CC BY
32
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИИ СЛОИСТЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Семин Михаил Иванович
Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Детали машин и теория механизмов» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).
Карелина Мария Юрьевна
Доктор педагогических наук, профессор, заведующий кафедрой «Детали машин и теория механизмов» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).
Общая тенденция в промышленности, авиации и на транспорте по снижению массы изделий при одновременном улучшении их эксплуатационных показателей во многих случаях реализуется путем замены металлов в конструкциях на полимерные композиционные материалы, либо их совместного рационального комбинированного использования. Применение для этих целей специальных усиленных с помощью накладок из композиционных материалов несущих элементов конструкций типа балок, рам осуществляется путем использования клеевых, механических или комбинированных клеемеханических соединений.
Использование комбинированных клеемеханиче-ских соединений в этом случае более предпочтительно, поскольку клеевая прослойка позволяет снизить пики напряжений в концевых зонах их концентрации за счет достаточно протяженной области передачи усилий с элемента на элемент [1], а механический крепеж обеспечивает общую надежность соединительного узла. Практика проектирования рациональных комбинированных соединений заключается в обеспечении раздельного восприятия внешних нагрузок элементами соединений [3].
Разработка критериев эффективности соединений с применением композиционных материалов [2], позволяющих оценивать характеристики прочности, приходящиеся на единицу изменения массы, позволила описать области рационального применения различных видов соединений.
Проектирование соединений обычно взаимосвязано с разработкой самого изделия, причем в комбинированных клеемеханических соединениях рационально должны быть в отдельности спроектированы механические соединения, то есть в силовой схеме изделия необходимо уточнить нагрузки на соединение, среду и условия эксплуатации, выбрать наиболее пригодное полимерное связующее, композиционный материал и его структуру, обоснованно подобрать конструктивные параметры соединения, назначить наиболее выгодный технологический процесс и необходимые виды экспериментальных исследований. Так в космической промышленности рекомендуется до 10% изделий доводить до разрушения.
Для слоистых композиционных материалов ослабление несущих пластин отверстиями под крепеж связано
с проявлением при простом растяжении отслаивающих напряжений (в направлении, перпендикулярном плоскости пластины). Этот эффект присущ и металлам, причем уровень указанных напряжений сравним с величиной напряжений растяжения [5].
Наше расчетное моделирование зоны механического крепежа болтового соединения углепластика КМУ-4Л толщиной 1,6 мм с болтом из стали З0ХГСА двумя слоями объемных конечных элементов для оценки локальной прочности при использовании тензорно-полиномиального критерия показало [5], что без затяжки при нагрузке в 1 кН запас прочности составил 0,66, а при моменте затяжки в 20 Нм повысился до 1,11, что согласуется с исследованиями влияния натяга на местную прочность [3]. Отметим, что современные анаэробные смолы позволяют надежно обеспечить стопорение резьбовых крепежных деталей.
Проведенный анализ свойств слоистых стеклопластиков, органопластиков и углепластиков [1] позволяет рекомендовать для усиливающих накладок в силовых элементах конструкций типа балок и рам углепластик, а в качестве связующего - полимеры на основе эпоксидных смол.
Ниже приведены результаты экспериментального исследования для инженерной оценки влияния на статическую прочность моделей болтовых соединений углепластика конструктивных параметров и момента затяжки.
На первом этапе определялись механические характеристики композиционного материала (предел прочности при растяжении - ств, предел пропорциональности -Стпц, относительное удлинение, соответствующее величине разрушающей нагрузки, - ф, модуль упругости - Е, коэффициент Пуассона - ц). Углепластик представлял из себя композит, изготовленный методом прямого прессования и состоящий из чередующихся слоев поверхностно обработанной на воздухе ленты ЛУ-П-0,2, пропитанной связующим ЭНФБ. Изготовлены были укладки (90/0з/+45/-45/0з/90). Размер исходных плит 450х450 мм. Разрезку плит на образцы проводили алмазным кругом под углами 0°, 45°,90° по отношению к углу 0°. В табл.1 приведены характеристики исследуемого материала.
Механические характеристики углепластика КМУ-4Л
Таблица 1.
Пластик е° Стпц, МПа Ств, МПа E, ГПа ц ф, %
КМУ-4Л 0 455 460 95 0,325 0,51
90 170 280 38 0,151 0,50
45 159 230 32 0,506 0,51
Для проведения исследования использовалось специальное приспособление (рисунок 1), позволяющее за счет изменения диаметра отверстия d под болт при постоянных значениях величин с, ^ w оценивать влияние конструктивных параметров w/d, Н при различных моментах затяжки (0,20 и 40 Нм). Объемы
экспериментальных выборок составили 8...10 образцов. Проведенная статистическая обработка результатов испытаний позволила заключить, что распределение характеристик прочности описывается нормальным законом. Коэффициенты вариации при испытании моделей болтовых соединений не превышают 15%.
Рисунок 1. Приспособление для испытаний моделей болтовых соединений: 1- нагружающая вилка, 2 - втулки с постоянным наружным и переменным внутренним диаметрами, 3 - болт, 4 - гайка, 5 - углепластик.
Основными результатами, полученными путем испытаний моделей болтовых соединений углепластиковых пластин по схеме «ухо-вилка» с учетом момента предварительной затяжки, являются построенные на основе ста-
тистической обработки данных зависимости номинальных напряжений Стсм, Стн, Тср (в ослабленном сечении) и стер (в неослабленном брутто- сечении), соответствующих уровню разрушающей нагрузки, от безразмерных параметров d/H, сМ, w/d и момента затяжки М:
о™ =
а*н'
о =
(ю — <Г)* Н'
Тср
рр
2 * с* Н'
обр
рР
w * Н
,(1)
где: Fp - разрушающая нагрузка, Н - толщина пластины, d - диаметр отверстия под крепеж.
Изложенный подход позволяет получить наиболее полное описание зависимости прочности на смятие, срез, отрыв по ослабленному сечению от конструктивных параметров с, w). В этом заключается основное его преимущество, поскольку при последующем решении задачи проектирования изделия на конструктивные параметры соединений могут накладываться жесткие ограничения (по массе, габаритам), не позволяющие изменять конфигурацию соединений в широком диапазоне.
бсп
Типичные поверхности прочности для болтовых соединений пластин из углепластика приведены на рисунке 2. Результаты испытаний с учетом угла а вырезки образцов представлены на рисунке 3 (угол вырезки отсчи-тывается от однонаправленных слоев). Прямоугольные образцы имели длину 1 = 150 мм, w = 30, 40 мм, значение параметра с составляло 18-20 мм.
Подобные поверхности прочности могут использоваться и для оценки уже существующих соединений.
Рисунок 2. Поверхности прочности для болтового соединения пластин из десятислойного углепластика (угол вырезки образцов относительно волокон «нулевого» слоя равен 0); схема определения коэффициента запаса
прочности п = АС/АВ.
Рисунок 3. Влияние диаметра отверстия под крепежный элемент и соотношения d/H на величины напряжений смятия в зависимости от направления приложения нагрузки к соединению,
затянутому моментом М = 20 Нм.
Характер разрушения образцов зависел как от направления вырезки, так и от величины момента предварительной затяжки. Эффект изменения толщины образцов (в диапазоне 1...5 мм) проявлялся только для тонких пластин (1 мм), наибольшая прочность достигалась при доле слоев +45°/-45°, равной 80%.
Отметим еще некоторые важные особенности проектирования. Меньшая (по сравнению с соединениями металлических деталей) прочность композиционного материала на срез, смятие и межслоевое отслаивание требует в некоторых случаях специального конструктивного упрочнения самих зон стыка. Для этой цели рекомендуется применять фольгирование зоны соединения (то есть фактически применять в ограниченной области слоистый металлополимер), использовать местное трехмерное армирование либо другие способы упрочнения.
Важное значение имеют при этом вопросы рационального исполнения самого соединения. Так усиливающие конструкцию накладки должны быть нагружены на растяжение. В комбинированных клеемеханических соединениях подбор полимерной связующей прослойки определяется свойствами матрицы композиционного материала и адгезионными ее характеристиками по отношению к основной металлической конструкции.
Соединительная прослойка должна воспринимать большей частью сдвиговые (срезывающие) усилия, а со-
единяемые материалы - растягивающие. Область передачи усилий легко определить по характеру распределения касательных напряжений в клеевом нахлесточном соединении [4]:
(2)
' 25*®
где: F - сила на единицу ширины пластины, к =
2С с и
, Е - модуль упругости материала накладки, И - ее
толщина, G - модуль сдвига клеевой соединительной прослойки, 5 - толщина прослойки, 1 - длина накладки (координата у отсчитывается от края соединения).
В клееболтовых соединениях механический крепеж должен быть расположен за областью передачи усилий, которая в этом случае равна параметру с (рисунок 1, 4). Дополнительный скос кромок при этом минимизирует отрывные (отслаивающие) напряжения в клеевой прослойке. К боковым граням усиливающей накладки, как показывает наше уточненное решение методом конечных элементов [1, 5], в соединительной прослойке (рисунок 5) наблюдается увеличение напряженности, но не более чем на 15 - 20%, что можно компенсировать соответствующим увеличением ширины w и также выполнением скоса.
Рисунок 4. Схема расположения краевого механического крепежа (1 - усиливаемый элемент конструкции, 2 - накладка из композиционного материала, 3 - болтовой крепеж).
Рисунок 5. Расчетная схема и характер распределения касательных напряжений по ширине пластин; 1/^ =0,75; Нх = Н2; Нх/5 = 20; F = 9 кН; Ех =Е2= 71 ГПа; G = 1,12 ГПа.
Список литературы: 3.
1. Семин М.И., Стреляев Д.В. Расчеты соединений элементов конструкций из композиционных материалов на прочность и долговечность. М.: Изд-во 4. МГАТУ «ЛАТМЭС», 1966. - 288 с.
2. Композиционные материалы. Справочник /Под
ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: 5. Машиностроение, 1990. - 512 с.
Воробей В.В., Сироткин О.С. Соединения конструкций из композиционных материалов. Л.: Ма-шиностроение,1985. -168 с.
Царахов Ю.С. Конструирование соединений элементов конструкций ЛА из композиционных материалов. М.: МФТИ. 1980. - 81с. Семин М.И. Заклепочные и болтовые соединения композиционных материалов. М.: Машиностроение. 1989. - 44с.
ОПТИМИЗАЦИЯ СРОКОВ ОРГАНИЗАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ ЗА СЧЕТ РАЦИОНАЛЬНОГО ПОДБОРА КОМПЛЕКСНЫХ БРИГАД
Оптимизация организационной подготовки предполагает разработку графиков загрузки специализированных звеньев рабочих в составе комплексных бригад. В традиционном подходе специализированные звенья принимаются по ЕНиР в соответствии с видом инженерных коммуникаций. Прокладку подземных сетей необходимо производить с учетом очередности "снизу - вверх", тоесть начиная с коммуникаций наибольшего заглубления, затем менее глубоких и заканчивая сетями мелкого заложения в 40-60 см. Однако в настоящее время в крупных городах широко практикуется совместная прокладка различных коммуникаций в специальных проходных коллекторах. [2, с.105]. Из специализированных звеньев формируется состав комплексной бригады. При проведении организационной подготовки разрабатываются графики - календарные планы организации работ. Задача по оптимизации сводных графиков и является предметом рационального подбора комплексных бригад. Алгоритм расчета этого сводного графика дается ниже. При разработке организационно - технологической документации по подготовке строительных площадок календарные графики загрузки специализированных бригад и инженерных служб чаще всего предусматривают порядок включения в специализированные потоки по наличию средств и обоснованности
Шульженко Сергей Николаевич
Канд. техн. наук, доцент кафедры ГСиАрх, ТулГУ, г.Тула
проекта. Автором предлагаются теоретические подходы к оптимизации загрузки комплексных бригад.
Для поиска оптимальных решений при территориальной застройке предлагается использовать совмещение работ специализированных строительных организаций. Это возможно, благодаря формированию численного состава комплексных бригад для работы в комплексе и с использованием автоматизированной модели на базе программы «Е^гекак При этом возникает возможность с учетом сложности (квалификации работ):
1. Рассчитать оптимальный состав бригад для этапа инженерной подготовки строительства;
2. Определять продолжительность работ частных потоков и суммарное затраченное время в сводном календарном плане;
В данной модели объектом исследования является состав работ инженерной подготовки Т и мощности для его исполнителя, а предметом исследования - трудозатраты у и состав бригад х.
В работе [4, с.207] исследователи при анализе вариантов формирования строительных бригад отмечают, «нужно стремиться выдерживать постоянное соотношение между трудоемкостью работ в графике и численно-
