Исследования остаточной прочности элементов конструкции с эксплуатационными повреждениями Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Механика деформируемого твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (4), с. 1811-1813 1811

УДК 629.7.015.4

ИССЛЕДОВАНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ С ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ПОВРЕЖДЕНИЯМИ

© 2011 г. С.А. Туктаров

Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е. Жуковского, г Жуковский

imperio1986@mail.ru

Поступила в редакцию 15.06.2011

Представлены расчетно-экспериментальные исследования по оценке влияния различных параметров конструкции из композиционного материала на характеристики остаточной прочности при наличии эксплуатационных повреждений. Приведены исследования по определению допускаемых напряжений в композиционной подкрепленной панели на основе параметрического изменения размера повреждения в виде надреза как в обшивке панели, так и в композиционных слоях стрингеров.

Ключевые слова: коэффициент перегруженности, остаточная прочность, разрушающее напряжение, эксплуатационное повреждение, конечный элемент, композиционный пакет.

Композиционные материалы (КМ) состоят из отдельных однонаправленных слоев, имеющих очень высокие механические свойства вдоль продольной оси и низкие свойства в поперечном направлении. С точки зрения расчета и проектирования это является главным отличием композитов от металлов. Свойство направленности композиционных слоев обеспечивает возможность проектирования материала под заданные нагрузки и требования по прочности и жесткости путем минимизации его массы. При этом принципиальным моментом при проектировании больших композиционных конструкций является определение уровня допускаемых (разрушающих) напряжений. Наличие производственных и эксплуатационных повреждений может существенно снизить нагрузки, при которых происходит разрушение. Способ укладки слоев композиционного материала в кон -струкции и тип конструкции также значительно влияют на прочностные характеристики. Для определения разрушающих напряжений необходимо исследовать зависимость предельной несущей способности композиционной конструкции от различных проектных параметров, в частности, от типа нагружения и размеров повреждения.

Для определения остаточной прочности конструкции из композиционного пакета необходим комплексный подход, состоящий из двух этапов: определение напряженно-деформированного состояния и определение полей перегруженностей на основе известных критериев прочности.

Первый этап проводился с использованием системы МБС.Ка81гап, позволяющей на основе метода конечных элементов эффективно опреде-

лять поле напряжений и перемещений при действии различных видов нагружения. После определения напряжений в слоях композиционного пакета необходимо решить, насколько они близки к разрушающим. Для этого служат критерии разрушения, зависящие как от характеристик композиционного материала, так и от вида нагруже-ния. Применение того или иного критерия прочности должно быть хорошо обосновано на основе расчетно-экспериментального исследования.

На втором этапе проводился расчет коэффициентов перегруженности по критерию Цая — Хилла:

g( х) = г = -

2 2 + + 112 < 1 X2 X2 У2 52

С] ^1^2

2 ^2

В качестве X выбиралось допускаемое напряжение растяжения вдоль направления волокон, если о1 > 0, или соответствующее допускаемое напряжение сжатия, если о1 < 0. В качестве У выбиралось допускаемое напряжение растяжения поперек направления волокон, если с2 > 0, или соответствующее допускаемое напряжение сжатия, если с2 < 0. Величина 5 представляет собой величину допускаемого касательного напряжения. Величины X, У и 5 определялись экспериментально путем нагружения однонаправленного композиционного слоя.

На рис. 1 показаны экспериментальный образец из КМ с пропилом, моделирующим эксплуатационные повреждения. Размер пропила 40x1 мм. Композиционная пластина с трещиной, величина которой варьируется, моделировалась методом конечных элементов. На рис. 2 изобра-

1812

С.А. Туктаров

жено поле перегруженностей в слое 0° КМ.

Рис. 1

Рис. 2

5.57-0021 5.22-0021 4.88-0021 4.53-002! 4.18-002 3.84-002 3.49-002 3.14-002 2.80-002 2.45-002 2.11-002 1.76-002 1.41-002 1.07-002 7.21-003 3.75-00з[

ние разрушающего напряжение практически совпадает с расчетным напряжением в слое 0 .

Исследовано влияние формы вершины трещины с использованием различных конечно-элементных моделей. Установлено, что форма трещины незначительно влияет на значение разрушающих напряжений. Различие в результатах составляет не более 2%.

< РастяженнеО —*—Растяженпе_45

К Растяженне_90_волокно —Эксперимент^

-Растяженне_90 -РастяжениеОволокно -Растяжение_45_волокно Эксперпмент_2

25 30 35

Размер трещины, мм

Рис. 3

На рис. 3, 4 приведены зависимости разрушающих напряжений от размера трещины соответственно при растяжении и сжатии образца. Кривые синего цвета относятся к первичному разрушению, а кривые красного цвета — к вторичному разрушению, красными точками обозначены экспериментальные данные. При растяжении образца результаты расчета для первичного разрушения сильно отличаются от разрушающих напряжений, полученных в эксперименте. В то же время рассчитанные разрушающие напряжения при вторичном разрушении достаточно близки к экспериментальным значениям при длине пропила 25 мм. При этом значения разрушающих напряжений ниже экспериментальных на 10—15%. Интересно заметить, что при длине трещины меньше, чем 30 мм, разрушение волокон происходит в слое 90°, а когда длина трещины больше 30 мм, разрушение волокон наблюдается в слое 0°.

При сжатии результаты расчетов первичного и вторичного разрушения мало отличаются в слоях с минимальным разрушающим напряжением. Из рис. 4 следует; что экспериментальное значе-

СжатиеО

Сжатие 90

Сжатне_45

СжатпеОволокно

Сжаттте_90_волокно

Сжаттте_45_волокно

Эксперимент!

25 30 35

Размер трещины, мм

Рис. 4

Были также проведены расчеты подкрепленной панели с различными условиями приложения нагрузок и закрепления конструкции с целью изучения возникающих при растяжении/сжатии из-гибных напряжений. Исследовано влияние разме-

Исследования остаточной прочности элементов конструкции с эксплуатационными повреждениями 1813

ров повреждений на остаточную прочность композиционной пластины и подкрепленной панели. В случае возникновения повреждения между стрингерами наиболее критичными являются длины трещин в диапазоне от 40 до 100 мм, когда наблюдается существенное снижение разрушаю-

щих напряжений. Для стрингерной панели без перерезанных стрингеров разрушающие напряжения панели снижаются почти в два раза. Более опасным является случай с поврежденным стрингером, когда разрушающие напряжения панели снижаются более чем в три раза.

THE STUDY OF RESIDUAL STRENGTH IN STRUCTURAL ELEMENTS WITH IMPACT DAMAGE

S.A. Tuktarov

The analytical-experimental study is presented to estimate the influence of different parameters of composite structures with impact damage on the properties of the residual strength. Ultimate stresses in a composite stiffened panel are determinedas a function of the size of damage in the form of a notch both in the panel shell and in the composite layers of the stringers.

Keywords: failure factor, residual strength, ultimate stress, impact damage, finite element, composite laminate.