CC BY
167
2012 Механика № 2
УДК 620.16
В.Ю. Зуйко, Д.С. Лобанов, А.Н. Аношкин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Пермь, Россия
МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ ПОЛУНАТУРНЫХ ОБРАЗЦОВ-ПАНЕЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ НА РАСТЯЖЕНИЕ, СЖАТИЕ И СДВИГ
Предложены и рассмотрены методики определения предела прочности элементов конструкций с заполнителем из композиционных материалов при статических испытаниях на одноосное растяжение, сжатие и сдвиг. Проведена апробация методик на полунатурных образцах-панелях с ячеистым заполнителем на основе композиционных материалов.
Ключевые слова: композиционные материалы (КМ), панели с заполнителем из КМ, экспериментальная механика, методики испытаний.
V.Y. Zuyko, D.S. Lobanov, A.N. Anoshkin
State Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
TECHNIQUE OF EXPERIMENTAL DETERMINATION ULTIMATE STRENGTH COMPOSITE MATERIALS SANDWICH-PANEL SPECIMENS OF UNDER STATIC TESTS BY TENSILE, COMPRESSION AND SHEAR
Technique of experimental determination ultimate strength composite materials sandwichpanels specimens of under static tests by tensile, compression and shear develop and approved. These techniques were approbation on composites sandwich-panel specimens with cellular filler.
Keywords: composite materials, sandwich panels, experimental mechanics, techniques of tests.
Среди современных конструкционных материалов, применяемых в промышленности и машиностроении, всё большую долю занимают полимерные композиционные материалы (ПКМ). На сегодняшний день ПКМ успешно конкурируют с металлами в ряде ответственных изделий и конструкций. Экспериментальное исследование механи-
ческого поведения ПКМ является актуальной задачей при изучении вопросов о работоспособности, живучести и прочностном анализе конструкций из них [1-4]. Использование стандартных методов для определения механических характеристик не всегда возможно. В таких случаях исследователи пользуются специально разработанными методиками [5-8]. ПКМ создаются вместе с конструкциями, которые ввиду широкого разнообразия могут иметь, к примеру, габаритную крупноячеистую структуру. Современные методы экспериментальных исследований композиционных материалов рассмотрены в работах [7-12].
Целью работы являлась разработка методик, позволяющих экспериментально определять предел прочности при статических испытаниях на одноосное растяжение, сжатие и сдвиг на полунатурных крупногабаритных образцах-панелях из полимерных композиционных материалов, имеющих крупногабаритную ячеистую структуру.
Образцы-панели состоят из силовых оболочек и заполнителя, например ячеистого [3] (рис. 1). Также заполнитель, расположенный между силовыми оболочками, может иметь коробчатую или сотовую структуру строения [13], а силовые оболочки - симметричную перфорацию.
а б
Рис. 1. Схема строения образца-панели с перфорацией (а) и без перфорации (б): 1, 3 - силовая оболочка; 2 - заполнитель
Методика определения предела прочности при одноосном растяжении-сжатии образца-панели включает в себя установку и закрепление образца-панели в специальное приспособление, измерение разрушающей нагрузки в процессе испытаний, а также обработку получаемых в ходе испытаний экспериментальных данных. Скорость перемещения активной траверсы испытательной машины постоянна.
Предел прочности силовых оболочек при одноосном растяжении-сжатии ^раст(сж) (МПа) рассчитывается по формуле
Р
_раст(сж) _ 1 max в ~ b-h’
где Pmax _ разрушающая (максимальная) нагрузка при испытании образца, Н; b - ширина рабочей зоны образца, мм; h - расчетная толщина образца, мм.
Расчетная толщина h образца является суммой толщин силовых оболочек панели, так как считаем, что заполнитель нагрузку не несет,
h = hi +h3,
где hi, h3 - толщины силовых оболочек панели, мм.
Если одна из силовых оболочек имеет перфорацию, например оболочка с толщиной h3 (рис. 1, а), то расчетная толщина h вычисляется по формуле
h = h + h3 -
L • b
4
где hi - толщина силовой неперфорированной оболочки, мм; h3 - толщина силовой перфорированной оболочки, мм; lp - длина рабочей зоны образца, мм; b - ширина рабочей зоны образца, мм; n - количество отверстий в рабочей зоне образца; d - диаметр отверстий, мм.
Для последующего сравнения с результатами математического моделирования [2] при переходе к эффективным характеристикам можно ввести эффективный предел прочности панели с учетом заполнителя при одноосном растяжении-сжатии араст(сж)* (МПа), который рассчитывается по формуле
Р
_раст(сж)* = 1 max .
' = b • И”
h =hi+h2+h3,
где Pmax - разрушающая (максимальная) нагрузка при испытании образца, Н; b - ширина рабочей зоны образца, мм; h* - общая толщина образца с учетом заполнителя, мм; h1, h3 - толщины силовых оболочек панели, мм; h2 - толщина заполнителя, мм.
При перфорации одной из силовых оболочек с толщиной И3 (см. рис. 1, а) общая толщина образца-панели с учетом заполнителя
И — Иу + И + И —
1р • Ь
4
Методика определения предела прочности при сдвиге включает в себя измерение разрушающей нагрузки при испытании образца-панели в условиях одноосного растяжения путем перекашивания в шарнирной раме жестко закрепленного в ней образца-панели с квадратным рабочим полем (рис. 2, в). Образец должен быть вырезан так, чтобы основа и уток ткани силовой оболочки составляли угол 45° с направлением приложения нагрузки. Прочность при сдвиге характеризуют величиной касательных напряжений, действующих в момент разрушения в поперечном сечении образца по площадкам, параллельным сторонам его рабочего поля.
Предел прочности при сдвиге тв (МПа) силовых оболочек рассчитывается по формуле [12]
т — 1 Ртах
■>¡2 а • И ’
где Ртах - разрушающая (максимальная) нагрузка при испытании образца, Н; а - длина стороны рабочего поля образца, мм; И - расчетная толщина образца, мм.
Расчетная толщина И образца является суммой толщин силовых оболочек панели:
И = И1 +И3,
где И1, И3 - толщины силовых оболочек панели, мм.
Если одна из оболочек имеет перфорацию, например оболочка с толщиной И3, то расчетная толщина И вычисляется по формуле
И — И + И3 — И а
Г
п----
V 4 У
где И1 - толщина силовой неперфорированной оболочки, мм; И3 - толщина силовой перфорированной оболочки, мм; а - длина стороны рабочего поля образца, мм; п - количество отверстий в рабочей зоне образца; ё - диаметр отверстий, мм.
Эффективный предел прочности при сдвиге тв (МПа) с учетом заполнителя рассчитывается по формуле:
* 1 P
_* ______max .
в V2 a - h* hi =hi+h2+h3,
где Pmax - разрушающая (максимальная) нагрузка при испытании образца, Н; h* - общая толщина образца с учетом заполнителя, мм; h1, h3 -толщины силовых оболочек панели, мм; h2 - толщина заполнителя, мм.
При перфорации одной из силовых оболочек с толщиной h3 общая толщина образца-панели с учетом заполнителя
h=h1+h2 +h-h|' nd a
V 4 ,
По результатам испытаний проводится статистическая обработка данных.
Схемы установки образцов-панелей для определения предела прочности при растяжении, сжатии и сдвиге представлены на рис. 2.
а б в
Рис. 2. Схемы установки образцов-панелей: (а), (б) - растяжение, сжатие: 1 -подвижная траверса; 2 - захваты; 3 - стальные пластины-накладки; 4 - образец; 5 -неподвижная траверса; (в) - сдвиг: 1 - подвижная траверса; 2 - захваты (шарнирная рама); 3 - образец; 4 - неподвижная траверса
Для апробации методик определения предела прочности образцов-панелей из ПКМ при статических испытаниях использовалась специальная оснастка и соответствующие образцы-панели. Оснастка для испытаний образцов-панелей представлена на рис. 3. Внешний вид образцов-панелей для испытаний на определение прочности при растяжении, сжатии и сдвиге представлен на рис. 4. Апробация методик проходила на базе Центра экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Рис. 3. Специальные захватные приспособления для испытания образцов-панелей на сдвиг (а), растяжение (б) и сжатие (в)
На концах образцов-панелей были наклеены пластины-накладки из конструкционной стали. Для образцов-панелей в накладках были выполнены отверстия (за исключением образцов-панелей на сжатие) под крепеж в количестве 6 шт. на растяжение и 4 шт. на сдвиг. Полости внутри образцов под накладками во избежание локального смятия заполнялись полимерным заполнителем.
г д е
Рис. 4. Внешний вид образцов-панелей для статических испытаний на одноосное растяжение (а), сжатие (б) и сдвиг (в); образцы-панели, закрепленные в оснастке во время испытаний на растяжение (г), сжатие (д) и сдвиг (е)
Пробные статические испытания проводились на одноосное растяжение, сжатие и сдвиг образцов-панелей на универсальной испытательной электромеханической системе Ішігоп 5882, оснащенной бесконтактным видеоэкстензометром и температурной камерой с рабочим диапазоном температур от -100 до +350 °С [9,10]. Испытания проводились при нормальной температуре. Скорость нагружения составляла
5 мм/мин. Было испытано по 5 образцов на каждый вид испытаний.
Диаграммы нагружения образцов-панелей представлены на рис. 5.
Ниспадающие участки на диаграммах (см. рис.5) объясняются процессами структурного разрушения ПКМ [4,14,15].
При испытаниях на одноосное растяжение образцов-панелей рост трещины начинается в основном в местах перехода скруглений в рабочую зону.
Г, кН
б
^ кН
в
Рис. 5. Типовые диаграммы нагружения образцов панелей при растяжении (а), сжатии (б) и сдвиге (в)
При сжатии у двух из пяти образцов из пробной партии разрушение произошло посередине, остальные образцы разрушились около металлической накладки. При испытании образцов панелей на сжатие происходит разрушение клеевого соединения силовых оболочек с за-
полнителем и последующая за этим локальная потеря устойчивости силовой оболочки.
При испытаниях на сдвиг трещины начинают развиваться вблизи металлических накладок, что характерно для данного метода нагружения [12].
Таким образом, в ходе апробации предложенных методик определения предела прочности образцов-панелей при испытаниях на растяжение, сжатие и сдвиг экспериментально показана возможность определения значений эффективных прочностных характеристик.
Библиографический список
1. Аношкин А.Н., Ташкинов А. А., Грицевич А.М. Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных деталей авиадвигателей // Механика композит. материалов. - 1997 - Т. 33, № 3. -С.360-369.
2. Аношкин А.Н., Ташкинов А.А. Нестационарные процессы накопления повреждений в композитных фланцах при циклических нагрузках // Механика композит. материалов. - 1997 - Т. 33, № 6 -С. 636-643.
3. Аношкин А.Н., Захаров А.Г., Шустова Е.Н. Ячеистые наполнители звукопоглощающего контура авиационного двигателя // Научнотехнический вестник Поволжья. - 2011. - № 3. - С. 25-29.
4. Tashkinov A.A., Anoshkin A.N. Predicting the transverse strength of unidirectional composites under combination loading // Mechanics of Composite Materials. - 1996. - Т. 31, No. 4. - С. 346-351.
5. Бабушкин А.В, Вильдеман В.Э., Лобанов Д.С. Испытания на растяжение однонаправленного высоконаполненного стеклопластика при нормальной и повышенной температурах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2010. -Т. 76, № 7. - С. 57-59.
6. Бабушкин А.В., Лобанов Д.С. Экспериментальное исследование и моделирование свойств композиционных материалов в условиях сложных термомеханических воздействий // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - Н.Новгород, 2011. - № 4(5). -С.1984-1986
7. Вильдеман В.Э., Третьякова Т.В., Лобанов Д.С. Методика экспериментального исследования закритического деформирования на образцах специальной усложненной конфигурации с применением метода кор-
реляции цифровых изображений // Вестник ПГТУ. Механика. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. - № 4. - С. 15-28.
8. Вильдеман В.Э., Третьякова Т.В., Лобанов Д.С. Учёт жёсткости нагружающей системы при испытании полунатурных образцов крупноячеистого композиционного материала // Вестник ПГТУ. Механика. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. - № 2.
9. Механика материалов. Методы и средства экспериментальных исследований: учебное пособие / В.Э. Вильдеман [и др.]; под ред. В.Э. Вильдемана. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та,
2011. - 165 с.
10. Вильдеман В.Э., Санникова Т.В., Третьяков М.П. Экспериментальное исследование закономерностей деформирования и разрушения материалов при плоском напряженном состоянии // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2010. - № 5. - С. 106-111.
11. Современные методы испытаний композиционных материалов / под ред. А.П. Гусенкова, сост. А.Н. Полилов - Москва: Изд-во ИМАШ им. А. А. Благонравова, 1992. - 247 с.
12. Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. - М.: Химия, 1981. - 272 с.
13. Панин В.Ф., Гладков Ю.А. Конструкции с заполнителем: справочник. - М.: Машиностроение, 1991.
14. Вильдеман В.Э. Закономерности и модели процессов накопления повреждений, закритического деформирования и структурного разрушения композиционных материалов // Вестник ПГТУ. Динамика и прочность машин. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2001. -№ 2. - С. 37-44.
15. Вильдеман В.Э., Ильиных А.В. Моделирование процессов структурного разрушения и масштабных эффектов разупрочнения на закритической стадии деформирования неоднородных сред // Физическая мезомеханика. - 2007. - Т. 10, № 4. - С. 23-29
References
1. Anoshkin A.N., Tashkinov A.A., Gricevich A.M. Prognozirovanie nesushchey sposobnosti kompozitnykh flantsev korpusnykh detaley aviad-vigateley [Prediction of carrying capacity of composite flanges for the aircraft engine casing parts]. Mekhanika kompozit. materialov, 1997, Vol. 33, no. 3, pp. 360-369.
2. Anoshkin A.N., Tashkinov A.A. Nestatsionarnye protsessy na-kopleniya povrezhdeniy v kompozitnykh flantsakh pri tsiklicheskikh na-gruzkakh [Nonstationary processes of damage accumulation in composite flanges at cyclic loading]. Mekhanika kompozit. materialov, 1997, Vol. 33, no. 6, pp. 636-643.
3. Anoshkin A.N., Zakharov A.G., Shustova E.N. Yacheistye napol-niteli zvukopogloshchayushchego kontura aviatsionnogo dvigatelya [Cellular filler for sound-absorbing circuit of aircraft engine]. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Povolzhya, 2011, no. 3. pp. 25-29.
4. Tashkinov A.A., Anoshkin A.N. Predicting the transverse strength of unidirectional composites under combination loading. Mechanics of Composite Materials, 1996, Vol. 31, no. 4, pp. 346-351.
5. Babushkin A.V., Wildemann V.E., Lobanov D.S. Ispytaniya na rast-yazhenie odnonapravlennogo vysokonapolnennogo stekloplastika pri normal-noy i povyshennoy temperaturakh [Tensile tests of unidirectional high-filled fiberglass composite at normal and high temperatures]. Zavodskaya labora-toriya. Diagnostika materialov, 2010, Vol. 76, no. 7, pp. 57-59.
6. Babushkin A.V., Lobanov D.S. Eksperimentalnoe issledovanie i modelirovanie svoystv kompozitsionnykh materialov v usloviyakh slozh-nykh termomekhanicheskikh vozdeystviy [Experimental research and modeling of the composite materials properties in complex thermo-mechanical effects]. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. N.I. Lobachevskogo. N.Novgorod, 2011, no. 4(5), pp. 1984-1986
7. Vildeman V.E., Tretyakova T.V., Lobanov D.S. Metodika eksperi-mentalnogo issledovaniya zakriticheskogo deformirovaniya na obraztsakh spetsialnoy uslozhnennoy konfiguratsii s primeneniem metoda korrelyatsii tsifrovykh izobrazheniy [Technique of Experimental investigation of Post-critical Deformation on Test Samples with Special Complicated Configuration by Using Digital Image Correlation]. Vestnik Permskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Mekhanika, 2011, no. 4. pp. 15-28.
8. Vildeman V.E., Tretyakova T.V., Lobanov D.S. Uchet zhestkosti nagruzhayushchey sistemy pri ispytanii polunaturnykh obraztsov krup-noyacheistogo kompozitsionnogo materiala [Accounting of loading system stiffness in tests on scaled-down wide-meshed composite specimens]. Vest-nik Permskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Mekhanika,
2012, no. 2.
9. Mekhanika materialov. Metody i sredstva eksperimentalnykh issle-dovaniy [Mechanics of materials. Methods and means of experimental research] tutorial. V. E. Vildeman [et all]; ed by V.E. Vildeman. Perm: State Perm National Research Polytechnic University, 2011. 165 p.
10. Vildeman V.E., Sannikova T.V., Tretyakov M.P. Eksperimental-noe issledovanie zakonomernostey deformirovaniya i razrusheniya materialov pri ploskom napryazhennom sostoyanii [Experimental investigation of material deformation and fracture laws on plane stress state]. Problemy mashinostroeniya i nadezhnosti mashin, 2010, no. 5, pp. 106-111.
11. Sovremennye metody ispytaniy kompozitsionnykh materialov [Modern methods of composite materials testing]. nauch.-metod. sbornik. pod red A.P. Gusenkova, compiler. A.N. Polilov. Moscow: izd-vo IMASh im. A.A. Blagonravova, 1992. 247 p.
12. Tarnopolsky Y.M., Kintsis T.Y. Metody staticheskikh ispytaniy armirovannykh plastikov [Methods of static tests of reinforced plastics]. Moscow: Khimiya, 1981. 272 p.
13. Panin V.F., Gladkov Yu.A. Konstruktsii s zapolnitelem [Construction with filler]: Moscow: Mashinostroenie, 1991.
14. Vildeman V.E. Zakonomernosti i modeli protsessov nakopleniya povrezhdeniy, zakriticheskogo deformirovaniya i strukturnogo razrusheniya kompozitsionnykh materialov [Occurrence and models damage accumulation process post-critical deformation and structural failure of composite material]. Vestnik Permskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo univer-siteta. Dinamika iprochnost mashin, 2001, no. 2, pp. 37-44.
15. Wildemann V.E. and Ilinykh A.V. (2007) Modelirovanie protses-sov strukturnogo razrusheniya i masshtabnykh effektov razuprochneniya na zakriticheskoy stadii deformirovaniya neodnorodnykh sred [Simulation of structural failure and scale effects of softening at the post-critical deformation stage in heterogeneous media]. Fizicheskaya mezomekhanika, 2007, Vol. 10, no. 4, pp. 23-29.
Об авторах
Зуйко Валерий Юрьевич (Пермь, Россия) - младший научный сотрудник Научно-образовательного центра авиационных композитных технологий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: zuyko81@mail.ru).
Лобанов Дмитрий Сергеевич (Пермь, Россия) - младший научный сотрудник и инженер Центра экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: cem_lobanov@mail.ru).
Аношкин Александр Николаевич (Пермь, Россия) - доктор технических наук, профессор, начальник Научно-исследовательской части Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр. 29, e-mail: anoshkin@pstu.ru).
About the authors
Zuyko Valeriy Yurjevich (Perm, Russian Federation) - Junior Scientific Associate of Science center of aviation composite technologies of State Perm National Research Polytechnic University (614990, 29, Komsomolsky prospect, Perm, Russian Federation, e-mail: zuyko81@mail.ru).
Lobanov Dmitry Sergeevich (Perm, Russia) - Junior Scientific Associate and Engineer of the Center of Experimental Mechanics of State Perm National Research Polytechnic University (614990, 29, Komsomolsky prospect, Perm, Russian Federation, e-mail: cem_lobanov@mail.ru).
Anoshkin Alexander Nikolayevich (Perm, Russia) - Doctor of Technical Sciences, Proffesor, Director of Science Research Department of State Perm National Research Polytechnic University (614990, 29, Komsomolsky prospect, Perm, Russian Federation, e-mail: anoshkin@pstu.ru).
Получено 15.05.2012
