CC BY
75
УДК 539.3
А. Н. Е р е м и ч е в, Г. Г. Кулиш, С. В. Цветков, Б. Я. Фомин
УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ
Приведено описание четырех разработанных установок, позволяющих вести испытания образцов композиционных материалов при двухосном и трехосном напряженном состоянии.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: композит, сложное напряженное состояние, растяжение, сжатие, кручение, высокое давление, трехосное растяжение.
Современные высокопрочные и высокомодульные композиционные материалы (КМ) обладают высокой степенью анизотропии. Для описания механических свойств этих материалов требуется значительно больший объем экспериментальных исследований по сравнению с изотропными материалами.
Для определения упругих характеристик КМ и технических пределов прочности, таких как предел прочности при одноосном сжатии или растяжении, сдвиге, можно использовать стандартные испытательные машины. Многие современные КМ проявляют неупругие свойства уже на ранних стадиях деформирования. Для расчета изделий из таких КМ используется та или иная модель деформирования. Определение параметров моделей базируется, как правило, на экспериментальных данных, полученных в результате испытаний образцов КМ при сложном напряженном состоянии.
Для описания прочности анизотропных материалов предложено много разнообразных критериев прочности. Как правило, в эти критерии входят константы, которые должны определяться из экспериментальных исследований образцов КМ при сложном напряженном состоянии. Кроме того, для экспериментального определения поверхности прочности желательно получить по возможности большое число экспериментальных точек в пространстве напряжений.
Для решения разнообразных задач механики КМ в ДФ МГТУ им. Н.Э. Баумана разработана серия установок, описание некоторых из них приведено в настоящей работе.
Установка для испытания трубчатых образцов КМ с внутренним диаметром 72 мм при плоском напряженном состоянии. Общий вид установки показан на рис. 1. Установка позволяет нагружать образцы двумя силовыми факторами: осевой растягивающей силой и внутренним давлением.
Рис. 1. Установка для испытаний ганопластика диаметром 72 мм
трубчатых образцов c внутренним при нагружении внутренним
диаметром 72 мм давлением
Образец 1 для этой установки изготовляли методом намотки волокнистого КМ на оправку. При этом в конструкции образца предусматривается внутренний герметизирующий слой. Концы образца зажимаются в захваты 2, которые передают на образец осевую растягивающую силу. В захватах предусмотрены резиновые кольцевые уплот-нительные элементы для герметизации внутренней полости образца. К верхнему захвату образца крепится гидроцилиндр 3, и вся сборка устанавливается в жесткую раму. От внешнего источника в гидроцилиндр и во внутреннюю полость образца подается давление до 30 МПа и происходит простое нагружение материала образца. В рабочей части образца возникают осевые (о^) и окружные (а2) напряжения.
Для такой установки изготовлено два гидроцилиндра различного диаметра. При применении одного из них имеет место соотношение напряжений а1/а2 = 1, для другого гидроцилиндра а1/а2 = 2. Если проводится нагружение образца без приложении силы от гидроцилиндра, то а1 /о2 = 0,5. Возможно также нагружение образца внутренним давлением с разгрузкой по торцам, т.е. когда а1 = 0. Если проводить испытания образцов только на осевое растяжение без подачи давления внутрь образца, то при этом а2 = 0. Таким образом, установка позволяет проводить испытания материалов образцов, полученных намоткой с различными углами армирования, по пяти прямолинейным лучам нагружения в пространстве а1 — а2. На рис. 2 показан вид
разрушения образца из органопластика со схемой армирования ±30°/90° при нагружении одним лишь внутренним давлением.
Для этой установки разработаны датчики для измерения в широком диапазоне осевых и окружных деформаций (на рис. 1 поз. 4 и 5). Прецизионные эксперименты, проведенные на установке, стали экспериментальной основой для разработки модели деформирования перекрестно армированных КМ при плоском напряженном состоянии. Такая модель [1] нашла широкое применение в практике расчета композитных конструкций.
Установка для испытания трубчатых образцов КМ с внутренним диаметром 45 мм при плоском напряженном состоянии. Установка состоит из двух устройств. Одно из них предназначено для испытания трубчатых образцов при нагружении тремя силовыми факторами: внутренним давлением, осевой растягивающей силой и крутящим моментом. Другое устройство предназначено для нагруже-ния образцов внешним давлением. Первое устройство используется совместно с испытательной машиной ЦДМУ-30. Чертеж этого устройства приведен на рис. 3.
Внутрь образца 1 помещен вкладыш 2. Зазоры между вкладышем и трубчатым образцом закрываются резиновыми кольцами 4 при затягивании винта 5 и гайки 6. На вкладыше расположен резиновый чехол 3 для герметизации внутренней полости образца. Для того чтобы эта полость была герметична, чехол крепится на краях вкладыша проволокой 15. Давление масла внутрь чехла подается через штуцер 16. Таким образом проводится нагружение трубчатого образца внутренним давлением.
Для того чтобы передать на образец растягивающую силу, на каждый конец образца изнутри помещены два внутренних конических
Рис. 3. Устройство для испытаний трубчатых образцов с внутренним диаметром 45 мм при нагружении осевой силой, внутренним давлением и крутящим моментом
полукольца 7. Снаружи установлены два конических полукольца 9. При завинчивании конических втулок 8 во втулки 17 внутренние полукольца 7 прижимаются к внутренней поверхности образца. При завинчивании гаек 11 внешние полукольца 9 с помощью конических втулок 10 прижимаются к внешней поверхности образца. Растягивающая сила от испытательной машины прикладывается к основаниям 13 и 14 через гайки 11, 12 и втулки 17, 18, 10 и затем передается на внутренние и внешние полукольца. При растяжении образца происходит увеличение силы зажатия концевых частей образца.
Для передачи на образец крутящего момента концевые части образца располагаются в кольцевом пазе, образованном втулкой 17 и жестко прикрепленным к этой втулке кольцом 19. В отверстия в кольце 19, втулке 17 и образце 1 вставляются штифты 20. Устройство для крепления образцов изготовлено таким образом, что исключен прово-рот втулок 17 относительно оснований 13 и 14. Крутящий момент от испытательной машины передается на основания 13 и 14 и через втулки 17 и штифты 20 — на образец.
Устройство для нагружения трубчатого образца внешним давлением показано на рис. 4.
Основной элемент этого устройства — сосуд давления 1, в котором создается маслонасосной станцией давление до 25 МПа. Герметизация поверхности образца 2 проводится с помощью полимерного чехла 3. Деталь 4 устанавливается, если в материале образца надо получить напряженное состояние одноосного сжатия в окружном направлении. Для испытаний при напряженном состоянии двухосного сжатия деталь 4 убирается. Тензодатчики 5 наклеиваются на внутреннюю поверхность образца и подключаются к измерительной аппаратуре.
Преимущество данной установки по сравнению с описанной в предыдущем разделе заключается в большом разнообразии реализуемых напряженных состояний в материале образцов. Кроме того, уменьшение размеров образцов и отсутствие в образцах герметизирующего слоя позволяет снизить затраты на изготовление образцов.
Недостаток данной установки в том, что невозможно проводить пропорциональное нагружение образцов осевой силой, крутящим моментом и внутренним давлением. В этом случае прямолинейная траектория нагружения в пространстве силовых факторов заменяется ступенчатой. На рис. 5 приведен образец углепластика, подготовленный
Рис. 4. Приспособление для нагру-жения трубчатого образца внешним давлением
Рис. 5. Образец углепластика, подготовленный для испытания на совместное действие растягивающей силы и крутящего момента
Рис. 6. Силовые факторы, действующие на образец при испытании на установке высокого давления, и напряженное состояние материала
для испытания под действием осевой растягивающей силы и крутящего момента.
Установка для испытания образцов КМ при трехосном напряженном состоянии. Первоначальное применение высокопрочных и высокомодульных КМ относится к тонкостенным элементам конструкций летательных аппаратов. При эксплуатации таких конструкций в их элементах возникает плоское напряженное состояние. Но по мере расширения сферы применения КМ появляются задачи проектирования конструкций из КМ, в которых материал находится при объемном напряженном состоянии. К таким конструкциям относятся, например, толстостенные сосуды давления, получаемые методом намотки [2]. Для исследования прочностных и деформационных свойств КМ при объемном напряженном состоянии разработана установка высокого давления. При проектировании установки ставилась задача реализации в материале образцов большого разнообразия напряженных состояний. Этого можно достичь при использовании трубчатых образцов. На рис. 6 показаны трубчатый образец и силовые факторы, которыми он может быть нагружен на разработанной установке, а также напряженное состояние материала.
Рис. 7. Установка высокого давления для испытаний КМ при трехосном напряженном состоянии
Установка позволяет нагружать трубчатые образцы с номинальным диаметром 40 мм внутренним и внешним давлением до 500 МПа, осевой силой до 750 кН и крутящим моментом до 10кН-м.
Внешний вид установки приведен на рис. 7, схематичный чертеж установки — на рис. 8.
Трубчатый образец 1, зажатый захватами 2, помещен в камеру высокого давления 3. Камера высокого давления представляет собой параллелепипед из высокопрочной стали с размерами 380x380x570 мм и имеет внутреннюю полость сложной формы.
Высокое давление создается мультипликаторами 4 и 5. Мультипликатор 4 создает давление внутри образца, мультипликатор 5 — снаружи. Камеры высокого давления мультипликаторов выполнены в том же моноблоке, что и камера для образца. Камера высокого давления закрывается крышкой 6. Образец нагружается крутящим моментом от пары гидроцилиндров 7. Осевая растягивающая или сжимающая сила передается на образец через упорный подшипник 8 от гидроцилиндра 9.
Рис. 8. Схематический чертеж установки высокого давления:
I — трубчатый образец; 2 — захваты; 3 — камера высокого давления; 4 и 5 — мультипликаторы; 6 — крышка; 7 — гидроцилиндры крутящего момента; 8 — упорный подшипник; 9 — гидроцилиндр осевой силы; 10 — датчик осевого усилия;
II и 12 — электровыводы; 13 — манометр; 14 — крышка
Осевая сила и крутящий момент регистрируются датчиком 10, расположенным в среде высокого давления.
В установке имеется два устройства для электровыводов из области высокого давления. Через электровыводы 11 передаются показания от датчиков деформаций, которые могут быть расположены внутри трубчатого образца. Через электровыводы 12 передаются показания датчиков деформаций, расположенных снаружи образца, и показания датчика силовых факторов 10.
В качестве рабочей жидкости в экспериментальной установке используется трансформаторное масло. Гидроцилиндры установки приводятся в действие от маслостанции, которая создает давление до 32 МПа.
В камере высокого давления установки возможно проведение испытаний не только трубчатых образцов, но и образцов КМ других типов, например кольцевых образцов диаметром до 50 мм на растяжение с помощью полудисков. Некоторые результаты экспериментов, проведенных на данной установке, приведены в работе [3]. Были исследованы эффекты при деформировании и разрушении КМ, возникающие в условиях высокого давления. Например, на рис. 9 показано
f
Рис. 9. Виды разрушения образцов стеклопластика 82/ОЬа 5052 в зависимости от наложенного давления:
а — при атмосферном давлении; б — при давлении 500 МПа
изменение характера разрушения кольцевых образцов стеклопластика в условиях высокого давления. На рис. 9, а представлено разрушение образца, испытанного на растяжение при атмосферном давлении, на рис. 9, б — при гидростатическом давлении 500 МПа. В условиях гидростатического давления место разрушения однонаправленных КМ при продольном растяжении локализуется. Отметим, что для многих изотропных материалов типа высокопрочных металлов наблюдается обратный эффект. Если при атмосферном давлении имеет место хрупкий характер разрушения, то при высоком давлении эти материалы разрушаются при растяжении с образованием шейки, т.е. локальный характер разрушения сменяется на дисперсный.
Установка для испытания образцов КМ на равномерное трехосное растяжение. Поведение изотропных конструкционных металлов при действии высокого гидростатического давления хорошо изучено. Выявлена незначительная зависимость прочности от давления. Поэтому при расчете деталей из изотропных металлов при объемном напряженном состоянии широко используются критерии прочности, которым соответствует в пространстве напряжений незамкнутая поверхность прочности со стороны гидростатической оси как в области положительных, так и в области отрицательных давлений.
Поведению КМ при высоком гидростатическом давлении посвящены лишь немногочисленные исследования. Установлено, что нагруже-ние анизотропных конструкционных материалов высоким гидростатическим давлением может вызвать ряд эффектов, которые не наблюдаются у изотропных материалов. Древесина может разрушаться под действием одного лишь гидростатического давления [4]. Разрушение высокопрочных анизотропных КМ под действием давления не наблюдается по крайней мере до значений давлений, соизмеримых со значениями прочности этих материалов при одноосном сжатии. Но при
нагружении однонаправленных волокнистых КМ высоким давлением и разгрузке возникают остаточные деформации [5]. Для расчета анизотропных материалов используются критерии прочности, которым соответствуют поверхности прочности, полностью замкнутые или открытые со стороны гидростатической оси в области положительных давлений.
Из физических соображений ясно, что равномерные трехосные растягивающие деформации должны приводить к разрушению как анизотропных материалов, так и изотропных. Для определения полной геометрии поверхности прочности желательно иметь данные испытаний материалов при таком виде напряженного состояния. Однако работы по исследованию прочности каких-либо материалов при равномерном трехосном растяжении практически отсутствуют.
Для исследования прочности материалов при трехосном равномерном растяжении разработана установка, показанная на рис. 10. Образцы из оргстекла и углерод-углеродного КМ типа 3D для этой установки приведены на рис. 11. Образцы имеют форму куба с ребром 40 мм. На двух осях симметрии каждой грани имеются выточки, предназначенные для крепления образца к установке. Установка состоит из системы
Рис. 10. Установка для испытания образцов материалов на равномерное трехосное растяжение
а б
Рис. 11. Образцы для испытания на равномерное трехосное растяжение:
а — из углерод-углеродного КМ типа 3D; б — из оргстекла
стержней, соединенных шарнирами. При испытании установка помещается на испытательную машину и к установке прикладывается по вертикальной оси сжимающая нагрузка. Система рычагов преобразует эту нагрузку таким образом, что к граням образца передаются одинаковые растягивающие нагрузки, действующие в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Расчеты показывают [6], что в центральной зоне реализуется напряженное состояние равномерного растяжения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алфутов Н. А., Зиновьев П. А., Попов Б. Г. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1984.-263 с.
2. Ludo Van Schepdael, Peter Globevnik, Wouter De Heij, Remco H a m o e n, Robert van der Berg, Paul Bartels. Development of fiber reinforced vessel for ultra high pressure applicatios // Tenth European Conference on Composite Materials (ECCM-10), June 3-7, 2002, Brugge, Belgium. - P. 1-8.
З.Зиновьев П. А., Кулиш Г. Г., Ц в е т к о в С. В. Процессы деформирования и разрушения композиционных материалов при высокоинтенсивном трехосном нагружении. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 95 с.
4. А ш к е н а з и Е. К., Л а в р о в А. В., M ы л ьн и к о в О. С., П о п о в В. Д. Экспериментальное исследование прочности анизотропных материалов при двух- и трехосном сжатии // Механика полимеров. - 1973. - № 6. - С. 991996.
5. Деформирование и разрушение бороалюминия при сложном напряженном состоянии / С.В. Цветков, П.А. Зиновьев, А.Н. Еремичев и др. // Проблемы прочности. - 1991. - № 12. - С. 29-35.
6. А. С. SU, 1762165A1, G01N3/00.
Статья поступила в редакцию 15.04.2011
