Давно известные природные материалы, которые применялись при производстве деталей и конструкций, используемых при производстве различных транспортных средств и строительных материалов перестали удовлетворять потребности современных конструкторов и строителей – они были признаны малоэффективными (тяжелыми и недостаточно прочными). Уже в 80-х годах ХХ века в связи с бурным развитием химии, металлообработки, оптики, различных методов изучения молекулярного строения вещества (ИК- и УФ-спектроскопия, масс-спектрометры, нано микроскопы, лазерные установки и др.), была сформулирована концепция создания композиционных материалов, строение и физико-механические свойства которых отвечают заранее сформулированным требованиям. Другими словами, если раньше конструкционный материал подбирали из доступных природных материалов, зная его возможности и ограничения, теперь под конкретные запросы создаются особые материалы и технологии его производства, которые обеспечивают надежность и прочность деталей и конструкций. Изначально старт этим технологиям и материалам был дан требованиями аэрокосмической отрасли: детали самолетов и космических кораблей подвергаются самым жестким и разнообразным нагрузкам, порой диаметрально противоположным – например, устойчивость к воздействию одновременно предельно высоких и низких температур, высокие ударная прочность и пластичность, устойчивость к растягивающей и сжимающей нагрузкам, прочность при воздействии изгибающих моментов. Композиты позволяют достичь высоких прочностных характеристик при существенном снижении массы деталей и конструкций.
Влияние изгибающей нагрузки на композиты проявляется в изменении деформационного поведения и напряжённого состояния элементов конструкций:
Прогнозирование деформационного поведения
На прочностные характеристики при этом влияет ряд факторов:
- несбалансированность (вследствие технологических и эксплуатационных факторов) структуры; касательные напряжения углов, последовательность укладки слоёв от расчётных, разнотолщинность укладываемых слоёв, неоднородное воздействие температур;
- геометрические дефекты. На реакцию композитных цилиндрических оболочек на изгиб влияют начальные геометрические дефекты, граничные условия, эффекты анизотропного сцепления, различные вырезы и эксцентриситет нагрузки;
- для полимерных композитов с малым модулем сдвига межслойного материала наличие касательных напряжений приводит к искажению плоского сечения и появлению дополнительного прогиба.
Особенностью производства деталей из композитов является появление в слоях остаточных технологических напряжений, характеристики которых зависят от соотношений прочности матрицы и арматуры и от структуры слоёв композитов. Остаточные напряжения вызывают вспучивание и коробление, и, в итоге, приводят к уменьшению надежности композитных конструкций, которые можно компенсировать, оценивая НДС (напряженно-деформированное состояние) каждого слоя и всего пакета. Такая тактика позволит предсказать алгоритм деградации слоёв композита. Прочность композитного материала, который состоит из слоев, в полной мере зависит от его структуры. Структура композитного материала обуславливает его упругие, прочностные, теплофизические параметры. При производстве сборки из слоистых композитов практикуют симметричную архитектуру формирования слоёв, но при этом всегда возникают отклонения от теоретической модели. На практике это искажает расчетные напряженные состояния, вызывая в композитной детали нехарактерные и недопустимые нагрузки.
Причины несбалансированности структуры композита:
- отклонения углов укладки слоев от расчетных;
- нарушение последовательности укладки слоев;
- разнотолщинность слоев;
- неоднородное воздействие температуры;
- влияние влажности;
- локальное разрушение связующего в слоях.
Несбалансированность может также создаваться намеренно, с целью формирования заданных деформационных параметров.
Исказить спроектированную структуру слоистого композита могут отклонение от расчетных углов укладки; неправильная последовательность и разнотолщинность слоев; неравномерное воздействие температур; нестандартная влажность при производстве и эксплуатации, местная деструкция связующего.
Методы компенсации и исследования на изгиб
Подбор технологий и методики производства слоистых композитов способен предсказать деформационное поведение элементов конструкций (лопатки компрессоров, лонжероны лопастей несущих винтов вертолетов, ветроэнергетических установок и др.) в эксплуатационных условиях.
В этой связи наиболее продуктивным можно считать изучение и разработку аналитических методик проектирования композитов с предсказуемым деформационным поведением; напряженных и деформированных состояний слоистых конструкций; влияние структуры слоистых композитов на остаточные технологические напряжения; способов компенсации напряженно - деформированного состояния несбалансированных композитных конструкций; выявление принципов воздействия структуры стратифицированных композитов на остаточное напряжение и деформативность композитных деталей. А кроме того, выявить закономерности влияния на прочностные характеристики нарушенной последовательности и отклонения углов укладки слоёв, их разнотолщинности и точечной деструкции вяжущего; влияние структуры композита на остаточные технологические напряжения.
Требуется также смоделировать методы компенсации несбалансированности на НДС; разработать параметр, характеризующий зависимость сбалансированности слоистых композитов от остаточных деформаций и на их основе – методику анализа несбалансированности и ее преодоления – для получения заданных параметров деформативности и напряженного состояния композитных материалов. Эти данные позволят проектировщикам создавать актуальные стратифицированные композиты под конкретные задачи, а также сформировать актуальную справочную базу допустимых технологических отклонений.
Сбалансированной называют стратифицированную структуру композита, обладающую симметрией прочностных свойств в отношении срединной поверхности, причем каждому слою с углом укладки + φ должен соответствовать слои с углом укладки - φ , находящиися на таком же расстоянии по другую сторону от срединной поверхности.
Эти условия соблюдаются только при формировании однонаправленного каркаса или попеременной укладке слоев под углами 0° и 90°. Иная архитектура приводит к несбалансированности или при нарушении рекомендаций формирования заданной архитектуры, вызывая отклонение параметров нагруженного и деформативного поведения композитной инсталляции.
Для расчета выделяется фрагмент модели нагруженного и деформационного поведения несбалансированных образцов:
При вычислении НДС, возникающих при прогибе балок из несбалансированных КМ, учитывают усредненную по толщине стержня деформацию сдвига εxz:
Для композитов с армированием (2 – 3 % волокон фибры) величина прогибов уменьшается, повышая их жёсткость и прочность на изгиб.
Влияние архитектуры слоистых композитов на их НДС можно изучить, испытывая на изгиб консольные и 2-х опорные стержни/ балки, ориентируясь на наиболее нагруженные слои: проектируемая конструкция должна обеспечить расчетное НДС при ее эксплуатации. Несбалансированность может быть заведомо заложена для проведения испытаний при различных видах нагружения для формирования справочной информации. В этом случае для простоты анализа данных принимаются допущения:
- композит имеет одну срединную плоскость, параллельную плоскости укладки слоев, относительно которой физико-механические свойства отдельных слоев могут быть несимметричны; в каждом слое имеется одна плоскость упругой симметрии, параллельная данной;
- в плоскости укладки главные направления упругости каждого слоя ориентированы произвольно и все элементарные слои деформируются согласно обобщенному закону Гука;
- адгезия слоев абсолютная;
- выполняется гипотеза Кирхгофа о прямых недеформируемых нормалях.
Изучение воздействия структурных дефектов на НДС двух опорного и консольного стержней из углепластика (лента углеродная + связующее СП-97).
Расчетная схема двухопорной слоистой композитной балки:
Расчетная схема консольной слоистой композитной балки:
Напряженное и деформированное состояние стержней из слоистого композита изучалось под действием распределенной нагрузки в локациях максимальных сдвигов. Изучались структуры с изменённым углом укладки слоя номер пять (отсчет слоев ведется слева направо):
45/-45/0/-45-45 (первоначальное состояние);
45/-45/0/-45/42; 45/_45/0/-45/40; 45/-45/0/-45/35; 45/-45/0/-45/48;
45/-45/0/-45/50; 45/-45/0/-45/55.
Для выявления влияния количества слоев на прогиб вследствие отклонения от заданного угла укладки финишного слоя по отношению к заданному изучались 9-, 13- и 17-слойные стержни из углепласта (на двух опорах и консоль). Исходная структура образцов:
9 слоев: 45/-45/30/-30/0/-30/30/-45/45;
13 слоев: 45/-45/30/-30/45/-45/0/-45/45/-30/30/-45/45;
17 слоев: 45/-45/30/-30/45/-45/30/-30/0/-30/30/-45/45/-30/30/-45/45.
Эти структуры подвергались изгибу после изменения угла укладки финишного слоя на 3 °, 5 °, 10 °. Вариативность прочностных характеристик под воздействием изгибающей нагрузки оценивалось приращением (±) величины изгиба по формуле:
Роль фактора несбалансированности стратифицированной композитной балки при предельном изменении угла укладки (∆φ) последнего слоя под воздействием изгибающей нагрузки:
Другими словами, при большем числе слоев относительный прогиб уменьшается.
Влияние числа слоев и последовательности укладки на относительный прогиб двух опорного композитного стержня:
При росте числа слоев изменение последовательности их укладки меньше влияет на деформационное поведение слоистого композита.
При оценке влияния на деформативность разной толщины слоев изменение параметров одного слоя пакета (при нормальной толщине слоя – 0,25 мм) не превышало 20 %. Изучалось влияние на устойчивость к прогибу изменение толщины слоев по порядку. Установлено, что максимальное влияние на прогиб влияет отклонение от нормы толщины слоев, соосных оси балки ((n-2)-й слой).
Разнотолщинность стратифицированного композита меняет нормальные напряжения в слоях (до 17 %) и параметры деформированного состояния (до 20 %).
Истинно сбалансированная структура по факту невозможна, по этой причине технологическую несбалансированность условием симметрии можно компенсировать лишь отчасти: каждому слою на одинаковом расстоянии над – и под срединной плоскостью соответствует идентичный по толщине и ориентации слой. Это условие способствует нивелированию изгибающих и крутящих нагрузок при действии растягивающих или сжимающих сил.
При изгибе консольного несбалансированного стержня тот подвергается крутящему моменту, что недопустимо при эксплуатации. Компенсировать этот эффект можно, меняя углы укладки слоев (чаще всего – внешнего слоя), находя такой угол его укладки, при котором минимизируется закручивание свободного конца.
-схема укладки 9-слойной балки:
(45/-45/30/-30/0/-30/30/-45/56)°;
-схема укладки 13-слойной балки:
(45/-45/30/-30/45/-45/0/-45/45/-30/30/-45/53)°;
-схема укладки 17-слойной балки:
(45/-45/30/-30/45/-45/15/-15/0/-15/15-45/45/-30/30/-45/53)°;
Изменение ориентации внешнего слоя отражается и на параметре жесткости:
Итак, для пятислойного стратифицированного композита величина изгиба в сбалансированном состоянии на 10 % меньше, и в целом, увеличение числа слоев композита уменьшает величину изгиба.
Отклонение от расчетных углов укладки приводит к изменению НДС слоистого композита, причем играет роль любое изменение: углы укладки и количество слоев; виды нагрузки и условия крепления стержней. В многослойных композитах (с числом слоев ≥ 13) изменение углов укладки меняет величину изгиба не более, чем на ± 5%.
Изменение последовательности укладки слоев в стратифицированных композитных стержнях оказывает влияние на их НДС в пределах 20 %; при этом при росте числа слоев несбалансированность на прочностные характеристики влияет меньше.
При проведении испытаний на изгиб слоистых композитных деталей требуется сертифицированное лабораторное и испытательное оборудование: универсальные испытательные машины, прессы, тензометры.