

20. Савин, В.Ф. Метод определения долговременной прочности стеклопластиковой арматуры / В.Ф.Савин, А.Н. Блазнов // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: Межвузовский сборник / Под ред. Г.В. Леонова. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2001. - С. 214-219.

21. Блазнов, А.Н. Исследование устойчивости стеклопластиковых стержней / А.Н. Блазнов, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой, В.Ф. Савин // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: Межвузовский сборник / Под ред. Г.В. Леонова. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2002. - С. 153-158.

22. Блазнов, А.Н. Исследование долговечности стеклопластиковой арматуры / А.Н. Блазнов, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой, В.Ф. Савин // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: Межвузовский сборник / Под ред. Г.В. Леонова. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2002. - С. 158-163

23. Савин, В.Ф. Методика контроля термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов / В.Ф. Савин, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой, А.Н. Блазнов // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: Межвузовский сборник / Под ред. Г.В. Леонова. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2002.-С. 163-167.

24. Савин, В.Ф. Продольный изгиб как средство контроля механических характеристик композиционных конструкционных материалов / В.Ф. Савин, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой, А.Н. Блазнов, А.И. Хе // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: Межвузовский сборник / Под ред. Г.В. Леонова. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2002. - С. 167-172.

25. Блазнов, А.Н. Определение механических характеристик стержней из композиционных материалов методом продольного изгиба / А.Н. Блазнов, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой и др.// Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады IV Всерос. науч.-практ. конф. - М.: ЦЭИ «Химмаш», 2004.-С. 86-90.

26. Блазнов, А.Н. Долговременная прочность стержней из композиционных материалов / А.Н. Блазнов, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой и др.// Проблемы качества в строительстве: Материалы IV Всерос. конф. - Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2003. - С. 18-23.

27. Пушилин, A.A. Автоматизированная установка для определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов / A.A. Пушилин, А.Н. Блазнов, Ю.П. Волков, В.И. Голубев, В.Ф. Савин // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: Межвузовский сборник / Под ред. Г.В. Леонова. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2003. - С. 116-122.

28. Блазнов, А.Н. Исследование деформации стеклопластиковых стержней при продольном изгибе / А.Н. Блазнов, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой и др.// Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: Межвузов. сборник/Под ред. Г.В. Леонова. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2003. -С. 180-185.

29.Блазнов, А.Н. Определение механических характеристик стержней для полимерных изоляторов методом испытания на продольный изгиб / А.Н. Блазнов, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой, В.Ф. Савин, А.И. Хе //Подвесные и опорные полимерные изоляторы: производство, технические требования, методы испытаний, опыт эксплуатации, диагностика: Материалы межд. науч.-техн. конф. - СПб: Изд-во ПЭИПК, 2004. - С. 42-56.

30. Блазнов, А.Н. Стеклопластиковые стержни ООО «Бийский завод стеклопластиков» для полимерных изоляторов / А.Н. Блазнов, Ю.И. Ладыгин, А.Н. Луговой, Г.И. Русских, В.Ф. Савин // Подвесные и опорные полимерные изоляторы: производство, технические требования, методы испытаний, опыт эксплуатации, диагностика: Материалы межд. науч.-техн. конф. - СПб: Изд-во ПЭИПК, 2004. - С. 57-67.

31. Блазнов, А.Н. Моделирование поведения упругого стержня при продольном изгибе / А.Н. Блазнов, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой, В.Ф. Савин, А.И. Хе // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: Межвуз. сборник / Под ред. Г.В. Леонова. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2004. - С 30-33.

32. Блазнов, А.Н. Определение упругих характеристик материалов на примере испытаний армированных пластиков / А.Н. Блазнов, А.Н. Луговой, В.Ф. Савин, Ю.П. Волков // Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте: Материалы П1 межд. науч.-техн. конф. - Самара: Изд-во ООО «Самлюкс», 2005. - С. 39-44.

33. Блазнов, А.Н. Автоматизированная установка для испытаний стеклопластико-вых стержней на продольный изгиб / А.Н. Блазнов, A.A. Пушилин, А.Н. Луговой и др.// Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: Межвузовский сборник / Под ред. Г.В. Леонова. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2005.-С 36-39.

34. Блазнов, А.Н. Влияние методики на результат испытаний однонаправленных стеклопластиков/А.Н. Блазнов, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой, В.Ф. Савин, Г.И. Русских// Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: Межвузовский сборник / Под ред. Г.В. Леонова. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2005.-С 39-42.

35. Блазнов, А.Н. Усталостная прочность стеклопластиковых стержней с оконцева-телями / А.Н. Блазнов, А.Н. Луговой, Г.И. Русских, В.Ф. Савин // Численные методы решения задач теории упругости и пластичности: Труды 19-й Всерос. конф. - Новосибирск: Изд-во «Параллель», 2005. - С. 43-47.

36. Савин, В.Ф. Оценка качества и конкурентоспособности гибких связей Бийского завода стеклопластиков / В.Ф. Савин, А.Н. Блазнов, A.B. Ширяева, Н.М. Киселев // Управление качеством образования, продукции и окружающей среды: Материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2006. - С.229-234.

37. Блазнов, А.Н. Ресурсосберегающие технологии в испытаниях / А.Н. Блазнов, Н.М. Киселев, В.Ф. Савин// Ресурсосберегающие технологии в машиностроении: Материалы V Всерос. науч.-практ. конф. -Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2006 - С 39-45.

38. Савин, В.Ф. Методика и установка для циклических испытаний стержней из полимерных композиционных материалов / В.Ф. Савин, Н.М. Киселев, А.Н. Блазнов, E.H. Битков // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады VII Всерос. науч.-практ. конф. - М.: ЦЭИ «Химмаш», 2007. -С 131-134.

39. Савин, В.Ф. Результаты циклических испытаний стержней из полимерных композиционных материалов / В.Ф. Савин, Н.М. Киселев, А.Н. Блазнов, E.H. Битков // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады VII Всерос. науч.-практ. конф. - М.: ЦЭИ «Химмаш», 2007. - С 135-138.

< {■"

40. Блазнов, А.Н. Испытание стеклопластиковых стержней при различных температурах / А.Н. Блазнов, В.Б. Тихонов, Е.Н. Битков, В.Ф. Савин i'I Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады VII Всерос. науч.-практ. конф. - М.: ЦЭИ «Химмаш», 2007. - С 138-140.

41. Блазнов, А.Н. Зависимость критического напряжения от гибкости стеклопластиковых стержней / А.Н. Блазнов, В.Б. Тихонов, В.Ф. Савин, Ю.П. Волков // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады УП Всерос. науч.-практ. конф. -М.: ЦЭИ «Химмаш», 2007. - С 140-144.

42. Старцев, О.В. Сравнительные испытания стержней из полимерных композиционных материалов по определению температуры стеклования методом трехточечного изгиба и крутильных колебаний / О.В. Старцев, А.С. Кротов, В.Ф. Савин, Ю.П. Волков, А.Н. Блазнов // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады VII Всерос. науч.-практ. конф. - М.: ЦЭИ «Химмаш», 2007.-С 144-147.

43. Луговой, А.Н. Хладостойкость и морозостойкость стеклопластика, выпускаемого ООО «Бийский завод стеклопластиков» / А.Н. Луговой, В.Ф. Савин, М.Г. Петров, А.Н. Блазнов, О.В. Старцев // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады VII Всерос. науч.-практ. конф. - М.: ЦЭИ «Химмаш», 2007. - С 149-153.

44. Киселев, Н.М. Усталостная прочность стержней из композиционных материалов при продольном изгибе и растяжении / Н.М. Киселев, В.Ф. Савин, А.Н. Блазнов // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады VIII Всерос. науч.-практ. конф. - Бийск: БТИ АлтГТУ, 2008. - С 137-142.

45. Тихонов, В.Б. Метод и установка для испытаний строительной арматуры из полимерных композиционных материалов/ В.Б. Тихонов, А.Н. Блазнов, В.Ф. Савин// Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады VIII Всерос. науч.-практ. конф. - Бийск: БТИ АлтГТУ, 2008.-С 142-146.

46. Рудольф, А.Я. Продольный изгиб для определения прочности плит авиационных углепластиков/ А.Я. Рудольф, В.Ф. Савин, О.В. Старцев, А.Н. Блазнов, А.Е. Раскутан // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады IX Всерос. науч-практ. конф. - Бийск: БТИ АлтГТУ, 2009. - С 148-153.

47. Блазнов, А.Н. Модуль упругости однонаправленных стеклопластиков при растяжении, сжатии и изгибе / А.Н. Блазнов, В.Ф. Савин, М.Г. Петров // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады IX Всерос. науч.-практ. конф. -Бийск: БТИ АлтГТУ, 2009. - С 129-133.

48. Блазнов, А.Н. Метод трехточечного изгиба для испытаний однонаправленных стеклопластиковых стержней круглого сечения / А.Н. Блазнов, В.Ф. Савин, Ю.П. Волков, О.В. Старцев // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады IX Всерос. науч.-практ. конф. - Бийск: БТИ АлтГТУ, 2009.-С 133-138.

49. Блазнов, А.Н. Методы механических испытаний анизотропных стеклопластиковых стержней / А.Н. Блазнов // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады IX Всерос. науч.-практ. конф. -Бийск: БТИ АлтГТУ, 2009. - С 120-124.

Подписано в печать 03.09.09. Формат 60x84 1/16. Заказ 2009-90 Усл. п. л. - 2,33. Уч.-изд. л. - 2,5. Печать - ризография. Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ. 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ И НЕДОСТАТКИ ДЕЙСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1 Источники погрешностей при измерениях механических показателей анизотропных ГЖМ.

1.2 Моделирование и критерии разрушения.

1.3 Оборудование и методы для кратковременных механических испытаний при растяжении, сжатии и изгибе.

1.4 Оборудование и методы для испытаний на длительную прочность и долговечность при статических нагрузках.

1.5 Оборудование и методы испытаний ПКМ на длительную прочность при циклически меняющихся нагрузках.

1.6 Диаграммы усталостной прочности и гипотезы разрушения.

1.7 Постановка задачи. Актуальность дальнейшего развития методов испытаний анизотропных ПКМ.

ГЛАВА 2 РАЗВИТИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ КРАТКОВРЕМЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ АНИЗОТРОПНЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ СТЕРЖНЕЙ.

2.1 Обоснование выбора однонаправленных стеклопластиковых стержней как основного материала для исследований.

2.2 Растяжение.

2.3 Осевое сжатие.

2.4 Трехточечный поперечный изгиб.

2.5 Продольный изгиб.

2.6 Экспериментальные погрешности и оценки достоверности результатов измерений при сравнительных испытаниях.

2.7 Сдвиг вдоль волокон.

2.8 Методы и устройства для термомеханических испытаний.

2.9 Ограничения применимости предложенных методов.

ГЛАВА 3 РАЗВИТИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ АНИЗОТРОПНЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ СТЕРЖНЕЙ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ.

3.1 Обоснование выбора температуры, величины нагрузки и количества образцов для испытаний.

3.2 Растяжение.

3.3 Трехточечный поперечный изгиб.

3.4 Продольный изгиб.

3.5 Осевое сжатие.

3.6 Аппроксимация результатов испытаний.

3.7 Экспериментальные погрешности и оценки достоверности результатов измерений при сравнительных испытаниях.

3.8 Ограничения применимости предложенных методов.

ГЛАВА 4 РАЗВИТИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ АНИЗОТРОПНЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ СТЕРЖНЕЙ , НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИ МЕНЯЮЩИХСЯ НАГРУЗКАХ.

4.1 Растяжение.

4.2 Продольный изгиб.

4.3 Исследование зависимости между выносливостью стеклопластико-вых стержней и прикладываемыми нагрузками и аппроксимация результатов испытаний.

4.4 Экспериментальные погрешности и оценки достоверности результатов измерений при сравнительных испытаниях.

4.5 Ограничения применимости предложенных методов.

ГЛАВА 5 ПРИМЕРЫ ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ 223 ПРОДУКЦИИ БИЙСКОГО ЗАВОДА СТЕКЛОПЛАСТИКОВ.

5.1 Влияние формы, размеров и свойств образцов на выбор метода для испытаний.

5.2 Приемо-сдаточные испытания стеклопластиковой арматуры.

5.3 Приемо-сдаточные испытания стеклопластиковых стержней больших диаметров для электрических изоляторов, насосных штанг и анкерных крепей.

5.4 Исследование длительной прочности стеклопластиковых стержней при различных температурах.

5.5 Исследование усталостной прочности стеклопластиковых стержней.

5.6 Оценка сроков безопасной работоспособности стеклопластиковых стержней в реальных условиях эксплуатации.

ГЛАВА 6 ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ МЕТОДОВ И ОБОРУДОВАНИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ.

6.1 Расширение температурного интервала испытаний.

6.2 Сравнительные механические испытания базальтопластиковых стержней.

6.3 Прочность и модуль Юнга плит углепластика авиационного назначения.

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. Полимерные композиционные материалы (ПКМ), представляющие собой большой класс современных конструкционных материалов, конкурируют с классическими, такими как металлы и сплавы, и их применение с каждым годом расширяется. Наиболее распространенные ПКМ на основе эпоксисоединений, армированные углеродными, органическими, стеклянными волокнами, являются анизотропными системами. Согласно мнению ведущих ученых в области разработки методов механических испытаний ПКМ (Ю.М. Тар-нопольский с сотрудниками), методы испытаний композитов, разработанные еще в 80-х гг. прошлого века, отстают от быстро развивающихся технологий создания этих материалов. В настоящее время действуют стандарты на методы испытаний ПКМ: ГОСТ 25.601-80; ГОСТ 11262-80 - на растяжение; ГОСТ 25.602-80, ГОСТ 4651-82 - на сжатие; ГОСТ 25.604-82, ГОСТ 4648-71 - на статический изгиб; ГОСТ 4647-80 - определение ударной вязкости; ГОСТ 9550-81 - определение модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе, часть которых разработана для гомогенных изотропных пластмасс, для которых, в свою очередь, методы' испытаний заимствованы из стандартов от металлов. Аналогичные стандарты^ действуют в США (ASTM D3039- на растяжение, ASTM D695 - на сжатие, ASTM D790 - на изгиб), Германии (DIN 53392 - на растяжение, DIN 53457 - на сжатие, DIN 53452 - на изгиб), Великобритании, Франции. Стандартные методы испытаний обладают рядом недостатков, главный из которых - зависимость результатов измерений от разрешенных стандартами вариаций формы и размеров образцов, видов испытательных устройств, формы захватов и способов крепления образцов. Нередко различия измеренных показателей прочности и модулей упругости составляют недопустимые десятки процентов. Чтобы реализовать высокую точность измерений в рамках существующих стандартов, в каждом конкретном случае требуется исследовать перечисленные зависимости и определить тот набор условий измерений, при котором флуктуации минимизируются. Это резко увеличивает трудоемкость и стоимость измерений. Особенно проблемными являются испытания на длительную прочность, воздействие эксплуатационных факторов (влаги, температуры), циклическую выносливость. Применение стандартных подходов и оборудования к испытаниям однонаправленно армированных композитных стержней круглой формы зачастую невозможно из-за проблем соединения изделия из композита с металлическим захватом испытательной машины (разрушение происходит не в рабочей части образца, а в захвате или на границе металл-пластик).

В настоящее время технологии создания и исследований ПКМ отнесены к критическим технологиям, имеющим приоритетное значение для развития научно-технологического комплекса России.

Разработке новых и совершенствованию ранее принятых методов испытаний анизотропных ПКМ посвящено большое количество работ, но отдельные достигнутые положительные результаты не нашли широкого распространения и не стандартизованы. Это вызвано прежде всего большой сложностью и высокой стоимостью изготовления образцов и оснастки для испытаний, сопряжено с большими временными затратами для тщательной подготовки и проведения экспериментов, что делает предложенные способы и установки малопривлекательными для массовых испытаний при контроле серийной продукции. Часто методы и оснастка для испытаний не обеспечивают должной воспроизводимости результатов, при этом результаты зависят от квалификации исследователя (человеческого фактора).

В связи с ожидаемым расширением номенклатуры новых ПКМ и реализацией новых наукоемких технологий изготовления, разрыв между технологиями и методами испытаний возрастает с каждым годом. Таким образом, на сегодняшний день «инструмент», с помощью которого можно надежно характеризовать механические свойства вновь создаваемых композитов, прогнозировать изменение этих свойств в процессе эксплуатации и сравнивать их с зарубежными и отечественными аналогами, нуждается в существенном усовершенствовании.

При проектировании ответственных конструкций: зданий, сооружений, мостов, тоннелей, корпусов на основе ПКМ необходимы надежные данные о материале для расчета несущей способности в условиях эксплуатации на длительный период. Обычно, для нового малоизученного материала, прогнозирование производят на основе экспериментальных исследований для каждого вида нагружения, приближенного к условиям эксплуатации. При этом, вызванное погрешностями экспериментального метода испытаний, чрезмерное завышение несущей способности может привести к аварийной ситуации, большим убыткам и человеческим жертвам, а занижение истинной прочности в результатах испытаний и расчетов увеличивает себестоимость конструкции, и делает материал малопривлекательным и неконкурентноспособным по сравнению с традиционными, такими как металлы и сплавы.

В связи с этим, актуальной задачей является развитие методов испытаний для определения механических и эксплуатационных свойств анизотропных ПКМ, получение достоверных экспериментальных данных о характеристиках материала в исходном состоянии и снижении их в процессе длительной эксплуатации, разработка новых способов обработки экспериментальных данных с целью повышения точности, снижения стоимости и сроков испытаний и развитие методик расчета несущей способности конструкций из ПКМ на основе оптимизации технико-экономических показателей и экспериментально проверенных свойств материалов.

Часть исследований выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (мероприятие 1.3 Программы, I очередь), заявка 2009-03-1.3-24-06-142, тема «Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и формированию научно-технического задела в области создания и обработки композиционных и керамических материалов», госконтракт № 02.513.11.3457.

Целью работы является разработка новых и совершенствование известных методов и устройств механических испытаний анизотропных стержней круглой формы, обладающих универсальностью, простотой осуществления, обеспечивающих информативность, достоверность и воспроизводимость результатов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить комплекс задач:

- провести анализ состояния вопроса механических испытаний ПКМ, выявить недостатки существующих методов и устройств испытаний с целью их исправления;

- создать специальное оборудование для реализации методов испытаний, учитывающих особенности анизотропных стержней;

- проанализировать и минимизировать источники погрешности методов испытаний и оценить величину вносимых погрешностей в определяемые характеристики;

- провести экспериментальную отработку и выбор оптимальных условий испытаний и размеров образцов, обосновать требования к оснастке и измерительным приборам;

- провести апробацию методов и устройств на испытаниях выбранного класса анизотропных стержней, выявить граничные условия методов испытаний;

- разработать алгоритмы автоматизированного управления и обработки результатов испытаний;

- разработать прикладные методики и оборудование для исследовательских, типовых, сертификационных, приемосдаточных испытаний анизотропных ПКМ и изделий, пригодные для введения в нормативную документацию;

- провести экспертизу и апробацию разработанных методов и устройств в независимых организациях и на действующем производстве, накопить статистику результатов испытаний, внедрить разработанные методы в практику промышленного контроля материалов и изделий.

Объектом исследования являются методы механических испытаний ПКМ на растяжение, сжатие, изгиб, методы длительных и усталостных испытаний и термомеханических исследований.

Предметом исследования являются круглые однонаправленно армированные стеклопластиковые стержни диаметром от 2 до 46 мм с высоким объемным содержанием стеклянных армирующих волокон 0,60-0,75. Матрицей в исследованном стеклопластике является связующее марки ЭДИ на основе эпоксидных смол ЭД-20 или ЭД-22 и ангидридного отвердителя изо-МТГФА. Армирующие волокна - ровинги из алюмоборосиликатного стекла (стекла Е) с диаметром элементарной нити от 13 до 20 мкм. Эти стержни обладают наиболее высокой прочностью вдоль армирования при достаточно низкой прочности в поперечном направлении, что вызывает дополнительные трудности при проведении измерений механических показателей. Апробация разработанных методов испытаний выполнена также на нескольких видах однонаправленных стекло- и базальтопласти-ковых стержней круглого сечения диаметром 5-7 мм, и углепластиковых плитах авиационного назначения толщиной 2,4, 10 мм.

Для решения поставленных задач применены теоретический и экспериментальный методы исследований. Теоретическим методом исследовано поведение образцов в процессе нагружения, найдены выражения для описания напряженного состояния стержней, оценки погрешностей методов испытаний. Для обработки и обобщения результатов экспериментов в аналитические и эмпирические зависимости применены методы статистической обработки данных с использованием ЭВМ. Экспериментальные исследования служат для отработки оборудования, исследования влияния размеров образцов и оснастки на результат испытаний, исследований применимости установок для испытаний ПКМ, демонстрации работоспособности методов и устройств на примере определения механических характеристик материала в исходном состоянии, а также при длительном действии постоянных и циклических нагрузок при различных температурах.

Научная новизна. Разработаны новые экспериментальные методы и устройства для изучения механических свойств анизотропных стеклопластиковых стержней. При этом впервые:

- разработан новый метод продольного изгиба для определения механических свойств анизотропных стержней цилиндрической формы, позволяющий при локализации разрушения в рабочей зоне образца одновременно определять значения модуля, прочности, предельной деформации, энергии разрушения, и упругих показателей ПКМ;

-исследовано влияние факторов, влияющих на результаты измерений методом продольного изгиба (форма и размеры образцов, эксцентриситет оси образца, температура испытаний и др.), на основе которых обоснована универсальность метода для статических и циклических режимов испытаний стеклопластиковых стержней и предложены корректирующие выражения для минимизации погрешностей;

-предложена новая методика расчета конструкционной прочности ПКМ, основанная на информации о механических показателях, определенных продольным изгибом и учете факторов заделки в зажимах (концентрации напряжений) при растяжении и сжатии;

-определены закономерности влияния длительно действующих постоянных нагрузок при растяжении, сжатии и продольном изгибе на стеклопластиковые стержни, на основе которых разработаны метод и устройства для экспресс-испытаний на длительную прочность при постоянной нагрузке при температурах, соответствующих стеклообразному состоянию связующего;

-предложена новая методика обработки результатов испытаний стеклопла-стиковых стержней на долговечность при статических и циклических нагрузках, основанная на гипотезе о соответствии между прочностью и долговечностью ПКМ, позволяющая сократить время длительных испытаний до 3 месяцев, уменьшить количество образцов и повысить точность измерений;

-разработана методика инженерного расчета несущей способности стекло-пластиковых стержней для ответственных конструкций, учитывающая влияние размеров, способов заделки, длительности и величины приложенной нагрузки и температуры на исходные свойства изделий.

Практическая значимость заключается в разработке прикладных методик и оригинальных конструкций установок для испытаний однонаправленных стекло-пластиковых стержней круглого сечения на растяжение, сжатие, поперечный и продольный изгиб; автоматизации процесса испытаний и обработки результатов; применении приемов малообразцовых испытаний на длительную прочность и циклическую выносливость, в совокупности с оригинальной обработкой результатов. Существенно расширена область применения метода продольного изгиба в диапазоне температур от минус 70 до 60 °С, соответствующих температурам эксплуатации изделий в условиях разных климатических районов; с помощью разработанных методов проведены сравнительные исследования однонаправленных круглых стержней из стекло- и базальтопластиков, отличающихся по рецептуре и свойствам; методы получили практическое использование для испытаний плоских образцов, вырезанных из углепластиковых плит авиационного назначения.

Реализация результатов исследований. Разработанные методы и устройства внедрены в ООО «Бийский завод стеклопластиков» (БЗС) для приемосдаточных, периодических и типовых испытаний. Методы и оборудование для механических испытаний временной, длительной и усталостной прочности однонаправленных стеклопластиков, а также способы оригинальной обработки результатов использованы в нескольких организациях: БЗС, г. Бийск; испытательном центре СМИК «СибНИИстрой», г. Новосибирск; ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт авиации имени С.А. Чаплыгина» (СибНИА), г. Новосибирск; испытательном центре СМИК «Стройэксперт», г. Новосибирск; Институте проблем нефти и газа (ИПНГ) СО РАН, г. Якутск. Методики испытаний введены в технические условия для заводского контроля изделий на основе однонаправленных стеклопластиковых стержней круглого сечения, полученные характеристики внесены в нормативную документацию на изделия и используются для проектировочного расчета ответственных конструкций в строительстве, нефтегазовом машиностроении, электротехнической промышленности и горном деле.

Разработанные методы и устройства для испытаний, полученные характеристики композиционных материалов и публикации автора используются в учебном процессе в лекционных курсах, при проведении практических и лабораторных занятий, выполнении курсовых и дипломных работ в Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ) им. И.И. Ползунова, Алтайском государственном университете (АлтГУ), г. Барнаул, и Бийском технологическом институте (БТИ). Использование результатов исследований на промышленных предприятиях, в ведущих научных центрах и вузах подтверждено актами внедрения.

Достоверность результатов исследований подтверждена использованием известных положений фундаментальных наук и непротиворечивых физико-математических моделей, удовлетворительным согласованием расчетных и опытных данных, использованием для выполнения экспериментальных измерений высокоточных современных измерительных приборов, проведением государственной поверки используемого оборудования, анализом погрешностей экспериментов по стандартным методикам, независимой апробацией и экспертизой разработанных методов и устройств испытаний в сторонних организациях, а также успешным многолетним применением разработанных методов и устройств для контроля выпускаемых стеклопластиковых изделий на промышленном предприятии.

На защиту выносятся:

- методы и устройства для экспериментальных исследований анизотропных стеклопластиковых стержней круглого сечения на растяжение, сжатие, трехточечный поперечный изгиб, сдвиг вдоль волокон, метод и устройство термомеханических испытаний армированных пластиков;

- метод испытания на продольный изгиб и конструкции установок для определения временной, длительной и усталостной прочности, модуля упругости и деформации однонаправленных стеклопластиков;

- новые способы обработки результатов малообразцовых длительных и циклических испытаний;

- результаты экспериментальных исследований предложенными методами однонаправленных стеклопластиковых стержней в диапазоне диаметров 2-46 мм, в интервале температур от минус 70 до 60 °С; в диапазоне времени длительных испытаний до 7 лет; в диапазоне усталостных испытаний до 107 циклов.

- методика расчета конструкционной прочности, долговечности и выносливости стеклопластиковых стержней и конструкций;

- результаты экспериментальных исследований базальтопластиковых круглых стержней, испытаний плоских образцов из углепластиковых плит.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-технических конференциях: II-VI Всероссийская научно-техническая конференция «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г. Бийск, 2001-2005); Научно-практическая конференция «Технические проблемы современного жилищно-гражданского строительства. Проектирование и строительство» (г. Новосибирск, 2002); IV Всероссийская конференция «Проблемы качества в строительстве» (г. Новосибирск, 2003); Конференция «Проектирование и строительство монолитных многоэтажных жилых и общественных зданий, мостов и тоннелей» (г. Москва, 2004), Международная научно-техническая конференция «Подвесные и опорные полимерные изоляторы: производство, технические требования, методы испытаний, опыт эксплуатации, диагностика» (г. Санкт-Петербург, 2004); 10-я Сибирская международная конференция по железобетону (г. Новосибирск, 2004); III Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте» (г. Самара, 2005); IV, VI- IX Всероссийская научно-практическая конференция «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (г. Бийск, 2004, 2006-2009); 19-я Всероссийская конференция «Численные методы решения задач теории упругости и пластичности» (г. Новосибирск, 2005); I, Н-я Всероссийская научно-практическая конференция «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (г. Бийск, 2006, 2007); V-я Всероссийская научно-практическая конференция «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (г. Бийск, 2006); 1-ая Региональная, II-ая Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Полимеры, композиционные материалы и наполнители для них» (г. Бийск, 2007, 2008); I, II-ая Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2008,2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 72 научных работы, в том числе 16 статей в центральных журналах, рекомендуемых ВАК, 2 патента на изобретение и 1 коллективная монография, остальные доклады в сборниках конференций.

Личный вклад автора состоит в формулировании основных научных идей, разработке программ исследований и планировании экспериментов, разработке методов испытаний и конструкций оборудования; в создании прикладных методик и инструкций испытаний и обработки результатов, руководстве аспирантами, сотрудниками и студентами-дипломниками по работам в исследуемой области, выполнении приемосдаточных, периодических, типовых и сертификационных испытаний изделий, подготовке технических условий на производстве, реализации научных разработок в учебном процессе. Большая часть экспериментальных исследований выполнена автором.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 335 наименований, 12 приложений, изложена на 345 страницах текста, содержит 126 рисунков, 32 таблицы.

выводы

1. Разработан и развит метод испытаний на продольный изгиб и устройства для его осуществления, которые позволяют проводить испытания образцов с размерами и профилем однонаправленных упругих стеклопластиковых стержней без механической обработки, определять в одном испытании значения прочности, предельной деформации, модуля Юнга и другие показатели с высокой точностью. Введены корректирующие выражения для точной оценки свойств материалов, чье поведение отличается от идеально-упругого тела более чем на 5 %. Проведена апробация метода для испытаний базальтопластиковых круглых стержней диаметрами 5-7 мм (отклонения от упругости от 10 до 70 %) и плоских образцов из углепластиковых плит толщиной 2,4 и 10 мм (отклонения от упругости от 7 до 30 %).

2. Разработаны и внедрены метод и устройства для длительных статических испытаний анизотропных ПКМ. Получен патент на способ и устройство для комплексных испытаний на растяжение, сжатие и продольный изгиб, которые за трехмесячный период испытаний позволяют прогнозировать работоспособность конструкций на срок эксплуатации до 50-100 лет. Проведена апробация предложенных методов и устройств для испытаний стеклопластиковых стержней, длительностью от двух недель при минус 30°С до 3-х лет при 50 °С, до 7 лет в комнатных условиях.

3. Разработаны и внедрены метод и запатентованное устройство для усталостных испытаний анизотропных ПКМ в режиме циклических переменных нагрузок, которые позволяют получать достоверные кривые усталости по результатам испытаний ограниченного числа образцов. Проведена апробация метода и устройства на однонаправленных стекло- и базальтопластиковых стержнях круглого сечения в диапазоне циклов нагружения до 107.

4. Экспериментально доказано, что существующие стандартные и нестандартные методы и устройства для испытаний ПКМ на растяжение, сжатие и изгиб непригодны для изучения механических свойств анизотропных однонаправленных стеклопластиковых стержней круглого сечения. Стандартные методы предназначены для плоских образцов, но при испытаниях пластин дают результаты для сжатия и растяжения, отличающиеся от 20 до 100% для разных видов и схем нагружения, так и для образцов разных форм и размеров при одном виде нагружения. Для критерия оценки качества и погрешностей методов испытаний предложены теоретические характеристики, рассчитанные по правилу смесей для модельного однонаправленного стеклопластика, выбранного предметом исследований.

5. Разработаны и усовершенствованы методы и устройства для получения достоверных результатов испытаний однонаправленных стеклопластиковых стержней круглого сечения на растяжение, сжатие и трехточечный поперечный изгиб. Показано, что даже трудоемкая тщательная подготовка образцов и приспособлений для растяжения и сжатия вдоль волокон не позволяет добиться разрушения в рабочей части образца и получить истинные значения прочности материала. Достоверные значения прочности получены модифицированным методом трехточечного поперечного изгиба, а модуля Юнга - методами осевого растяжения и сжатия.

6. В результате испытаний на сжатие и устойчивость однонаправленных стеклопластиковых стержней разной длины с жесткой, шарнирной и комбинированной заделкой установлена зависимость критического напряжения от длины, которая имеет три характеристические области. Найдены- границы областей и предложены эмпирические выражения для расчета величины критического напряжения, с учетом коэффициентов вариации и запаса прочности. Полученная зависимость справедлива для однонаправленных стеклопластиков с объемным содержанием армирующих волокон от 0,60 до 0,75 в широком исследованном диапазоне длин и диаметров стержней.

7. Разработаны устройства для испытаний на сдвиг вдоль волокон методом трехточечного изгиба короткой балки круглых стержней диаметром до 22 мм, и методом продавливания стержней диаметром свыше 22 мм. Разработано устройство для термомеханических испытаний образцов ПКМ круглой и плоской формы при нагружении трехточечным поперечным изгибом.

8. Разработаны и внедрены рекомендации по выбору способа испытаний натурных фрагментов изделий без механической обработки, учитывающие их форму, размеры и свойства. Определены факторы геометрического подобия для испытаний круглых стержней в широком диапазоне варьирования размеров. Разработанные методы иллюстрированы конкретными примерами приемосдаточных заводских испытаний однонаправленных стеклопластиковых стержней разных диаметров для силового элемента, СПА, насосной штанги, электроизоляторов.

9. Проведена апробация и государственная экспертиза разработанных методов термомеханических испытаний, статических испытаний на продольный изгиб, длительных и усталостных испытаний в нескольких независимых лабораториях ведущих испытательных центров и научных учреждений. Получены положительные заключения о разработанных методах испытаний для анизотропных ПКМ.

10. На основании теоретических представлений, анализа и обобщения экспериментальных данных по статическим испытаниям на растяжение, сжатие, поперечный и продольный изгиб, термомеханическим испытаниям, по длительным и усталостным испытаниям для изучаемого класса однонаправленных стеклопластиковых стержней предложена методика инженерного расчета ответственных конструкций в реальных условиях эксплуатации. Методика внедрена для проектировочного расчета конструкций с применением стеклопластиков в строительстве, нефтегазовом машиностроении, электротехнической и горнодобывающей промышленности.

11. Разработанные методы и устройства для статических испытаний на растяжение, сжатие, поперечный и продольный изгиб, на сдвиг вдоль волокон, для термомеханических испытаний введены для определения контролируемых параметров при производстве изделий в технические условия на СПА ТУ 2296-00120994511, стеклопластиковый силовой элемент ТУ 2296-005-20994511,. стеклопластиковые стержни для электроизоляторов ТУ 2296-009-20994511, анкер стеклопластиковый ТУ 3142-012-20994511-05, стержни арматурные периодического профиля ТУ 2296-016-20994511. Методы, устройства и полученные результаты использованы для сравнительных, исследовательских, типовых и сертификационных испытаний стекло- и базальтопластиковых образцов в нескольких независимых испытательных центрах, а также нашли применение в учебном процессе.

отключения

Кол ui».(ioe

Длина ; мм

4оо'.оо

Образец 2

Диаметры? d ср2 мм

5.4Б им dLm 2 мм

I 'JP«0 "

Циклы 2 Г4424Э Наличие «фазца Есть т Нет

Жулдыбинв Т- |

Fcnaa % /40.0

Наличие о<5разца Есть Jm Нет

500000

Ктар1.Н ;0Л4199011

Нагрузка 1 Цмр к<> юлько замер vi

Инг замера Nu Разность Переменная Прошл циклы Boolean 3 a"w i ]Э863 |40ав6 * Г ~ 0

Л ,! jJa. аВПуж] ^ g Н а LabVIEW ЦЦЦнк-м только заме. В TotalCommands,6-52 ■ V. j 5@||3.34

Рисунок 5.20 — Рабочее окно программы

Гмач 1

146.67 FtckI <141.06

Gamaxl, МПа Е1МЛа j 914.07 ;67929.15

Ga ma* 3. МПа ЕЗ.МПа

•879.12 ;S5332;38

Замер 1 Замер 2 щ g

Время замера Nu!

Гмач2 I 142.04 Ртек,2 : 142.00

Gal.Mna

JsSSe

Ga 3. МПа i653,05

Ga 2. МПа Ga max 2 МПа E 2. МПа

86143 ,88781 86042 02

Ga4. МПа Ga max 4. МПа Е4.МПа

861.22 (887.54 (ИЮдГ.

10.44

Испытания образца продолжают до тех пор, пока показания силоизмери-тельного датчика, фиксирующего сопротивление образца продольному изгибу, не снизятся более чем на 10 %. При обработке диаграммы зависимости нагрузки от количества циклов определяют момент разрушения, и соответствующую этому моменту циклическую долговечность N.

В главе 4 и работах [307, 308] приведены результаты испытаний на усталость под действием знакопостоянных циклических растягивающих нагрузок, для двух различных узлов соединения стеклопластиковых стержней с металлическим оконцевателем - СПА и ШНС. В работе [319] приведены результаты сравнительных параллельных испытаний одинаковых образцов при продольном изгибе и растяжении. Показано, что усталостная прочность и выносливость при продольном изгибе на 20 % выше, чем при растяжении, что объясняется действием контактных напряжений (зона разрушения при циклических испытаниях на растяжение находится внутри или вблизи оконцевателя, а при продольном изгибе - в средней части стержня, в месте наибольшего прогиба, также как и при статических испытаниях). Даны соотношения между усталостной прочностью и выносливостью при растяжении и продольном изгибе.

Предложенная в главе 4 методика обработки результатов усталостных испытаний позволяет привести все данные к безразмерной форме и объединить результаты испытаний на продольный изгиб, растяжение и литературные данные для стеклопластиковой арматуры больших сечений (САБС), приведённые в [77]. Испытаниям подвергались образцы арматуры диаметром 11 мм («САБС-11») и 22 мм («САБС-22»). Образцы «САБС-11» имели прочность (ав с), равную 1030 МПа, а образцы «САБС-22» имели прочность 750 МПа. Испытания проводили при частоте 500 циклов в минуту. Образцы «САБС-11» испытывали при трёх различных соотношениях между о-™" и а™3* (коэффициент асимметрии цикла р = о-™"1 /сг™3* составлял 0,85, 0,75 и 0,50 (обозначение р - по первоисточнику).

Данные могут быть обобщены, если использовать в качестве характеристики усталостной прочности [323, 324] приведенное напряжение

P-V<ax'2<> (5.8) где 2<Тц = о-Г-о-Г - размах изменения напряжений в течение одного цикла.

Зависимость сц от N для «САБС-11» показана на рисунке 5.19, из которого следует, что при использовании преобразования (5.8) усталостная прочность изделий из стеклопластиковых стержней может быть аппроксимирована единым выражением, независящим от значения коэффициента асимметрии цикла. Разделив значение оц на значение ов, и обозначив его, как уц, получим обобщенную зависимость между усталостной прочностью и количеством циклов до разрушения. Результаты такого преобразования для различных изделий из стеклопластика показаны на рисунке 5.21.

О)

-0,4 -0,6 -0,8 -1

2 3 4 5 6 lg(N)

Рисунок 5.21 - Обобщенная зависимость усталостной прочности от предельного количества циклов нагружения: 1, 2 — экспериментальные данные ШНС-19 и СПА-5,5 соответственно; 3 — аппроксимация по выражению (5.9); 4, 5 — аппроксимация литературных данных для С АБС-И и САБС-22 [77]

В результате обработки обсуждаемых здесь экспериментальных данных получено- выражение, которое позволяет прогнозировать («снизу») усталостную прочность изделий исследуемого типа на базе требуемого количества циклов нагружения: уц~0,9-ЛГ43'15. (5.9)

На рисунке 5.19 аппроксимация результатов испытаний этим выражением показана сплошной линией. Из рисунка видно, что выражение (5.9) действительно даёт прогноз прочности с некоторым запасом.

Таким образом, созданные методы и устройства для циклических испытаний на растяжение и продольный изгиб нашли практическое применение для оценки усталостной прочности и выносливости стеклопластиковых стержней в нескольких независимых лабораториях. В результате получены экспериментальные данные усталостных испытаний при растяжении и продольном изгибе, которые использованы для паспортизации стеклопластиковых изделий, работающих при циклических нагрузках. Созданные автономные компактные установки позволяют проводить усталостные испытания на продольный изгиб на модельных образцах длительностью до 7

10 циклов, без применения громоздкого дорогостоящего оборудования. Предложенный оригинальный способ обработки результатов испытаний позволяет объеди 1 О 2 -3 --4 -5 сг-^ о нить данные для изделий из стеклопластиков разных конструкций и разных размеров, и перенести результаты малообразцовых испытаний модельных стержней на изделия больших диаметров.

5.6 Оценка сроков безопасной работоспособности стеклопластиковых стержней в реальных условиях эксплуатации

Результаты выполненных исследований были использованы для расчета несущей способности ответственных конструкций на основе однонаправленных стеклопластиков [308].

5.6.1 Сравнение теоретической и экспериментальной прочности

При проектировании изделий, подвергающихся в процессе эксплуатации механическим воздействиям, сочетание их надёжности и экономической эффективности, во многом зависит от умения правильно оценивать прочностной ресурс. Изделия из ПКМ, в частности однонаправленных стеклопластиков, находят применение в качестве строительной арматуры в домостроении, стержней для полимерных электроизоляторов и насосных штанг, анкеров шахтных крепей в горнодобывающей промышленности, и область их применения расширяется. Однона-правленно армированные стержни из композитного материала могут обладать очень высокой механической прочностью при нагружении их в осевом направлении, на уровне 1700-2200 МПа [1,3,48, 77].

В литературе можно найти данные по исследованиям влияния отдельных параметров на свойства стекло- и базальтопластиков, однако проблема заключается в том, что эти параметры очень чувствительны к технологии изготовления, сырьевым компонентам и их содержанию в ПКМ, поэтому объединить разрозненные литературные данные для паспортизации какого-то конкретного изделия не представляется возможным. Кроме того, ввиду большой трудоемкости и высокой стоимости экспериментальных работ практически отсутствуют надежные результаты длительных испытаний, объединяющих влияние комбинации основных негативных факторов на механические свойства ПКМ. Чаще всего влияние учитывают с помощью комплексного коэффициента условий работы, по выражению где Yi. y n ~ коэффициенты условий работы, учитывающие влияние каждого фактора в отдельности.

Величины коэффициентов условий работы определяют по результатам испытаний, с помощью выражения: где Rx - характеристика материала, определенная при воздействии данного эксплуатационного фактора; Ro - характеристика материала в исходных условиях.

Такой подход проектного расчета конструкций вполне оправдан на начальном этапе эксплуатации новых малоисследованных материалов, так как позволяет произвести оценку работоспособности изделий в запас прочности. Например, для изучаемого стеклопластика по результатам первоначальных исследований [178, 38] комплексный коэффициент условий работы составил всего лишь 0,1. При этом исходная прочность стеклопластиковых стержней при проектировании использовалась лишь на 10 %, что не позволяет сделать материал привлекательным и конкурентоспособным по сравнению с традиционными. Дальнейшие исследования были направлены на уточнение коэффициентов, полученных по результатам ускоренных испытаний, и подтверждение их величины в реальных условиях эксплуатации, или максимально приближенных к ним, а также на изучение комплексного влияния всех неблагоприятных факторов одновременно по условиям эксплуатации конкретной конструкции.

Как показано в главе 1, механические характеристики композитного материала можно определять расчётным способом, по известным значениям механических характеристик входящих в него армирующего материала и полимерной матрицы [1, 3, 48, 77]. Для простых по структуре композитов, к которым относятся однонаправленно армированные стеклопластики, модуль упругости Е с высокой степенью достоверности рассчитывают по известному правилу смесей

325]:

Гк=ГгГ2--'Г„ ,

5.10)

5.11) а'ФА + £М'(1-ФА), (5.12) где Еа - модуль упругости армирующего материала; Ем - модуль упругости материала полимерной матрицы; срА - относительное (по объёму) содержание армирующих волокон в композите.

Высоконаполненные однонаправлено армированные стекггопластиковые стержни обладают свойством линейной упругости вплоть до того момента, когда в них появляются признаки макроразрушения [5, 15, 77]. На рисунке 5.22 в качестве примера приведены диаграммы зависимости напряжения от деформации, полученные при испытании стеклопластиковых стержней различного диаметра. Стержни испытывали методом продольного изгиба [268-271], который дает наиболее близкие к расчетным значения временной прочности, и позволяет испытывать изделия в широком диапазоне геометрических размеров, в одних условиях.

1500 1000 500 1 -и- 2 -V-3 -о- 4 • 6

- —- ' -

О 0,01 0,02 0,03 0,04 s

Рисунок 5.22 - Диаграммы нагружения стеклопластиковых стержней различного диаметра: 1-6 — 2,2; 5,2; 7,2; 15,0; 20,0; 46,0 мм.

Внешний вид графиков свидетельствуют о линейной упругости испытанных стержней при деформировании их вплоть до появления признаков макроразрушений.

Учитывая практически линейную упругость стеклопластиковых стержней, прочностной потенциал их можно оценивать по значениям зависящего от содержания армирующих волокон (срА) модуля упругости и по не зависящему от Фа значению предельной деформации для стеклянных волокон. Такая оценка может быть сделана по формуле

О,={Ел-<РА+ЕМ-$-<РЛ)>8л, (5.13) где <тв - прочность стеклопластика; sA - предельное значение деформации для волокон армирующего материала.

Покажем, как выполнялись расчеты для следующих исходных данных. У алюмоборосиликатных волокон согласно литературным данным ЕА ~ 72 ГПа, а предельная деформация волокон ев.л~0,048 [1, 326]. Эпоксидные компаунды, применяемые при изготовлении композитных материалов, по литературным данным имеют модуль упругости Ем -3,5 ГПа [326]. Относительное (по объёму) содержание армирующих волокон в композите, как правило, с достаточной для оценки воспроизводимостью обеспечивается технологией формования стержней и определяется экспериментально в ходе приемосдаточных испытаний готовой продукции.

Результаты расчётов с использованием выражений (5.12), (5.13), а также экспериментальные данные, полученные при приёмо-сдаточных. испытаниях (ПСИ), приведены в таблице 5.2.

Из таблицы 5.2 видно, что выражение (5.12) можно без больших (с практической точки зрения) погрешностей использовать для оценки модуля упругости стеклопластиковых стержней рассматриваемого класса. Отклонение фактических значений модуля упругости от расчётных (в большую сторону) в среднем не превышают 4,4 %.

Фактические же значения прочности <тви предельной деформации ев более существенно отличаются от значений (сгвпр и евпр), рассчитанных по выражению

5.13). Как правило, экспериментальные значения ниже расчетных. Предельная деформация испытанных стержней колеблется в широких пределах и составляет 0,54. 0,96 от предельной деформации армирующих волокон. Более низкие, чем это следует из расчета, значения прочности стержней могут быть вызваны, тем, что предельная деформация полимерной матрицы в реальном изделии ниже предельной деформации стеклянных волокон.

1. Васильев, В.В. Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; / Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. -М.: Машиностроение, 1990. 512 е.; ил.

2. Малкин, А .Я. Методы измерения механических свойств полимеров / А.Я. Малкин, А.А. Аскадский, В.В. Коврига. М.: Химия, 1978. - 330 с.

3. Рабинович, А.Л. Введение в механику армированных полимеров / А.Л. Рабинович. М.: Наука, 1970. - 484 с.

4. ПОгибалов П.М., Ломакин В.А., Кишкин Б.П. Механика полимеров. М.: МГУ, 1975.-520 с.

5. Альперин, В.И. Конструкционные стеклопластики / В.И., Альперин, Н.В. Корольков и др. М.: Химия, 1979. - 360 с.

6. Основы физики и химии полимеров / Под ред. В. Н. Кулезнева. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1977. - 248 с.

7. Тагер, А.А. Физикохимия полимеров / А.А. Тагер. 3-е изд., перераб. -М.: Химия, 1978.-544 с.

8. ГОСТ 25.601 -80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах.

9. ГОСТ 25.602-80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на сжатие при нормальной, повышенной и пониженной температурах.

10. ГОСТ 25.604-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на изгиб при нормальной, повышенной и пониженной температурах.

11. ASTM D3039 / D3039M 08 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials.

12. Бартенев, Г.М. Прочность и механизм разрушения полимеров / Г.М. Бартенев. М.: Химия. - 1984. - 280 е., ил.

13. Бартенев, Г.М. Прочность и разрушение высокоэластических материалов / Г.М. Бартенев, Ю.С. Зуев. М., Л .: Химия. - 1964. - 350 е., ил.

14. Гуль, В.Е. Структура и прочность полимеров / В.Е. Гуль. М.: Химия, 1971.-344 с.

15. Разрушение твердых полимеров / Под ред. Рузен Б. Пер. с англ. М.: Химия, 1971.-527 с.

16. Ратнер, С.Б. Усталостное разрушение пластмасс / С.Б. Ратнер, С.Г. Ага-мелян. М.: НИИТЭХИМ, Обзоры химической промышленности, 1974, вып. 6 (56), 43 с.

17. Тамуж, В.П., Микромеханика разрушения полимерных материалов / В.П. Тамуж, B.C. Куксенко Рига: Зинатне, 1978. - 294 с.

18. Ратнер, С.Б. Работоспособность пластмассы под нагрузкой и пути ее прогноза и повышения / С.Б. Ратнер, В.П. Ярцев. М.: НИИТЭХИМ, 1979, вып. 3153., 65 с.

19. Кауш, Г. Разрушение полимеров / Г. Кауш. М.: Мир, 1981,440 с.

20. Степанов, В.А. Прочность и релаксационные явления в твёрдых телах / В.А. Степанов, Н.Н. Песчанская, В.В. Шпейзман. Л.: Наука, 1984. - 250 с.

21. Регель, В.Р. Перспективы исследований в области физики прочности композиционных материалов / В.Р. Регель // Проблемы современной физики. Л.: Наука, Лен. отд., 1980, с. 407-420.

22. Бугало, С.Т. Усталостная прочность и выносливость пластмасс / С.Т. Бу-гало, С.Б. Ратнер // Обз. Инф. Сер. Производство и переработка пластических масс и синтетических смол. М., НИИТЭХИМ, 1989, 84 с.

23. Ратнер, С.Б. Физические закономерности прогнозирования работоспособности конструкционных пластических масс /С.Б. Ратнер // Пластические массы, 1990, №6, с. 35-48.

24. Лавров А.В. Прогнозирование длительной прочности стеклопластиковой арматуры / А.В. Лавров // Механика композиционных материалов и конструкций. 2004. - Т. 10. - № 4. - С. 532-544.

25. Устинов, В.П. Прогнозирование долговечности СПА в составе трёхслойных стеновых панелей / В.П. Устинов, М.Г. Петров, В.Ф. Савин, Б.В. Устинов // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2002. -вып. № 4.-С. 115-123.

26. Розен, Б.У. Механика разрушения волокнистых композитов. Разрушение / Б.У. Розен, Н.Ф. Дау. Т. 7.-ч. 1.-М.:Мир, 1976.-238 с.

27. Коллакот, Р. Диагностика повреждений: Пер. с англ. / Под ред. Г.И. Кудрявцева. М.: Химия, 1992. - С. 235 - 325.

28. Трофимов, Н.Н. Основные принципы создания высокопрочных композиционных материалов / Н.Н. Трофимов, М.З. Канович // Пласт, массы. 1992, № 5. - С. 16-21.

29. Болотин, В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций / В.В. Болотин. М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

30. Силуянов, О.Ф. Механические свойства углеродных волокон и их реализация в композитных материалах / О.Ф. Силуянов, В.О. Горбачева В.О. М.: НИИТЭХим., 1982.-45 с.

31. Калнин, И.И. Поверхность углеродных волокон, ее модифицирование и влияние на разрушение высокомодульных углепластиков / И.И. Калнин // Механика композитных материалов. 1979: № 3. - С. 397 - 406.

32. Кривородов B.C., Лексовский A.M. Энергоемкость процесса разрушения и прочность композиционных материалов / B.C. Кривородов, A.M. Лексовский // Механика композитных материалов. 1987. № 6. - С. 999 - 1006.

33. Лексовский, A.M., Юдин В.Е. Вязкоупругость полимерной матрицы и разрушение теплостойких волокнистых композитов / A.M. Лексовский, В.Е. Юдин // Физика твердого тела. 2005. т. 47, №5. - с. 944 - 950.

34. Михайлин, Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. СПб.: Научные основы и технологии, 2008. - 822 е., ил.

35. Андреевская, Г.Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики. — М.: Наука, 1966. 371 е., ил.49Браутман, Л. Композиционные материалы. Том 5. Разрушение и усталость / Пер. с англ. под ред. Г.П. Черепанова. - М.: Мир, 1978. - 483 с.

36. Скудра, A.M. Ползучесть и статическая усталость армированных пластиков / A.M. Скудра, Ф.Я. Булаве, К.А. Роценс. Рига.: Зинатне, 1971 - 238 с.

37. Фудзии, Т. Механика разрушения композиционных материалов. Т. Фуд-зии, М. Дзако. / Пер. с японского. М.: Мир, 1982. - 232 е., ил.52Черепанов, Г.П. Механика разрушения композиционных материалов. М.:. Наука, 1983.-296 с.

38. Caihua Cao. Damage and failure analysis of co-cured fiber-reinforced composite joints A Dissertation Presented to The Academic Faculty , 2003.

39. Кулаков, В.JI. Напряженное состояние в зоне передачи нагрузки в композитном образце при одноосном растяжении / В.Л. Кулаков, Ю.М. Тарнопольский, А.К. Арнаутов, Я. Рюттер // Механика композитных материалов. 2004. - Т.40. -№2. - С. 145-160.

40. Берг, О .Я. Механические свойства стеклопластиковой арматуры больших сечений / О.Я. Берг, Ю.М. Нагевич // Бетон и железобетон. 1964. - № 12.-С. 532-535.

41. Мицелли, Ф. Растяжение стержней из волокнистого композита для арматуры бетонных конструкций / Ф. Мицелли, А. Нанни // Механика композитных материалов. 2003. - Т.39. - №4. - С. 445-462.

42. Дарков, А.В. Сопротивление материалов / А.В. Дарков, Г.С. Шпиро. -Изд. 3-е. М.: Высшая школа, 1969. - 734 е., ил.

43. Чирков, А.Н. Установка для испытания материалов на длительную прочность / А.Н. Чирков, Ю.А. Чирков, Е.В. Кушнаренко, П.А. Овчинников // Патент

44. Романенков И. Г. Изменение прочностных и упругих свойств стеклопластиков при длительном выдерживании в воде. Пластические массы, 1962, 4.

45. Серенсен С. В., Стреляев В. С. Основные направления в области механических испытаний и изучения конструкционной прочности пластиков. Заводская лаборатория, 1962, №4.

46. Серенсен С. В., Стреляев В. С. Статистическая конструкционная прочность ориентированных стеклопластиков. Тез. Докл. Всесоюзной конференции по применению полимеров в машиностроении. Киев, 1962.

47. Шевченко А. А., Клинов И. Я. О длительной прочности стеклопластиков при воздействии агрессивной среды и температуры. Пластмассы, 1962, 11.

48. Findley W/ N., Peterson D. В. Predition of long-time creep with ten-yeardate on for plastic laminates/ Proc. ASTM, 58, 1958.

49. Fisher L/ How to predict structural behavior of RP laminates, Vjdern Plastics, June, 1960.

50. Findley W. N. Creep und relaxation of plastics. Machine Design, 12, May, 1960.

51. Beyer W. Glasfaserkunstoffe fur die Bautechnik/ Kunststoffe, 46, 1956.

52. Журков, C.H. Временная зависимость прочности твердых тел / С.Н. Журков, В.А. Нарзуллаев. Журнал технической физики, 1953. - Т.23, вып.10, С. 1677-1689.

53. Журков, С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. (Тер-мофлуктуационный механизм разрушения). Вестник АН СССР, 1968. - №3. -С.46-52.

54. Журков, С.Н. Микромеханика разрушения полимеров / С.Н. Журков,

55. B.C. Куксенко. Механика полимеров, 1974. - №5, С. 792-801.

56. Журков, С.Н. Температурная и временная зависимость прочности полимерных волокон / С.Н. Журков, С.А. Аббасов. Высокомолекулярные соединения, 1961. - Т.З, №3, С. 441-449.

57. Goldfein S. General formula for creep und rupture stresses in plastics. -Modern Plastics, April, 1960.

58. Findley W. N., Peitman H. W., Worley W. I. Temperature-property relations in melamine and silicjne glass fabric laminates/ - Modern Plastics, March, 1957.

59. Goldfein S. Determination of long-term rupture and impact stresses in glass-reinforced plastics from short-time static tests at different temperatures. Proc. 12th Ann. Met. SPI Reinforced Plastics Divion, February, 1955.

60. Goldfein S. Long-term rupture and impact stresses in reinforced plastics. -ASTM Bull., 224, September, 1957.

61. Бетехин, В.И. Долговечность, развитие и залечивание микротрещин в металлах / В.И. Бетехин, А.И. Петров, А.Г. Кадомцев // Физика прочности и пластичности: Сб. научн. тр. Л.: Наука, 1986. С. 41 - 48.

62. Лодус, Е.В. Установка для испытаний образцов на усталость / Е.В. Лодус // Патент РФ № 2068993, МПК7 G01N3/32. Заявка 5028635/28, опубл. 10.11.1996, бюл. №8, приор. 18.02.1992.

63. Лодус, Е.В. Установка для усталостных испытаний образцов / Е.В. Лодус // Патент РФ № 2051361, МПК7 G01N3/32. Заявка 5018256/28, опубл.27.12.1995, бюл. №8, приор. 03.12.1991.

64. Лодус, Е.В. Установка для усталостных испытаний образцов материалов / Е.В. Лодус // Патент РФ № 2051359, МПК7 G01N3/32. Заявка 5003492/28, опубл.27.12.1995, бюл. №8, приор. 26.09.1991.

65. Лодус, Е.В. Установка для усталостных испытаний образцов материалов / Е.В. Лодус // Патент РФ № 2051360, МПК7 G01N3/32. Заявка 5004784/28, опубл.27.12.1995, бюл. №8, приор. 23.05.1991.

66. Ермолов, А.А. Устройство для испытания материала на усталостную прочность / А.А. Ермолов, А.В. Макаров, Е.А. Макарова, Н.А. Сесюкин // Патент РФ № 2273837, МПК7 G01N3/22. Заявка 2004119661/28, опубл. 10.04.2006, бюл. №8, приор. 28.06.2004.

67. Власов, В.П. Установка для испытания образцов материалов на усталость / В.П. Власов // Патент РФ № 2029281, МПК7 G01N3/32. Заявка 5040478/28, опубл.20.02.1995, бюл. № , приор. 29.04.1992.

68. Власов, В.П. Установка для испытания образцов материала на усталость при изгибе / В.П. Власов, В.И. Кучерявый, В.И. Хатанзейский // Патент РФ2017121, МПК7 G01N3/32. Заявка 5026089/28, опубл.30.07.1994, бюл. № , приор. 06.02.1992.

69. Власов, В.П. Установка для испытания группы образцов на усталость / В.П. Власов // Патент РФ № 2017122, МПК7 G01N3/32. Заявка 5049670/28, опубл.30.07.1994, бюл. № , приор. 26.06.1992.

70. Коллинз, Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение: Пер. англ. -М.: Мир, 1984. 624 е., ил.

71. Грушецкий И.В., Дмитриенко И.П., Ермоленко А.Ф. и др. Разрушение конструкций из композитных материалов. Под ред. Тамужа В. П., Протасова В.Д., Рига: Зинатне, 1986, 264 с.

72. Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетере Г.А. Сопротивление полимерных и композитных материалов. 3-е изд., Рига, Зинатне, 1980, 572 с.

73. Putic, S. Analysis of fatigue and crack growth in carbon-fiber epoxy matrix composite laminates / S. Putic, P.S. Uskokovic, R. Aleksic // Проблемы прочности. -2003.-№5.-P. 93-103.

74. Miyano, Y. Prediction of tensile fatigue life for unidirectional CFRPs / Y. Miyano, M. Nakada, H. Kudoh, R. Muki // J. Compos. Mater. 2000. - N 34. - P. 538550.

75. Harris, B. Fatigue of carbon-fiber reinforced plastics under block-loading conditions / B. Harris, N. Gathercole, H. Reiter, T. Adam // Compos., Part A, Appl. S.1997. N 28A. - P. 327-337.

76. Wang, X. Self-monitoring of fatigue damage and dynamic strain in carbon-fiber polimer-matrix composite / X. Wang, D.D.L. Chung // Compos., Part B, Eng.1998. -N29B. P. 63-73.

77. Gamstedt, E.K. Fatigue damage mechanisms in unidirectional carbon-fiber reinforced plastics / E.K. Gamstedt, R. Talreja // J. Mater. Sci. 1999.-N 34. - P. 2535-2546.

78. Aymerich, F. Response of notched carbon/PEEK and carbon/epoxy laminates subjected to tensile fatigue loading / F. Aymerich, M.S. Found // Fatigue Fract. Eng. Mech. 2000. -N 23. - P. 675-683.

79. Shin, S. Fractographic analysis on the mode II delaminate in woven carbonfiber reinforced epoxy composites / S. Shin, J. Jang // J. Mater. Sci. 1999 - N 34. - P. 5299-5306.

80. Konur, O. Effect of the properties of the constituents on the fatigue performance of composites: a review / O. Konur, F.L. Matthews // Composites. 1989- N 20.-P. 317-328.

81. Curtis, D.C. Fatigue testing of multi-angle laminates of CF/PEEK / D.C. Curtis, D.R. Moore, B. Slater, N. Zahlan // Composites. 1988.- N 19. - P. 446-452.

82. Dally, J.W. Frequency effects on the fatigue of glass-reinforced plastics / J.W. Dally, L.J. Broutman // J. Compos. Mater. 1967. - N 1. - P. 424-442.

83. Hahn, H.T. Fatigue behavior of composite laminates / H.T. Hahn, R.Y. Kim // J. Compos. Mater. 1976. -N 10. - P. 156-180.

84. Mahmood M. Shokrieh Larry B. Lessard Progressive Fatigue Damage Modeling of Composite Materials, Part II: Material Characterization and Model Verification Journal of Composite Materials, Vol. 34, No. 13, 1081-1116 (2000)

85. Joseph, E. Fatigue behavior of glass-fiber/epoxy-matrix filament-wound pipes: tensile loading tests and results / E. Joseph, D. Perreux // Compos. Sci. Technol. 1994.-N 52. - P. 469-480.

86. Putic, S. The analysis of fatigue crack growth in glass/epoxy composites / S. Putic // Int. J. Fracture. 1997.- N 85. - P. 27-31.

87. Putic, S. Dynamic mechanical behavior of glass-fiber reinforced composites / S. Putic, R. Aleksic, P.S. Uskokovic // Mobil. Vehicl. Mech. 1999. - №25. - P. 5967.

88. Dyer, K.P. Fatigue behavior of continuous glass-fiber reinforced composites / K.P. Dyer, D.H. Isaac // Compos., Part B, Eng. 1998. - N 29B. - P. 725-733.

89. Mandell, J.F. Fatigue crack propagation in 0790° E- glass/epoxy composites / J.F. Mandell, U. Meier // Fatigue of composite materials, ASTM STP 569. 1975. - P. 28-44.

90. Paramonov, Y. Modeling of strength and fatigue life of fiber composite material / Y. Paramonov, M. Kleinhof // Transport and Telecommunication. Vol.3, N 1.-2002.-P. 39-47.

91. Paris, P.C. A critical analysis of crack propagation laws / P.C. Paris, F. Erdogan // J. Basic. Eng., Trans. ASME. 1963. - №85. - P. 528-534.

92. Вейбулл, В. Усталостные испытания и анализ их результатов Перевод с английского / Под ред. С. В. Серенсена. - М.: Машиностроение, 1964. - 275 с.

93. Гуль В.Е., Щукин В.М. О критерии разрушения полимеров в процессе циклического нагружения. ДАН СССР, 1970, т. 193, №5, с. 1025 1027.

94. Степанов В.А., Никонов Ю.А., Беляева JI.A., Власов А.С. О причинах снижения долговечности полимеров при циклическом нагружении. Механика полимеров, 1976, № 3, с. 279 283.

95. Энциклопедия полимеров. В 3-х т. Т.З. Под ред. Кабанова В.А., М., Советская энциклопедия, 1977, с 699-701.

96. Бартенев Г.М., Паншин Б.И., Разумовская И.В., Буянов Г.И. Расчет циклической долговечности пластмасс с учетом локальных перегревов материала. Механика полимеров, 1968, №1, с. 102 108.

97. Регель В.Р., Лексовский A.M. Временная зависимость прочности при статическом и циклическом нагружении. Физика твердого тела, 1962, т.4, №4, с. 949-955.

98. Регель В.Р., Лексовский A.M., Болибеков У., Исанов У.Н. Сопоставление долговечности полимеров под нагрузкой при одноосном знакопеременном и пульсирующем нагружении. Механика полимеров, 1972, № 3, с. 483 488.

99. Разумовская И.В., Корабельников Ю.Г., Бартенев Г.М., Панферов К.В. Долговечность и релаксационные процессы в твердых полимерах. Механика полимеров, 1969, № 3, с. 629 635.

100. Паншин Б.И., Бартенев Г.М., Финогенов Г.Н. Прочность пластмасс при повторных нагрузках. Пластические массы, 1960, № 11, с. 47 54.

101. Лексовский A.M., Гафаров Б.И., Веттегрень В.И. Изучение перенапряжений на химических связях в полимере при циклическом нагружении. Механика полимеров, 1977, №5, с. 786 790.

102. Бартенев Г.М., Разумовская И.В., Карташов Э.М. Долговечность хрупких твердых тел при циклическом нагружении с учетом локальных перегревов материала. Физико-химическая механика материалов, 1968, т.4, №2, с. 178 -188.

103. Ратнер С.Б., Бугало С.Т. Влияние режима нагружения на разогрев пластмасс при циклическом деформировании. Механика полимеров, 1969, № 3, с. 465-469.

104. Бугало С.Т., Ратнер С.Б. Влияние релаксационных явлений на выносливость пластмасс при гармоническом и ударном нагружении. Механика полимеров, 1972, № 1, с. 165-168.

105. Andersons, J. Method of fatigue durability prediction for composite laminates. Review / J. Andersons // Mechanics of composite materials. 1993. - Vol. 29, N 6.-P. 741-754.

106. Регель B.P., Лексовский A.M. Изучение циклической усталости полимеров на основе кинетической концепции разрушения. Механика полимеров, 1969, № 1,с. 70-95.

107. Олдырев, П.П. Многоцикловая усталость стеклопластика в режимах мягкого и жесткого нагружений / П.П. Олдырев // Механика композитных материалов. 1981. - № 2. - С. 218-226.166 http://www. fasi.gov.ru/Перечень критических технологий. Электронный ресурс.

108. Цыплаков, О.Г. Научные основы технологии композиционно волокнистых материалов. 4.1. - Пермь: Кн. изд-во, - 1974, - 316 е., 4.2. - Пермь: Кн. Изд-во,-1975,-274 с.

109. Болотин, В.В. Объединённая модель разрушения композитных материалов при длительно действующих нагрузках./Механика композитных материалов, -№3,-1981.-С. 405 -420.

110. Цыплаков, О.Г. Исследование структурно-механических характеристик армированных полимеров. Армированные стеклопластики. Сборник трудов ЛМИ, №82, - Л.:ЛМИ, - 1970. - С. 62 - 75.

111. Цыплаков, О.Г. Основы прочности, трещиностойкости и герметичности армированных пластиков при растяжении /Армированные стеклопластики. Сборник трудов ЛМИ. №55, Л.: ЛМИ, - 1966. - С. 6 - 29.

112. Башара В.А., Вальд А.В., Иванов С.Н. Арматурный элемент для армирования теплоизоляционных стеновых конструкций и способ его изготовления. Патент РФ №2142039.

113. Башара В.В. // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века, 2001, № 6, С.12-13.

114. Устинов, Б.В. Исследование характеристик и условий применения гибких связей из стеклопластиковой арматуры (СПА) в трехслойных стеновых панелях. Дисс. к.т.н. Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС), г. Новосибирск, 2006 г.

115. Устинов, В.П. Экспериментальные исследования физико-механических свойств СПА и гибких связей / Устинов В.П., Казарновский B.C., Тихомиров В.М. и др.// Вестник Сибирского Государственного университета путей сообщения, 2002, вып. 4. С. 105-114.

116. ТУ 2296-001-20994511-02 Арматура стеклопластиковая. Технические условия.

117. ТУ 2296-001-40886723-2001. Анкерные стержни стеклопластиковые. ООО «АСП». Технические условия.

118. ТУ 571490-002-13101102-2002 Арматура базальтопластиковая (БПА). Технические условия.

119. ТУ 2296-003-23475912-2000 Связи композитные гибкие цементостой-кие для кирпичной кладки. Технические условия.

120. Фролов, Н.П. Стеклопластиковая арматура и стеклопластобетонные конструкции. М., Стройиздат, 1980. - 104 е., ил.

121. Huges Brothers Glass Fiber Reinforced Polymer Rebar 1997 Huges Brothers, Inc. Printed in USA. Информационный материал компании Business & Building System Group Spb. (Инновационные системы и материалы для высококачественного бетона).

122. ТУ 2296-016-20994511-2008. Стержни арматурные периодического профиля стеклопластиковые. Технические условия.

123. Chambers R.E. Structural fiber-glass-reinforced plastics for building applications //Plastics in Buildings / Ed. By I. Skeist. N.Y.: Reinhold Publ. Co.,1965.- P.72-118.

124. Hollaway L. Glass Reinforced Plastics in Construction: Engineering Aspects. -N.Y.: John Wihly & Sons, 1978.

125. Makowsky Z.S. Symbiosis of architecture and engineering in the development of structure users of plastics I I Plastics in Material and Structural Engineering / Ed. By R.A. Bares et al. N.Y.: Elsevier Scientific Publ. Co., 1982/ - P. 59 - 72.

126. Aiello M.A. and Ombres L. Load deflection analysis of FRP reinforced concrete flexural members // J. Сотр. Constr., ASCE/ 2000/ - Vol 4, No. 4 - P. 164 -171.

127. Pecce M., Manfredi G. and Cosenza E. Experimental response and code models of GFRP RC beams in bending // J. Сотр. Constr., ASCE/ 2000/ - Vol 4, No. 4 -P. 182-190.

128. Benmokreana B. and Masmoudi R. FRP C-bar as reinforcing rod for concrete structures // Proc. Of Advanced Composite Materials in Bridges and Structure 2nd Int. Conf. Montreal, Quebec, Canada, August 11-14, 1996. - P. 181 - 188.

129. ТУ 2296-005-20994511-02 Элемент силовой стеклопластиковый. Технические условия.

130. Александров, Г.Н. Перспективы развития изоляции коммутационных аппаратов / Новости электротехники. 2001. - № 5.

131. ГОСТ Р 52082-2003 Изоляторы опорные полимерные наружной установки на напряжение 6-220 кВ. Общие технические условия.

132. Кучинский, Г.С. Изоляция установок высокого напряжения / Г.С. Ку-чинский, В.Е. Кизеветтер, Ю.С. Пинталь / Под общ. редакцией Г.С. Кучинского. -М.: Энергоатомиздат, 1987. — 368 е., ил.

133. Потапов, В.Д. Полимерные материалы в устройствах контактной сети /В.Д. Потапов, Ю.И. Горошков, Лукьянов А.М и др.- М.: Транспорт, 1988- 224 с.

134. Применение полимерных изоляторов в устройствах контактной сети электрифицированных железных дорог/ Под общ. ред. Горошкова Ю.И. М.: Транспорт, 1987. - 48 с.

135. ТУ 2296-009-20994511-03. Стержни стеклопластиковые для электрических изоляторов. Технические условия.

136. Электроизоляционные материалы.: Переводы докладов международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-86) /Под ред. С.Г. Трубачева. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 184 е.: ил.

137. IEC 61462 (1998-11) Composite insulators Hollow insulators for use in outdoor and indoor electrical equipment - Definitions, test methods, acceptance criteria and design recommendations.

138. ГОСТ 27380-87 Стеклопластики профильные электроизоляционные. Общие технические условия.

139. Ткачев, С.Н. Анкер шахтной крепи / С.Н. Ткачев, В.В. Спиглазов, А.С. Бочкарев, В.А. Сургин, Ю.П. Волков, А.Д. Федоров // Патент РФ № 2292459, МПК7 Е21 D21/00. Заявка 2005122972/03, опубл.27.01.2007, бюл. №3, приор. 19.07.2005г.

140. ТУ 3142-012-20994511-05. Анкер стеклопластиковый. Технические условия.

141. ГОСТ Р 52042 2003 Крепи анкерные. Общие технические условия.

142. Алиевский, П.А. Патент RU №2210002 С1 .Насосная штанга./ Алиев-ский П.А., Арутюнов И.А., Калюжный В.И. и др., опубл. 08.10.2003.

143. Алиевский, П.А. Насосные штанги из стеклопластика. / П.А. Алиевский, И.А Арутюнов, Р.М Бикчентаев и др.//Нефтяное хозяйство. №12, - 2003. - С. 62 -66.

144. ГОСТ Р 51161-2002. Штанги насосные, устьевые штоки и муфты к ним. Технические условия.

145. Русских, Г.И. Патент РФ №2236542 МПК7 Е21В 17/00. Насосная штанга./ Русских Г.И., Башара В.А., 2003113137, опубл. 20.09.2004. Бюл. № 26, приор. 05.05.2003.

146. Кузнецов, Н.П. К выбору оптимальной конструктивно-компоновочной схемы насосной штанги из стеклопластика / Н.П. Кузнецов, Г.И. Русских // Вестник Ижевского гос. техн. ун-та. 2004. - № 4. - С. 13-16.

147. Ришмюллер, Г. Добыча нефти глубинными штанговыми насосами / Г. Ришмюллер, X. // Майер. Шеллер-Блекманн. Терниц: ГМБХ, 1988. - 150с., ил.

148. API SPECIFICATION 11В TWENTI-SIXTH EDITION, Specification for Sucker Rods, American Petroleum Institute, 1998.

149. Rosen, B.W. Mechanics of Composite Strengthening Fiber Composite Materials. ASM 72, 1965.

150. Братухин А.Г. Материалы будущего и их удивительные свойства / Бра-тухин А.Г., Сироткин О.С., Сабодаш П.Ф. -М.: Машиностроение, 1995. 128 с.

151. Буланов И.М. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. Для вузов М.: Изд-во МГТУ им. И.Э. Баумана, 1998.-516 с.

152. Волокнистые и дисперсно-упрочненные композиционные материалы: (Сборник статей) / под редакцией Агеева Н.В М.: Наука, 1976. - 214 с.

153. Карпинос Д.М. Композиционные материалы, в технике / Карпинос Д.М., Тучинский Л.И. и др. Киев: Техника, 1985. - 152 с.

154. ASTM Designation: D 3916 94 Standart Test Method for Tensile Properties of Pulttruded Glass-Fiber-Reinforse.

155. Савин, В.Ф. Продольный изгиб как метод определения механических характеристик материалов /В.Ф. Савин, А.Н. Луговой, Ю.П. Волков, А.Н. Блазнов // Заводская лаборатория. 2006. - Т. 72. - № 1. - С. 55-58.

156. Хофф, Н. Продольный изгиб и устойчивость /Пер. с англ. И.Н. Зем-лянских под ред. И.В. Кеппена. -М.: Изд-во иностр. лит, 1955. 156 с.

157. Биргер, И.А. Расчет на прочность деталей машин / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, P.M. Шнейдерович. М.: Машгиз, 1959. - 460 е., ил.

158. Леонтьев, Н. Н. Основы строительной механики стержневых систем / Н.Н. Леонтьев, Д.Н. Соболев, А.А. Амосов. М.: АСВ, 1996. - 541 с.

159. Арнаутов, А.К. Продольный изгиб как метод определения изгибной прочности композитных материалов / А.К. Арнаутов, Ю.М. Тарнопольский // Механика композитных материалов. 2004 - Т.40. - №1. - С. 25-42.

160. Луговой А.Н. Исследование механических характеристик однонаправ-ленно армированного стеклопластика методом продольного изгиба. Дисс. к.т.н., Бийск, 2005, 154 с.

161. Вильдеман, В.Э. Механика неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов / В.Э. Вильдеман, Ю.В. Соколкин, А.А. Ташки-нов // Под ред. Ю.В. Соколкина. М.: Наука. Физматлит, 1997. - 288 е., ил.

162. Вольмир, А.С. Устойчивость деформируемых систем. М.: Наука, 1967.-С. 26-30.

163. Динник, А.Н. Справочник по технической механике. М., Л.: Гостех-теоретиздат, 1949 -254 с.

164. Николаи, Е.Л. О работах Эйлера по теории продольного изгиба / Труды по механике. М.: Гостехтеоретиздат, 1955. - С. 436-453.

165. Karman, Th. Untersuchungen iiber Knickfestigkeit Mitteilungen tiber For-schungsarbeiten auf dem Gebiete des Ingenieurwesens, Heft 81, Berlin, 1910.

166. Kuznetsov, V.V. Complete solution of the stability problem for elastica of Euler's column / V.V. Kuznetsov, S.V. Levakov // International Journal of Non-Linear Mechanics. 2002. - № 37. - P. 1003-1009.

167. Leonard Euler's "Elastic Curves", translated and annotated by W.A. Oldfather, C.A. Ellis fnd D.M. Brown, 1933.

168. Timoshenko. Elements of Strength of Materials / Timoshenko, MacCul-logh // Van Noustrand Co. Inc. 1949. - June. - P. 290-291.

169. Попов, Е.П. Теория и расчет гибких упругих стержней. М.: Наука, 1986.-290 с.

170. Анфилофьев, А.В. Стрела прогиба и сближение концов стержня в продольном изгибе // Прикладная механика и техническая физика. 2001. -Т. 42. - № 2. - С. 188-193.

171. Астапов, Н.С. Выпучивание эксцентрично сжатого упругого стержня / Н.С. Астапов, В.М. Корнев // Прикладная механика и техническая физика. -1996. Т. 37. - № 2. - С. 162-169.

172. Астапов, Н.С. Приближенное представление формы сжатого гибкого стержня // Прикладная механика и техническая физика. 1999. - Т. 40. - № 3. -С. 200-203.

173. Астапов, Н.С. Приближенные формулы для прогибов сжатых гибких стержней // Прикладная механика и техническая физика. 1996. - Т. 37. - № 4. -С. 135-138.

174. Коробейников, С.Н. Вторичная потеря устойчивости сжатого шар-нирно опертого стержня / Тез. докл. IV Междунар. конф. «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике». Новосибирск: Ин-т гидродинамики СО РАН, 1992.-С. 104.

175. Крылов, А.Н. О формах равновесия сжатых стоек при продольном изгибе // Избр. тр. М.: АН СССР, 1958. - 52с.

176. Кузнецов, В.В. О вторичной потере устойчивости эйлерова стержня / В.В. Кузнецов, С.В. Левяков // ПМТФ. 1999. - Т. 40. - № 6. - С. 184-185.

177. Кузнецов, В.В. Эластика эйлерова стержня с защемленными концами / В.В. Кузнецов, С.В. Левяков // ПМТФ. 2000. - Т. 41. - № 3. - С. 184-186.

178. Левяков, С.В. Формы равновесия и вторичная потеря устойчивости прямого стержня, нагруженного продольной силой // Прикладная механика и техническая физика. 2001. - Т.42. - № 2. - С. 153-160.

179. Тихомиров, Е.Н. О точном уравнении продольного изгиба. В кн. Расчеты на прочность. М.: Машиностроение, 1971. - Вып. 15 - С. 195-216.

180. Norme Fran9ase. NTF 51-120-6. Plastiques et composites. Determination des proprietes de fatigue en flexion. Partie 6: Essai de flexion par flambement.

181. Thomas P. Kicher. Imact Absorber / Thomas P. Kicher, Lawrence A. Na-truss, United States Patent № 3814470, June 4,1974.

182. Andreev V.I. Zambakhidze D. V. Method of testing homogeneous and glass-reinforced plastic bars in buckling Mekhanika Polimerov, Vol. 3, No. 4, pp. 750-752, 1967

183. L.C. Bank, M. Nadipelli, T.R. Gentiy. Local buckling and failure of pul-truded fiber-reinforced plastic beams. Journal of engineering materials and technology, 1994, Vol.116/233

184. Испытания упругих стержней методом продольного изгиба / В.Ф. Савин, А.Н. Блазнов, О.В. Старцев и др. Барнаул: Изд-во Алт. гос. ун-та, 2009. - 222 с.

185. Блазнов, А.Н. Аппроксимирующие выражения для описания параметров тонкого продольно изогнутого, шарнирно опертого стержня / А.Н. Блазнов, А.Н Луговой, В.Ф. Савин // Известия- вузов. Машиностроение 2004: - №• 12.-С. 16-26.

186. Савин, В.Ф. Влияние эксцентриситета оси стержня относительно опор на результаты испытания при продольном изгибе / В.Ф. Савин, А.Н. Блазнов, Н.М. Киселев, А.В. Ширяева / Заводская лаборатория. Диагностика материалов: -2007. Т. 73. - № 9. - С. 70-75.

187. ГОСТ 9550-81. Пластмассы. Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе.

188. Волков, Ю.П. Методика определения прочности стеклопластиковой арматуры при межслоевом сдвиге / Ю.П. Волков, А.Н. Блазнов, А.Н. Луговой, В.Ф. Савин // Заводская лаборатория, 2005. -Т. 71, №11.- С. 39-41.

189. Вода в полимерах. пер. с англ. под ред. С. Роуленда. - М.: Мир, 1984.-555 с.

190. Полимерные смеси / под ред. Д. Пола и С. Ньюмена. пер. с англ. В 2-х томах. Том 1. - М.: Мир, 1981. - 554 с.

191. Савин, В.Ф. Методика определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов / В.Ф. Савин, А.Н. Луговой, Ю.П. Волков // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2003. - Т. 69. - № 6. -С. 40-43.

192. Филистович, Д.В. Автоматизированная установка для динамического механического анализа / Д.В. Филистович, О.В. Старцев, А .Я. Суранов // Приборы и техника эксперимента. 2003, №4. - С. 163-164.

193. Филистович, Д.В. Влияние влаги на анизотропию динамического модуля сдвига стеклопластиков / Д.В. Филистович, О.В. Старцев, А.А. Кузнецов, А.С. Кротов, Л.И. Аниховская, Л.А. Дементьева //Доклады Академии наук. 2003, Т. 390.- № 5. -С.618-621.

194. Филистович, Д.В., Способ измерения параметров свободно затухающих колебаний крутильного маятника / Д.В. Филистович, О.В. Старцев, А.Я. Сура-нов // Патент РФ №2258912, приоритет от 14.05.2003 г., Опубл. 20.08.2005, Бюллетень изобретений №23.

195. Блазнов, А.Н. Прогнозирование длительной прочности стеклопластиковой арматуры / А.Н. Блазнов, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой, В.Ф. Савин // Механика композиционных материалов и конструкций. 2003. - Т.9. - № 4. - С. 579592.

196. Савин, В.Ф. Прогнозирование прочности конструкций из однона-правленно армированных стеклопластиковых стержней /В.Ф. Савин, А.Н. Блазнов, М.Г. Петров, Г.И. Русских // Механика композиционных материалов и конструкций. 2007. - Т.13. - № 1. - С. 97-112.

197. Олдырев П. П. О корреляции между статической и усталостной прочностью армированных пластиков. Механика полимеров, 1973, №3, С. 468-474.

198. ЗЮПоздеев, С.П. Установка для усталостных испытаний образцов / С.П. По-здеев, В.Ф. Савин, А.Н. Блазнов, Н.М. Киселев. Заявка №2008100822 от 09.01.2008.

199. Савин, В.Ф. Методика определения сопротивления усталости стеклопластиковых стержней круглого сечения / В.Ф. Савин, А.Н. Блазнов, Н.М. Киселев // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. - Т. 73. - № 7. - С. 48-52.

200. Савин, В.Ф. Усталостная прочность и выносливость, стержней изкомпозиционных материалов / Савин В.Ф., Киселев Н.М., Блазнов А.Н., Верещагин A.JL, Быстрова О.В. // Механика композиционных материалов и конструкций. 2008. - Т. 14. - № 3, С. 332-352.

201. Савин, В.Ф. Прогнозирование прочностных свойств стекло- и базальтопластиковых стержней на основе полимерных матриц из эпоксидных компаундов. Дисс. к.т.н. Бийск., 2009. - 132 с.

202. Кафаров, В.В. Программирование и вычислительные методы в химии и химической технологии / В.В. Кафаров, В.Н. Ветахин, А.И. Бояринов. М.: Наука, 1972.-487с.

203. Блазнов, А.Н. О химической стойкости стеклопластиковой арматуры / А.Н. Блазнов, Ю.П. Волков, А.Н. Луговой, В.Ф. Савин // Проектирование и строительство в Сибири. 2003. - № 3. - С. 34-37.

204. Алексеев, К.П. Установка для испытания композиционных материалов на длительную прочность / К.П. Алексеев, И.Г. Терегулов // Заводская лаборатория. 2001. - Т. 67. - № 5. - С. 56-58.

205. Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А., Каштанов B.C., Пекин С.С. Скважинные насосные установки для добычи нефти. М.: Нефть и газ, 2002, 824 с.

206. Персиянцев М.Н. Добыча нефти в осложненных условиях. М.: Недра-Бизнесцентр, 2000, 653 е., ил.

207. Гуртовник, И.Г. Радиопрозрачные изделия из стеклопластиков/ И.Г. Гуртовник, В.И. Соколов, Н.Н. Трофимов, С.Г. Шалгунов М.: Мир, 2002 - 368 е.,ил.

208. Сапожников С.Б. Проектирование узла соединения стеклопластиковых трубчатых штанг глубинного насоса. Нефтегазовое дело, 2004, (http ://www.ogbus .ru).

209. Петров М.Г. Прогнозирование долговечности однонаправленного стеклопластика при продольном изгибе. Численные методы решения задач теории упругости и пластичности. Труды XIX Всероссийской конференции, Новосибирск, Параллель, 2005, С.212-217.

210. Стручков А.С. Хладостойкость и особенности сопротивления разрушению нефтегазовых пластмассовых труб. Дисс. д.т.н. Якутск. 2005. -398 с.

211. ГОСТ 4647-80. Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Шарпи.