Увеличить
Уменьшить
Добавить в избранное
 
Главная
О проекте
Анкеты
Семинары
Статьи
Контакты
Базы данных
Рейтинг ресурсов УралWeb
 

Центр дистанционного обучения

Учебно-методический центр

Интернет-портал интеллектуальной молодёжи

Уфимская доска объявлений

Погода в Уфе
и других городах

конкурс сайтов

конкурс сайтов
123

Раздел посвящен передовым технологиям.

Здесь публикуются статьи ученых и инженеров Республики Башкортостан, отражающие реализацию их творческого потенциала, а также статьи по темам информационных семинаров, проводимых в РНТИК "Баштехинформ".

Машиностроение

Деградация жесткости и прочности тканых стеклопластиков на термореактивных и термопластичных матрицах при циклических теплосменах и изгибных деформациях

19 мая 2003

УДК 678: 539.3

Ю.С. Первушин

Уфимский государственный авиационный технический университет

Механизмы снижения упругих и прочностных характеристик слоистых композитов при воздействии нестационарных температурно-силовых факторов обусловлены сложными физико-химическими и механическими взаимодействиями на поверхности раздела армирующих волокон и матрицы, а также разупрочнением самих компонентов КМ.

В настоящее время очень сложно предсказать поведение композиционных материалов при нестационарных тепловых и силовых воздействиях без экспериментальных исследований. В связи с этим была поставлена задача накопления экспериментальных результатов об изменении жесткостных и прочностных характеристик КМ при нестационарных внешних воздействиях с последующим их обобщением.

В работах /1, 2/ приведены результаты исследований влияния циклических теплосмен и длительных статических нагрузок на модули упругости при растяжении и межслойном сдвиге тканого стеклопластика.

Исследования проводились на плоских и трубчатых образцах из тканого ортотропного стеклопластика на эпоксифенольном связующем. Плиты из стеклопластика с равнопрочной схемой армирования (0/900 ) изготовлялись методом прессования при температуре 165 0С и давлении 0,9 1 МПа. Толщина плит равнялась 1,8 ... 2 мм. Трубчатые образцы со схемой армирования (0/900 ) и (+45/-450) изготовлялись методом окружной намотки стеклоткани по технологии, соответствующей изготовлению листового стеклопластика.

Результаты исследований /1, 2/ позволили выявить ряд закономерностей изменения жесткостных и прочностных характеристик при растяжении, сжатии, сдвиге при следующих условиях:

  • циклически изменяющиеся температуры;
  • одновременное воздействие теплосмен и длительных статических нагрузок;
  • длительные статические нагрузки при стационарных температурах.

На рисунках 1 и 2 представлены зависимости относительных модулей продольной упругости и межслойного сдвига от числа циклов теплосмен при различных амплитудах и средней температуре 125 0С.

Рис. 1. Изменение относительного модуля межслойного сдвига от числа циклов теплосмен:

1-Та =25 0С; 2-Та =50 0С; Тс =125 0С

Рис. 2. Зависимость относительного модуля продольной упругости стеклопластика ЭФ-32-301 при растяжении от числа циклов теплосмен ( направление вырезки образца tp= 45' ) при режимах:

1-Та =0 0С ( Т=200 0С); 2-Та =25 0С;

3-Та =50 0С; 4-Та =75 0С; Тс =125 0 С

На рисунке 3 представлены зависимости длительной прочности образцов, вырезанных под углом 450 к осям армирования, при постоянной температуре Т=200 0С (кривая 2) и при температуре Т=50<<200 0С (кривая 1)

Анализ результатов испытаний показывает, что амплитуда термоциклов существенно влияет на упругие характеристики. С увеличением амплитуды термоциклов воздействие теплосмен приводит к снижению упругих характеристик, особенно в направлении сдвиговых деформаций. При постоянной температуре равной максимальной температуре цикла модули практически остаются неизменными или имеют небольшую тенденцию к увеличению в связи с дополнительным структурированием связующего.

Рис. 3. Зависимость длительной прочности стеклопластика от числа циклов теплосмен:

1 - при растяжении в условиях теплосмен Т=50<<200 0С (образцы вырезаны под углом 4500 к осям армирования);

2 - при растяжении в условиях Т=200 0С (const);

3 - при сжатии трубчатых образцов (намотка продольно-поперечная) в условиях теплосмен Т=50<<200 0С

Снижение жесткости композита при теплосменах качественно аналогично снижению при малоцикловом нагружении / 3 /. Имеющееся локальное во времени увеличение модулей упругости объясняется суммарным воздействием двух факторов: увеличением модулей упругости матрицы при действии теплосмен и накоплением повреждений в композите вследствие переменных напряжений, возникающих на поверхности раздела матрица-волокно и в межволоконном пространстве. В определенном диапазоне циклов теплосмен увеличение жесткости матрицы превалирует над уменьшением жесткости вследствие накопления повреждений. Повреждения, вызванные циклическими температурами, негативно сказываются и на длительной прочности композита. Снижение длительной прочности, особенно в направлении сдвиговых деформаций, при теплосменах значительно интенсивней (в три и более раз), чем при изотермической температуре, равной максимальной температуре цикла.

Одним из существенных, но еще не изученных факторов, является совместное воздействие циклических температур и изгибных деформаций на жесткость при изгибе.

Исследование на совместное воздействие теплосмен и циклических изгибных деформаций проводили на спроектированной и изготовленной в Уфимском государственном авиационном техническом университете установке для испытания слоистых пластиков при циклическом трехточечном изгибе и циклически изменяющихся темпера

В данном исследовании циклическое деформирование производилось по схеме жесткого нагружения, при котором в центре образца задавался прогиб n , изменяющийся во времени по гармоническому закону

n = n а . sin w t,

где n , максимальный прогиб.

Образцы имели прямоугольное сечение с рабочей базой l =100 мм. В качестве параметра, характеризующего изменение жесткости при изгибе, был выбран относительный прогиб

d = D / D0 ,

где D0 - прогиб при трехточечном изгибе неподвергнутого тепловым и силовым воздействиям образца,

D - прогиб образца, подвергнутого циклическим воздействиям.

Измерения прогибов D 0 и D проводились при Т=20 0С. Усилие нагружения при измерении прогибов составляло 5 н.

Испытания проводились по режимам:

  • циклический изгиб по закону n =5,5 . sin w t, при постоянной температуре Т=110 0С;
  • циклический изгиб при Т=110+40 . sin w t 0С;
  • циклический изгиб при Т=95+55 . sin w t 0С.

На рисунке 4 представлены зависимости относительного модуля упругости при изгибе от числа деформационных циклов при постоянной температуре Т=110 0С (кривая 1), при режиме нагрева Т=110+40 . sin w t (кривая 2). Режим циклического деформирования для обоих случаев одинаковый (n =5,5 . sin w t). На кривой 3 приведены результаты при Т=95+55 . sin(kt) и n =5,5 . sin w t .

Представленные зависимости наглядно показывают, что наложение циклических температур существенно снижают жесткость стеклопластика при изгибе по сравнению с действием постоянных температур. Увеличение амплитуды термоцикла приводит к большему снижению жесткости.

В зоне максимальных нормальных и касательных напряжений наблюдается нарушение сплошности образца по всей его ширине. 3oна нарушения сплошности имеет более светлую поверхность.

Рис. 4. Зависимость относительного модуля упругости при изгибе от числа деформационных циклов по закону n =5,5. sin w t:

1 - Т=110 0С (const);

2 - Т=110+40 . sin(kt) 0С;

3 - Т=95+55 . sin(kt) 0С;

Наряду с исследованием стеклопластиков на эпоксидных матрицах были проведены испытания стеклопластика на основе стеклоткани и полипропиленовой матрицы, изготовленного по технологии твердофазного совмещения (пленочной технологии) /3/ с коэффициентом армирования равным 0,5. Плиты из стеклополипропиленового пластика с равнопрочной схемой армирования (О/90) изготавливались методом прессования при температуре 250 0С и давлении 1 МПа. Толщина плит равнялась 1,8 ... 2 мм.

Плоские образцы подвергались воздействию циклически изменяющихся температур по режиму Т=30<<105 0С. После определенного количества циклов определялся модуль упругости при изгибе и модель межслойного сдвига.

На рисунке 5 представлены зависимости изменения указанных выше модулей от числа циклов теплосмен.

Из рисунка видно, что наибольшее снижение имеет место в первые 200 циклов.

Более всего реагирует на теплосмены модуль межслойного сдвига. Снижения за первые 200 циклов достигает 25 ¸ 30 %. Модуль при изгибе уменьшается на 16 %. В диапазоне 200¸ 800 циклов снижение незначительное. В промежутке 200¸ 400 циклов у изгибного модуля наблюдается даже повышение.

Рис. 5 Зависимость модуля межслойного сдвига (а) и модуля при изгибе (б) стеклополипропиленового пластика от числа циклов теплосмен по режиму

Т=30<<105 0С

Выводы. Наложение теллоемен на никлиаеекое леформироаание при изгибе стеклопластиков на эпоксидной матрице ускоряет процесс накопления повреждений и приводит к значительно большему (в несколько раз) снижению жесткости по сравнению с действием постоянных температур.

Амплитуды и средние значения циклов температура и изгибных деформаций, а также число их циклов являются основными параметрами внешних воздействий, влияющих на изменение жесткости при изгибе.

Список литературы

  1. Первушин Ю.С., Иванов М.А. Влияние тепловых циклов на механические характеристики и долговечность стеклопластика //Механика композитных материалов — 1984.# 4.С. 752-754.
  2. Первушин Ю.С., Иванов М.А. Упругие и прочностные свойства стеклопластиков при нестационарных температурах // Проблемы механики и управления: Сб. статей / УНЦ РАН. Уфа. — 1994. — С. 103-113.
  3. Грушецкий И.В., Дмитриенко Н.П., Ермоленко А.Ф. и др. Разрушение конструкций из композитных материалов // Под ред. Тамуж В.П., Протасова В. Д. — Рига: Зинатне. — 1986.— С. 264.
  4. Волоконная технология переработки термопластичных композиционных материалов / Головкин Г.С., Гончаренко В.А., Дмнтриенко В.П. и др.: Под ред. Г.С. Головкина. — М.: изд-во МАИ. — 1993.С. 232.

Информация взята из сборника трудов "Технологические проблемы развития машиностроения в Башкортостане", 2001 г.

Последние опубликованные статьи

Общие комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей экономики:

Как продвигать российские научные журналы в международные наукометрические базы // 11 февраля 2015

Государство и право. Юридические науки:

Защита исключительных прав при осуществлении внешнеэкономической деятельности // 17 января 2014

Общие комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей экономики:

Предпосылки создания энергомашиностроительного кластера в Республике Башкортостан // 17 октября 2011

СТАТЬИ ПО РАЗДЕЛАМ НАУКИ И ТЕХНИКИ:

ПОИСК ПО ВСЕМ БАЗАМ
ПРИГЛАШЕНИЕ К СОТРУДНИЧЕСТВУ
 
НАШИ УСЛУГИ
Главная
О проекте
Анкеты
Семинары
Статьи
Форум
Контакты

Республиканский информационный банк данных наукоемких технологий