РЕФЕРАТ
В диссертационной работе изложены результаты расчетных и экспериментальных исследований влияния дилатационных воздействий на упругие и прочностные характеристики армированных пластиков. В качестве дилатационных факторов выделены влага, температура и химическая усадка связующего.
Разработаны модели деформирования и разрушения однонаправленных армированных пластиков при трансверсальном и сдвиговом видах нагружения. Модели учитывают величины микронаиряжений, возникающих на границе раздела волокно-матрица в результате дилатации. На основе полученных данных о дилатационном изменении прочностных свойств однонаправленного армированного пластика разработана модель деформирования и разрушения тканевого композита с теми же структурными компонентами.
Экспериментально показано существенное влияние циклического знакопеременного температурного нагружения на изменение упругих характеристик тканевых армированных пластиков в состоянии предельного влагонасыщения за счет накоп-пения рассеянных микроповреждений. В методическом аспекте выявлено влияние радиуса закругления опорных устройств на точность экспериментальной оценки упругих свойств армированного пластика при поперечном изгибе коротких балок по грехточечной схеме. Проведены экспериментальные исследования кинетики влаго-поглощения стеклопластиковыми образцами с различными уровнями микроповреж-цений.
Все экспериментальные исследования проведены с использованием стеклопластиков лабораторного и промышленного изг отовления. Расчеты сделаны на примере типичного стеклопластика на эпоксидном (эпоксифенольном) связующем.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ СТР.
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА......................................... 9
1.1. Анализ изменения годового числа публикаций по проблеме “влияние дилатационных воздействий на механические свойства армированных пластиков” с 1980-2000 гг. 9
1.2. Особенности влагопоглощения армированными пластиками 13
1.2.1. Влияние структуры армированных пластиков на характеристики влагопоглощения 13
3.2.2. Методы определения сорбционных характеристик армированных пластиков 15
1.2.3. Влияние внешней нагрузки на влагопоглощение армированными пластиками 18
1.2.4. Распределение концентрации влаги по толщине материала 20
1.3. Влияние дилатационных факторов на механические свойства армированных пластиков 22
1.3.1. Влияние температуры 22
1.3.2. Влияние влаги 24
1.3.3. Влияние химической усадки 28
1.3.4. Моделирование изменения механических характеристик армированных пластиков в зависимости от дилатационных воздействий 30
1.4. Механизмы возникновения напряжений в армированном пластике в результате дилатационных воздействий 32
1.5. Знакопеременное термоциклированис армированных пластиков 33
1.6. Способы изучения сопротивления сдвигу армированными пластиками 38
1.7. Цель и задачи работы 41
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫМИ ОБРАЗЦАМИ С РАЗЛИЧНЫМИ УРОВНЯМИ НАЧАЛЬНЫХ МИКРОПОВРЕЖДЕНИЙ.. 43
Глава 3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ СДВИГА АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ.............................. 50
3.1. Определение модуля сдвига армированных пластиков из испытаний коротких балок на изгиб 50
і
50
52
55
60
60
64
64
65
67
71
71
71
73
84
94
104
104
108
112
116
116
3.1.1. Краткое описание метода
3.1.2. Описание расчетной модели
3.1.3. Результаты расчета
3.1.4. Анализ результатов
3.2. Определение модуля сдвига армированных пластиков из испытаний на кручение квадратной пластины
Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СНИЖЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК УПРУГОСТИ АРМИРОВАННОГО ПЛАСТИКА ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ЗНАКОПЕРЕМЕННОМ ТЕМПЕРАТУРНОМ НАГРУЖЕНИИ........................................................
4.1. Описание экспериментов по знакопеременному термоцикли-рованию. Подготовка образцов для проведения опытов
4.2. Модификация методов экспериментального определения констант упругости композитов из испытаний балок и пластин
4.3. Анализ результатов по изменению характеристик упругости материала в зависимости от количества термоциклов
Глава 5. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ И ТКАНЕВЫХ КОМПОЗИТОВ С УЧЕТОМ МИКРОНАПРЯЖЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ДИЛАТАЦИИ КОМПОНЕНТОВ МАТЕРИАЛА.........................................................
5.1. Микромеханические аспекты влагопоглощения армированными пластиками
5.1.1. Использование влаготепловой аналогии
5.1.2. Вычисление трансверсального коэффициента диффузии
5.1.3. Вычисление напряжений от предельного насыщения влагой. Упругий расчет
5.1.4. Вычисление микронапряжений от насыщения влагой. Расчет с учетом ползучести
5.2. Расчет изменения пределов прочности монослоя однонаправленного армированного пластика при дилатации
5.2.1. Расчет кривой деформирования материала при транс-версальном нагружении
5.2.2. Расчет кривой деформирования материала при сдвиге
5.2.3. Вычисление изменения трансверсального и сдвигового пределов прочности материала при дилатации в процессе влагопоглощения
5.3. Модель деформирования и разрушения тканевых композитов при однократном нагружении
5.3.1. Схематизация тканого армированного пластика
5.3.2. Основные соотношения модели
5.3.3. Анализ результатов
119
124
Глава 6. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 131
6.1 Оценка прочности лопасти ветроэнергетической электростанции П-3,72 при порывах ветра 131
6.2 Оценка влияния влажности на прочность полимерных подшипников скольжения 137
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ................................... 139
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................... 141
ПРИЛОЖЕНИЯ................................................ 149
5
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время армированные пластики находят все более широкое применение в различных отраслях машиностроения [97-106]. Из них изготавливают элементы взлетно-посадочной механизации крыла самолетов (предкрылки, закрылки, хвостовое оперение), лопасти вертолетов, ветроэнергетических установок, элементы спортивного оборудования (лыжи, велосипеды, клюшки, корпуса яхт) и т.д. [7, 98, 102, 105]. Значительная часть подобных конструкций эксплуатируется в ус-повиях непосредственного контакта с атмосферой, где подвергается воздействию температуры и влаги окружающей среды. Перечисленные воздействия отражаются на изменении физико-механических свойств компонентов материала (волокон и связующего) из-за их дилатации (изменения межмолекулярных расстояний, межатомных сил и т.д.).
Следует отметить, что химическая усадка композита, связанная с полимеризацией связующего в процессе изготовления, тоже является дилатационным воздействием, так как связана с изменением объема материала. Кроме того, в условиях реальной эксплуатации материала в результате понижения температуры при переходе через 0°С происходит кристаллизация влаги, сорбированной материалом в микро-грещинах. Влага при этом увеличивается в объеме и давит на стенки микротрещин, приводя к увеличению их длины. Это воздействие также можно отнести к дилатаци-энным.
Неоднородность структуры армированных пластиков на уровне монослоя обусловливает тот факт, что дилатационные воздействия могут приводить к возникновению и изменению поля внутренних самоуравновешенных напряжений, влияющих на снижение прочности материала. Это влечет за собой существенное изменение кинетики деформирования композита при рабочих нагрузках.
Структура, механические свойства, технология производства и область применения изделий из армированных пластиков тесно связаны между собой, так как образование материала и конструкции происходит одновременно. Например, при изготовлении оболочек вращения в ракетной технике используется технология намотки на оправку в нескольких направлениях пропитанных связующим нитей из непрерывных волокон с последующим отверждением при повышенной температуре. В этом случае каждый монослой полученной оболочки представляет собой однонаправленный армированный пластик с определенным углом укладки волокон по отношению, например, к продольной оси оболочки [102, 97]. При деформировании такой конструкции в монослоях возникают не только продольные, но и поперечные и сдвиговые напряжения, величины которых во многом зависят от уровня дилатаци-онных (например, тепловых) микронапряжений на границе раздела волокно-матрица. Неучет дилатационных микронапряжений в конечном счете может привести к неверной оценке несущей способности конструкции, в частности, к необоснованному выбору коэффициента запаса.
Кроме однонаправленных материалов широкое применение в машиностроении получили тканевые армированные пластики [97, 103, 105]. При изготовлении этих материалов применяют тканевые армирующие элементы, пропитанные свя-
6
дующим, в которых продольные нити называются основой, а поперечные - утком. Применение тканевых армирующих элементов повышает технологичность деталей, снижает стоимость производства, допускает автоматизацию. Однако регулярные исправления нитей снижают эффективность армирования но сравнению с однонаправ-зенными структурами: падает жесткость армированных пластиков, напряжения изгиба в узлах переплетения нитей снижают прочность нитей. Например, для стекло-зластика меньшая искривленность нитей сатинового переплетения приводит к уве-пичению прочности на растяжение вдоль основы на 25% по сравнению с тканью по-потняного переплетения [98].
Отметим, что тканые армированные пластики обладают существенной зависимостью упругих и прочностных свойств от дилатационных воздействий (в дальнейшем будем называть это свойство чувствительностью к дилатации). Известно [71, 59], что при влагонасыщении стеклотекстолита КАСТ-В предел прочности снижается на 30%, а модуль упругости при растяжении - на 30...40%. Межслойный модуль сдвига стеклопластика за 105 ч выдержки в воде снижается на 70% [99]. Степень чувствительности тканого материала к дилатации во многом определяется величиной объемного коэффициента армирования, который, в свою очередь, зависит от метода изготовления композита.
При изготовлении деталей из тканых армированных пластиков с малой кривизной поверхности (крылья легких самолетов, лопасти ветроэнергетических установок), как правило, используют листовые материалы, полученные прессованием при высоком давлении. В этом случае объемные коэффициенты армирования в из-целиях достаточно высоки (до 60%), что обеспечивает материалу высокую прочность, жесткость и малую чувствительность к дилатации. При изготовлении из тканых армированных пластиков деталей сложной формы, таких как предкрылки, закрылки, законцовки крыла самолета, обтекатели втулки воздушного винта, кожухи радиопеленгаторных антенн и т.д., обеспечить прессование при высоких давлениях технологически невозможно. Поэтому в данном случае, как правило, используют ручное формование в вакуумном мешке (вакуумное формование). Изделия, полученные таким способом, обладают сравнительно небольшим объемным коэффициентом армирования (около 30%) и невысокими значениями характеристик прочности и жесткости. Такие материалы обладают большой чувствительностью к дилатации.
В литературе представлено большое количество результатов экспериментального исследования изменения механических характеристик армированных пластиков в зависимости от воздействия температуры и влаги окружающей среды [1-15]. Однако использовать эти результаты на практике довольно сложно, в силу зависимости экспериментальных данных от большого числа факторов (типа арматуры, диаметра волокон, объемного коэффициента армирования, толщины материала, физико-механических свойств арматуры и связующего, условий отверждения материала, метода испытаний и т.д.).
Диссертация направлена на построение математических моделей, позволяющих определять механические характеристики армированных пластиков при дилатационных воздействиях с использованием минимального числа эмпирических
7
зараметров, основываясь на комплексных экспериментальных и теоретических исследованиях типового композита - стеклопластика с тканевым армированием.
Исходя из выше сказанного, цель диссертации состоит в разработке методов расчета кинетики деформирования и разрушения армированных пластиков при ква-шстатическом кратковременном нагружении с учетом дилатационных факторов в начальный период процесса эксплуатации. В этой связи в диссертации были поставлены и решены следующие задачи.
1. Экспериментальное исследование влагопоглощения стеклопластиковыми образцами с различными уровнями начальных микроповреждений.
2. Сравнительный анализ методов определения модуля сдвига армированных пластиков из испытаний коротких балок на изгиб и пластин на кручение.
3. Экспериментальное исследование снижения характеристик упругости армированного пластика при циклическом знакопеременном температурном нагружении.
4. Разработка структурных моделей деформирования и разрушения однонаправленных и тканевых композитов с учетом микронапряжений, возникающих в результате дилатации компонентов материала.
Диссертационная работа состоит из 6 глав, трех приложений и списка литературных источников в составе 133 наименований, содержит 148 страниц текста, включая 65 рисунков и 20 таблиц.
В первой главе проведен обзор литературных источников по проблеме “влияние дилатационных воздействий на механические свойства армированных пластиков”.
Вторая глава отражает результаты экспериментальных исследований кинетики влагопоглощения армированных пластиков с различным уровнем микроповреж-цений. В экспериментах использованы тканые стеклопластиковые образцы двух видов, отличающиеся объемным коэффициентом армирования, толщиной, типом связующего и схемой переплетения нитей.
В третьей главе с применением результатов численного эксперимента произведен сравнительный анализ методов определения модуля сдвига армированных пластиков из испытаний коротких балок на изгиб и пластин на кручение. Расчеты выполнены методом конечных элементов (МКЭ) на примере типичного эпоксифе-нольного стеклопластика при известных точных значениях характеристик упругости материала образца.
Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию снижения упругих констант (продольного модуля упругости и модуля сдвига) предельно насыщенного влагой армированного пластика при циклическом знакопеременном температурном воздействии в результате накопления микроповреждений.
В пятой главе разработаны модели деформирования и разрушения однонаправленных и тканевых композитов с учетом микронапряжений, возникающих в результате дилатации компонентов материала. Дилатационные микронапряжения вычислены МКЭ с учетом и без учета реологических свойств связующего.
I
8
В шестой главе рассмотрены примеры технического использования результатов работы для расчета армированных тканью пластиков, подверженных дилатаци-жным воздействиям. В частности, произведена оценка прочности лопасти ветро-жергетической установки и полимерной втулки подшипника скольжения.
Диссертация является составной частью работ, проводимых в рамках Челябинского областного конкурса грантов по фундаментальным исследованиям, проект э2001урчел 03-25 “Разработка механохимических индикаторов оптимальности тех-^логических процессов переработки композитных материалов по критерию конст-эукционной прочности”.
9
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
В данной главе на основании обзора литературных источников дан краткий шализ состояния проблемы “влияние дилатационных воздействий на механические свойства армированных пластиков”.
Первый пункт главы посвящен анализу изменения годового числа публикаций по рассматриваемой проблеме. Исследованы материалы, содержащиеся в эазделе “механика” реферативного журнала за 1980-2000 гг. Во втором пункте гла-зы рассмотрены вопросы, связанные с особенностями процесса влагонасыщения фмированных пластиков, а также методами их аналитического описания. В третьем тункте главы рассмотрено влияние дилатационных факторов на механические свойства армированных пластиков. К факторам, вызывающим дилатационные изменения материала, отнесены температура, влага и химическая усадка связующего. Четвер-гый пункт главы посвящен рассмотрению механизмов возникновения напряжений в армированном пластике в результате дилатационных воздействий на микро-, мезо- и макроуровнях неоднородностей материала. В пятом пункте рассмотрено влияние знакопеременного термоциклирования армированных пластиков на изменение их механических свойств. В шестом пункте проанализированы способы изучения сопротивления сдвигу армированных пластиков.
На основании проведенного анализа литературных данных сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
1.1. АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ГОДОВОГО ЧИСЛА ПУБЛИКАЦИЙ ПО ПРОБЛЕМЕ “ВЛИЯНИЕ ДИЛАТАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ” С 1980-2000 гг.
В диссертационной работе изучено изменение годового количества публикаций А,, по проблеме “влияние дилатационных воздействий на физико-механические свойства армированных пластиков”. Работа выполнена по материалам реферативного журнала (часть “механика”, раздел “композитные среды” 1980-2000 гг.) [118].
Проблема влияния дилатационных воздействий на физико-механические свойства армированных пластиков широко изучается как в России, так и за рубежом (рис.1.1) и может быть подразделена на несколько наиболее крупных направлений, связанных с влиянием отдельных дилатационных факторов - температуры, влаги и химической усадки связующего (рис. 1.2-1.4).
Научное развитие таких направлений может быть обусловлено, например, заказами промышленных предприятий и компаний, занимающихся выпуском композитных изделий, подверженных дилатации. Как правило, проведение исследований связанных с подобными заказами занимает около двух - трех лет. Можно предположить, что именно этим обусловлены скачкообразные изменения годового числа публикаций на рис.1.1-1.4.
Кроме того, такие “всплески” могут быть объяснены развитием каких-либо методов исследования: экспериментальных, аналитических или численных - в том случае, если подобные развития способны привести к значительному сокращению
10
50 40 30 20
10
0
1980 1985 1990 1995 Годы
Рис. ]. 1. Изменение годового числа публикаций по проблеме “влияние дилатационных воздействий на механические свойства армированных
пластиков ”
1 - в зарубежной печати;
2 - в отечественной печати.
< 1 и
\ * \ 1 Я 1 > \ 1 / 1 ' 1 ' 1
\ / 1 / \8 1 / н > / \ 6У \ ? 'а> \ 7 1 гч ' О 1 м Г 1 / 1 / 1 5 Л
2\^ 1 7 ' 1 £ с
1980 1985 1990 1995 Годы
Рис. 1.2. Изменение годового числа публикаций, посвященных влиянию температуры на механические свойства армированных пластиков
1 - в зарубежной печати;
2 - в отечественной печати.
11
1 1 1 1 р\ И
\ м 1 Я ? А
\ < г ^ * XI-О 'о • . И 1 / \ / /°ч \ . ' ?
сих с Г/л \ А V2 1 \ 1 1 к г ОЛ}- “ ъ' гЛ
1980 1985 1990 1995 Годы
Рис. 1.3. Изменение годового числа публикаций, посвященных влиянию влаги на механические свойства армированных пластиков
1 - в зарубежной печати;
2 - в отечественной печати.
Рис. 1.4. Изменение годового числа публикаций, посвященных влиянию химической усадки на механические свойства армированных
пластиков 1 - в зарубежной печати;
2 - в отечественной печати.
12
материальных и временных затрат на проведение исследований по данной теме. На-фимер, на рис. 1.1 можно отметить существенный рост годового числа публикаций в >айоне 90-х годов и в России и за рубежом. Это, по всей видимости, может быть ;вязано с развитием численных методов исследования и появлением прикладных фограмм таких, как COSMOS, ANSYS, ALGOR и др., позволяющих производить шженерные расчеты методом конечных элементов.
Спад интереса к рассматриваемой проблеме в России после 1991 года может 5ыть объяснен снижением финансирования научно-исследовательских центров лраны в связи нестабильностью экономической и политической ситуации. Отметим, ш) за рубежом такого значительного спада не наблюдается.
При приближении к 2000 году можно заметить некоторую стабилизацию ин-гереса исследователей к рассматриваемой проблеме. Количество публикаций, юсвященных воздействию температуры, несколько снижается, однако число публикаций по влиянию химической усадки остается практически на прежнем уровне, а •шсло публикаций о влиянии влаги на свойства армированных пластиков даже несколько возрастает.
Из графиков (рис. 1.2-1.4), видно, что наиболее изучаемым дилатационным фактором является температура. Это можно объяснить, например, использованием исследователями влаготепловой аналогии (в эту аналогию в ряде случаев можно зключать и химическую усадку), связанной с подобием процессов, протекающих в композите с точки зрения механики в результате дилатации его структурных компонентов. Однако применение такой аналогии не всегда может себя оправдать. Например, влага, температура и химическая усадка связующего по-разному влияют на изменение физико-механических свойств компонентов армированного пластика. Также отдельным фактором следует рассматривать, например, совместное воздействие температуры и влаги.
Можно предположить, что другой причиной предпочтения исследователями изучения влияния температуры на свойства армированных пластиков можно назвать го, что экспериментальное исследование этого фактора представляет собой процесс наименее трудоемкий по сравнению с экспериментальным изучением влияния влаги и химической усадки: нагревание образцов не требует значительных затрат времени, а влагонасыщение и химическая усадка связующего являются процессами значительно более длительными. Например, для полного нагрева образца из стеклопластика толщиной I мм требуется не более минуты, а для его полного влагонасыщен ия необходимо около года.
I
13
1.2. ОСОБЕННОСТИ ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЯ АРМИРОВАННЫМИ ПЛАСТИКАМИ
Как отмечено выше, в последние годы отмечается некоторый рост интереса ю стороны исследователей к проблеме влияния влажности на механические свойства армированных пластиков. Ниже рассмотрены некоторые особенности гпагопоглощения этими материалами.
В нервом подпункте проанализировано влияние структуры армированных шастиков на характеристики влагопоглощения. Второй подпункт посвящен краткому обзору и анализу существующих в настоящее время методов определения юрбционных характеристик армированных пластиков. Третий пункт посвящен ана-шзу влияния внешней нагрузки на влагопоглощение армированными пластиками. В ютвертом пункте рассмотрены теоретические и экспериментальные методы нахож-гения распределение концентрации влаги по толщине материала.
1.2.1.ВЛИЯНИЕ СТРУК ТУРЫ АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ
ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЯ
Адсорбция влаги материалом - это процесс накопления материалом массы за :чет поглощения влаги. Характеристики этого процесса зависят от температуры и относительной влажности окружающей среды, и подчиняется второму закону Фика 8, 124, 126]
с1с 3 с1 (1с
(1Л)
где Оц - компоненты тензора коэффициентов диффузии, зависящие от температуры экспозиции материала, с - концентрация влаги, / - время. С течением времени вла-сопоглощение слоистых пластиков увеличивается до некоторой пороговой величины - равновесного (предельного) влагосодержания МПроцентное влагосодержание гг
вычисляется следующим образом гг = ——, где то - это начальная масса образца, а
Щ
Лт - приращение массы в результате поглощения влаги. Скорость процесса влагопоглощения определяется величинами коэффициентов тензора диффузии. В случае одномерного потока влажности используют единственный коэффициент диффузии материала. При этом вводятся следующие обозначения: £), — трансвсрсальный коэффициент диффузии материала, Л/ - продольный коэффициент диффузии.
Адсорбция влаги армированными пластиками обусловлена, в основном, сорбционными свойствами связующего. Это связано с тем, что большинство армирующих материалов поглощает влагу значительно слабее матрицы, либо вообще ее не поглощает (например, стекло). Однако в ряде случаев для определения характеристик влагопоглощения необходимо учитывать воздействие влаги и на армирующие волокна. Так, например, органоволокна, используемые в качестве арматуры композита, как и матрицы, обладают сильной сорбционной способностью 157].