Нелинейное деформирование двухматричных композитных структур
Композиционные материалы — это материалы, образованные сочетанием двух или более фаз (дискретная фаза — армирующие волокна, частицы, и непрерывная фаза — матрица) с четкой границей раздела между ними, и характеризующиеся комплексом свойств, которыми каждый из компонентов в отдельности не обладает. Широкое использование композитов в аэрокосмической, судостроительной, нефтегазовой… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Однонаправленные волокнистые композиционные материалы
- Анализ механических свойств и моделей деформирования
- 1. 1. Применяемые волокнистые композиционные материалы и их свойства
- 1. 2. Нелинейное деформирование композиционных материалов
- 1. 2. 1. Диаграммы деформирования волокнистых композиционных материалов
- 1. 2. 2. Описание нелинейной диаграммы деформирования слоистых композитов
- 2. 1. Нарушение монолитности полимерных композиционных материалов
- 2. 2. Микромеханическая модель однонаправленного слоя
- 3. 1. Нелинейное деформирование изотропных материалов
- 3. 2. Модель нелинейного поведения однонаправленного волокнистого композиционного материала
- 3. 3. Композиционные материалы на термореактивном и термопластичном связующих
- 3. 3. 1. Композиты на термореактивной матрице
- 3. 3. 2. Композиты на термопластичной матрице
- 3. 4. Получение двухматричного волокнистого композиционного материала
- 3. 4. 1. Теоретические аспекты получения двухматричного композиционного материала
- 3. 4. 2. Получение и свойства композитного волокна
- 3. 4. 3. Двухматричный композиционный материал. Технология получения
- 3. 5. Результаты испытаний образцов двухматричного композиционного материала
- 3. 5. 1. Растяжение материала вдоль направления армирования
- 3. 5. 2. Нагружение материала в трансверсальном направлении
- 3. 5. 3. Сдвиговое деформирование материала
- 4. 1. Расчет слоистых пластин из двухматричного композиционного материала
- 4. 1. 1. Напряженно-деформированное состояние слоистой композитной пластины
- 4. 1. 2. Растяжение симметрично армированной панели
- 4. 2. Цилиндрическая оболочка из двухматричного композиционного материала
- 4. 2. 1. Структура образца. Методика испытаний
- 4. 2. 2. Результаты испытаний
- 4. 2. 3. Описание механического поведения цилиндрической оболочки
Нелинейное деформирование двухматричных композитных структур (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Исследования и разработка материалов продолжаются непрерывно, что приводит к появлению все новых и новых материалов и к постоянному прогрессу в материаловедении. В настоящее время существует большое количество разнообразных материалов, идущих на изготовление конструкций, машин, приборов. Среди них наиболее интенсивно разрабатываются материалы, получившие название композиционных, или композитов.
В настоящее время требования, предъявляемые к свойствам материалов, стали крайне разнообразными ввиду того, что условия эксплуатации материалов стали более жесткими и сложными. В качестве примера можно указать следующие свойства, которые могут потребоваться от материала: прочность, жесткость, коррозийная стойкость, износостойкость, малый вес, долговечность, термостойкость, теплопроводность, звуконепроницаемость и т. д. Вполне естественно, что, используя традиционные материалы, очень трудно удовлетворить в достаточной степени указанным выше требованиям. Именно поэтому возникли идеи использования соответствующих сочетаний материалов, позволяющих получить заданные свойства.
Композиционные материалы — это материалы, образованные сочетанием двух или более фаз (дискретная фаза — армирующие волокна, частицы, и непрерывная фаза — матрица) с четкой границей раздела между ними, и характеризующиеся комплексом свойств, которыми каждый из компонентов в отдельности не обладает. Широкое использование композитов в аэрокосмической, судостроительной, нефтегазовой, сельскохозяйственной, энергетической, автомобильной и других отраслях современной техники обусловленно прежде всего возможностью создавать материалы с наперед заданными свойствами, в частности, с регулируемыми в широких пределах прочностью и жесткостью. Использование стеклянных, углеродных, борных, органических и других высокопрочных волокон в качестве армирующих элементов и полимерных связующих в роли матриц позволяет создавать конструкции с существенно более высокими прочностью и жесткостью по сравнению с металлическими аналогами. При этом можно получить заметный выигрыш по массе и габаритам и повысить надежность конструкций не только за счет соответствующих удельных характеристик материала, но и путем исключения целого ряда промежуточных стадий переработки, характерных для традиционных материалов.
Необходимо отметить, что, будучи существенно анизотропными материалами, однонаправленные волокнистые композиты на полимерной матрице обнаруживают явно недостаточную деформативность в поперечном направлении. Так, предельные деформации при растяжении вдоль и поперек волокон соответственно для стеклопластиков составляют 3% и 0,25%, для углепластиков 1,5% и 0,5%), для органопластиков 2% и 0,6%, для боропластиков 0,7% и 0,35%, то есть соотношение «предельная деформация вдоль волокон/предельная деформация поперек волокон» колеблется в пределах 2. 12. В результате этого в пакете, образованном набором однонаправленных слоев, растрескивание и разрушение матрицы происходит заметно раньше, чем волокна достигнут своего предела прочности. Данное явление носит название нарушения монолитности.
Достаточно очевидно, что отмеченный недостаток не всегда является существенным. В изделиях одноразового использования при кратковременных режимах эксплуатации (например, в конструкциях РДТТ) нарушение монолитности, как правило, считается допустимым и проектирование по условию прочности волокон позволяет получить исключительно высокую степень весового совершенства.
С другой стороны, при нарушении монолитности конструкция теряет герметичность, идет быстрый рост накопления повреждений, снижается циклическая прочность материала, теряется форма и размеростабильность изделия, что в ответственных длительно и многократно эксплуатируемых конструкциях (например, аккумуляторах давления) является недопустимым. Проектирование же по безопасному в этом отношении уровню нагружения (пределу прочности матрицы) приводит к недоиспользованию прочности волокон, то есть к неполной реализации основной характеристики композитов.
Одним из наиболее удачных вариантов решения данной задачи (повышение поперечной деформативности при условии сохранением продольной прочности) является модель двухматричного композиционного материала [7]. Продольная прочность материала обеспечивается использованием композитных волокон, образованных сочетанием элементарных волокон (нитей) и жесткой матрицы, а поперечная деформативность — за счет эластичной матрицы, связывающей композитные волокна.
Настоящая диссертация посвящена исследованиям, направленным на развитие этой концепции применительно к термопластичным материалам, поскольку термопластичные полимеры обладают целым рядом преимуществ над термореактивными как эксплуатационного, так и технологического характера. При этом требование высокой поперечной деформативности композита вынуждает использовать в качестве эластичной матрицы материал с собственной деформативностью не менее 70% [7]. Это, в свою очередь, является причиной проявления материалом существенно нелинейного механизма деформирования, что влечет за собой необходимость разработки новой, способной учесть сильную нелинейность, модели описания деформирования материала.
Таким образом, научная и практическая значимость работы определяется:
• предложенной феноменологической моделью нелинейного деформирования композита;
• разработанной модификацией двухматричного композита;
• экспериментальным исследованием механических характеристик исходных компонентов и материалов с различной структурой пакета;
• результатами расчета элементов конструкций из двухматричного композита и оценкой его эффективности.
Работа состоит из четырех глав.
Первая глава посвящена анализу существующих композиционных материалов на полимерной матрице, их прочностных и деформационных свойств, а также существующим моделям математического описания нелинейного поведения композитов.
Во второй главе рассмотрена проблема нарушения монолитности КМ и пути ее преодоления. В частности, на основе анализа двух наиболее очевидных способов сохранения целостности матрицы вплоть до разрушения волоконувеличения жесткости армирующих элементов и снижения жесткости матрицы, — подтверждается целесообразность разделения жесткостных функций связующего между двумя матрицами, то есть основной идеи двухматричного композиционного материала.
В третьей главе рассматривается математическая модель нелинейного поведения композита, результаты которой сравниваются с экспериментальными данными по нагружению образцов, ориентированных под углами 0° и 90° к направлению нагружения и при сдвиге. Здесь же приведена технология получения и теоретическое обоснование предлагаемой модификации двухматричного КМ с сочетанием двух типов полимеров: жесткого термореактивного и эластичного термопластичного.
Четвертая глава посвящена расчету элементов конструкций на основе предлагаемой математической модели из двухматричного композиционного материала. Здесь рассматриваются панели, ориентированные под углами ±-ф к направлению нагружения, а также осесимметричное деформирование нагружаемой внутренним давлением цилиндрической оболочки. Результаты расчета сравниваются с экспериментом.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы.
Основные результаты работы доложены на:
• XVIII Европейской международной конференции САМПЕ, Париж, 1997 (18th SAMPE EUROPE / JEC International Conference and Exhibition '97) — 8.
• Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-98», Москва, 1998;
•XXV Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 1999; и опубликованы в:
• Патент № 2 097 197 (Щ);
• Патент № 2 107 622 (БШ);
• Салов О. В. Разработка и создание двухматричного волокнистого КМ. «XXII Гагаринские чтения»: Тез. докл. молодежной научной конференции, апрель 1996; МГАТУ. М., 1996, ч. 3, с. 10.
• Салов О. В. К вопросу о нелинейном поведении слоистых структур. «XXIV Гагаринские чтения». Тез. докл. Всероссийской молодежной научной конференции. Апрель 1998; МГАТУ, М.: 1998, ч. 6, с. 73.
• Салов О. В. Двухматричный волокнистый композиционный материал на термореактивной и термопластичной матрицах. // В сб. «Научные труды МАТИ им. К.Э.Циолковского». Вып. 2(74).- М.: Изд-во «ЛАТМЭС», 1999, с. 59−63.
• Салов О. В. Растяжение однонаправленного слоя с конечным числом волокон. «XXV Гагаринские чтения». Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции Москва, 6−10 апреля 1999 г.- М.: Изд-во «ЛАТМЭС», 1999. Том 2, с. 708.
В заключение сформулируем основные результаты и выводы.
1. Получено точное решение задачи микромеханики композитов для однонаправленного монослоя, армированного произвольным конечным числом волокон, и описан процесс разрушения волокон. Исследовано влияние механических свойств волокон и матрицы на прочность композита с точки зрения включения волокна в работу. Подтверждено, что одновременное увеличение жесткости армирующих волокон с одной стороны и уменьшение жесткости матрицы с другой как совмещение двух возможных путей решения проблемы нарушения монолитности композита снижает основные характеристики материала. Сделан вывод о целесообразности двухматричного композита.
2. Предложена прикладная феноменологическая модель нелинейного деформирования композитов, позволяющая описать существенно нелинейное и различное при растяжении и сжатии поведение композитов и подтвержденная опубликованными экспериментальными результатами.
3. Предложен и реализован двухматричный термореактивно-термопластичный композит, в котором совместная работа волокон обеспечивается термореактивным связующим, соединяющим элементарные волокна и образующим композитные волокна, а трансверсальная податливость обеспечивается термопластичной матрицей, соединяющей композитные волокна. Осуществлено экспериментальное исследование механических свойств двухматричного композита на основе стеклянных и углеродных волокон и установлено, что поведение материала характеризуется значительной нелинейностью при поперечном растяжении, сжатии и сдвиге.
4. Осуществлено теоретическое и экспериментальное исследование пластин с различными схемами армирования и цилиндрической оболочки из двухматричного композита. Установлено, что предложенная модель деформирования удовлетворительно описывает поведение этих конструктивных эле.
Список литературы
- Авиационные материалы. Выпуск 2: Неметаллические композиционные материалы, под ред. А. Т. Туманова и Г. М. Гуняева.- М.: ОНТИ, 1977
- Андреевская Г. Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики.- М.: Наука, 1966
- Бабаевский П.Г., Кулик С. Г. Трещиностойкость отвержденных полимерных композиций.- М.: Химия, 1991
- Бейдер Э.Я., Перов Б. В. Композиционные материалы на основе термопластичной матрицы.- Авиационная промышленность, № 1, 1990
- Я.Варна, А.Красников. Поперечные трещины в ортогонально армированных слоистых композитах. 2. Снижение жесткости. Механика композитных материалов, т. 34, № 2, 1998, с. 211−233
- Васильев В.В., Дудченко A.A., Елпатьевский А. Н. Об особенностях деформирования ортотропного стеклопластика при растяжении. Механика полимеров, № 1, 1970, с. 144−147
- Васильев В.В., Салов В. А. Разработка и исследование двухматричного стек-ловолокнистого композита с повышенной трансверсальной деформацией.- Механика композитных материалов, № 4, 1984, с. 662 666
- Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов.- М.: Машиностроение, 1988
- Вильдеман В.Э., Соколкин Ю. В., Ташкинов A.A. Прогнозирование неупругого деформирования и разрушения слоистых композитов.- Механика композитных материалов, № 3, 1992, с. 315−323
- Вильдеман В.Э. Краевые задачи механики неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов. Автореферат дисс., представленной на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук.- Пермь: Изд. ПГТУ, 1998
- Воскресенская И.Б., Юрченко Л. И., Мангушева Т. А., Греков А. П., Безуглый В. Д. Электрохимическая модификация эпоксидных покрытий уретановым полимером.- Композиционные полимерные материалы.- Киев, вып. 49, 1991
- Гольдман А .Я., Никифоров H.H., Преображенский И. И. О прочности и герметичности оболочек внутреннего давления, намотанных однонаправленной стеклолентой. -Тр. ЦНИИТС, вып. 17, 1971, с. 24−51
- Гуль В.Е., Заборовская Е. Э., Донцова Э. П., Бубнова Б. Г. Исследование адгезии термореактивных полимеров к стеклу.- Высокомолекулярные соединения, т. 5, № 2, 1963
- Еремина H.A., Барях A.A. Упругопластическое деформирование многослойного композита.- Механика композитных материалов, № 6, 1994, с. 723 729
- Зиновьев П.А., Песошников Е. М., Попов Б. Г., Темрова Л. П. Экспериментальное исследование некоторых особенностей деформирования и разрушения слоистого углепластика.- Механика композитных материалов, № 2, 1980, с. 241 245
- Зиновьев П.А., Тараканов А. И. О нелинейном деформировании слоистых композиционных материалов. // Применение пластмасс в машиностроении.-М.: МВТУ, 1978. с. 72−80
- Т.Карман, М.Био. Математические методы в инженерном деле.- М.- Д.: ОГИЗ ГИТТЛ, 1948
- Композиционные материалы. Справочник, под ред. Д. М. Карпиноса.- Киев: Hay кова думка, 1985
- Композиционные материалы: Справочник/ В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин и др.- под общ. ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарнопольского.- М.: Машиностроение, 1990
- Конохов А.Ф. Анизотропия механических свойств эпоксидных полимеров, отвержденных в постоянном магнитном поле. // Полимерные материалы в машиностроении. Межвузовский сборник научных трудов № 217.- Изд. ППИ, Пермь, 1980. с. 117−124
- А.Красников, Я.Варна. Поперечные трещины в ортогонально армированных слоистых композитах. 1. Анализ напряжений. Механика композитных материалов, т. 33, № 6, 1997, с. 796−820
- Х.Ли, К.Невилл. Справочное руководство по эпоксидным смолам.- М.: Энергия, 1973
- Макаров О.Н., Пчелинцев A.B., Баранцев A.B. Особенности отверждения эпоксидного полимера в постоянном магнитном поле. // Полимерные материалы в машиностроении. Межвузовский сборник научных трудов № 214. Изд. Пермского ун-та, 1977. с. 80−86
- Макаров О.Н., Амбуркин А. К. Методы расчета и измерения напряженности постоянного магнитного поля в рабочей зоне магнитных устройств. // Полимерные материалы в машиностроении. Межвузовский сборник научных трудов № 217.- Изд. ППИ, Пермь, 1980. с. 109−116
- Образцов И.Ф., Васильев В. В., Бунаков В. А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов.- М.: Машиностроение, 1977
- Огибалов П.М., Малинин Н. И., Нетребко В. П., Кишкин Б. П. Конструкционные полимеры. Методы экспериментального исследования.- М.: Изд. Моск. Ун-та, 1972
- Першин A.C. Интенсификация процесса пропитки капиллярно-пористых тел при импульсном акустическом воздействии. Автореферат дисс., представленной на соискание ученой степени канд. тех. наук.- М.: Изд. МИХМ, 1971
- Сарбаев Б.С. Феноменологические модели пластического деформирования волокнистых композитов. Дисс. на соискание ученой степени доктора тех. наук.- М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1996
- Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1/ Под ред. Дж. Любина- Пер. с англ. А. Б. Геллера, М.М.Гельмонта- Под ред. Б. Э. Геллера.-М.: Машиностроение, 1988
- Термопласты для производства композитов конструкционного назначения.-Modern Plastics, Vol. 62, No. 2, 1985, pp. 44−47
- Т.Фудзии, М.Дзако. Механика разрушения композиционных материалов.-М.: Мир, 1982
- Р.Хилл. Математическая теория пластичности.- М.: ГИТТЛ, 1956
- Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 4: Полимерные Трипсин / Редкол.: Зефиров Н. С. (гл. ред.) и др.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1995
- Хорошун Л.П., Шикула Е. Н. Нелинейное деформирование слоисто-волокнистых композитов.- Прикладная механика, т. 31, № 6, 1995, с. 49−56
- С.Цай, Х.Хан. Анализ разрушения композитов. // Неупругие свойства композиционных материалов. М.: Мир, 1978
- Чиао Т.Т. Некоторые инженерные механические свойства композитных материалов. // Разрушение композитных материалов. Рига: Зинатне, 1979. с. 240 243
- P.Beaumont, е. а. // J. Mater. Sci., Vol. 7, 1972. p. 1265
- J.Brillaud, A. El Mahi. Numerical Simulation of the Influence of Stacking Sequence on Transverse Ply Cracking in Composite Laminates. Composite Structures, Vol. 17, No 1, 1991, p. 23−35
- L.J.Broutman. Composite Engineering Laminates.- MIT Press, 1969
- W.S.Chan, A.S.D.Wang. Effects of a 90° Ply on Matrix Cracks and Edge Delamination in Composite Laminates. Composites Science and Technology, Vol. 38, No. 2, 1990, pp. 143−158
- L J. Chen, C.T.Sun. A New Plasticity Theory for Anisotropic Fiber Composites.-2-nd International Symposium of Composite Materials and Structures, Pekin, 1992
- Dasai M.B., Melarri F.J., Failure Mechanisms in Glass Fiber Reinforced Plastics, ASTM, Bull., 76, July 1976
- J.Echaabi, F.Trochu. A Methodology to Derive the Implicit Equation of Failure Criteria for Fiborous Composite Laminates.- J. of Composite Materials, Vol. 30, No. 10, 1996, pp. 1088−1113
- Flight International, No. 4019, 1986, p. 12
- K.W.Garett, J.E.Bailey. Multiple Transverse Fracture in 90° Cross-Ply Laminates of a Glass Fiber-Reinforced Polyester. J. Material Sci., Vol. 12, 1977, pp. 157−168
- T.S.Gates, C.T.Sun. Elastic/Viscoplastic Constitutive Model for Fiber Reinforced Thermoplastic Composites.- AIAA Journal, Vol. 29, No. 3, 1989
- W.J.Goodey. Stress Diffusion Problems.- Aircraft Engineering, November 1946, pp. 385 389
- K.C.Gramoll, D.A.Dillard, H.F.Brinson. A Stable Numerical Solution Method for In-Plane Loading of Nonlinear Viscoelastic Laminated Orthotropic Materials.-Composite Structures, Vol. 13, No. 4, 1989, pp. 251−274
- Y.M.Han, H.T.FIahn, R.B.Croman. A Simplified Analysis of Transverse Ply Cracking in Cross-Ply Laminates. Proc. 2-nd Conf. of ASC, Un of Delaware, Sept. 1987, pp. 503−514
- Z.Hashin. Analysis of Cracked Laminates: A Variational Approach. Mechanics of Materials, Vol. 4, 1985, pp. 121−136
- C.Henaff-Gardin, M.C.Lafarie-Frenot. Fatigue Transverse Ply Crack Propagation in Fiber Reinforced Composite Laminates. Proc. 10-th Int. SAMPE Conf., Birmingham, UK, 11−13 July 1989, ed. Cook, pp. 145−153
- C.T.Herakovich. Mechanics of Fibrous Composites.- N.-Y.: John Wiley and Sons, Inc., 1998
- J.M.M. de Kok, H.E.H.Meijer, A.A.J.M.Peijs. The Influence of Matrix Plasticity on the Failure Strain of Transversely Loaded Composite Materials.- Proc. of ICCM-9, Vol. 5, 1995, pp.242−249
- P.A.Lagace. Nonlinear Stress-Strain Behavior of Graphite/Epoxy Laminates.-AIAAJ., Vol. 23, No. 10, 1985, pp. 1583−1589
- G.Marom, E.White.// J. Mater. Sci. Vol. 7, 1972. p.1299
- V.Monnard, P.-E.Bourban, J.-A.E.Manson, D.A.Eckel II, J.W.Gillespie Jr., S.H.Mc-Knight, B.K.Fink. Processing and Characterization of Welded Bonds
- Between Thermoset and Thermoplastic Composites.- Proc. of the 18th International SAMPE Europe Conference, Paris, La Defence, April 23−25, 1997, pp. 111−122
- A.Nanda, T.Kuppusamy. Three-Dimensional Elastic-Plastic Analysis of Laminated Composite Plates.- Composite Structures, Vol. 17, No. 3, 1991, pp.213 225
- Nonlinear Problems in Stress Analysis: Papers pres. at the 1977 Annual Conf. of the Stress Analysis Group of the Inst, of Phisics Held at the Univ. of Durham, England, 20−27 Sept. 1977/ Ed. by P.Stanley.- London: Applied science publ., cop. 1978
- H.Ohira. Analysis of the Stress Distributions in the Cross-Ply Composite Transverse Cracking. ICCM-V (Jul.- Aug. 1985, San Diego). pp. 1115−1124
- O.Orringer, Rainey J. Chon Shan-chin. Post-Failure Behavior of Laminates and Stress Concentration. J. of Composite Materials, Vol. 10, No. 10, 1976
- Sarbayev B.S. On the Theory of Plasticity of Anisotropic Solids With Isotropic and Kinematic Hardening.- Computational Materials Science, Vol. 6, 1996, pp. 211 224
- C.T.Sun. Modeling Continious Metal Matrix Composite as a Orthotropic Elastic-Plastic Material// Metal Matrix Composites: Testing, Analysis and Failure Modes. ASTM STP 1032, W.S.Johnson, editor, Am. Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1989
- C.T.Sun, J.T.Chen. A Simple Flow Rule for Characterizing Nonlinear Behavior of Fiber Composites.- J. of Composite Materials, Vol. 23, No. 10, 1989
- F.Touchard, M.C.Lafarie-Frenot, D. Gamby, D. Guedra-Degeorges. Ply-Angle Variations Due to PEEK Shear Plasticity in APC2 Composite Laminates.- Proc. of ICCM-9, 1995, Vol. 2, pp. 372−379
- K.C.Valanis. A Theory of Viscoplasticity Without a Yield Surface.- Arch, of Mech, Vol. 23, No. 4, 1971, pp. 517−551 129
- J.Varna, L.A.Berglund. Multiple Transverse Cracking and Stiffness Reduction in Cross-Ply Laminates. J. Of Composites Technology and Research, Vol. 13, No. 2, 1991, pp. 97−106
- J.Varna, L.A.Berglund. Thermo-Elastic Properties of Composite Laminates with Transverse Cracks. J. Of Composites Technology and Research, Vol. 16, No. 1, 1994, pp. 77−87