Армирование ПКМ
В качестве каркасов чаще всего применяются органические, борные, базальтовые, стеклянные, углеродные ровинги и ткани. Ткани различаются плотностью, характером поверхности, видом плетения и толщиной нитей. Выделяют четыре базовых типа плетения (саржевое, сатиновое, полотняное, трикотажное)., являющихся важной характеристикой каркаса.
Наименьшим числом базовых нитей характеризуется плетение раппорт. Взаимное расположение в каждом ряду перекрытий основы и утока характеризуется дробным числом (число подряд расположенных перекрытий: в числителе –основы, в знаменателе – утока). Вариативность переплетений нитей основы и утока на практике ограничивается целесообразностью и технологическими возможностями. Схематически плетения изображают клетками: черными – основы; белыми – утока. Вертикальные ряды изображают основу, горизонтальные – уток.
Виды плетений:
- полотняное – каждая нить основы и утка по очереди проходит сверху и снизу нити основы;
- сатиновое – с длинными перекрытиями нитей основы;
- саржевое – каждая нить основы и утка проходит сверху и снизу поочередно ≥2 пересекающих ее нитей;
- трикотажное –вязаное плетение взаимно зацепленных петель сильно искривленных нитей, при этом существуют уточные и основовязаные материалы.
От типа плетения зависят механические и технологические свойства ткани. При каркасе из ткани полотняного типа композит имеет высокую двуосноую прочность. В то же время она наиболее жесткая и плохо (без образования складок) укладывается на сложной поверхности. Каркас из ткани сатинового плетения имеет высокую жесткость и прочность вдоль основы, но – меньшую – вдоль утока. Армирование тканью саржевого плетения характеризуется большей гибкостью волокон в тканевой плоскости, позволяя производить детали со сложной поверхностью. Наименьшими жесткостью и прочностью характеризуются полимерные композитные материалы, армированные тканями трикотажного плетения: их укладка в наибольшей степени разрежена, а волокна максимально искривлены. По этой же причине такие композиты максимально гибки, формируя безскладочную укладку на поверхностях с малыми радиусами кривизны.
Полимерным композитам присуща регулируемая анизотропия механических свойств, что позволяет для конструкций одинаковых геометрических форм обеспечить дифференцированную передачу нагрузки, перераспределяя напряжение за счет анизотропии ПКМ. Анизотропия свойств регулируется схем армирования. При изготовлении слоистых композитов схема создания каркаса задана направлением волокон в слоях. Величина угла между осью детали и направлением волокон арматуры определяет направление укладки.
Типовые схемы армирования
Однонаправленный полимерный композит (укладка под 0°) формируется при укладке ровинга параллельно оси. Укладка ровинга в перпендикулярных направлениях (укладка под 0° и 90°) дает иную структуру. Случаи укладки армирующих слоев, при котором поочередно один слой ориентирован вдоль оси (0°), и два других – под углами +45° и –45°, реализуются тканями различного плетения:
Схема армирующих схем композита влияет на характеристики его прочности при разных вариантах нагружения. Мононаправленный композит с непрерывными волокнами разрушается одновременно с матрицей: его прочность определяется по формуле:
Такой тип армирования показан в условиях одноосного нагружения, обеспечивая максимальную удельную прочность, в перпендикулярном же направлении прочность материала минимальна. Ортогональное армирование распределяет нагрузки, действуя в разных направлениях. При наличии напряжений сдвига при эксплуатации деталей композиты требуются схемы укрепляющего каркаса, ориентированного под углом к оси. При выборе схемы армирования требуется совмещение поля действующих напряжений с направлением укладки каркаса.
Устойчивость к нагрузкам композита зависит от доли арматуры в общем объеме. При использовании классических армирующих наполнителей (неразрывные волокна круглого сечения) механические свойства мононаправленного материала максимальны при пропорции арматуры Va=0,65±0,7. Увеличить прочность каркаса до 0,85 можно посредством профильных волокон. Дальнейшее упрочнение композита зависит от прочности сцепления волокна со связующим на границе раздела фаз.
Профили армирующих волокон
Структура армирующих тканей с большим искривлением волокон вызывает разброс величин напряжённости по объему композитной делали из-за того, что искривленные волокна каркаса включаются в работу в разное время, что снижает жесткость прочность всей детали. Поэтому более прочным и надежным при эксплуатации по всей видимости будет не тканый каркас, а из ровинга.
Гибкие тканые композиты формируют класс материалов, каркасом которых служат ткани разных плетений, а матрицей – мягкие полимеры (полиуретан). Тип арматуры при создании гибких тканых композитов определяется назначением детали. Для этих целей часто используются двумерные типы переплетений (сатиновое; полотняное). Полотняные плетения характеризуются геометрической формой, толщиной и объемом армирующих нитей, влияющих на прочностные показатели материала.
От ризоморфности гибких тканых композитов (типа матрицы, особенностей деформации нитей каркаса) зависят их прочностные характеристики. Нити арматуры под нагрузкой изменяют жесткость, выпрямляются, переводя напряжение изгиба в растяжение по центру. При изучении механических свойств композитов при различных растягивающих нагрузках необходимо учитывать накопленные повреждения материала и влияние структуры материала.
Из регулярной структуры полотняного каркаса выделяется элементарный периодический элемент (ЭПЯ):
Схемы полотняного переплетения (вид сверху): 1 - нить основы; 2 - нить утка; 3 - элементарная периодическая ячейка
С учетом особенности вида переплетения, без ограничения общности, считаем, что закон изменения формы нитей сохраняется по всему материалу ткани как для нитей основы, так и для нитей утка. Выберем направление основы в качестве базового и более подробно рассмотрим вид ЭПЯ. При рассмотрении полотняного переплетения в продольном сечении в направлении основы нить основы имеет форму, приближенную к синусоидальной кривой.
Продольное сечение вдоль основы: 1 - нить основы; 2 - нить утка; 3 - линейная аппроксимация синусоидальной формы нити основы; 4 - матрица (заполнитель) гибкого тканого композита
Для того, чтобы не проводить испытаний на прочность при растяжении, существуют математические модели, позволяющие предсказать поведение тканых композитов. Для этого выделяют ЭПЯ, которую изучают вдоль нитей основы при жестком одноосном растяжении. При таких условиях нагрузка преимущественно ложится соосно нитям основы, а уток помогает сохранить форму плетения ткани. Для исследований допускается, что нити на границах их контакта «жестко» скреплены, перемещаются и деформируются одинаково, не проникая друг в друга.
Для упрощения моделирования структуры ЭПЯ гибких тканых композитов синусоидальная кривая аппроксимируется набором прямолинейных участков. Эллипсоидное поперечное сечение нитей аппроксимируется до прямоугольника. Результатом выделения структурного элемента и упрощения геометрии переплетения ЭПЯ более низкого уровня.
Элементарная периодическая ячейка армирующих нитей (ЭПЯ) гибкого тканного композита: 1 - нить основы; 2 - нить утка
Объемное содержание арматуры в ячейке принимается за константу, а упругий материал волокон характеризуется модулем упругости Еf и к-том Пуассона ѵf. В процессе деформирования адгезионные свойства на границе каркаса с матрицей ослабевают, порождая образование размазанных трещин.
Для получения диаграммы деформирования ЭПЯ гибкого тканного композита при одноосном растяжении вдоль нитей основы на границе А запрещается перемещение в направлении растяжения ux|a = 0, на границе B задается перемещение ux|a = u*, на границах C и D - условие симметрии.
ЭПЯ гибкого тканого композита при одноосном растяжении
Поставленная задача решается методом конечных элементов. Матрица ЭПЯ гибкого тканного композита моделируется 8-ю узловыми конечными элементами solid 185. Это основной элемент, имеющий три степени свободы, позволяющий моделировать твердотельные тела в ПК ANSYS и учитывать возможные большие деформации. Нити армирования моделируются 8-ю узловыми конечными элементами solid 65, которые позволяют учесть наличие элементов армирования с заданной ориентацией внутри моделируемого тела и объемной долей содержания армирующих волокон внутри композитных тканей, а также учесть материал, из которого состоят элементы армирования. Еще одним фактором, влияющим на выбор конечного элемента solid 65, является возможность учета влияния "размазанных трещин" внутри матрицы армирующих нитей.
Для оценки достоверности предложенной модели процесса деформирования гибких тканых композитов проведено сравнение с экспериментальными данными. Были проведены экспериментальные исследования для получения диаграммы деформирования гибких композитов при одноосном растяжении. В эксперименте были использованы образцы материалов тканого композита с армированием из трощеных нитей и полиуретановой матрицей. Из материала вырезались образцы таким образом, чтобы направление основы совпадало с осью образца. После этого проводились испытания на растяжение с постоянной скоростью, равной 0.3 мм/с.
Используемые в работе образцы имели следующие геометрические параметры структуры
Для анализа экспериментальных данных была проведена систематизация вида диаграммы деформирования. На основе анализа экспериментальных данных было принято предположение о трехсегментном виде диаграммы деформирования.
Схематизация диаграммы деформирования
Механические характеристики материалов, используемых при моделировании, представлены в таблице, где У - модуль упрочения при упругом деформировании, Et - модуль упрочнения при упругопластическом деформировании, σt - предел текучести.
Сравнение экспериментальной усредненной диаграммы прочности при растяжении гибкого тканого композита с расчетной, построенной на модельных данных, являет хорошее качественное и количественное совпадение. На расчетной диаграмме четко видны предел текучести и изменение жесткости при одноосном деформировании. Отличия 2-го участка, вероятно, связаны с изучением всего лишь одной структурной ячейки и пренебрежением разброса длины волокон (неравномерность начала работы нитей основы и утока).
S-среднее квадратичное отклонение, V-коэффициент вариации и δ-относительная погрешность. Анализ указанных параметров показывает, что погрешность модели не превышает 7%. Максимальные отклонения от результатов экспериментальных данных возникают на третьем сегменте диаграммы деформирования, на котором происходит разрушение образца материала. В качестве причины количественного разброса может выступать предположение о разрушении по методу "размазанной" трещины", которое не предполагает наличие трещины как фактора увеличения степени свободы и учета коэффициента интенсивности напряжений, влияющих на поведение материала при деформировании.
Диаграммы деформирования при растяжении вдоль нити основы: 1 - эксперимент, 2 - метод конечных элементов
Для испытаний на прочность при растягивающей нагрузке композитных материалов Вам пригодятся наши универсальные испытательные машины, копры и другое сертифицированное оборудование.