АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 6
1.1 Причины саморазогрева в элементах конструкций 6
1.2 Экспериментальные исследования 7
1.3 Расчетные методики 10
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЕ САМОРАЗОГРЕВА
ПРИ ИЗГИБЕ 12
2.1 Описание формы и материала 12
2.2 Экспериментальная установка и методика испытаний 13
2.3 Результаты экспериментальных исследований 15
2.4 Расчетно-экспериментальная методика по определению
коэффициента теплоотдачи при циклическом изгибе 18
3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ САМОРАЗОГРЕВА ПРИ ИЗГИБЕ 23
3.1 Т еоретические основы саморазогрева 23
3.2 Аналитическая зависимость 27
4 СОПОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ДАННЫХ 30
4.1 Сравнение расчетной и экспериментальной зависимости
коэффициента теплоотдачи от скорости обтекания 30
4.2 Сравнение расчетной и экспериментальной зависимости
скорости саморазогрева от частоты и амплитуды колебаний 31
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 35
ПРИЛОЖЕНИЕ А 36
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 37
С развитием техники растут требования к конструкционным материалам. На смену традиционным, приходят полимерные композитные материалы (ПКМ). Благодаря высокой удельной прочности и жесткости, ПКМ активно используются в таких областях, как авиация, ракетная техника, наземный и водный транспорт.
Наряду с преимуществами, у ПКМ есть недостатки, которые ограничивают область их использования. Основным недостатком ПКМ является их невысокая термопрочность, связанная с тем, что полимеры не могут эксплуатироваться при температурах выше температур полимеризации. При повторяющихся нагрузках может возникнуть сильный гистерезисный разогрев, который приведёт к деградации механических свойств и, в некоторых случаях, к разрушению. Гистерезисный эффект саморазогрева проявляется в аэрокосмических, автомобильных и морских конструкциях, подверженных вибрациям с высокими амплитудами и частотами. В большинстве случаев, саморазогрев является недопустимым. Элементы, расположенные вблизи двигателя, испытывают мощное акустическое воздействие от истекающей струи газов. Эти элементы из-за гистерезисных потерь разогреваются до высоких температур, если теплоотвод в окружающую среду недостаточный.
Проблема саморазогрева также встречается в испытаниях на усталость, где проблема ускорения испытаний связана с решением проблемы разогрева. Этот вопрос связан с методикой испытаний. А если конструкция испытывает интенсивное вибрационное нагружение, то возникают вопросы к эксплуатации, к защите от вибраций. Саморазогрев ответственных деталей может привести к выходу из строя всей конструкции, поэтому появляется необходимость уметь прогнозировать гистерезисный саморазогрев композитов при известных условиях нагружения.
Целью данной квалификационной работы является разработка аналитической (математической) модели для прогнозирования саморазогрева при знакопеременном изгибе на примере материала СТЭФ. Очевидно, что адекватность
такой модели должна быть проверена экспериментально. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• выполнить обзор основных причин саморазогрева материалов,
экспериментальных исследований по определению температуры
саморазогрева и расчетных методик;
• создать и испытать ряд образцов из ПКМ на знакопеременный изгиб при различных частотах и амплитудах;
• разработать аналитическую нульмерную модель для прогнозирования темпов разогрева материала;
• сравнить результаты, полученные с использованием расчетной модели, с экспериментальными данными;
• выявить наиболее значимые факторы, влияющие на адекватность полученной расчетной модели.
Экспериментально установлено, что коэффициент теплоотдачи нелинейно зависит от скорости колебаний (амплитуды и частоты колебаний) и изменяется от 13 до 49 Вт/(м2-К), что существенно выше коэффициента теплоотдачи а=5,6 Вт/(м2-К), использованного при расчетах саморазогрева стеклопластика при растяжении.
Коэффициент потерь при знакопеременном изгибе линейно зависит от напряжения, что позволяет адекватно прогнозировать кинетику саморазогрева лишь до уровня напряжений 150-180 МПа. При более высоких уровнях напряжения предложенная модель в большинстве случаев дает заниженную оценку скорости саморазогрева и максимальной температуры. Это можно объяснить тем, что к механизму генерации тепла за счет вязкоупругого поведения материала добавляется тепловыделение за счет фрикционных контактов в материале (накопление микроповреждений, расслоения между волокном и матрицей и др.).
На данном этапе аналитическая модель рассматривает только гистерезисное трение, поэтому разработка методики, позволяющей учитывать два механизма генерации тепла в зависимости от уровня напряжений и частоты нагружения является темой будущей работы. Кроме того, в некоторых случаях наблюдали расхождение расчетных и экспериментальных кривых при малых амплитудах (Рисунок 21), что может быть связано с технологическими особенностями изготовления (погрешность угла укладки слоев, дефекты в композите и др.). Дальнейшие исследования влияния технологических особенностей изготовления композитов на саморазогрев и циклическую прочность также являются актуальными.
В итоге можно отметить, что нульмерная модель саморазогрева даёт удовлетворительную точность предсказания максимальных температур (средняя погрешность меньше 2ОС) в широком диапазоне частот и амплитуд колебаний образцов из стеклопластика СТЭФ.
