О повышении прочности и ресурса металло-композитных соединений при применении нано-модифицированных клеев Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 629.7.023: 620.179:678.58

О ПОВЫШЕНИИ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА МЕТАЛЛО-КОМПОЗИТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ НАНО-МОДИФИЦИРОВАННЫХ КЛЕЕВ

© 2014 В.Д. Вермель, С.А. Титов

ГНЦ ФГУП «ЦАГИ», г. Жуковский

Поступила в редакцию 08.09.2014

Исследована эффективность применения разработанной наномодифицированной клеевой композиции для повышения прочности и долговечности элементов конструкций из полимерных композиционных материалов на примере штифтовых соединений деталей из углепластика, имитирующие болтовые соединения. Показана возможность повышения прочности и долговечности болтовых соединений.

Ключевые слова: полимерный композиционный материал, углепластик стеклопластик, концентрация напряжений, наномодифицированная клеевая композиция, отверстие, болтовое соединение, клее-болтовое соединение, штифтовое соединение, прочность, долговечность

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) находят все более широкое применение в изделиях авиационной техники. Однако реализация известных преимуществ ПКМ перед металлическими материалами в реальных конструкциях наряду с другими факторами ограничивается при необходимости проведения размерной механической обработки, изготовлении проемов и отверстий для размещения закладных металлических элементов и крепежа в узлах соединений

деталей. При механической обработке на кромках и обработанной поверхности образуются дефекты типа микротрещин, ворсистости, сколов связующего, расслоений. Эти дефекты при сочетании с концентраторами напряжений в виде отверстий и вырезов приводят к уменьшению прочности и усталостной долговечности деталей из ПКМ В качестве примера на рис. 1 показаны образующиеся в процессе сверления дефекты на поверхности и кромках отверстий.

Рис. 1. Дефекты на кромках деталей из ПКМ, возникающие при механической обработке - фрезеровании и сверлении

Наряду с появлением дефектов в отверстиях из ПКМ характерно также возникновение зазоров между болтом и поверхностью отверстия. В многорядных болтовых соединениях неравномерные зазоры между болтами и отверстиями приведут к неоднородной загрузке болтов, следствием чего

Вермель Владимир Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, начальник НТЦ. E-mail: vermel@tsagi. ru

Титов Сергей Анатольевич, начальник сектора. E-mail: s_titov@inbox.ru

может стать нерасчетное, преждевременное разрушение соединений. Известно [2, 3], что с уменьшением зазора между болтом и отверстием в болтовом соединении уменьшается концентрация контактных и растягивающих напряжений на контуре отверстия (рис. 2). Применение наномодифицированной клеевой композиции (НМК) для заполнения зазоров практически устраняет концентрацию напряжения (рис. 2в) и ведет к увеличению прочности и усталостной долговечности соединений.

Конференция «Системыуправления авиастроительным предприятием», 16-17 октября 2014 года

Кг

а) А = 4.35% б) А = 0.435% в) А = 0.0%

(с заполнением НМК)

Рис. 2. Зависимость коэффициентов концентрации контактных (кг) и растягивающих (к^) напряжений на контуре отверстия от величины относительного зазора А между отверстием

и болтом в болтовом соединении

В ЦАГИ были проведены исследования соединений с заполнением НМК зазоров между болтом и отверстием на образцах, показанных на рис. 3, где болт имитируется бужом. Произведены испытания на прочность при растяжении, а также испытания на ресурс образцов из углепластика шириной 30 мм (рис. 3), с нагруженным штифтом отверстием диаметром 5.6 мм, при различных видах укладки волокон в углепластике с продольной укладкой и комбинированной при сочетании продольной укладки с укладками под углом 450 и 900.

Результаты испытаний (табл. 1, 2) показали, что при применении наномодифицирован-ной клеевой композиции прочность при разрушении образцов из углепластика увеличивается. Для образцов с продольной укладкой волокон 00 (100%) - на ~50,0%, а для образцов с комбинированной укладкой волокон: продольной 00

Таблица 1. Значения разрушающих скалывающих напряжений, полученных при испытании на прочность образцов штифтовых соединений (ширина образца В=30 мм, диаметр отверстия В=5,56 мм) с продольной укладкой волокон в углепластике при установке штифта в отверстие без применения клея и с применением НМК

Партия. Ориентация укладки и относительный объем волокон (%) Без применения клея С применением НКК

№ образца Р разр , кг тск кг/мм среднее № образца Р разр , кг тск кг/мм среднее

тск, кг/мм тск , кг/мм

D75.15.L1. 00х 450 х 900 100 х 0 х 0 1.1С 417 6,69 7.15 1.1СНК 641 11,31 11,2 (увеличение на 56,6%)

1.2СНК 651 11,28

1.2С 451 7,61 1.3СНК 636 10,98

(25 и 60,0%), и укладкой под углом 45 (50 и 32,5%) и под углом 900 (25 и 7,5%) от 18,0 до

20,5%.

Рис. 3. Образец из углепластика со штифтом

Таблица 2. Значения разрушающих напряжений смятия, полученных при испытании на прочность образцов штифтовых соединений (ширина образца В=30 мм, диаметр отверстия D=5,56 мм), изготовленных с применением сочетания продольной укладки волокон (25 и 61,5%), укладки их под углом 450 (50 и 30,8%) и укладки под углом 900 (25 и 7,7%) в углепластике при установке штифта в отверстие без применения клея и с применением НМК

Партия. Ориентация укладки и относительный объем волокон (%) Без применения клея С применением НМ К

№ об-раз-ца Р разр , кг Осм кг/мм ереднее № образца Р разр , кг Осм кг/мм среднее

Осм, кг/мм Осм , кг/мм

D75.15.31. 00х 450х 900 25 х 50 х 25 3.1С 1148 62,49 61,1 2.1СНК 1264 72,76 72,53 (увеличение на 18,7%)

3.2С 1097 59,72 2.2СНК 1268 72,3

2.3СНК 1290 72,63

D75.15.51. 00 х 450х 900 61,5х30,8х7,7 5.1С 1034 48,14 49,01 5.1СНК 1160 59,72 59,04 (увеличение на 20,5%)

5.2С 1052 49,88 5.2СНК 1108 56,37

Исходную нагрузку при усталостных испытаниях образцов серии 5.1, упрочненных НМК, в ходе эксперимента уменьшили со значения 0,8Рст - 890кг до 830кг, в связи с недостаточной прочностью зажимов. Последующие испытания проводились для меньшей нагрузки, что приемлемо, т.к. кривая Веллера для углепластиков имеет малый наклон.

Выводы: установлено, что за счет применения нано-модифицированной клеевой композиции усталостная долговечность образцов соединений со сложной укладкой волокон увеличивается не менее, чем в 4 раза. Сравнение производилось по минимальному значению усталостной долговечности упрочненных соединений с максимальным значением усталостной долговечности исходных соединений.

ABOUT THE INCREASE OF STRENGTH AND DURABILITY OF METAL-COMPOSITE CONNECTIONS WITH USE OF NANOMODIFIED GLUES

© 2014 V.D. Vermel, S. A. Titov

SSC FSUE "TsAGI", Zhukovsky

Efficiency of application of the developed nanomodified glue composition for increase the strength and durability of design elements from polymeric composite materials on the example of bayonet connections of details from the carbon plastic, imitating bolt connections is investigated. Possibility of increase the strength and durability the bolt of connections is shown.

Key words: polymeric composite material, carbon fiber reinforced polymer, tension concentration, the nanomodified glue composition, hole, bolt connection, glue-bolt connection, bayonet connection, strength, durability

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Вермель, В.Д. Об исследовании оптимального содержания наночастиц в клеевых cединениях / В.Д. Вермель, А.М. Доценко, Р.А. Смирнов и др. // Механика и наномеханика структурно--сложных и гетерогенных сред. Успехи, проблемы, перспективы. Сборник трудов Всерос. конф., приуроченной к 20-летию ИПРИМ РАН, Москва, 30 ноября - 2 декабря 2009 г. - М.: Альянстрансатом, 2010. С. 72-77. Сухарев, И. П. Прочность шарнирных узлов машин. - М.: Машиностроение, 1977. 168 с. Доценко, А.М. Аналитическое описание распределения напряжений в образце типа проушины при нагружении ее отверстия через болт, установленный с упругим натягом // Авиационная промышленность. 1990. № 12. С 10-13.

1

2

3

Vladimir Vermel, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Scientific Technical Center. E-mail: vermel@tsagi.ru; Sergey Titov, Chief of the Sector. E-mail: s_titov@inbox.ru