CC BY
80
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.001.63: 623.41
А. Ю. Муйземнек, В. Я. Савицкий
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СЛОИСТЫХ ПЛАСТИКОВ, АРМИРОВАННЫХ ВОЛОКНАМИ ИЗ СТЕКЛА И УГЛЕРОДА
Аннотация.
Актуальность и цели. Устойчивой тенденцией развития мирового автомобилестроения является увеличение количества деталей из композиционных материалов в конструкциях легковых автомобилей. Стремительное развитие композиционных материалов и технологий, отсутствие достаточной информации о физико-механических свойствах новых композиционных материалов создает трудности при проектировании изделий из них. Целью работы является технологическое обеспечение изготовления деталей из слоистых пластиков, армированных волокнами из стекла и углерода, включающее методическое обеспечение проведения испытаний, выбор моделей сопротивления материалов деформированию и разрушению, а также создание информационной базы о физико-механических свойствах слоистых пластиков и их компонентов.
Материалы и методы. В качестве исследуемых материалов выбраны слоистые пластики на основе угле- и стеклотканей, изготовленные по технологиям ручного формования, вакуумного мешка и вакуумной инфузии. Экспериментальные исследования заключались в испытаниях плоских образцов методом растяжения вдоль направления нитей основы, а также под углом 45° и 90°.
Результаты. Создано методическое обеспечение проведения испытаний, выбора моделей сопротивления материалов деформированию и разрушению слоистых пластиков, армированных волокнами из стекла и углерода.
Выводы. Информационная база о физико-механических свойствах слоистых пластиков и их компонентов может быть использована при проектировании конструкций и технологий изготовления элементов конструкций легковых автомобилей из слоистых пластиков, армированных волокнами из стекла и углерода.
Ключевые слова: технологическое обеспечение, слоистые пластики, волокна из углерода и стекла, технологии ручного формования, вакуумного мешка и вакуумной инфузии, методическое обеспечение, информационная база, легковой автомобиль.
A. Yu. Muyzemnek, V. Ya. Savitskiy
TECHNOLOGICAL MAINTENANCE OF MANUFACTURING OF PRODUCTS FROM LAYERED PLASTICS REINFORCED WITH FIBRES FROM GLASS AND CARBON
Abstract.
Background. A steady trend of development of the world motor industry is an increase in quantity of details from composite materials in car designs. Prompt de-
Engineering sciences. Machine science and building
171
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
velopment of composite materials and technologies, absence of sufficient information on physicomechanical properties of new composite materials create difficulties in designing products made of such materials. The purpose of work is technological maintenance of manufacturing of details from layered plastics, reinforced with fibres from glass and carbon, including methodical maintenance of tests, selection of models of materials’ resistance to deformation and destruction, and also creation of an information base about physicomechanical properties of layered plastics and their components.
Materials and methods. As research materials the authors chose layered plastics the basis of carbon and fiber glass, produced by manual formation, vacuum bag and vacuum infusion. The experimental research consisted in tests of flat samples by a method of stretching along the base strings, and also at an angle of 45° and 90°.
Results. Methodologiical maintenance of tests, selection of models of materials’ resistance to deformation and destruction of layered plastics, reinforced with fibres from glass and carbon has been created.
Conclusions. The information base about physicomechanical properties of layered plastics and their components can be used in designing and manufacturing of car elements from layered plastics, reinforced with fibres from glass and carbon.
Key words: technological maintenance, layered plastics, fibres from carbon and glass, technologies of manual formation, vacuum bag and vacuum infusion, methodological maintenance, information base, car.
Введение
Устойчивой тенденцией развития мирового автомобилестроения является увеличение количества деталей из композиционных материалов, особенно в конструкциях легковых автомобилей премиум-класса и суперкаров [1], значительная часть которых представляет собой слоистые пластики на основе волокон из углерода (карбон) и стекла (стеклопластик). Применение композиционных материалов, с одной стороны, обеспечивает повышение прочности деталей при одновременном снижении их массы и стоимости, с другой -создает проблемы проектирования, вызванные отсутствием достаточной информации об их физико-механических свойствах [2, 3]. Кроме того, создание эффективных и конкурентоспособных конструкций требует решения ряда научных задач, к числу которых относится обоснованный выбор композиционных материалов с учетом закономерностей их сопротивления деформированию и разрушению.
Основными отличительными чертами поведения слоистых пластиков, армированных волокнами из стекла и углерода, являются анизотропия механических свойств, сложная взаимосвязь процессов деформирования и разрушения. Для адекватного описания процессов сопротивления деформированию и разрушению слоистого пластика в различных условиях его нагружения необходимо учитывать физико-механические свойства компонентов и структуру пластика на каждом иерархическом уровне [4].
1. Экспериментальные исследования поведения слоистых пластиков и их компонентов
Предварительный анализ конструкций элементов системы обеспечения пассивной безопасности автомобиля и предъявляемых к ним требований, технологических процессов изготовления карбона и стеклопластика, рынка
172
University proceedings. Volga region
№ 2 (34), 2015
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
композиционных материалов и их компонентов позволил выявить ряд перспективных угле- и стеклотканей, некоторые параметры которых приведены в табл. 1.
Таблица 1
Общая характеристика структуры угле- и стеклотканей
Марка ткани Толщина ткани hw, мм Ширина репрезентативной ячейки la, мм Ширина нити ha, мм Пористость ткани П, %
Стеклоткани
200 г/м2, плейн, 3К 0,24 4,4 2 53,7
200 г/м2, твил 2/2, 3К 0,2 4 1,9 44,4
240 г/м2, твил 2/2, 3К 0,26 3,6 1,7 48,7
300 г/м2, твил 2/2, 6К 0,29 2 0,9 51
296 г/м2, биаксиальная, 300-С45 0,34 1,8 0,8 42,6
Углеткани
200 г/м2, твил 0,15 2,6 1 35
105 г/м2, плейн 0,08 1,5 0,6 28
106 г/м2, твил 2/2 0,06 2,3 0,7 27
450 г/м2, биаксиальная 0,5 1,5 1,1 46
800 г/м2, биаксиальная 0,6 1,5 1,1 11,1
200 г/м2, плейн 0,36 1,8 0,8 69,2
* - расчетное значение.
Были проведены следующие исследования перечисленных тканых материалов и слоистых пластиков, изготовленных на их основе:
- определение геометрических параметров репрезентативных ячеек исследуемой структуры тканей и нитей и их статистический анализ;
- определение удельной массы тканей и нитей и их пористости;
- испытания изготовленных образцов слоистых композитов на растяжение;
- выбор и идентификация параметров моделей материалов и критериев разрушения на основе результатов испытаний на растяжение.
При исследовании структуры тканей и нитей был использован микроскоп Livenhuk, оснащенный видеокамерой С310. Определение плотности тканей и нитей осуществлялось с использованием аналитических весов. Расчет пористости тканей осуществлялся по плотности нитей и тканей и геометрическим параметрам репрезентативных ячеек. Исходными данными для расчета пористости являлись:
- плотность феламентов;
- удельная масса ткани (масса, отнесенная к квадратному метру);
- измеренная толщина ткани;
- измеренная ширина репрезентативной ячейки ткани.
В рассматриваемых тканях репрезентативная ячейка имела в плане форму, близкую к квадрату, что было учтено в проведенных вычислениях.
Результаты исследования структуры угле- и стеклотканей, а также расчетов их пористости [4] представлены в табл. 1.
Engineering sciences. Machine science and building
173
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Испытания слоистых композитов на растяжение были направлены на создание информационной базы данных для последующего выбора и идентификации параметров микроскопической модели слоистого композита и критериев разрушения. Кроме полученных в результате идентификации параметров в информационную базу были включены физико-механические характеристики волокон из стекла и углерода [4].
Испытаниям слоистых пластиков предшествовал процесс изготовления пластин и лабораторных образцов. Пластины изготавливались методами ручного формования, вакуумного мешка и вакуумной инфузии. Во всех случаях пластина состояла из четырех слоев одинаково ориентированной ткани. При изготовлении пластин использовались три эпоксидные системы - SIN Epoxy System, SP System и Epolam 2017.
Испытания слоистых пластиков на растяжение были проведены на универсальной испытательной машине МИ-40КУ с числовым программным управлением. Для обеспечения испытаний образцов на машине МИ-40КУ были разработаны и изготовлены винтовые захваты, конструкция которых позволила исключить характерное для испытаний композитов «выскальзывание» образцов из захватов. При проведении испытаний использовались стандартные плоские образцы, имеющие ширину рабочей части 10 мм и длину 100 мм, которые в процессе испытаний доводились до разрушения. Толщина образцов соответствовала толщине композитной пластины. Образцы из пластин вырезались вдоль направления нитей основы, а также под углом 45° и 90°.
В процессе испытаний снималась диаграмма деформирования в координатах «нагрузка на образец - удлинение образца», по которой строилась диаграмма деформирования в координатах «инженерное напряжение - инженерная деформация». В качестве примеров на рис. 1 приведены диаграммы деформирования образцов из четырехслойного пластика с матрицей из эпоксидной системы SP System, армированной стеклотканью 200 г/м2 плейн, пластик получен по технологии ручного формования.
Деформация
Рис. 1. Диаграммы деформирования карбона; направление нагружения: 1 - вдоль нитей основы; 2 - под углом 90°; 3 - под углом 45°
174
University proceedings. Volga region
№ 2 (34), 2015
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Анализ диаграмм деформирования свидетельствует о наличии существенной зависимости сопротивления материала деформированию от направления приложения нагрузки. Обращает на себя внимание различный характер диаграмм деформирования при нагружении образцов вдоль нитей основы, под углом 90° и под углом 45°.
2. Выбор моделей сопротивления деформированию и разрушения
Модели компонентов слоистого пластика, т.е. связующего компонента (эпоксидной смолы) и армирующего компонента (стекло- и углеволокна), выбирались из следующего ряда [5]:
- модели линейно упругого тела - изотропная, трансверсально изотропная, ортотропная, анизотропная;
- упругопластические модели - со степенным, экспоненциальным или комбинированным упрочнением;
- упругопластические модели, учитывающие накопление поврежденно-сти по Лемайтре - Шабошу;
- модели Леонова.
Выбор критериев разрушения композиционного материала осуществлялся из числа следующих:
- модели предельных значений нормальных напряжений и деформаций;
- двумерные модели Цая - Хилла, основанные на напряжениях и деформациях;
- трансверсально изотропные трехмерные модели Цая - Хилла, основанные на напряжениях и деформациях;
- анизотропные трехмерные модели Цая - Хилла, основанные на напряжениях и деформациях;
- двумерная модель Аззи - Цая;
- двумерные модели Цая - Ву, основанные на напряжениях и деформациях;
- трансверсально изотропные трехмерные модели Цая - Ву, основанные на напряжениях и деформациях;
- анизотропная трехмерная модель Цая -Ву;
- двумерная модель Хашина - Ротема;
- двумерная модель Хашина;
- трехмерная модель Хашина.
Основываясь на анализе диаграмм деформирования слоистых пластиков и их компонентов в качестве модели армирующего компонента, выбрали модель изотропного упругого тела, в качестве модели связующего компонента - упругопластическая модель с экспоненциальным упрочнением, учитывающая накопление поврежденности по Лемайтре - Шабошу.
Изотропная модель линейно упругого тела имеет вид
о = С: £, (1)
где о - тензор напряжений Коши; £ - тензор бесконечно малых деформаций; С - тензор четвертого ранга, компоненты которого могут быть определены с использованием модуля упругости E и коэффициента Пуассона v.
Engineering sciences. Machine science and building
175
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Упругопластическая модель с экспоненциальным упрочнением, учитывающая накопление поврежденности по Лемайтре - Шабошу, основывается на приведенных по Мизесу напряжениях:
0vm J2 (О)| , (2)
где J2 (о) = ^-3s: sj - второй инвариант девиатора тензора напряжений Коши.
В этой модели считается, что при выполнении условия ovm < оу поведение материала является чисто упругим (оу - предел текучести материала).
Общая деформация материала s определяется как сумма упругой se и пластической деформации sp :
е . p S = S + sr
(3)
Связь тензора напряжения Коши с тензором упругой деформации определяется выражением
о = С : sе . (4)
В случае превышения приведенными по Мизесу напряжениями предела текучести возникают пластические напряжения. Предел текучести связан с величиной накопленной пластической деформации выражением
0vm = оУ + R (Seq ), (5)
где R (seq) - функция упрочнения.
При экспоненциальном законе упрочнения имеем
R (eq ) = R
1 - exp (m Seq ) ,
(6)
где R, m - модуль упрочнения и экспоненциальный показатель соответственно.
Накопленная пластическая деформация определяется как
S
eq
(7)
где Seq - скорость накопления пластической деформации, определяемая с помощью выражения
S
eq
(8)
где J2 (sp ) = — Sp : Sp - скорость второго инварианта тензора пластических деформаций.
176
University proceedings. Volga region
№ 2 (34), 2015
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Тензор пластических деформаций вычисляется по зависимости
еp = 8
eq
df(р,R) да
(9)
где f (р, R) = avm - а у - R (eeq) - функция текучести.
Модель накопления поврежденности по Лемайтре - Шабошу использует скалярную меру накопленной поврежденности D, скорость которой определяется выражением
D = 0Y-S)
-\П
т
аУ
eq
(10)
где-----параметр скорости накопления поврежденности;
S0
Y (а ) =
2 E
0 L
2
1 - D
Rv; Rv = з(1 + v) + 3(1 -2v)
-|2
а H
Jeq
- функции;
ан = -3Tr(а) - гидростатическое давление; n - экспоненциальный показатель Лемайтре - Шабоша.
Напряжения в поврежденном материале вычисляются по зависимости
а = (1 - D )р,
(11)
1
где а, а - тензор напряжений в неповрежденном и поврежденном материалах соответственно.
Таким образом, упругопластическая модель с экспоненциальным упрочнением, учитывающая накопление поврежденности по Лемайтре - Ша-бошу, имеет 9 параметров, приведенных в табл. 2.
В качестве модели разрушения композиционного материала была выбрана модель предельных значений нормальных напряжений, определяемых в глобальной системе координат репрезентативной ячейки.
3. Идентификация параметров моделей сопротивления деформированию и разрушению
Идентификация параметров моделей сопротивления деформированию и накопления поврежденности проводилась по критерию среднеквадратического отклонения диаграммы деформирования, построенной по результатам испытаний на растяжение, и диаграммы, построенной по результатам моделирования соответствующего процесса испытаний.
Идентификация параметров осуществлялась пошагово. На каждом шаге определялись значения двух параметров. После определения значений всех параметров процесс поиска повторялся до тех пор, пока результаты моделирования и эксперимента не показывали достаточную согласованность. Результаты идентификации параметров моделей сопротивления деформирова-
Engineering sciences. Machine science and building
177
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
нию и разрушения рассматриваемых эпоксидных систем представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты идентификации параметров моделей сопротивления деформированию и разрушения
Наименование параметра Связующее
SIN Epoxy System SP System Epolam 2017
Параметры модели сопротивления деформированию
Модуль упругости E, ГПа 8 7,3 7,5
Коэффициент Пуассона v 0,35 0,35 0,34
Предел текучести оу , МПа 0,039 0,033 0,034
Модуль упрочнения R^, МПа 0,098 0,077 0,081
Экспоненциальный показатель m 3 3 2,7
Критическая величина поврежденности Dc 0,9 0,9 0,87
Экспоненциальный показатель Лемайтре - Шабоша N 0,5 0,46 0,45
Скорость накопления поврежденности DRF = S-1, МПа-1 4 3,6 3,5
Начальный уровень поврежденности р d 0,1 0 0
Параметры модели разрушения
Предел прочности при растяжении вдоль оси 11 Xt , МПа 180 173 165
Предел прочности при растяжении вдоль оси 22 Yt , МПа 176 165 159
Рисунок 2 позволяет оценить степень согласованности результатов моделирования и эксперимента при идентификации параметров моделей сопротивления деформированию и разрушения матрицы четырехслойного пластика с матрицей из эпоксидной системы SP System и армирующего - из стеклоткани 200 г/м2 плейн, полученного по технологии ручного формования.
Проведенные экспериментальные исследования слоистых пластиков, полученных на основе различных комбинаций угле- и стеклотканей тканей (см. табл. 1) и эпоксидных систем (SIN Epoxy System, SP System и Epolam 2017), позволили идентифицировать искомые параметры с достижением удовлетворительной согласованности результатов моделирования и эксперимента.
Следует заметить, что при изготовлении композиционных пластин использовались технология ручного формования, технология вакуумного мешка и вакуумной инфузии, а также то, что процесс идентификации был успешно закончен для всех исследуемых композиционных материалов.
Результатом исследования стала информационная база физикомеханических характеристик слоистых пластиков на основе угле- и стеклотканей, необходимая для проектирования элементов конструкций легковых автомобилей.
178
University proceedings. Volga region
№ 2 (34), 2015
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
engineering strain vs engineering stress
Деформация
Рис. 2. Диаграммы деформирования:
1 - результаты моделирования; 2 - результаты эксперимента
Заключение
В процессе проведенных исследований была создана информационная база о физико-механических свойствах слоистых пластиков и их компонентов, предназначенная для использования при проектировании конструкций и технологических процессов изготовления элементов из слоистых пластиков, армированных волокнами из стекла и углерода.
Были выявлены и учтены особенности подготовки исходных данных для построения микромеханических моделей слоистых пластиков, армированных волокнами из углерода и стекла, которые заключались в следующем:
- в необходимости сочетания паспортных данных о структуре тканей и нитей с данными, полученными в результате исследований на оптическом микроскопе, при оценке пористости тканей, учитываемой как при определении требуемых объемов эпоксидной смолы и отвердителя, так и при построении микромеханической мотели слоистого пластика;
- в моделировании армирующего компонента моделью изотропного упругого тела, а связующего компонента - упругопластической моделью с экспоненциальным упрочнением, учитывающей накопление поврежденно-сти по Лемайтре - Шабошу;
- в пошаговой идентификации параметров моделей сопротивления деформированию и накопления поврежденности по критерию среднеквадратического отклонения между расчетными и экспериментальными диаграммами деформирования, построенными по результатам испытаний слоистых пластиков на растяжение вдоль нитей основы и под углом 45° и 90° (на каждом шаге идентифицируются два параметра микромеханической модели).
Engineering sciences. Machine science and building
179
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Проведенные исследования поведения основных типов слоистых композиционных материалов при разрушении создали предпосылки для разработки эффективных и конкурентоспособных элементов конструкций легковых автомобилей из армированных угле- и стеклопластиков.
Список литературы
1. Кристенсен, Р. Введение в механику композитов / Р. Кристенсен. - М. : Мир, 1982. - 334 с.
2. AUTODYN. Explicit Software for Nonlinear Dynamics / Composite Modeling in AU-TODYN. - Century Dynamics, 2005. - 57 p.
3. Литвинов, А. Н. Моделирование напряженно-деформированного состояния слоистых структур радиоэлектронных средств при технологических и эксплуатационных воздействиях / А. Н. Литвинов, О. Ш. Ходи, И. К. Юрков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. -№ 4 (32). - С. 146-157.
4. Wu, W. Toward a Nonintrusive Stochastic Multiscalc Design System for Composite Materials / W. Wu and J. Fish // Multiscale Computational Engineering. - 2010. -Vol. 8, Issue 6. - P. 549-561.
5. LS-DYNA Keyword User’s Manual. - Vol. I, II. - Livermore : LSTC, 2007. - 2206 p.
References
1. Kristensen R. Vvedenie v mekhaniku kompozitov [Introduction into mechanics of composites]. Moscow: Mir, 1982, 334 p.
2. AUTODYN. Explicit Software for Nonlinear Dynamics. Composite Modeling in AUTODYN. Century Dynamics, 2005, 57 p.
3. Litvinov A. N., Khodi O. Sh., Yurkov I. K. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. engineering sciences]. 2014, no. 4 (32), pp. 146-157.
4. Wu W. and Fish J. Multiscale Computational Engineering. 2010, vol. 8, iss. 6, pp. 549561.
5. LS-DYNA Keyword User’s Manual. Vol. I, II. Livermore: LSTC, 2007, 2206 p.
Муйземнек Александр Юрьевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: muyzemnek@yandex.ru
Савицкий Владимир Яковлевич доктор технических наук, профессор, кафедра № 11, Пензенский артиллерийский инженерный институт (Россия, г. Пенза-5)
E-mail: W.savis@gmail.com
MuyzemnekAleksandr Yur'evich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of theoretical and applied mechanics and graphics, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Savitskiy Vladimir Yakovlevich Doctor of engineering science, professor, sub-department №11, Penza Artillery Engineering Institute (Penza-5, Russia)
180
University proceedings. Volga region
№ 2 (34), 2015
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
УДК 621.001.63: 623.41 Муйземнек, А. Ю.
Технологическое обеспечение изготовления изделий из слоистых пластиков, армированных волокнами из стекла и углерода / А. Ю. Муйземнек, В. Я. Савицкий // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 2 (34). - С. 171-181.
Engineering sciences. Machine science and building
181
