CC BY
14
УДК 620.1:666.11/.28
11 2 Н.О. Яковлев , Е.Г. Сентюрин , Г.М. Харитонов
ОСОБЕННОСТИ СПАДА ВЫСОКОЭЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В ОРГАНИЧЕСКИХ СТЕКЛАХ В ПРОЦЕССЕ ИХ РАЗГРУЗКИ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ, БЛИЗКИХ К ТЕМПЕРАТУРЕ РАЗМЯГЧЕНИЯ
Представлены результаты исследований развития и спада высокоэластической (ВЭ) деформации в органических стеклах марок ВОС-2 (сополимер с редко сшитой структурой) и С0-120 (полимер с линейной структурой) при «мгновенном» и «принудительном» снятии нагрузки в диапазоне рабочих температур. Выявленные в экспериментах особенности спада ВЭ деформации в органических стеклах в процессе их разгрузки при температурах, близких к температуре размягчения, показывают целесообразность учета такой деформации при проектировании фонарей кабин перспективных самолетов.
Ключевые слова: высокоэластическая деформация, органическое стекло.
Results of research of the rubber-like elastic strain increase and recovery in organic glasses BOC-2 (copolymer with lightly cross-linked structure) and CO-120 (polymer with linear structure) during «instantaneous» and «forced» unloading at operating temperatures are described. The strain recovery features determined in the course of experimental unloading of organic glasses at temperatures near to their softening temperature demon-strate the necessity of their accounting in the design of advanced aircraft canopy.
Keywords: rubber-like elastic strain, organic glass.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
2Открытое акционерное общество «Летно -исследовательский институт имени М.М. Громова» [Open Joint Stock Company «Flight Research Institute named after M.M. Gromov»] E-mail: [email protected]
Введение
Авиационные органические стекла являются важными конструкционными неметаллическими материалами [1-6]. Наряду с металлическими материалами внешнего контура самолета они призваны обеспечить необходимые прочностные характеристики изделия, обладая при этом высокими оптическими свойствами. В остеклении современных самолетов органические стекла являются основным материалом, занимая от 80 до 100% всей площади остекления.
С развитием авиации, ростом скоростей и высоты полетов требования к прочностным характеристикам стекол постоянно возрастали. Это требовало создания и освоения промышленностью новых материалов [7-10]. Для дозвуковых (число Маха М<1) и кратковременных (3-15 мин) сверхзвуковых (М<2,1) полетов требовались оргстекла, способные эксплуатироваться в интервале температур от -60 до +100°C. При появлении самолетов, способных к полетам со скоростью М>2,5, максимальные температуры на поверхности стекол достигли >200°C.
Материалы и методы
В данной работе в качестве объектов исследования выбраны органические стекла марок С0-120 и ВОС-2 [11, 12]. Стекло С0-120 - полимер линейного строения на основе непластифицированного полиметилметакрилата (ПММА), которое до настоящего времени является одним из основных материалов остекления. Ранее в неориентированном состоянии стекло СО-120 пытались применить на самолетах с температурой
на поверхности до 135°С. Стекло ВОС-2 - сополимер частично сшитой структуры на основе метилметакрилата и метакриловой кислоты - является новым теплостойким оргстеклом, рекомендованным для применения в деталях остекления с температурой на поверхности от аэродинамического нагрева до 200°С.
Опыт эксплуатации показал, что наиболее опасными температурными условиями в полетах являются температуры внешних слоев остекления, близкие к температуре размягчения Тр.
При оценке прочности авиационного остекления на основе органических стекол считается, что они работают в области упругих деформаций. В расчетах и прочностных испытаниях обычно определяют напряжения, создаваемые аэродинамическими нагрузками, избыточным давлением в кабине и неравномерным распределением температуры по толщине остекления.
В реальности изделия остекления работают в области упруго-высокоэластических деформаций и в них возникают остаточные напряжения [13-15], причем в остеклении не только сверхзвуковых самолетов, но и самолетов, летающих на дозвуковых скоростях. Значительные остаточные напряжения замечены в остеклении из стекла марки С0-120 (ТР=120°С) самолетов, летающих со скоростью до М<2,3, а также в остеклении из стекла марки Э-2 (ТР=180°С) на самолетах, выполнявших полеты при М>2,6. В деталях остекления наблюдались значительные остаточные деформации, а в отдельных случаях даже происходило их растрескивание.
Причины возникновения на поверхности остекления остаточных напряжений связаны с релаксацией температурных напряжений сжатия при нагреве остекления, либо усадочных деформаций, связанных с технологией изготовления стекол. С усовершенствованием технологии усадочные деформации были устранены, но остаточные температурные напряжения, вызванные релаксацией, сохранились [ 16-20].
Ранее [13, 15] при исследовании закономерностей деформирования органических стекол марок СО-120 и ВОС-2 при знакопеременных нагружениях установлено, что при температурах, близких к Тр, начальная общая деформация (80) практически полностью переходит в высокоэластическую (ВЭ) деформацию (бвэ). При разгрузке образцов полнота спада ВЭ деформации определяется как
д_ 8ВЭ -8ост
8ВЭ
где 80Ст - остаточная ВЭ деформация достигала максимума (-50%) при температуре ~(ТР-45)°С и с дальнейшим повышением температуры до Тр ее значение снижалось почти до нуля.
Приведенная на рис. 1 диаграмма растяжения органического стекла марки ВОС-2 до 80=0,8% при 140°С показывает, что при смене полуцикла нагружения нерелаксиро-вавшая часть ВЭ деформации переходит в качестве остаточной деформации 80СТ во второй полуцикл нагружения. С повышением температуры величина остаточной деформации приближается к величине общей деформации, поскольку наклон нагрузочной ветви уменьшается и сокращается время разгрузки.
В полете самолета возможны случаи, когда температура слоев стекла у внешней поверхности остекления достигает температур <(ТР+30)°С и на режиме торможения разгрузка (снижение общей деформации) этих слоев из-за изменения температуры по толщине остекления начинается при температуре, превышающей Тр. Смена полуцикла нагружения произойдет в слоях при температуре <ТР при возникновении напряжений растяжения.
При моделировании температурных напряжений с учетом их релаксации возникает вопрос, какая часть ВЭ деформации, развившаяся в первом полуцикле нагружения, не успевает за время разгрузки спасть и переходит как остаточная деформация во второй полуцикл нагружения.
Рис. 1. Диаграмма деформирования образца оргстекла ВОС-2 при температуре 140°С с выдержкой 300 с при постоянной деформации и последующей ступенчатой разгрузкой
Из приведенного выше предполагается, что вся ВЭ деформация, возникшая в первом полуцикле и равная общей деформации 80, перейдет в виде остаточной во второй полуцикл. Однако в работе [21] на основании экспериментов с образцами полиме-тилметакрилата (ПММА), в которых они подвергались растяжению до 80=30%, отмечается, что при температурах, близких к Тр, наблюдалось полное и почти мгновенное, судя по кривым 8(т), восстановление (спад ВЭ деформации) деформированных образцов. С учетом больших деформаций, в -30 раз превышающих максимально возможные в остеклении самолетов, и масштаба приведенных графиков (10 мм соответствуют 20 ч), в то время как в полете процесс разгрузки слоев стекла у внешней поверхности длится от 60 до 90 с, потребовалось проверить, как протекает спад ВЭ деформации при разгрузке авиационных органических стекол в условиях, близких к условиям полета по величинам 80, скорости деформирования, времени разгрузки.
Для этого проведены два эксперимента (рис. 2). В эксперименте 1 образцы оргстекла марки С0-120 нагревали до температур 90, 105, 120 и 131°С, а оргстекла марки ВОС-2 - до температур 105, 130, 145 и 151°С. После достижения заданной температуры нагрева каждый образец подвергали растяжению до 80=0,9%, выдерживали при 80=сопб1 в течение 5 мин, после чего нижний конец образца освобождали из захвата и происходило «мгновенное» снятие нагрузки.
б)
0,8-
80СТ _ 0,685
0,6-
0,4- Аевэ„сст _ 0,28
0,2- Г
1 0,166
400 800 1200 Время эксперимента, с
1600 0 400 800 1200 1600
Время эксперимента, с
Рис. 2. Диаграммы «деформация-время эксперимента» для оргстекла марки ВОС-2 при температуре 130°С в эксперименте 1 (а) и 2 (б):
А8упр.раз - упругая деформация, снимающаяся при «мгновенной» разгрузке образца; 80СТ - высокоэластическая (ВЭ) деформация, оставшаяся после снятия упругой деформации; ДввЭ - величина снижения деформации, равная величине ВЭ деформации, резвившейся за время нагру-жения; тА8'ю - время, за которое деформация снижается на величину, равную величине ВЭ деформации, развившейся за время нагружения; Д8Вэ восст - величина восстановления ВЭ деформации после снятия нагрузки с образца
0
В эксперименте 2 каждый образец также подвергали нагреву до указанных температур, нагружали до 80=0,9%, выдерживали в течение 5 мин при 80=шм^ а затем разгружали до 80=0 с приложением сжимающей нагрузки P - «принудительное» снятие нагрузки со скоростью, превышающей равновесную, и освобождали его из захвата. Такой эксперимент имитирует условия деформирования слоя остекления в полете, возникающие из-за распределения температуры по толщине. Скорость деформирования при нагружении и разгрузке составляла 0Д7-10"3 ^ и соответствовала средней скорости деформирования остекления в полете. Во всех экспериментах записывали диаграммы «нагрузка-деформация» и «деформация-время эксперимента».
Результаты
Из полученных данных видно, что в эксперименте 1 после освобождения образца деформация снижалась на упругую составляющую Л8упр.раз и далее происходил спад ВЭ деформации.
В эксперименте 2 с «принудительной» разгрузкой до 80=0 после освобождения образца восстанавливалась упругая деформация сжатия, соответствовавшая нагрузке P, и не успевшая спасть часть ВЭ деформации растяжения Л8вэ восст. Далее ВЭ деформация продолжала спадать с уменьшенным темпом.
Результаты экспериментов представлены в виде графиков спада ВЭ деформации при различных температурах после «мгновенного» (рис. 3) и «принудительного» (рис. 4) снятия нагрузки. В таблице приведены данные, определенные
по диаграммам «нагрузка-деформация»:
- величины ВЭ деформации, развивающейся за время нагружения 8 вЭ, и полной деформации 8ВЭ = 8 вэ +8 в э, гДе Л8 в э - ВЭ деформация, развивающаяся за время выдержки при
- величины остаточной ВЭ деформации 80СТ при нагрузке P=0;
по диаграммам «деформация-время эксперимента»:
- деформации упругой разгрузки Л8упр.раз=80-8вэ в эксперименте 1;
- продолжительность спада ВЭ деформации тД8вэ после освобождения образца в эксперименте 1 на величину, равную 8 вЭ;
- величины остаточной ВЭ деформации 80Ст через 20 мин после освобождения образца в экспериментах 1 и 2;
- величины восстановления ВЭ деформации Л8вэ восст после освобождения образцов в эксперименте 2.
а) б)
Время эксперимента, с Время эксперимента, с
Рис. 3. Спад ВЭ деформации после «мгновенного» снятия нагрузки в оргстеклах марок ВОС-2 (а) и С0-120 (б)
Рис. 4. Спад ВЭ деформации после «принудительного» снятия нагрузки в оргстеклах марок ВОС-2 (а) и С0-120 (б)
Данные экспериментов для случаев «мгновенного» (1)
Органическое Условный Темпе- евэ-103 Девэ -103 1Д£вэ >с де • 103 е °ост 103 Аевэ восст^103
стекло номер эксперимента ратура испытаний, °С при Р=0 через 1200 с
С0-120 1 90 4,6 3,6 205 5,9 3,1 0,2 -
105 5,5 2,6 218 3,8 5,2 1,5 -
120 8,8 7,0 1361 0,2 8,8 2,6 -
131 9,00 - - - - 0 -
2 90 3,3 2,1 - - 2,0 0,5 1,1
105 4,5 1,7 - - 4,0 1,6 2,3
120 8,9 7,7 - - 8,8 0,1 1,4
ВОС-2 1 105 4,7 2,2 188 4,4 3,0 0,6 -
130 7,7 4,9 856 1,3 8,1 5,3 -
145 8,9 8,0 1773 0,1 8,6 1,6 -
151 9,0 - - - - 1,1 -
2 105 4,6 2,9 - - 2,9 0,9 1,7
130 7,8 5,6 - - 6,9 1,7 2,8
145 - - - - 8,8 1,6 1,8
На основании полученных данных следует отметить некоторые особенности спада ВЭ деформации при повышении температуры испытаний органических стекол до Тр:
- в процессе спада деформации выделяются две стадии, отмеченные в работе [21], -начальная, сравнительно быстрая и замедленная;
- продолжительность спада величины ВЭ деформации тДевэ, равной развившейся за время нагружения, увеличивается для обеих марок оргстекол;
- остаточная ВЭ деформация, определенная через 20 мин после освобождения образцов, имела довольно значительные величины, причем для обеих марок оргстекол с повышением температуры до 0,9-1,0 от Тр ее значения возрастали, а при температурах, превышающих Тр, снова снижались.
При температурах выше Тр в эксперименте 1 спад ВЭ деформации ускоряется, но не становится мгновенным. Через 100 с после освобождения образцов ВЭ деформация уменьшалась с 0,9 до 0,15% у оргстекла марки С0-120 и до 0,45% у оргстекла марки ВОС-2. Полный спад ВЭ деформации произошел у оргстекла марки С0-120 через 240 с, а у оргстекла марки ВОС-2 - через 600 с спад ВЭ деформации замедлился, и через 20 мин остаточная деформация составила 0,11%.
