Экспериментальные исследования влияния клея и размеров ячейки на несущую способность трехслойных балок Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

УДК 539,41: 629.7.023 (03)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КЛЕЯ И РАЗМЕРОВ ЯЧЕЙКИ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ

ТРЕХСЛОЙНЫХ БАЛОК

© 2012 г. О.М. Устарханов, Х.М. Муселемов, Т.О. Устарханов

Дагестанский государственный Dagestan State Technical

технический университет University

Работа посвящена экспериментальным исследованиям влияния клея и размеров ячеек дискретного заполнителя на несущую способность трехслойных балок. Данные экспериментальных исследований позволяют определить влияние клея и размеров ячеек на несущую способность трехслойных балок, состоящих из заполнителя и несущих слоев, соединенных на клею, что представляет интерес для инженерно-технических работников и проектировщиков.

Ключевые слова: заполнитель; трехслойный; несущий слой; клей; размер ячейки; балка.

The work is devoted to the experimental investigations of glue and sells sizes discrete aggregate influense on the load-carrying capacity of three-layer beams. Data of experimental investigations allow to define the glue influence on the carrying capacity of three-layer beams consisting of filler and load-carrying layers connected with glue, that is of interest of the engineering employees and designers.

Keywords: filler; three-layer; load-carrying layer; glue; sill size; beam.

Планирование эксперимента

Все экспериментальные исследования начинаются с планирования эксперимента, где учитываются параметры технологии изготовления испытываемых образцов, определения их размеров, их количества, подготовки измерительного комплекса и т.д. Размеры модели трехслойной конструкции (ТК) должны быть таковыми, чтобы она оставалась трехслойной, и число образцов для экспериментальных исследований должно быть ограничено [1, 2].

Обработка многочисленных результатов экспериментов на трехслойных конструкциях показала, что

0,5а: п *

доверительный интервал равен q = —^ = 0,5 .

а :

Используя значения функции L(q, К) для распределения Стьюдента, получим число степеней свободы (при данном q и заданном а) k = 8. Следовательно, выборка должна состоять не менее чем из 9 образцов для каждой серии испытаний.

Постановка задачи

Хотя трехслойная конструкция является эффективной, она не получила широкого распространения. Одной из причин, препятствующих распространению ТК, является недостаточное совпадение расчетных предельных характеристик и реальных, получаемых на практике. Расчетные критические нагрузки сотового заполнителя таких конструкций достаточно хорошо совпадают с экспериментальными. Однако разрушение трехслойных конструкций часто происходит не вследствие потери устойчивости, а при нагрузках,

значительно меньших, чем критические. При этом разрушение происходит в зонах, прилегающих к опорам, в местах приложения сосредоточенных сил или на стыке заполнитель - несущий слой (в случае соединения склеиванием), т.е. в клеевом шве. Это обстоятельство ставит вопрос об учете технологических и эксплуатационных влияний клеевого слоя в трехслойной конструкции.

Технологический процесс склеивания дает возможность, благодаря когезии и адгезии, соединять металлические и неметаллические материалы без использования большого количества тепловой энергии.

Несущая способность клеевых соединений в значительной степени зависит от прочности клеевого слоя и соединяемых элементов.

Прочность клеевого шва зависит от многих факторов: адгезии клея, зависимости свойств отверженного клея от его толщины и других параметров. Все эти факторы незначительно зависят от конструкции соединения.

Цели и задачи экспериментальных исследований

При расчете трехслойных конструкций используются дифференциальные уравнения, описывающие напряженно-деформированное состояние ТК. Эти уравнения были получены при известных допущениях [3 - 5]. Как отмечалось в работе [6], принятые допущения не позволяют нам в полной мере описать напряженно-деформированное состояние ТК, поэтому целью нашей работы является: создание эффективных

методов анализа напряженно-деформированного состояния в клеевых слоях (КС) трехслойных конструкций, выполненных из различных материалов; исследование закономерностей их сопротивления в основных случаях статического нагружения и сравнение результатов расчета с существующими методиками; проведение различных экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния КС ТК, а также оценка влияния различных марок клея и размеров дискретного заполнителя на несущую способность ТК.

Для экспериментальных исследований были изготовлены образцы в виде трехслойных балок.

В качестве заполнителя трёхслойных балок использовались металлические соты из алюминия Д16 АТ в виде шестигранных призм со следующими параметрами: толщина листа Д16 АТ - 0,12 мм, размер грани ячейки - от 5 до 25 мм, высота ячейки - от 40 до 60 мм. Несущие слои образцов выполнены из сплава алюминия АМг2-Н толщиной 1,0 - 1,5 мм. Для соединения элементов трехслойных балок (ТБ) использовались два вида клеев: ЭД-20 и К-153. Все разновидности ТБ изготавливались по 10 образцов в серии.

В качестве концевых элементов для балочных образцов, с помощью которых производится их заделка при испытаниях, использовались деревянные элементы, которые были вклеены в балочный образец.

Экспериментальные исследования образцов трехслойных балок проводились на действие равномерно распределенной статической нагрузки.

Для этого были проведены следующие испытания:

ст, МПа

1. Изгиб балочного элемента трехслойной конструкции с шарнирным опиранием под действием распределенной нагрузки.

2. Изгиб балочного элемента трехслойной конструкции с жестким опиранием под действием распределенной нагрузки.

Определение деформаций производилось при помощи тензорезисторов с базой 1 см, которые приклеивались к испытываемому образцу. Одни тензоре-зисторы были приклеены в теле клеевого шва, соединяющего между собой несущий слой с заполнителем, другие - в теле клеевого шва, соединяющего между собой стенки заполнителя, а также на стенках заполнителя и на несущих слоях балки.

Измерение перемещений несущих слоев балки осуществлялось при помощи индикаторов часового типа.

Нагрузка создавалась при помощи воздуха, нагнетаемого в камеру компрессором, и измерялась образцовым манометром типа ОБМ-1. Камера располагалась между металлической плитой и трехслойной балкой

Для определения деформации применялась тензо-станция ZET 017-Т8. К тензостанции также прилагается программное обеспечение ZETLab, которое содержит программу «ТЕНЗОМЕТР». Она предназначена для измерения усилия с помощью тензорезисторов. Программа «ТЕНЗОМЕТР» создает виртуальный канал выходного сигнала в заданных единицах измерения. Этот канал предназначен для дальнейшего анализа и регистрации средствами ZETLab.

Результаты экспериментальных исследований после их статобработки приведены на (рис. 1 - 5).

0,6

0,4

0,2

0

Рис. 1. Графическая зависимость ст (напряжений) в верхнем несущем слое по длине трехслойной балки при действии равномерно распределенной нагрузки: а - балка с шарниром с размерами граней ячейки 25 мм; б - балка с шарниром с размерами граней ячейки 20 мм; в - балка защемленная с размерами граней ячейки 25 мм; г - балка защемленная с

размерами граней ячейки 20 мм

4 ^ «р <ф> Я / / / / у / у / У ©> © ©/ ч ч \ \ N \ X \

WUIIUI - '4

7/ 10.0 / У /7777 10.0 / /

/ / / 34 V Vf / / Л / 34 U

/ / (р=68с / / (р=68см

/ /1 / А

ГГгЕар ^в

теор (Ja экс \ 3 КС в ___—- а —---Б

'-'г теор \ б " '-.б \\o-r Хстг45

\ теор \jZ_s_

10 20 30 l, см

ст, МПа

0,6 0,4 0,2 0

9 9 ' / / • / 0 i

4441 UUlIll | . 11 тг ■■К И, ч

IIIIIIII

V/)/ / Г\, /

/ /1 / 34 I, / И 34 U

/ /1 / ф=68см / / ф=68см

И / /

Оас о™0 ^ / ' ' 5

..................Уг \аГ

10

20

30

l, см

Рис. 2. Графическая зависимость а (напряжений) в теле клеевого шва в несущем слое по длине трехслойной балки при действии равномерно распределенной нагрузки: а - балка с шарниром с размерами граней ячейки 25 мм; б - балка с шарниром с размерами граней ячейки 20 мм; в - балка защемленная с размерами граней ячейки 25 мм; г - балка защемленная с размерами граней ячейки 20 мм

По результатам анализа проведённых экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. При испытаниях трёхслойных балок, нагруженных равномерно распределенной нагрузкой наблюдалось сближение слоев на расстоянии (0,12 -г 0,17)1 от опоры. Разница между перемещениями слоев в одной вертикальной плоскости составляла (2 - 5) %. В средней части балки сближение слоёв незначительное.

2. Напряжения в клеевом шве, соединяющем заполнитель с несущим слоем, по сравнению с напряжениями в несущих слоях было меньше (рис. 1 и 2). До разрушающей нагрузки изменение напряжений в клеевом шве и несущем слое подчинялись закону Гука.

3. Сравнение теоретических данных с экспериментальными данными показало, что разница между напряжениями и перемещениями в ТБ составило в среднем около 15 % (рис. 1). При разрушающей нагрузке (0,1 - 0,2 МПа, что соответствовало сосредоточенной нагрузке, приложенной в середине балки 1,2 -2,4 тнс) напряжения в клеевом шве и в стенках заполнителя не достигали предельных критических значений. Разрушение балки происходило от отслоения несущего слоя и частичного разрушения клея на расстоянии (0,12 -г 0,17)1 от опоры.

4. В сечениях, где происходило разрушение балки, касательные напряжения достигали величин 0,1- 0,3 МПа.

стст, МПа Сткп, МПа

Рис. 3. График зависимостей напряжений от деформаций для ТБ с дискретным заполнителем с размером ячейки 5 мм для балок, соединенных на клею ЭД-20 и К-153

Рис. 4. График зависимостей напряжений от деформаций для ТБ с дискретным заполнителем с размером ячейки 25 мм для балок, соединенных на клею ЭД-20 и К-153

Рис. 5. График зависимостей перемещений от нагрузки для ТБ с дискретным заполнителем с размером ячейки 5 и 25 мм для балок, соединенных на клеях ЭД-20 и К-153

5. Жесткость балок с размерами грани ячеек 0,5 см, по сравнению с балками с размерами грани ячеек 2,5 см при одинаковой длине и ширине в 4 - 5 раза выше.

6. Разрушение балок с размерами грани ячеек больше 2 см, при всех других одинаковых условиях разрушение происходило в основном из-за потери устойчивости стенок заполнителя и также на расстоянии (0,12 -г 0,17)/ от опоры.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.

1. Чем больше коэффициент заполнения заполнителя, тем больше разрушающее касательное напряжение и соответственно разрушающая нагрузка при других равных условиях.

2. Прочность клеевого шва зависит от его толщины, от когезионных связей клея с соединяемыми элементами, от неравномерного нанесения клея по всей площади поверхности.

3. Перемещения, деформации и напряжения в ТК и его элементах зависят от марки клея, от материала несущих слоев и заполнителя.

4. Эксперименты, проведенные с различными размерами образцов ТБ, показало, что при высоте заполнителя от 6 до 5 см, разрушение ТБ от потери устойчивости стенок заполнителя происходит при размерах грани ячеек больше 2,0 см, а при изменении высоты заполнителя от 5 до 4 см разрушение ТБ от потери устойчивости стенок заполнителя происходит при размерах грани ячеек больше 2,5 см.

5. При расчетах ТБ необходимо учитывать коэффициент заполнения, так как разрушение ТБ зависит

Поступила в редакцию

от размеров ячеек заполнителя, т.е. чем больше коэффициент заполнения, тем больше вероятность разрушения от клеевого шва. Эксперименты, проведенные нами, показали, что при расчетах ТБ с приведенными размерами коэффициент снижения несущей способности равен 0,83 - 0,88.

6. Деформации в ТБ с размерами грани ячеек 2,5 см растут быстрее, чем в ТБ с размерами грани ячеек

0.5.см при одних и тех же размерах ТБ (длина и размер поперечного сечения ТБ).

7. Напряжения в клеевом шве для клея ЭД-20 на 10 - 16 % выше, чем в клеевом шве на клею К-153 (рис. 3 и 4).

8. Прогибы ТБ при одинаковой жесткости изготовленных на клею ЭД-20 на 10 - 16 % больше, чем ТБ на клею К-153 (рис. 5).

Литература

1. Берсудский В.Е., Крысин В.Н., Лесных С.И. Технология изготовления сотовых авиационных конструкций. М., 1975. 296 с.

2. Ендогур А.И., Вайнберг М.В., Иерусалимский К.М. Сотовые конструкции М., 1986. С. 200.

3. Болотин В.В. О изгибе плит, состоящих из большого числа слоев // Изв. АН СССР. Механика и машиностроение. М., 1964. № 1. С. 61 - 66.

4. Reissner E. Finite deflection of sandwich plates// J. Aer. Sci.,

1948. №7, Vol. 75, P. 272 - 275.

5. Reissner E. Finite deflection of sandwich plates// J. Aer. Sci.

1950. Vol. 15, №2, P. 423 - 428.

6. Кобелев В.Н. К механике разрушения заполнителя трехслойных конструкций // Изв. вузов. Сер. Авиационная техника. 1987. С. 15 - 16.

19 декабря 2011 г.

Устарханов Осман Магомедович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Промышленное и гражданское строительство», Дагестанский государственный технический университет. Тел. (8903)498-09-22.

Муселемов Хайрулла Магомедмурадович - ассистент, кафедра «Промышленное и гражданское строительство», Дагестанский государственный технический университет. Тел. (8928)544-24-23. E-mail: hairulla213@mail.ru

Устарханов Тагир Османович - инженер, кафедра «Промышленное и гражданское строительство», Дагестанский государственный технический университет. Тел. (8963)400-31-14.

Ustarkhanov Osman Magomedovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of the department «Industrial And Civil Engineering», Dagestan State Technical University. Ph. 8(903) 498-09-22.

Muselemov Khairulla Magomedmuradovich - assistant, department «Industrial And Civil Engineering», Dagestan State Technical University. Ph.: 8(928)544-24-23. E-mail: hairulla213@mail.ru

Ustarkhanov Tagir Osmanovich - engineer, department «Industrial And Civil Engineering», Dagestan State Technical University. Ph. 8(963)400-31-14.