Влияние формы и размеров конструктивного образца из стеклопластика на его прочность и процесс разрушения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Введение

I. Прочность композиционных материалов, факторы оказывающие влияние на прочность, усталостное разрушение композиционных материалов (обзор)

1.1. Перспективы использования композиционных материалов в авиаконструкциях

1.2. Прочность композитных материалов и особенности разрушения

1.3. Факторы, оказывающие влияние на прочность КМ

1.3.1. Влияние размеров образцов

1.3.2. Влияние концентраций напряжений

1.4. Основные закономерности циклической прочности композитов.

П. Методика постановки эксперимента и обработки получаемых результатов.

2.1. Программы исследований, объекты исследований. Испытательные машины и приспособления

2.2. Рассеяние характеристик прочности стеклопластика, оценка влияния исследуемых факторов на прочность исследуемого материала.

2.3. Выравнивание экспериментальных данных

Ш. Статическая прочность материала. Влияние геометрической формы и размеров образцов.

3.1. Статические характеристики прочности и деформатив-ности.

3.2. Влияние размеров образцов

3.3. Влияние источника концентрации напряжений в образцах ограниченных размеров.6*f

3.3.1. Влияние размера источника концентрации напряжений

3.3.2. Влияние совместных размеров образца источника концентрации напряжений

1У. Усталостная прочность исследуемых образцов

4.1. Оценка усталостного повреждения исследуемого материала

4.2. Кинетика ПУР исследуемого стеклопластика

4.3. Распространение усталостного повреждения и остаточная прочность КМ.

4.4. Оценка влияния формы.и размеров образцов.на уста^-лостную прочность

4.5. Исследование влияния размеров источника.концентрат siopa напряжений ПУР стеклопластика.

4.6. Построение кривых.выносливости по достижению.повреждением заданного размера

Выводы.

Научно-технический прогресс во всех областях человеческой деятельности предъявляет более сложные и жесткие требования к материалам, из которых изготовлены современные машины, механизмы и конструкции. В качестве примера можно указать следующие свойства, которые могут потребоваться от таких материалов: прочность, жесткость, коррозионная стойкость, износостойкость, легкий вес, долговечность, теплопроводность, звуконепроницаемость, термостойкость, красивый внешний вид. Естественно, что используя простые материалы очень трудно удовлетворить, в достаточной степени указанные выше требования. Именно поэтому возникла идея использования соответствующих сочетаний материалов позволяющая получить заданные свойства.

Современное материаловедение пошло по пути изучения возможности заложенных в композиционных материалах (КМ) и добилось ощутимых успехов. За счет выбора компонентов, их концентрации, размеров, формы, ориентации и прочности соединения друг с другом, физико-механические свойства КМ можно регулировать в самых широких пределах.

Значительно возрос интерес к механике армированных пластиков, которая в настоящее время включает такие направления, как механика технологического процесса, механика конструирования структуры материала и механика конкретных изделий. Большой вклад в развитие этих направлений внесли В «В .Болотин, Г.А.Ванин, В.Васильев, П.И.Гольденблат, С.Т.Милейко, В.Д.Протасов, Ю.Н.Ро-ботнов, С.В.Серенсен, В.С.Стреляев, Ю.М.Тернопольский, Т.Фудзин, М.Дзака, А.М.Скудра, ФЛ.Булах, Е.К.Ашкинази, Э.В.Ганов, А.Н.Па-лилов и другие.

Важной тенденцией в современной технике является максимальное использование потенциальных возможностей применяемых материалов. Для этого необходимо не только качественно, но и ." количественно, с достаточной точностью учитывать особенности работы применяемых материалов в различных условиях нагружения. Нам. известно, какие факторы влияют на прочность материалов* Одним из этих факторов, является масштабный фактор. Поэтому нами был рассмотрен этот вопрос на конкретном материале, чтобы дать инженеру конструктору практические механические характеристики этого материала и указать при каких статических и динамических нагрузках может этот материал работать с учетом масштабного фактора и концентрации напряжений»

Для обоснованного назначения ресурса эксплуатируемых конструкций из композитных материалов или определения их механического состояния при наличии заметных по внешним признакам усталостных повреждений актуальными являются вопросы обоснованного прогнозирования накопления и развития этих повреждений, а также оценка несущей способности конструкций с повреждением.

Целью настоящей диссертационной работы является получение качественной и количественной оценки влияния масштабного фактора и концентрации напряжений на статическую и усталостную прочность исследуемого стеклопластика, а так же исследование кинетики процесса усталостного разрушения материала с учетом рассматриваемых факторов и получение модели для прогнозирования процесса.

В соответствии с задачами настоящего исследования на защиту выносятся следующие результаты:

I. Результаты исследования влияния размеров образца и источника концентрации напряжений на кратковременную (статическую) прочность рассматриваемого стеклопластикового композиционного материала (СКМ).

2. Результаты исследования развития процесса усталостного разрушения (ПУР) рассматриваемого СКМ с учетом влияния размеров образца и источника концентрации напряжений, а также уровня напряжений .

3. Результаты исследования остаточной прочности рассматриваемого СКМ при наличии различного по величине усталостного повреждения.

Методика использования подходов линейной механики разрушения для описания ПУР рассматриваемого СКМ.

В первой главе сделан обзор литературы по основным вопросам, показаны разные подходы к оценке влияния масштабного фактора и концентрации напряжений, сформулированы основные задачи, исследования.

Во второй главе изложена методика экспериментального исследования и обработки получаемых данных.

В третьей главе исследовали влияние масштабного фактора и концентрации напряжений на кратковременную прочность стеклопластика при растяжении Gp (предел прочности).

В четвертой главе исследовали влияние циклических нагрузок на долговечность листовых элементов из стеклопластика с учетом влияния масштабного фактора и концентрации напряжений. Здесь же исследован процесс разрушения на всех трех его стадиях. Показано влияние некоторых факторов (ширины образца, диаметра отверстия и параметров цикла нагружения) на скорость ПЖР с использованием статистических критериев значимости Стьюдента и Фишера. На основании полученных данных предложен феноменологический подход к описанию процесса распространения повреждения рассматриваемого многослойного стеклопластика. В результате получены формулы для описания ПУР с учетом влияния исследуемых параметров.

Предложен способ прогнозирования процесса разрушения конструктивных тонкостенных элементов, выполненных из рассматриваемого композиционного материала, основанный на интегрировании полученных зависимостей для ПУР. Проведены исследования процесса как при стационарром циклическом нагружении, так и при ступенчатом изменении параметров цикла переменных напряжений. Одновременно исследовали остаточную прочность композиционного материала, имеющего усталостное повреждение различных размеров.

Результаты работы докладывались на научно-технических конференциях преподавателей КНИГА (1982-1983 гг), на методических семинарах кафедры "Сопротивление материалов" КНИГА, на заседании межкафедрального семинара "Прочность, надежность и долговечность летательных аппаратов и авиадвигателей" КНИГА. По теме диссертации опубликованы две печатные работы, третья работа принята к опубликованию.

Работа выполнена на кафедре "Сопротивление материалов" механического факультета КНИГА.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, кандидату технических наук товарищу Михаилу Павловичу Ждановичу за внимание и помощь, оказанные при выполнении работы.

I. ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ФАКТОРЫ ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ, УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. (ОБЗОР)

Известно, что под композитами мы понимаем материалы, состоящие из двух разных материалов, для которых можно установить разделяющие их отчетливые границы. Зти материалы (наполнитель и связующее или матрица) обычно различаются по механическим характеристикам. Определяющее влияние на свойства композита оказывает наполнитель (рис. I.Ia, I.I6).

На рисЛ.1а изображены диаграммы растяжения некоторых волокон, которые используются как наполнители, и на рис.1.16 -диаграммы некоторых смол используемых как матрицы [9,46,473.

I.I. Перспективы использования композиционных материалов в авиаконструкциях

В технологии современного самолетостроения применяются эпоксидные графитопластики в виде слоистых пластиков, армированных волокном с продольно-поперечным расположением слоев, которые идут на изготовление обычных монолитных конструкций, обшивки крыльев, хвостового оперения, облицовочных листов готовой конструкции. На самолетах типа B-I, Г-18 конструкции из композиционных материалов заменили большинство металлических деталей и узлов [51,52,53^].

При создании конструкции самолета B-I преследовали цель не только сокращения массы узлов и деталей, но и удешевления конструкции. При создании конструкции каркасов самолетов последующих поколений все шире будут применяться композиционные материалы благодаря наличию в них таких достоинств, как прочность, жесткость, способность приобретать определенные свойства диффе

МПа

2,555

W 375 aesi

О %

Рис. На Диаграммы растяжения £ - £ различных волокон

1 - высокомодульные углеродные волокна;

2 - борные; 3 - высокопрочные углеродные;

4 - кевляр; 5 - S- стекло; 6 - Е - стекло в j t

Рис. l.l Г

4,25

2,5

3,75

S,% Характерные диаграммы деформирования различных составов смол [В J

I - crla ып/т РСА ом

2112/гц 0622 ! ренцированно конкретному применению материала. Так^например, на рис 1.2 приведены кривые изменения за последние 75 лет удельной прочности для нескольких материалов [3,23,24,30j.

При создании материалов с заданными свойствами, в зависимости от места применения материала требуется, чтобы конфигурация конструкций детали или монолитной структуры в полной мере без ограничения использовала достоинства данных перспективных композиционных материала по сравнению с обычными металлическими конструкциями.

Конструкции из перспективных композиционных материалов первого поколения предназначались для замены металлических деталей по принципу деталь на деталь, причем детали из композиционных материалов по форме, посадке и функциональной пренадлеж-ности соответствовали металлическим деталям, что позволяло добиться сокращения массы деталей, а стоимость новых деталей не являлась определяющим фактором. Создание самолета р -14 является типовым примером использования материалов-заменителей, в частности, использование материала на основе углерода, и эпоксидной смолы позволило уменьшить массу самолета на 19% [53,54, 55 ]. Применение конструкций из перспективных композиционных материалов второго поколения преследовало цель уменьшения массы самолета и уменьшения себестоимости конструкции.

Планирование на современном этапе, в области гражданского самолетостроения исходит из принципа продления срока эксплуатации оборудования в период замены одной системы на другую. Следовательно, для применения новых пршщипов создания конструкций, которые обычно выгодно отличаются от обычных конструкций по такому показателю, как соотношение стоимости и массы изделия, необходимо непрерывное совершенствование технологии соз~

0/jj4* •

2 J ж

4 то

Рис. L2 го та 1940 4960 W5/9B0

Изменения удельной прочности ^ материалов, происшедшие с 1900 г, -•■"■-•.'

I - сталь; 2 - алюминий; 3 - композиты; 4 - титан» сзл дания конструкции каркаса. Это логически приводит к применению прогрессивных принципов создания конструкций из композиционных материалов.

Некоторые области применения композиционных материалов в конструкции самолета показаны на рис JfcЗдесь представлены детали и узлы во всем многообразии сложности конструкции, начиная с конструкции ребер жесткости, обшивки и лонжерона для горизонтальных и вертикальных стабилизаторов и заканчивая полными тонкими слоистыми структурами.

Успехи в создании конструкции таких узлов, как вертикальные стабилизаторы из композиционных материалов свидетельствуют о том, что монолитные конструкции из композиционных материалов могут конкурировать с металлическими конструкциями по такому показателю, как сокращение издержек производства за счет сокращения числа элементов конструкции и за счет уменьшения числа крепежных деталей приблизительно на 40$ [24,26,27,29J .

Технология производства перспективных композиционных ма- -териалов третьего поколения также предусматривает обеспечение наперед таких свойств, как жесткость, прочность и устойчивость»

Несомненно, что в самолетах последующих поколений будут шире использоваться композиционные материалы для уменьшения массы и себестоимости самолета, а также повышения летных характеристик. Наиболее широко композиционные материалы будут применяться при создании будущих моделей самолета этого класса на таких участках конструкции, которые способствуют улучшению подъемной силы самолета за счет создания материала с заданными свойствами и также при создании слабонагруженных элементов самолета - дверей, рулевых поверхностей, люков и т.п. L14 3.

Если исходить из того, что самолет должен эксплуатировать

Рир. 1.3 общий вид самолета - заштрихованы места где •чяопользуются КМ в конструкциях. ся в течение 15 - 20 лет, и налетать 8 тыс. - 10 тыс. часов -(ранее планировалось 5-10 лет и 4 тыс. - 7 тыс. часов), то необходимо особое внимание уделять также прочности конструкции планера самолета£ 51,52,55,65] .

ВЫВОДЫ

1. Для конструкционного стеклопластика, отличного от технологий изготовления от известных в литературе получены предварительные механические характеристики прочности и жесткости.

2. Для данного стеклопластика исследовано влияние ширины образца В на статическую прочность (эр . С использованием критериев значимости показано, что увеличение В вызывает уменьшение (ор , предложена формула для прогнозирования этого влияния.

3. Исследовано влияние размера отверстия на Gp . Показано, что увеличение d приводит к уменьшению 0>р . При этом влияние с(ч- более существенно, чем изменение В . Так, увеличение каждого из этих параметров в 2 раза приводит к изменению на 27% и на 6% соответственно (при В =10; 20 мм, d =0 и В =20 мм.* <1 =4, 8 мм, 38% - 44%). Получено также, что при росте ширины образца до определенной величины В заметного изменения (эР не наблюдается.

4. Исследовано влияние ширины образца и размера диаметра отверстия на циклическую прочность материала. Установлено, что с ростом 8 и о/ долговечность уменьшается, с уменьшением уровня напряжений это влияние более существенно, так при 120 МПа изменение В в 4 раза уменьшает Юр на 10 - 15%, а при = 80 МПа. Такое же изменение В уменьшает Н? на 30 - 35%.

5. Получено, что зависимость между при циклическом нагру-жении и хорошо аппроксимируются эмпирической формулой, что позволяет при ограниченном эксперименте построить кривые выносливости для большого диапазона различных по размеру и форме плоских образцов данного материала.

6. На основании исследований ПУР рассматриваемого стеклопластика получена модель для прогнозирования этого процесса. Показано, что константы предложенной модели зависят как от стадий развития ПУР, так и от условий испытаний. Этот процесс состоит из трех характерных стадий, конец первой стадии соответствует ^ ( =(0,35-0,4) t.t , или =(0,65-0,75) конец второй Ц=(0,8-0,9) , =(0,85-0,9) Мр

7. На основании исследований остаточной прочности образцов с. различным размером усталостного повреждения и образцов с' пропилом без предварительного циклического нагружения из условия равенства их и (эт была установлена зависимость между размером этого повреждения и сквозной магистральной трещиной в виде

U Лф -«I m

1. Том 2. Под редакцией чл.-кор. АН УССР. Я.М.Григоренко.

2. Киев, Наукова думка, 1983, с.463.

3. Механика композиционных материалов. Том. 2. Редактор Ди.Сендецки. Перевод с английского. Под редакцией А.А.Ильюшина и Б.Е.Победри. Издательство Мир. Москва, 1978, с.563.3. Т.Фудзий, М.Дзака.

4. Механика разрушения композиционных материалов. Перевод с японского C.JI.Масленникова. Под редакцией В.И»Бурлаева. Москва, Мир, 1982, с.232.4. Г.Б.Иосилевич

5. Концентрация напряжений и деформаций в деталях машин. Москва, Машиностроение, 1981, с.201.

6. Б.В.Миненков, И.В.Стасенко.

7. Прочность деталей из пластмасс. Москва, Машиностроение,1977, с.262.

8. Полимеры в машинах. Серия С IX.

9. Труды третьей всесоюзной научно-технической конференции по применению полимерных материалов. Москва* 1968» с.425.7. В.П.Когаев.

10. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени. Москва, Машиностроение, 1977, с.232. 8« В.С.Иванова, В.Ф.Терентьев.

11. Ю.М.Тарнопольский, А.М.Скудра.

12. Конструкционная прочность и деформативность стеклопластиков. Изд-во Зинатне, Рига, 1966» с.260.11. Лехницкий С.Г.

13. Теория упругости анизотропного тела. Государственное из-во Технико-Теоретической литературы. Москва, 1950, Ленинград с.299.

14. Я.Немец, С.В.Серенсен, В.С.Стреляев.

15. Прочность пластмасс. Изд-во Машиностроение, Москва, 1970, с.325.13. Р.Петерсон.

16. Коэффициенты концентраций напряжений. Изд-во Мир, Москва, 1977, с.302.14. С.В.Серенсен, Г.П.Зайцев.

17. Несушая способность тонкостенных конструкций из армированных пластиков с дефектами. Киев, Наукова думка, 1982, с.294.15. Ю.Н.Роботнов. у;

18. Механика композитов. Вестник АН СССР, 1979, №5, с.50*-58. 16« Бартенев Г.М.

19. О природе высокой прочности стекляных волокон. Пластические массы, I960, №1, с.21.17. С.И.Ратнер.

20. Разрушение при повторных нагрузках. Государственное издательство оборонной промышленности, Москва, 1959, с.347.

21. Д.М.Карпинос, Ш.И.Тучинский, Л.Р.Вишняков.

22. Новые композиционные материалы, Киев. Головное издательство издательского объединения Вища школа, 1977, с.310.19. А.М.Скудря, Ф.Я.Булаве.

23. Прочность армированных пластиков, Москва, Химия, 1982, с.212.

24. Развитие усталостных трещин в материалах и конструкциях. Под общей редакцией д-ра техн.наук М.Э.Гарфа. Киев, Наукова думка, 1980» с.148. 21» Абрамов С.Г«, Бойко Е#М., Гусева Т.А*

25. Прочность тканевых отеклопластиков при межслойном сдвигег « В кн.: Свойство полиэфирных стеклопластиков и методы их контроля. Л.: Судостроение, 1970^ вып.2, с.79-86. 22* Хилл Р. Математическая теория пластичности. Ил. М.э 1956.

26. Композиционные материалы. Издательство Наука. Москва, 198I. Д.М.Карпиноо, В.Х.Кадыров, В.П.Мороз.

27. Прочность композиций на основе алюминия при циклическом нагружении. с*147-149.

28. Композиционные материалы в конструкции летательных аппаратов. Москва, Машиностроение, 1975, с.271.25. Г.Н.Савин.

29. Концентрация напряжений около отверстий. Государственное издательство Технико-теоретической литературы. Москва, 1951, Ленинград, с.494.26. И.П.Земляков.

30. Прочность деталей из пластмасс. Москва, Машиностроение, 1972, с.157.27. Г.М.Гуняев.

31. Структура и свойство полимерных волокнистых композитов. Москва, Химия, 1981, с.229. 28* Механика. Новое в зарубежной науке. № 16. Неупругие свойства композиционных материалов. Редактор К.Геракович. Изд-во Мир. Москва, 1978, 0.294. 29. Р.Кристенсен.

32. Введение в механику композитов. Москва, Мир, 1982, c.3S4.30. Г.И.Бризгалин.

33. Проектирование деталей из композиционных материалов волоконной структуры. Москва, Машиностроение, 1982, с.82. 31* Е.К.Ашкенози, Э.В.Ганов.

34. Анизотропия конструкционных материалов. Ленинград, Машиностроение, Ленинградское отделение, 1980, ст.246.

35. Д.М.Карпинос, В.И.Олейник.

36. Полимеры и композиционные материалы на их основе в технике. Киев, Наукова думка, 1981, с.177.

37. М.Н.Степнов, Е.В.Гиацинтов.

38. Усталость легких конструкционных сплавов. Москва, Машиностроение, 1973, с.316.

39. Разрушение. Том.7. Разрушение неметаллов и композитных материалов. Под редакцией Ю.Н.Роботнова. Изд-во Мир, Москва, 1976, с.469.35* И.П.Борейшис, Г.С.Синицкас, А.П.Стирбис.

40. Прогнозирование усталостной долговечности полимерных и композиционных материалов. Механика композиционных материалов, 1983, »6, с.1010-1017.36. Тросщенко В.Т.

41. Прогнозирование долговечности металлов при многоцикловом нагружении. Проблемы прочности, 1980, ft 10, с.31-39.

42. Новые методы оценки сопротивления металлов хрупкому разрушение. Под редакцией академика Ю.Н.Роботнова. Изд-во Мир, Москва, 1972, с.438.

43. Испытание материалов. Справочник под редакцией х.Б.Люменау-эра. Москва, Металлургия, 1979, с.445.39. Я.Окунь.

44. Факторный анализ. Статистика. Москва, 1974, с.199.

45. Математическая статистика. Москва, Высшая школа, 1981, с.368.

46. Кошелев П.Ф., Степанычев Е.И.

47. Влияние масштабного фактора на прочность етеклопластмасс. Сб.Полимеры в машинах, НИИМАШ, 1968.

48. Константинов В.А., Стреллев B.C.

49. Влияние скорости деформирования на прочность эпоксифемаль-ного стеклопластика. Сб.Полимеры в машинах. Изд. НИИМА1, 1968.

50. Бартенев Г.М., Паншин Б . И.

51. О долговечности органического стекла при циклических наг-ружениях. Известия АН СССР. Механика и машиностроение, I960, » 6.

52. Сидров А.Б., Бартенев Г.М.

53. Статическая прочность стекляных волокон. Механика полимеров, 1966, * I.

54. Палилов А.Н. Схема предразрушения композитов около отверстий. Механика твердого тела, 1982, № 3, с.110-117.

55. DuPont E.I. (no date), PRD-49 Tech. Data.

56. Chamis C.C. Hanson M.P. Serafini T.T., SPI Annu. conf. 28th Sect. 12-c, Soc. Plast. Ind, 1973.

57. Thomas W.P. phys. and chem. Glass., 196О V.I. p.4.

58. Griffith A.A. Philos. Trans. Ray. soc, 1920. V.A221 p.163.

59. Peterson R.B. stress concentration. New York. Welley 1974» p.317.51. "НШАТ Development Design Methodology". Contract HAS 4-2560, January 1979» Report to be published for HASA/DFRC.

60. L.M.Lackman, etal, "advanced Composites Integral Structures

61. Meet the challenge of Future Aircraft Systems," TFD-78-653» Rochwell International Corporation /Los Angeles Division October 1978.

62. D.E.Parker "Development of low-cost composite Vertical

63. W.L. 0*Brien et al, (Wing/fuselage Critical Component

64. Development Program-Preliminary Structural Design Phase). Contract F33615-77*0-5229» Rockwell International Corporation/ bos Angeles Division, Prepared for Air Force Flight Dynamics Laboratory, Wright-Patterson Air Force Base.

65. Tsai S*W. Strength Theories of Filamentary structures

66. Fundamental Aspects of Fiber Reinforced Plastic Composites ed by R.T.Schwartz, Schwartz H.S., Wiley interscience. New York, 1968 p.3-11.57* Von Mises R.Mechanik der plastischen Foxmanderung Von Kristallen Z. angew, Math, and Mech. 8,161-185,(1928).

67. Stowell E.Z. Liu T.S. On the Mechanical Behavior of Fiber

68. Reinforced Crystalline Materials J .Mech. and Phys. Solids,9 (1961).

69. Kelly A.Davis G.J. Metal Rev. 10 КП 1965.

70. Waddoups M.E. Advanced Composite Material Mechanics forthe Design and Stress Analyst, General Dynamics, Ft. Worth Division Report FZM 4763»1967.

71. Petit P.H. Waddoups M.E., A Method of Predicting the Nonlinear Behavior of Laminated Composites J.Compos, Mater. 3» 2-19. January 1969.

72. Sandhu R.S. Nonlinear Response of Unidirectional and angle-ply laminate, AIAA. Paper N: 74-380 presented at the 15th AIAA-ASME Structural Dynamics and Materials Conference, Las Vegas, Nevada, April 1974.

73. Solkind M.J. Fatigue of composites, ASTM. STP 497. 1972.

74. Fatigue of Composite Materials, ASTM. STP. 521, 1973.

75. L.M.Lackman, M.A.Price. Composite Applications to Aircraft Structures Now and in the Future. Los Angeles Div., Rockwell International Los Angeles, С A .