CC BY
212
АНИЗОТРОПНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ ИЗ НИХ
С.Л. ШАМБИНА, канд. технических наук, доцент Российский университет дружбы народов
В последнее время в различных областях техники находят широкое применение композиционные материалы, имеющие целый ряд особенностей физико-механических свойств, что выгодно отличает их от других материалов. Важной задачей является совершенствование существующих и создание новых методов расчета элементов конструкций из этих материалов с учетом специфики их свойств.
Композиционные материалы (композиты) представляют собой искусственное объединение двух или нескольких материалов с целью получения материала с качественно новыми свойствами. Современные композиты не только имеют широкий спектр физических и механических свойств, но и предоставляют возможность направленного изменения этих свойств в соответствии в назначением проектируемой конструкции, а также реализации принципиально новых конструктивных решений и повышения эффективности разрабатываемых конструкций [1].
Композиты являются неоднородными сплошными материалами, состоящими из наполнителя (армирующих элементов) и связующего (матрицы) [2]. Наполнитель является основным несущим элементом конструкций из композитов. В качестве наполнителя используются волокна, нити, ленты, ткани из высокопрочных материалов (бор, углерод, полимеры и т.д.). Стеклопластики, например, на 65 - 80% состоят из наполнителя - стекловолокна. Прочность современного стекловолокна достигает 2,4 ГПа (для сравнения - прочность конструкционных сталей составляет 1,5 ГПа). Связующее (например, различного рода смолы) обеспечивает совместную работу армирующих элементов, более равномерное распределение нагрузки между элементами наполнителя, защищает волокна наполнителя от воздействия внешней среды.
При изготовлении композитов могут использоваться различные технологии (прессование, контактное формование, экструзия, литье, намотка). Так листовые материалы изготавливаются методом прессования, некоторые сложные детали - при помощи формования, а оболочки - методом намотки пропитанного связующим наполнителя на специальную оправку. Меняя чередование слоев и укладку нитей в слое, можно оптимально использовать материал в конструкции. Наиболее прочны материалы, которые армированы прямолинейными нитями, уложенными с предварительным натяжением. В зависимости от вида и расположения волокна, существуют различные типы армированных пластиков:
а) ориентированные пластики, армированные прямолинейными волокнами;
б) композиты, армированные тканями, или текстолита;
в) материалы, хаотически армированные непрерывными или дискретными волокнами;
г) пространственно армированные системы.
Анизотропные пластики, в частности стеклопластики, являются характерными представителями композитов. Эти современные материалы находят широкое применение при изготовлении элементов конструкций в различных отраслях техники: в самолетостроении, в космической и ракетной технике, в судостроении, строительстве, химической промышленности, машиностроении и т.д. [3], что обусловлено их многочисленными достоинствами. Среди этих достоинств: низкая теплопроводность, высокая химическая стойкостью и демпфирующая способность, способность кратковременно выдерживать высокие температуры, высокая технологичность, относительно низкая масса, высокая усталостная прочность и высокая удельная прочность. Стеклопластики не подвергаются коррозии и загниванию, не требуют покраски, некоторые из них пропускают до 90% световых и 70% ультрафиолетовых лучей. По удельной прочности некоторые стеклопластики превосходят лучшие конструкционные стали и алюминиевые сплавы, не говоря уже о бетоне и железобетоне. Эффективно использование стеклопластиков в различных видах строительных конструкций: плит покрытий, оболочек, куполов, в светопрозрачных конструкциях, в облегченных большепролетных конструкциях, в специальных радиопрозрачных сооружениях, а также при строительстве на просадочных фунтах или в сейсмических районах. В пространственных конструкциях относительно низкий модуль упругости стеклопластиков компенсируется повышенной жесткостью и устойчивостью пространственных систем, а также применением рациональных сечений. Пролеты пространственных конструкций из стеклопластиков могут достигать 50 метров при небольшом расходе материалов и малом весе конструкций. Перспективно использование стеклотекстолитов для сильнонапряженных элементов, а также конструкций, работающих на ударные нагрузки. Из стеклопластиков также изготавливаются трубы, основными преимуществами которых по сравнению с металлическими трубами, являются их высокая прочность, устойчивость к коррозии от действия газов, растворов солей, кислот и щелочей. Такие трубы имеют малый вес (в 4 - 5 раз меньше, чем у аналогичных стальных труб), низкую теплопроводность и применяются в сантехнике, в нефтедобывающей промышленности, в качестве шахтной крепи, для изготовления стержневых систем строительных конструкций.
Важным достоинством стеклопластиков является возможность создания с их применением эффективных многослойных конструкций типа трехслойных пластин и оболочек. В таких конструкциях внешние слои
изготавливаются из стеклопластиков, а внутренние слои - пенопластовые, сотопластовые, гофрированные или трубчатые заполнители. Сочетание слоев с различными свойствами дает возможность обеспечить надежную работу конструкции в неблагоприятных условиях окружающей среды, создавать конструкции с относительно малой массой, а также хорошими теплоизоляционными, электроизоляционными и звукоизоляционными свойствами. Многослойные конструкции обеспечивают снижение массы конструкции на 12 - 40% при заданных ограничениях на прочность и жесткость. При одинаковой несущей способности масса панелей с обшивками из композитов на 10 - 65 % ниже, чем у панелей с металлическими обшивками [4]. Применение таких панелей, например, дает возможность снизить нагрузку на несущие конструкции и, следовательно, уменьшить вес ферм, колонн и фундаментов, что дает дополнительную экономию. Механическое поведение трехслойных панелей аналогично поведению балки двутаврового сечения. Облицовки панелей, подобно полкам двутавра, противостоят растягивающим и сжимающим напряжениям, возникающим при изгибе. Заполнитель трехслойной панели действует подобно ребру двутавра, которое противостоит сдвиговым напряжениям, препятствует искривлению и короблению обшивок панели.
Кроме многочисленных достоинств стеклопластиков, о чем говорилось выше, у этих материалов есть отдельные недостатки, которые также необходимо учитывать. Это их малая жесткость, относительно высокая стоимость, невысокая жаропрочность, значительное деформирование при длительном действии силовых и тепловых нагрузок, трудности комбинирования стеклопластика с металлом, слабое сопротивление межслойному отрыву и низкая сопротивляемость межслойному сдвигу. Однако, несмотря на отдельные недостатки, можно с уверенностью отнести стеклопластики к наиболее перспективным конструкционным материалам.
Для композиционных материалов характерен большой разброс механических и теплофизических характеристик, значительно больший, чем в традиционных материалах, например, в металлах. Необходимо также упомянуть о масштабном эффекте, который проявляется в том, что свойства образца, вырезанного из композиционного материала, отличны от свойств, присущих цельной конструкции из этого же материала.
Нарушение прочности конструкции из анизотропных композитов может происходить по разным причинам: от изменения структуры материала и появления микротрещин, от потери устойчивости, от усталости материала при переменных нагрузках, от ползучести, от химической деструкции и некоторых других причин.
Еще одним важным свойством армированных пластиков является различие между собой пределов прочности на растяжение и сжатие по каждому направлению. Это связано с тем, что при растяжении основную
нагрузку несет наполнитель, а при сжатии в работе материала активно участвует и связующее.
Очень важной особенностью стеклопластиков, изготовленных на основе стеклотканей (стеклотекстолиты), направленных стеклонитей (стек-ловолокниты) и некоторых других типов стеклопластиков является ярко выраженная анизотропия их физико-механических свойств [5]. Как известно, анизотропия - это зависимость характеристик материала от угла между направлением армирования и направлениями действующих напряжений при различных напряженных состояниях. Анизотропией обладают упругие и прочностные свойства стеклопластиков, в том числе их длительная прочность, ползучесть и др. При изучении анизотропии удобно использовать методы тензорного исчисления [6]. Исследование анизотропии упругих и прочностных свойств стеклопластиков представляет большой теоретический и практический интерес. При помощи правильного выбора характера анизотропии стеклопластиков появляется возможность создания равнопрочных и легких конструкций, оптимальных при заданных условиях нагружения. Это является очень важным преимуществом стеклопластиков по сравнению со многими другими конструкционными материалами. Анизотропия прочности означает, что сопротивление стеклопластиков растяжению, сжатию или сдвигу зависит от ориентации стекловолокон в образце. Другими словами, анизотропия означает различие пределов прочности на растяжение, сжатие и сдвиг по разным направлениям.
Следствием анизотропии и разносопротивляемости растяжению и сжатию, является такая особенность армированных пластиков, как зависимость пределов прочности на сдвиг от направления касательных напряжений.
Таким образом, при расчете элементов конструкций из анизотропных композитов необходимо учитывать все указанные выше особенности их физико-механических свойств. Так как реальная физическая модель работы композита в конструкции сложна, то необходимо выбрать некоторую аппроксимирующую модель, которая облегчила бы практические расчеты конструкции на прочность и устойчивость. В настоящее время в механике композитов наиболее распространенным является феноменологический подход, когда композиционный материал рассматривается как сплошная и однородная анизотропная среда, макронапряжения и деформации в которой осредняются. Хотя этот подход и противоречит реальной структуре материала, он позволяет использовать более простые аналитические зависимости, чем при структурном подходе, рассматривающем анизотропный материал как неоднородную армированную среду.
Одним из основных вопросов, возникающих при проектировании конструкций из анизотропных композиционных материалов, является вопрос о расчете на прочность элементов конструкций при сложном напряженном состоянии. В таких случаях следует применять для расчетов ка-
кой-либо критерий прочности анизотропных материалов [7], [8], [9]. Базисные характеристики материала, входящие в критерии прочности, получают из опытов при простых видах напряженного состояния.
Критерий прочности - это условие прочности для малого элемента материала конструкции. Говоря иными словами, критерий прочности или поверхность разрушения является «аналитической интерпретацией в пространстве напряжений границы допустимых напряженных состояний, в пределах которых материал может работать при данных условиях без разрушения» [10]. Так как такая аналитическая интерпретация экспериментальных данных может быть осуществлена неоднозначно, то существует множество различных критериев прочности, которым в пространстве напряжений соответствуют как регулярные, так и сингулярные предельные поверхности. Правильно выбранный критерий прочности позволяет определить момент разрушения материала при различных напряженных состояниях, а также оценить предельное напряженное состояние в наиболее нагруженных точках конструкции. Критерий прочности считается экспериментально обоснованным, если опытные точки в пространстве напряжений располагаются достаточно близко к предельной поверхности. Так как единого подхода к описанию поверхности прочности не существует, поэтому выбор того или иного критерия всегда относительно субъективен.
При одинаковых напряженных состояниях различные материалы в стадии разрушения ведут себя по-разному. Поэтому одна и та же теория прочности может удовлетворительно описывать поведение одних материалов, но не подтверждаться экспериментальными данными для других материалов. Для большинства материалов данные, полученные из экспериментов на плоское напряженное состояние, лучше всего описываются критериями прочности Захарова - Малмейстера и Гольденблата - Копно-ва. Использование многих известных критериев прочности анизотропных материалов ограничено и сопряжено с рядом трудностей. Во-первых, все эти критерии применимы только к определенному классу материалов. Во-вторых, аналитические выражения некоторых критериев прочности громоздки и содержат целый ряд базисных прочностных характеристик материала (пределов прочности на растяжение, сжатие и сдвиг). В-третьих, технически затруднено экспериментальное определение некоторых пределов прочности, используемых в критериях, в частности, пределов прочности на сдвиг по направлениям, составляющим угол 45° по отношению к осям анизотропии. Таким образом, создание и внедрение в расчетную практику новых феноменологических критериев прочности анизотропных материалов, а также усовершенствование уже существующих критериев является одним из сложных и недостаточно разработанных вопросов.
Литература
1. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. -М.: 1988.-272 с.
2. Карпинос Д.М., ред. Композиционные материалы. Справочник. - Киев: Наукова думка, 1985. -
3. Нотон Б. Применение композиционных материалов в технике. / В кн.: Композиционные материалы. Т. 3. / Под ред. Л. Браутмана и Р. Крока. -М.: Машиностроение, 1978. -С. 260 - 307.
4. Гуняев Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов. - М.: Химия, 1981.-232 с.
5. Ашкенази Е.К., Ганов Э.В. Анизотропия конструкционных материалов. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1980. -248 с.
6. Котов В.А., Шамбина С.Л. Различные представления компонентов тензоров прочности анизотропных материалов. // Прикладная механика и математика: Междувед. сб. науч. трудов. - М.: МФТИ, 1992. -С.76-80.
7. Гольденблат ИИ. , ред. Пластинки и оболочки из стеклопластиков. -М.: Высшая школа, 1970. -407с.
8. Ву Э.М. Феноменологические критерии разрушения анизотропных сред. // В кн.: Механика композиционных материалов. Т.2 / Под. Ред. Дж. Сендецки. Пер. с англ.. -М.: Мир, 1978. -568 с.
9. Викарио А., Толанд Р. Критерии прочности и анализ разрушения конструкций из анизотропных материалов. В кн. «Композиционные материалы». Т. 7. Анализ и проектирование конструкций. - М., 1978. -С. 62 -107.
10. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. - М.: Машиностроение, 1968. -192 с.
ANISOTROPIC COMPOSITE MATERIALS AND PECULIARITIES OF CALCULATIONS FOR CONSTRUCTIONS MADE OF THESE MATERIALS
S.L. Shambina
This article considers anisotropic composite materials which are modern and progressive materials widely used in different spheres of engineering. These materials have some important peculiarities of their physical and mechanical properties (for example, anisotropy of strength and elasticity) which should be taken into account in the course of designing for constructive elements made of anisotropic composites. It is recommended to use some of numerous failure phenomenological criteria for calculations constructive elements made of these materials under the combined stresses.
