CC BY
164
УДК 620.22:620.171:620.178.4/6
М.В. Астахов, И.И. Сорокина, П.И. Хотеев
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЯ СТАЛЬ-КОМПОЗИТ
Исследовано соединение деталей, изготовленных из полимерных композиционных материалов с металлическими частями конструкций. Выполнен анализ экспериментальных данных с их последующей статистической обработкой. Даны рекомендации по практическому применению разработанного конструкторско-технологического решения.
E-mail: sorokina-i@yandex.ru
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, соединения, проведение испытаний, статистическая обработка результатов.
В современном мире все большая роль отводится рынку композитов и изделий из них. Особенность полимерных композиционных материалов (ПКМ) заключается в том, что подбором состава матрицы и наполнителя, а также их соотношения можно получить материал с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств, которые не присущи каждому из материалов в отдельности. Однако проблема соединения деталей из композитов с металлическими частями конструкций остается одной из самых сложных и малоизученных. При сборке крупногабаритных изделий до сих пор используют болтовые и заклепочные соединения предварительно изготовленных деталей, что является существенным недостатком, так как копирование традиционных для металлических конструкций способов монтажа не позволяет реализовывать наиболее существенные преимущества ПКМ.
Клеевые соединения элементов конструкций значительной толщины обладают недостаточной несущей способностью, а их сочетание с поперечными дискретными связями требует сверления отверстий в ПКМ. Вследствие перерезания волокон значительно снижается прочность соединений, что ограничивает их применение [1].
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что соединение деталей из ПКМ с металлическими частями конструкций следует осуществлять способом, не предполагающим нарушение целостности волокон основы. Для этой цели вполне подходит метод крепления, основанный на совместной полимеризации ПКМ с металлической деталью, которая снабжена специальными крепежными элементами (КЭ), внедряемыми между волокнами композита до начала полимеризации.
В рамках проводимого исследования подготовлен и реализован эксперимент для определения оптимальных параметров такого соединения.
С учетом результатов исследований, полученных ранее [2], в качестве объекта испытаний выбраны образцы прямоугольной формы, состоящие из трех пластин (рис. 1): одной металлической (7) и двух из ПКМ (2) с рядным размещением КЭ (3) лопатообразной формы. Пластины из ПКМ выполнены на основе 46 слоев стеклоткани Э3-200-Р(100) по ТУ 5952-003-42294599-2004, пропитанных эпоксид-
Рис. 1. Образцы для испытания комбинированного соединения сталь-композит
ной смолой ЭД-20 по ГОСТ 10587-84, с взаимным расположением однонаправленных слоев в трех направлениях (0°; ±45°); металлические части конструкции - из стали Ст3 по ГОСТ 380-94.
Цилиндрические части КЭ обрабатывали эпоксидной смолой и закрепляли с натягом в отверстия металлических пластин. Образцы подразделяли на четыре группы в зависимости от ориентации КЭ в ПКМ по отношению к приложенной нагрузке:
1) плоскости лопаток КЭ расположены под углом 90° к прикладываемой нагрузке (рис. 1, а);
2) плоскости лопаток КЭ расположены под углом 0° к прикладываемой нагрузке (рис. 1, б);
3) плоскости лопаток КЭ расположены под углами ± 45° к прикладываемой нагрузке (рис. 1, в);
4) плоскости лопаток КЭ расположены под углом 45° к прикладываемой нагрузке параллельно друг другу (рис. 1, г).
При этом учитывали, что взаимное влияние КЭ при заформовке в ПКМ исключается при расстояниях между ними, больших чем 2,5d, где d - диаметр цилиндрической части КЭ.
Испытания проводили на базе ОАО «Калужский турбинный завод» с применением испытательной машины серии LFM 20-100 кН при фиксированной скорости перемещения захватов этой машины с регистрацией разрушающей нагрузки и построением диаграммы деформирования.
На металлических пластинах выполняли насечку для устранения проскальзывания образцов в клиновых захватах машины, а пластины из ПКМ закрепляли с помощью специально изготовленного приспособления с самоцентрирующимся цилиндрическим элементом, обеспечивающим соосность при проведении эксперимента. На основании полученных экспериментальных данных определяли усилие разрушения.
Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) образца показывает, что наибольшие усилия воспринимают КЭ, находящиеся ближе к месту крепления композитной части (первый и второй КЭ при отсчете справа, см. рис. 1). Вследствие более высокой податливости ПКМ по сравнению с металлом в месте крепления сталь-композит происходит перераспределение нагрузки и часть усилия передается с ПКМ на металлическую пластину образца. Поскольку по всему образцу размещены шесть крепежных элементов, то усилие на последнем КЭ полностью передается на металлическую пластину. Таким образом, предположительно разрушение образца будет начинаться в месте крепления сталь-композит на первом КЭ, и лишь затем вследствие перераспределения нагрузки будут разрушаться последующие КЭ.
41 А
30 7л\
\ 1\1S \
Ъ W/
' с f ^
; \
\21_
а
О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5
Деформация, мм
Рис. 2. Типовые диаграммы нагружения для образцов-представителей
Действительно, анализ полученных диаграмм нагружения (рис. 2) показывает, что образец разрушается не сразу, а ступенчато. Сначала увеличение нагрузки не разрушает образец (участок аЬ диаграммы), при достижении пиковой нагрузки (точки Ь, Ь') отмечается срез первого и второго КЭ (участок Ьс диаграммы). При этом в 1-й (образец 18) и 3-й (образец 30) группах срез КЭ происходит поочередно, а в 4-й (образец 41) и во 2-й (образец 21) группах - одновременно (точки Ь, Ь' совпадают). Нагрузка перераспределяется, и начинают работать следующие два КЭ (участок сё диаграммы). В образцах 1-й и 3-й групп происходит либо срез третьего и четвертого КЭ, либо их выпрессовка из металлической пластины. В образцах 2-й и 4-й групп наблюдается либо изгиб КЭ с перерезанием волокон основы ПКМ и, как следствие, разрушением соединения, либо их выпрес-совка из металлической пластины (участок ёе диаграммы). Дальнейшее нагружение образца приводит к окончательному разрушению соединения (участок е/ диаграммы). В образцах 1-, 3- и 4-й групп происходит выпрессовка третьего и четвертого КЭ из металлической пластины, в образцах 2-й группы повторяется характер разрушения третьего и четвертого КЭ.
На основании полученных экспериментальных данных определяли два значения разрушающей нагрузки: ^пик - пиковой (точка Ь), при которой происходит срез первого КЭ - начало разрушения, и ^шах - максимальной, выдерживаемой данным соединением. Выборочные результаты испытаний приведены в таблице (1 кгс = 9,80665 Н).
Выборочные результаты испытаний комбинированного соединения
сталь-композит
Группа Образец ^пик > кгс ^пик > кгс Fmax, кгс Fmax. кгс
1 10 1314,29 1207,67 1418,44 1538,15
15 1400,00 1616,12
18 1200,00 1590,22
2 21 1400,00 1387,294 1497,85 1574,654
23 1300,00 1577,63
27 1264,29 1566,29
3 30 1478,57 1371,427 1638,61 1608,65
31 1478,57 1685,59
32 1157,14 1501,75
4 40 1657,14 1691,65 1748,83 1730,777
41 1685,71 1711,40
42 1732,10 1732,10
Определенные в процессе испытаний значения пиковой и максимальной нагрузок, выдерживаемых исследуемыми соединениями, статистически обрабатывались с использованием программы М1шТаЬ.
Исключение промахов из выборки проводилось с помощью диаграммы 1-МЯ, которая показывает, действительно ли изучаемый процесс является случайным или присутствуют факторы, непосредственно влияющие на результат. Кроме того, была проведена проверка на однородность средних квадратических отклонений с помощью теста по Бартлетту, который показал, что результаты в отклонении исследуемых нагрузок вызваны именно различием условий в группах, а не отклонением в результате нестабильности эксперимента. Таким образом, рассмотренные группы являются независимыми в статистическом смысле.
Были получены однородные выборки, обработка которых проводилась по критерию согласия Андерсона-Дарлинга. Для всех групп образцов из 16 проверенных моделей закона распределения параметра подходили нормальное, Вейбулла, трехпараметрическое Вейбулла и гамма-распределение. Наилучшие показатели для всех групп образцов были получены для нормальной модели распределения, которая и принималась для дальнейшего анализа. Результаты обработки полученных данных представлены в виде диаграмм (рис. 3).
Выводы. Экспериментально установлено, что при расположении КЭ под углом к сдвигающей силе параллельно друг другу нагрузка, выдерживаемая образцом до начала разрушения соединения, примерно на 10.. .15 % выше, чем при расположении КЭ вдоль этой силы
Рис. 3. Математическое ожидание разрушающей нагрузки по группам:
а - пиковой нагрузки ^пик; б - максимальной ^тах
или перпендикулярно к ней. Кроме того, анализ всех образцов после разрушения, независимо от взаимного расположения КЭ, показал, что в начале разрушения происходит срез крайнего КЭ, а это может значительно упростить проектировочный расчет таких соединений (хотя в условиях работы разрабатываемого КЭ говорить о чистом срезе неверно из за сложного НДС).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Корженевский А. В. Проектирование и экспериментальное исследование прочности клеештифтового соединения деталей из композиционных материалов // Вопросы оптимизации тонкостенных силовых конструкций летательных аппаратов: Тем. сб. науч. тр. Вып. 4. Харьков, 1983. С. 16-20.
2. Астахов М.В., Таганцев Т.В. Экспериментальное исследование прочности соединения «сталь-композит» // Математическое моделирование сложных технических систем: Тр. МГТУ им. Н.Э. Баумана. № 593. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. С. 125-130.
Статья поступила в редакцию 31.10.2011
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана Сдано в набор 02.11.2011 Подписано в печать 28.11.2011
Формат 70 х 108/16 Печать офсетная Усл.-печ. л. 19,76 Уч.-изд.л. 21,15 Заказ
Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана_
Статьи настоящего выпуска журнала публикуются в авторской редакции.
