Помощь студентам в учебе
Расчетно-экспериментальные исследования механических свойств гибридных псевдопластических композитов
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. МЕТОДЫ РАСШИРЕНИЯ ОБЛАСТИ
НЕЛИНЕЙНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПКМ И СПОСОБЫ ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ 6
2 ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ FARGR 18
2.1 Теоретические основы FARGR 19
2.2 Модернизация FARGR 23
2.3 Выводы по разделу 31
3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТКАНЕВЫХ
ПКМ 33
3.1 Технология изготовления 33
3.2 Изготовление образцов 34
3.3 Методика испытания 37
3.4 Результаты испытаний и подбор параметров 38
4 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГИБРИДНЫХ
ТКАНЕВЫХ ПКМ 44
4.1 Проектирование структуры гибридного ПКМ 44
4.2 Испытания гибридных ПКМ 45
5 ВЛИЯНИЕ ГИБРИДИЗАЦИИ НА КОНЦЕНТРАЦИЮ
НАПРЯЖЕНИЙ 52
5.1 Прогнозирование разрушающей нагрузки образца с отверстием 53
5.2 Влияние дефекта на разрушающие напряжения в материале 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 62
ПРИЛОЖЕНИЕ А 64
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 71
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 73
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. МЕТОДЫ РАСШИРЕНИЯ ОБЛАСТИ
НЕЛИНЕЙНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПКМ И СПОСОБЫ ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ 6
2 ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ FARGR 18
2.1 Теоретические основы FARGR 19
2.2 Модернизация FARGR 23
2.3 Выводы по разделу 31
3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТКАНЕВЫХ
ПКМ 33
3.1 Технология изготовления 33
3.2 Изготовление образцов 34
3.3 Методика испытания 37
3.4 Результаты испытаний и подбор параметров 38
4 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГИБРИДНЫХ
ТКАНЕВЫХ ПКМ 44
4.1 Проектирование структуры гибридного ПКМ 44
4.2 Испытания гибридных ПКМ 45
5 ВЛИЯНИЕ ГИБРИДИЗАЦИИ НА КОНЦЕНТРАЦИЮ
НАПРЯЖЕНИЙ 52
5.1 Прогнозирование разрушающей нагрузки образца с отверстием 53
5.2 Влияние дефекта на разрушающие напряжения в материале 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 62
ПРИЛОЖЕНИЕ А 64
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 71
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 73
На сегодняшний день полимерные композитные материалы (ПКМ) уже перестали быть новшеством для большинства отраслей производства. Авиационная и ракетная техника, наземный и водный транспорт активно применяют армированные пластики в качестве замены металлам. Это обусловлено высокой прочностью, жесткостью и низкой плотностью полимерных композитных материалов, армированных стеклянными, углеродными и арамидными волокнами. Не смотря на все перечисленные преимущества, основным ограничением для повсеместного использования гибридных композитных материалов в ответственных изделиях является их склонность к хрупкому разрушению. Традиционные материалы (стали и сплавы) лишены данного недостатка благодаря нелинейному характеру деформирования (пластичности), что позволяет деталям и конструкциям из них не только избегать аварийного разрушения, но и быть «терпимыми» к концентраторам напряжений.
Существует ряд способов для обеспечения нелинейного деформирования ПКМ: армирование хаотично ориентированными волокнами или тканями из крученых нитей с коротким волокном, использование металлических армирующих материалов и т.д. Однако, эти методы либо значительно снижают прочность, либо ощутимо повышают плотность материала, что в конечном счете сводит к нулю все преимущества композитов над металлами.
Наиболее актуальным решением данной проблемы на сегодняшний день является гибридизация - способ компоновки пакета, заключающийся в смешении жестких и податливых волокон. При деформировании такого композита разрушение жестких волокон происходит раньше, что обеспечивает значительное расширение области нелинейного деформирования и образование площадки псевдотекучести (участок на диаграмме деформирования ПКМ, характеризующийся ростом деформаций при почти постоянном уровне напряжений) с последующим ростом касательного модуля упругости.
Большая часть работ в этой области направлена на изучение гибридных ПКМ на основе слоев с однонаправленными волокнами, однако тканевые композиты являются более предпочтительным армирующим материалом вследствие большей распространенности и удобства применения в процессе формовки.
Так как деформирование и разрушение гибридного композитного материала является сложным многофакторным процессом, то оценить заранее механические свойства пакета практически невозможно. Данный факт, в совокупности с необходимостью минимизировать временные и финансовые затраты, приводит к необходимости создания расчетного инструмента для быстрого прогнозирования диаграммы деформирования такого материала.
Целью данной квалификационной работы является создание программного средства для прогнозирования диаграммы деформирования тканевых гибридных ПКМ при растяжении. Очевидно, что адекватность работы такого продукта должна быть проверена экспериментально. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• выполнить обзор основных типов гибридизации и методик расчета на прочность, применяемых при исследовании и проектировании нелинейных композитов;
• выбрать теоретическую основу для разработки программного средства;
• разработать программный алгоритм для прогнозирования диаграммы деформирования;
• изготовить и испытать ряд образцов с устойчивой площадкой
псевдотекучести;
• сравнить результаты расчетов, полученные с использованием разработанного программного обеспечения, с экспериментальными данными;
• произвести оценку влияния гибридизации на эффективный коэффициент концентрации напряжений в спроектированном пакете при растяжении пластины с отверстием.
Существует ряд способов для обеспечения нелинейного деформирования ПКМ: армирование хаотично ориентированными волокнами или тканями из крученых нитей с коротким волокном, использование металлических армирующих материалов и т.д. Однако, эти методы либо значительно снижают прочность, либо ощутимо повышают плотность материала, что в конечном счете сводит к нулю все преимущества композитов над металлами.
Наиболее актуальным решением данной проблемы на сегодняшний день является гибридизация - способ компоновки пакета, заключающийся в смешении жестких и податливых волокон. При деформировании такого композита разрушение жестких волокон происходит раньше, что обеспечивает значительное расширение области нелинейного деформирования и образование площадки псевдотекучести (участок на диаграмме деформирования ПКМ, характеризующийся ростом деформаций при почти постоянном уровне напряжений) с последующим ростом касательного модуля упругости.
Большая часть работ в этой области направлена на изучение гибридных ПКМ на основе слоев с однонаправленными волокнами, однако тканевые композиты являются более предпочтительным армирующим материалом вследствие большей распространенности и удобства применения в процессе формовки.
Так как деформирование и разрушение гибридного композитного материала является сложным многофакторным процессом, то оценить заранее механические свойства пакета практически невозможно. Данный факт, в совокупности с необходимостью минимизировать временные и финансовые затраты, приводит к необходимости создания расчетного инструмента для быстрого прогнозирования диаграммы деформирования такого материала.
Целью данной квалификационной работы является создание программного средства для прогнозирования диаграммы деформирования тканевых гибридных ПКМ при растяжении. Очевидно, что адекватность работы такого продукта должна быть проверена экспериментально. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• выполнить обзор основных типов гибридизации и методик расчета на прочность, применяемых при исследовании и проектировании нелинейных композитов;
• выбрать теоретическую основу для разработки программного средства;
• разработать программный алгоритм для прогнозирования диаграммы деформирования;
• изготовить и испытать ряд образцов с устойчивой площадкой
псевдотекучести;
• сравнить результаты расчетов, полученные с использованием разработанного программного обеспечения, с экспериментальными данными;
• произвести оценку влияния гибридизации на эффективный коэффициент концентрации напряжений в спроектированном пакете при растяжении пластины с отверстием.
1. В ходе работы было изучены современные способы получения нелинейного деформирования ПКМ. Более подробно рассмотрена гибридизация композитов и способы расчета их нелинейного деформирования. В результате был сделан вывод о необходимости создания программного средства для быстрого прогноза диаграммы деформирования на этапе проектирования композитного пакета на основе тканей.
2. В качестве основы для программного модуля была выбрана существующая разработка - программа FARGR, разработанная для композитов, армированных однонаправленными волокнами. В ходе работы код программы был перенесен в среду MATLAB и модифицирован для расчета тканевых ПКМ. Основной идеей перехода сдала замена тканевого переплетения двумя взаимно перпендикулярными однонаправленными слоями. Для более точной и быстрой настройки модели была добавлена возможность изменять коэффициент вариации прочностных свойств волокон и добавлен программный блок-оптимизатор.
3. Для проверки корректности работы были изготовлены и испытаны на растяжение до разрушения образцы из ПКМ на основе углепластика и органопластика (P-125, P-110, P-165, S-125, A-145) для получения упругих и прочностных характеристик материалов. На основе полученных данных были подобраны параметры моделей материалов для FARGR при проектирования гибридных ПКМ.
4. Результаты испытаний гибридных ПКМ показали несоответствие начала площадки псевдотекучести, что связанно с заниженными характеристиками жесткого компонента, полученными при испытаниях образцов-лопаток на растяжение. Для образца характерно хрупкое разрушение, тогда как для использованного в работе углепластика внутри гибридного пакета характерны разные степени рассеянного накопления повреждений, обеспечивающие более продолжительную работу материала.
5. Гибридизация арамидных тканей с помощью углеродных слоев позволила значительно расширить область нелинейного деформирования. Был предложен способ быстрой оценки разрушающей нагрузки образца с дефектом посредствам комбинации возможностей FARGR с расчетами в современных CAE пакетах на основе базовых испытаний. Однако отсутствие сходимости с экспериментом показало необходимость более детального моделирования подобных процессов, что не позволяет использовать данную методику в настоящий момент.
6. Была проведена оценка влияния гибридизации углетканью на способность арамидного пакета сопротивляться влиянию концентрации напряжений. В результате было установлено, что для полученного гибрида чувствительность к концентратору незначительно снизилась при одновременном существенном повышении жесткости.
7. Применение такого рода гибридов интересно с позиции мониторинга состояния ответственных конструкций по сигналам акустической эмиссии при начале разрушения углеткани.
8. Данная работа проводилась в рамках гранта Российского Научного Фонда (проект №18-19-00377). По ее результатам подготовлен и прочитан доклад на XXIV Международной молодежной конференции молодых ученых «Туполевские чтения» (Казань, КНИТУ, 2019); статья в международный журнал «Механика композитных материалов» (SCOPUS) находится в печати.
2. В качестве основы для программного модуля была выбрана существующая разработка - программа FARGR, разработанная для композитов, армированных однонаправленными волокнами. В ходе работы код программы был перенесен в среду MATLAB и модифицирован для расчета тканевых ПКМ. Основной идеей перехода сдала замена тканевого переплетения двумя взаимно перпендикулярными однонаправленными слоями. Для более точной и быстрой настройки модели была добавлена возможность изменять коэффициент вариации прочностных свойств волокон и добавлен программный блок-оптимизатор.
3. Для проверки корректности работы были изготовлены и испытаны на растяжение до разрушения образцы из ПКМ на основе углепластика и органопластика (P-125, P-110, P-165, S-125, A-145) для получения упругих и прочностных характеристик материалов. На основе полученных данных были подобраны параметры моделей материалов для FARGR при проектирования гибридных ПКМ.
4. Результаты испытаний гибридных ПКМ показали несоответствие начала площадки псевдотекучести, что связанно с заниженными характеристиками жесткого компонента, полученными при испытаниях образцов-лопаток на растяжение. Для образца характерно хрупкое разрушение, тогда как для использованного в работе углепластика внутри гибридного пакета характерны разные степени рассеянного накопления повреждений, обеспечивающие более продолжительную работу материала.
5. Гибридизация арамидных тканей с помощью углеродных слоев позволила значительно расширить область нелинейного деформирования. Был предложен способ быстрой оценки разрушающей нагрузки образца с дефектом посредствам комбинации возможностей FARGR с расчетами в современных CAE пакетах на основе базовых испытаний. Однако отсутствие сходимости с экспериментом показало необходимость более детального моделирования подобных процессов, что не позволяет использовать данную методику в настоящий момент.
6. Была проведена оценка влияния гибридизации углетканью на способность арамидного пакета сопротивляться влиянию концентрации напряжений. В результате было установлено, что для полученного гибрида чувствительность к концентратору незначительно снизилась при одновременном существенном повышении жесткости.
7. Применение такого рода гибридов интересно с позиции мониторинга состояния ответственных конструкций по сигналам акустической эмиссии при начале разрушения углеткани.
8. Данная работа проводилась в рамках гранта Российского Научного Фонда (проект №18-19-00377). По ее результатам подготовлен и прочитан доклад на XXIV Международной молодежной конференции молодых ученых «Туполевские чтения» (Казань, КНИТУ, 2019); статья в международный журнал «Механика композитных материалов» (SCOPUS) находится в печати.
