Лабораторна робота 4 Експериментальне дослідження анізотропії модуля пружності симетрично армованого композиційного матеріалу

Мета роботи

Експериментальне визначення модуля пружності композиту при різних кутах армування. Зіставлення експериментальних результатів з теоретичними розрахунками.

Короткі теоретичні відомості

Модуль пружності у напрямі армування може бути розрахований з умови, що при розтягуванні уздовж волокон деформації арматури і матриці однакові. Напруги в площині поперечного перетину при цьому розподіляються пропорційно жорсткості матеріалів компонентів, і приведена жорсткість композиту визначиться по формулі:

. (1)

Модуль пружності в напрямі, перпендикулярному напряму армування, розраховується з умови, що при розтягуванні упоперек волокон напруги у волокнах арматури і в матриці однакові. Деформації у напрямі навантаження, що прикладається, при цьому розподіляються пропорційно жорсткості матеріалів компонентів, а приведена жорсткість композиту може бути визначена по формулі:

. (2)

Модулі пружності в напрямах, орієнтованих під кутом ± по відношенню до напряму укладання арматури, можуть бути визначені на підставі рівнянь теорії пружності анізотропного тіла і для плоскої шаруватої пластини розраховуються по формулі:

(3)

де .

На рис. 1 наведений приклад графіка залежності Е_ від величини кута армування для склопластика з об'ємним змістом наповнювача  = 0,5.

Рис. 1. Залежність модуля пружності симетрично армований КМ від кута армування

Методика досліджень

Експериментальна частина лабораторної роботи полягає у вимірюванні прогинання консольно закріпленої балки під дією поперечної сили (Р) і обчисленні модуля пружності матеріалу по відомих формулах курсу „Опір матеріалів”.

Схема навантаження зразка показана на рис 2.

Розрахункове значення величини прогинання балки на відстані х від затискання визначиться по формулі:

,

звідки

. (4)

Рис. 2. Схема випробування

Зразки для досліджень

При виконанні роботи використовуються два зразки із склопластика на основі термореактивного зв'язуючого. Наприклад: армуючий матеріал – скловолокно Е_В = 65000 МПа; матричний матеріал – зв'язуюче на основі епоксидної смоли ЕД-20 з затвердителем гарячого затвердіння – триетаноламіном (ТЕА). Модуль пружності матриці Е_М = 4000 МПа. Об'ємна частка волокна в композиті  = 0,5. Зразки виготовляються методом пресування при однакових параметрах температурно-тимчасового режиму і тиску.

Зразки відрізняються напрямом укладання волокон (рис. 3).

Порядок виконання роботи

1. Визначити геометричні характеристики зразків, для чого в чотирьох перетинах по довжині виміряти ширину „b” і товщину „” кожного з випробовуваних зразків з точністю ±0,05 мм.

2. З урахуванням жорсткості на згин зразків рекомендується при закріпленні їх в установці задати наступні величини відстаней від закладення зразка до осі індикатора переміщень – х і до точки додатку навантаження Р – L:

для 1-го зразка: х = 300 мм, L = 400 мм Р = 10 Н, Рmax = 40 Н;

для 2-го зразка: х = 150 мм, L = 250 мм Р = 5 Н, Рmax = 20 Н.

Перший зразок Другий зразок

Рис. 3. Зразки для дослідження

3. Навантажити зразок силою Р₁ = Р, Р2 = 2Р, Р3 = 3Р, Р4 = 4Р, фіксуючи свідчення індикатора переміщень при кожному навантаженні. Визначити приріст прогинання y_i(х) від навантаження Р, для чого після кожного навантаження з свідчень індикатора треба віднімати попереднє значення прогинання.

4. Виконати п.3 для другого зразка.

5. Отримані дані занести в табл. 1.

Обробка результатів випробувань

1. Обчислити середнє значення ширини і товщини по формулах:

, (5)

де n – кількість вимірювань параметра (n = 4).

2. Визначити середній приріст прогинання від навантаження:

. (6)

3. Обчислити теоретичні значення модулів пружності по формулах (1), (2) (3):

, ,

, .

4. Обчислити модулі пружності кожного із зразків на основі даних експерименту по формулі (4):

.

5. Експериментальні значення модуля пружності нанести на графік (рис.2).

6. Обчислити відхилення теоретичних значень Е_Т від експериментальних Е_Е по формулі:

. (7)

7. Отримані результати занести в табл. 1.

Таблиця 1 Дані дослідів і результати розрахунків

Параметри

Р, Н

L, мм

X, мм

bi, мм

b, мм

І, мм

, мм

yi(х), мм

y(х), мм

ET, МПа

EЭ, МПа

E %

Зразок № 1

10

400

300

Зразок № 2

10

250

150

Контрольні питання:

1. Що розуміється під анізотропією властивостей матеріалу?

2. Які характеристики композиту впливають на величину його модуля пружності?

3. Як зміниться модуль КМ при заміні армуючого волокна? Скляного – на вуглецеве, органічне?

4. В якому напрямі по відношенню до волокон модуль пружності визначається за правилом сумішей?

5. Як впливає об'ємний зміст волокна () на модуль пружності композиту?

6. Які межі застосовності правила сумішей? Поясніть, чому обмежено застосування правила сумішей для волоконних композитів.

7. Який вигляд має залежність модуля пружності композиту уздовж волокон від об'ємного вмісту волокна в однонаправленому композиті?