Влияние ползучести на концентрацию напряжений в пластинах из полимерных материалов с определением полей деформации и напряжений методами оптической голографии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.19 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ. 4

ГЛАЗА I. КРАТКИЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР? ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЩШАНИЯ ЗАДАЧИ: КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ С УЧЕТОМ. ПОЛЗУЧЕСТИ МАТЕРИАЛА ПЛАСТИН

I.I. Аналитические методы исследования концентрации напряжений.10

I.2. Влияние подкреплений на напряженное состояние зоны концентратора. 17

1*3. Экспериментальные методы исследований . . . 21

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ПЛОСКОЙ ЗАДАЧИ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ОСЛАБЛЕННЫХ ОТВЕРСТИЯМИ ПЛАСТИНАХ С УЧЕТОМ НЕЛИНЕЙНОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ . . . 31

ГЛАЗА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ; НАПРЯЖЕНИЙ МЕТОДОМ. СПЕКЛ-ИНТЕ

§ЕРОМЕТРИИ.

3.I. Метод спекл-интерферометрии. 44.-5.

3-2. Погрешности измерений и пути их уменьшения. 52 - 5Т

3.3. Методика и устройства для проведения оптико-механических исследований концентрации напряжений при ползучести. 5.8 - бб

ГЛАВА. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДШАНИЕ ПЛОСКОЙ ЗД5АЧИ: КОЩЕНТРАЩШ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОЖ-МЕРШХ ПЛАСТИНАХ ПРИ! ПОЛЗУЧЕСТИ МЕТОДОМ СПЕКЛ-ЙНТЕРФЕРШЕТРЖ.

Определение физико-механических характеристик исследуемых материалов методом механических испытаний. 67

4и2. Установление зависимости между экспериментально определенными значениями деформаций ползучести и напряжениями. 73

Эксперимзнтальное изучение распределения и перераспределения во времени деформаций и напряжений в полимерных пластинах с отверстиями . 76—

Влияние подкреплений на напряженно-деформированное состояние зоны концентратора и выбор оптимальной формы отверстия концентратора. 91

Актуальность исследования задач концентрации напряжений обусловлена тенденцией развития современной техники, стремящейся к максимальному уменьшению веса и материалоемкости элементов конструкций с: сохранением и улучшением их прочностных характеристик / I /. Эту проблему невозможно решить без точного знания действующих в зоне концентраторов напряжений и деформаций и их перераспределения во времени в результате ползучести.

Многие задачи концентрации напряжений, исследование которых проводится с учетом релаксационных свойств материала, остаются нерешенными до настоящего времени и лишь немногие из них допускают точное решение. Приближенные решения, полученные методами последовательных приближений, малого параметра, конечных разностей, конечных элементов и т.д., нуждаются в экспериментальной оценке.

Экспериментальное решение задач механики полимеров предъявляет к методам их исследования новые,: повышенные требования связанные прежде всего с необходимостью изучения процессов деформирования во времени. Измеряемый при этом диапазон смещений, деформаций и напряжений значительно шире, чем при исследовании классических материалов, подчиняющихся закону Гука (металлы, бетон и т.д.)*

Экспериментальное изучение концентрации, напряжений в основном проводится традиционными оптическими методами:, поля-ризационно-оптическим и методом Муара- Недостатками метода Еуа-ра является сравнительно низкая чувствительность и необходимость нанесения на поверхность объектов высокочастотных растров. Применение поляризационно-оптического метода связано с моделированием материала натуры или нанесением на ее поверхность оптически чувствительных покрытий. Отметим, что моделирование многих полимерных, в частности» композиционных материалов представляет довольно сложную, задачу* Влияние временного фактора вызывает необходимость использования в расчетных зависимостях для напряжений или деформаций л'ой или иной теории ползучести, применимость которой заранее не может быть оценена ввиду отсутствия единой теории для всех материалов. Поэтому применение этих методов для исследования полимерных материалов недостаточно эффективно и область их использования ограничена.

Наиболее перспективными при исследовании напряженно-деформирован но г о состояния твердых тел представляют методы лазерной интерферометрии, обладающие уникальными возможностями, а именно:: бесконтактностыо.;: высокой чувствительностью и точностью измерений;: возможностью исследования полей смещений, деформаций, а затем и напряжений объектов любой формы и состава, при любых видах нагрузки,, как: статических, так и динамических.

ТЬм не менее на пути практической реализации методов лазерной интерферометрии возникает ряд проблем,, основными из которых являются сложность и трудоемкость снятия количественной информации с интерферограмм„ отсутствие соответствующей аппаратуры и устройств, специализированных методик для решения конкретных задач механики деформированного во времени твердого тела, в частности* концентрации напряжений.

Разработка подобных методик, и устройств для исследования указанных задач в условиях ползучести и изучение на этой базе распределения и перераспределения во времени деформаций и напряжений в зоне концентратора напряжений, наряду с аналитическими исследованиями позволит существенно увеличить надежность и долговечность сборных пластмассовых конструкций.

Изучение этих вопросов и посвящена диссертационная работа.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является экспериментальное - методом, спекл-интерферометрии и аналитическое исследование плоской задачи концентрации напряжений в пластинах из полимерных материалов в условиях ползучести и выявление на основе полученных данных способов повышения прочности и долговечности сборных пластмассовых конструкций.

Для реализации поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику спекл-интерферометрических измерений для решения задач концентрации напряжений с учетом фактора времени;

- аналитически решить задачу изменения во времени: коэффициента концентрации напряжений в ослабленных круговым отверстием неограниченных полимерных пластинах при одноосном нагружении;;

- методом спекл-интерферометрии с использованием предварительно изученных физико-механических характеристик материалов* исследовать влияние диаметров отверстий и уровней длительно действующих неизменных нагрузок на напряженно-деформированное состояние полимерных пластин; конечной ширины в условиях ползучести?

- сопоставить экспериментально-аналитические результаты и установить степень точности полученного аналитического решения;

- методами голографической и спекл-интерферометрии изучить влияние различных подкреплений и отверстий на уменьшение уровня напряжений в зоне концентраторов и повышение тем самым прочности сборных пластмассовых конструкций.

Научная новизна и практическая ценность работы. Экспериментальное - методом спекл-интерферометрии - и аналитически решена плоская задача концентрации напряжений в ослабленных отверстиями полимерных пластинах при ползучести.

Разработана методика измерений полей смещений и деформаций по двухэкспозиционным спекл-фотографиям для исследования явления ползучести, в частности, концентрации напряжений в.элементах конструкций из релаксирующих материалов. С целью реализации методики созданы устройства, значительно повышающие точность измерения.

Методом спекл-интерферометрии, экспериментально получены двухмерные поля смещений, деформаций, напряжений и их перераспределение во времени при ползучести одноосно нагружешшх пластин из гомогенного и композиционеого материалов с центральными круговыми отверстиями.

Установлен характер изменения во времени коэффициентов концентрации деформаций и напряжений.

Аналитически исследована плоская задача концентрации! напряжений для неограниченных пластин с отверстиями, подчиняющихся степе иному закону ползучести., Решение, полученное методом последовательных приближений, в отличии от известного решения ЛЛ1.Хорошуна., обладает большей общностью ввиду широкого диапазона значений показателя степени: в; законе ползучести. .ПЬлучен-ное выражение для коэффициента концентрации: напряжений дает возможность как качественно, так и количественно оценить его изменение во времени в зависимости от физико-механических характеристик материала и уровня нагружения. Сопоставление экспериментальных и аналитических данных выявило их удовлетворительное согласование. Это позволяет применить аналитические зависимости для расчета напряжений в пластинах во времени.

Надежность и высокая точность полученных результатов свидетельствует о перспективности предложенных способов уменьшения концентрации напряжений в соединениях элементов сборных полимерных конструкций.

Реализация работы. Изложенные в работе результаты исследования концентрации напряжений в длительно нагруженных полимерных пластинах-внедрены в конструкторско-технологическом бюро г.Хотьково для исследования, расчета и конструирования элементов конструкций из специальных видов конструкционных пластмасс.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены на трех конференциях по пластическим массам и строительству (двух Всесоюзных и одной республиканской)г на двух школах по голографии Содной Международной и одной Всесоюзной) и. на пяти секциях и НТС институтов и предприятий.

Публикация работы. Основное содержание диссертационной работы отражено в печатных работах. Датированные списки по апробации и публикации, а также по объему работ даны в автореферате диссертационной работы.

включением

Рис. 4.26. Двухэкспозиционная интерферограмма пластины с эллиптическим включением

Качественный и количественный анализ интерференционной картины, приведенной на рис. 4.26, выявил значительное уменьшение концентрации напряжений по сравнению с распределением напряжений в пластинах без включения, рис. 4.27. Это обусловлено формой отверстия в пластине, поскольку включение, вставленное или впрессованное в данное отверстие, не влияет на распределение напряжений.

Рис. 4.27. Двухэкспозиционная интерферо-грамма пластины без включения

Аналогичный результат был получен при изучении влияния ползучести на концентрацию напряжений в области включения. Длительно нагруженная пластина с включением деформируется в условиях ползучести аналогично пластине без включения, но; с тем же эллиптическим отверстием, т.е. с течением времени имеет место значительное перераспределение напряжений и деформаций около отверстия» особенно в пластинах из полиметилметакрилата СОЛ ГОСТ' 15809-70, причем для обоих материалов максимальные напряжения убывают во времени.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, согласно которому варьированием значением эксцентриситета эллипса отверстия можно добиться желаемого смещения уровня напряжений в местах соединений нагруженных элементов конструкций, работающих на растяжение, и тем самым повысить прочность и надежность их работы.