Численно-экспериментальное определение параметров критерия Нуизмера для слоистых углепластиков с различными типами концентраторов напряжений Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Технология и мехатроника в машиностроении

4. Kazmin B. N., Trifanov I. V., Kovalchuk V. B.. Ryzhov D. R. Homenko, I. I. The experimental verification transition energy interaction of the electron plasma in an electromagnetic process to create electricity

technology / The alternative energy and ecology // An intern. scient. journ. 2012. № 11, p. 87-91.

© Казьмин Б. Н., Трифонов И. В., Рыжов Д. Р., 2013

УДК 620.1

ЧИСЛЕННО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРИТЕРИЯ НУИЗМЕРА ДЛЯ СЛОИСТЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ

Н. А. Коваленко1'2, И. П. Олегин1, П. М. Петров2, В. Н. Чаплыгин2

1 Новосибирской государственный технический университет Россия, 630073, г. Новосибирск, просп. Карла Маркса, 20. E-mail: olegin@craft.nstu.ru

2Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С. А. Чаплыгина Россия, 630051, г. Новосибирск, ул. Ползунова, 21. E-mail: natasha_kovalenko@ngs.ru

Численно-экспериментальным методом определяется характерное расстояние по Нуизмеру для слоистых углепластиков с различными концентраторами напряжений. Эксперимент проведен для образцов однонаправленной, типовой, квазиизотропной и сдвиговой укладок на основе монослоев ВКУ-27, ВКУ-27тр и ВКУ-30. Рассмотрены градиенты напряжений от кромки концентратора для случая растяжения образцов, полученные с помощью ANSYS, по которым и определялось характерное расстояние. Результаты исследования приведены в таблице.

Ключевые слова: слоистый углепластик, критерий разрушения, характерное расстояние.

NUMERICAL-EXPERIMENTAL DEFINITION OF NUISMER'S CRITERIA PARAMETERS FOR CARBON FIBER-EPOXY LAMINATE WITH DIFFERENT STRESS CONCENTRATORS

N. A. Kovalenko1,2, I. P. Olegin\ P. M. Petrov2, V. N. Chaplygin2

Novosibirsk State Technical University

20, Karla Marksa prosp., Novosibirsk, 630073, Russia. E-mail: olegin@craft.nstu.ru

2Siberian Aeronautical Research Institute named after S. A. Chaplygin

21, Polzunov str., Novosibirsk, 630051, Russia. E-mail: natasha_kovalenko@ngs.ru

In this paper Nuismer's characteristic distance for carbon fiber-epoxy laminate is determined by numerically experimental approach. Specimens of unidirectional, typical, quasi-isotropic and shearing packing on basis of VKU-27, VKU-27tr and VKU-30 are tested. Numerical stress gradients from concentrator edge for tension case are considered and characteristic distance is defined by the instrumentality of them. Results are listed.

Keywords: carbon fiber-epoxy laminate, failure criteria, characteristic distance.

Среди существующих численно-экспериментальных методов оценки прочности образцов, выполненных из слоистых композиционных материалов, а именно углепластика, наиболее простым в применении является критерий по напряжениям в точке - критерий Нуизмера. Согласно данному критерию разрушение образца с концентратором напряжений (КН) наступает, когда напряжение в образце достигает предела прочности на некотором расстоянии г от точки максимального напряжения. Нуизмер объясняет это положение тем фактом, что в области концентрации напряжений возникает зона растрескивания материала, размер которой характеризуется величиной г [1]. В связи с этим возникает проблема определения этого параметра, зависящего от материала образца.

Данное исследование направлено на отыскание величины этого характерного расстояния с использованием программного комплекса А^У8 и результа-

тов эксперимента, проведенных во ФГУП СибНИА им. С. А. Чаплыгина.

В классической формулировке критерий Нуизмера применяется для оценки прочности образцов с круговыми ненагруженными отверстиями. В настоящей работе предпринята попытка использования критерия Нуизмера для концентраторов напряжений более широкого класса.

В рамках эксперимента проводились испытания на статическую прочность образцов, выполненных из углепластика, со следующими концентраторами напряжений: цилиндрическое незаполненное отверстие (КН2), цилиндрическое заполненное отверстие (КН3), зенкованное незаполненное отверстие (КН4) и зенкованное заполненное отверстие (КН5). Диаметр отверстия составляет 6 мм, геометрические размеры образца (вместе с захватами) - 36*210 мм. Толщина образцов варьируется в зависимости от толщины монослоя

Решетневские чтения. 2013

и количества слоев в укладке (17 слоев для ВКУ-27тр на основе равнопрочной ткани РогсИег3105, 51 и 64 слоя для ВКУ-27 и клеевого углепластика ВКУ-30 на основе однонаправленной ленты РогсИег14535).

В эксперименте участвовали укладки: однонаправленная, типовая СЧФ (0° - 40 %, ±45° - 40 %, 90° - 20 %), квазиизотропная (0° - 25 %, ±45° - 50 %, 90° - 25 %), сдвиговая (0° - 10 %, ±45° - 80 %, 90° -10 %) и типовая ОЧК (0° - 56 %, ±45° - 32 %, 90° -12 %). Будем рассматривать случай растяжения.

При реализации эксперимента в А№У8 многослойный пакет моделировался однородной ортотроп-ной средой с эффективными характеристиками, рассчитанными с использованием основных соотношений теории многослойных пластин [2].

Критерий Нуизмера при использовании МКЭ сводится к определению концентрации напряжений на некотором расстоянии г от точки максимального напряжения (Кг). Зная это характерное расстояние, разрушающее напряжение по критерию Нуизмера определяется следующим образом:

сть

(1)

где ст.

разр

- разрушающее напряжение по критерию

на расчетные распределения напряжений, можно определить г. Для этого на кривых распределения напряжений отыскиваются точки стш , соответствующие следующим напряжениям:

<5м„ =■

(2)

Нуизмера; сть - предел прочности гладкого образца; Кг - коэффициент концентрации напряжений на характерном расстоянии г от точки максимума.

Обладая информацией о величинах разрушающих напряжений для гладких образцов и образцов с концентраторами напряжений из эксперимента и опираясь

где сть - предел прочности гладкого образца; стп -предел прочности образца с концентратором напряжений. Кривые выстраиваются в осях: ось ординат -напряжения, отнесенные к приложенному на удалении, ось абсцисс - координата от кромки концентратора до свободного края. Отыскав точку на кривой, соответствующую стш , и опустив перпендикуляр на

ось абсцисс, можно определить характерное расстояние по Нуизмеру. Группируя попарно концентраторы КН2 и КН3, КН4 и КН5 можно выделить диапазон искомого характерного расстояния. Определим величину изменения напряжений для каждого из концентраторов в данном диапазоне. В качестве иллюстрации приведем полученные данные для укладок квазиизотропная и сдвиговая ВКУ-30 в таблице.

Анализируя результаты, представленные в таблице, можно прийти к выводу, что, взяв в качестве характерного размера среднее арифметическое гтах и гтт значение мы получим значение разрушающего напряжения, отличающегося от экспериментального не боле чем на 12 %. Аналогичные исследования проведены и для образцов с другими видами укладок, участвующих в эксперименте.

Разрушающие напряжения для диапазона характерного расстояния

n

Материал монослоя Укладка ^mim кгс/мм2 ^max, кгс/мм2 5, %

r, мм 0,44 0,85 48

КН2 28,29 34,2 17

квазиизотропная КН3 34,8 40,6 9

r, мм 1,05 1,4 33

КН4 29,2 34,5 10

ВКУ-30 КН5 32,7 35,8 9

r, мм 1,3 2,65 51

КН2 26,9 30,9 13

сдвиговая КН3 33,3 35,5 6

r, мм 1,33 3,3 60

КН4 21,5 28,4 24

КН5 30,7 34,5 11

Библиографические ссылки

1. Сироткин О. С., Гришин В. И, Литвинов В. Б. Проектирование. Расчет и технология соединений авиационной техники. М. : Машиностроение, 2006. 331 с.

2. Максименко В. Н., Олегин И. П. Теоретические основы методов расчета прочности конструкций из композитов. Новосибирск : НГТУ, 2006. 239 с.

References

1. Sirotkin O. S., Grishin V. I, Litvinov V. B. Proektirovanie. Raschet I technologiya soedinenii aviacionnoi techniki. М. : Engineering, 2006. 331 p.

2. Maksimenko V. N., Olegin I. P. Teoreticheskie osnovi metodov rascheta prochnosti konstrukcii iz kompozitov. Novosibirsk : NSTU, 2006. 239 p.

© Коваленко Н. А., Олегин И. П., Петров И. П., Чаплыгин В. Н., 2013