2. Свойства отечественных алюминиевых сплавов д16 и в95, применяемых в самолётостроении.

Так как композиционный материал является конкурентом алюминиевых сплавов, необходимо рассмотреть свойства наиболее применяемых в отечественном самолетостроении сплавов Д16 и В95 и сопоставить эти свойства со свойствами композиционных материалов с целью выявления преимуществ последних. Ниже приводятся некоторые, но значимые, свойства Д16 иВ95.

Сплав д16.

Сплав в95.

Механические свойства при температуре 20⁰С.

Материалы				Е ,			ε , %
				  2мм.	  2  6 мм.
Д16АТ (  2мм.)	44,0	35,0		6850	7000	17
Д16АТ (  = 6мм – 10мм )	44,0	28,0	19,0			19
В95п.ч.Т1	52,0	44,0	40,0	6800	6900	14

Основной вывод – данные материалы пластичны.

Плотность Д16 и В95:  = 2,78

3. Анализ свойств полимерных композиционных материалов ( пкм ).

При применении в качестве конструкционных материалов ( ПКМ ), имеющих резкую анизотропию прочностных и упругих характеристик, особую важность приобретает анализ свойств ПКМ и соответствие этих свойств тем условиям нагружения, которые действуют в процессе эксплуатации изделия на конкретные элементы конструкции. Без анализа свойств ПКМ невозможно определить перспективу и эффективность применения композиционных материалов в определенном типе конструкции: трехслойной, подкрепленной или монолитной. Анализ свойств ПКМ является важным потому, что в каждом типе конструкции нагрузка воспринимается различно, что является характерным только для рассматриваемой конструкции.

В трехслойной конструкции нагрузка растяжения, сжатия и сдвига в плоскости обшивки воспринимается только обшивкой независимо от вида заполнителя ( соты, пенопласт, заполнитель из микросфер и т. д. ),роль которого заключается в поддерживании обшивки от местной потери устойчивости.

В подкрепленной конструкции нагрузка распределяется по ее элементам следующим образом: пояса лонжеронов и стрингеры воспринимают нормальную нагрузку ( нагрузку растяжения или сжатия ), а обшивка- касательную ( нагрузку от сдвига ), причем и между этими элементами нагрузка распределяется пропорционально их модулям упругости. В подкрепленной конструкции композиционный материал предоставляет конструктору возможность распределить нагрузку для каждого элемента наиболее эффективно.

При действии на конструкцию комбинации нагрузок: (растяжения или сжатия ) по осям X ( направление вдоль основы ленты ) и У ( направление вдоль утка ) и сдвига в плоскости ХУ , предельное состояние пакета можно определить по критерию Цая-Хилла:

  

где : в числителях – действующие напряжения, а в знаменателях – пределы прочности по соответствующим направлениям.

При действии на конструкцию только и формула упрощается и принимает вид :

 1, обозначив R = , получим = .

При R = 0 ( при отсутствии - сдвигающих нагрузок ), значения и ( свойства алюминиевого сплава Д16Т по удельному весу приведены к свойствам композиционного материала ) соответствуют =  ( в случае одноосного нагружения при действии нагрузки под углом  к направлению основы ленты.

Рассмотрим два материала : Д16Т и углепластик КМУ- 3. Их характеристики приведены ниже.

^{; Для Д16Т : Удельный вес (  ) = 2,78 ( );}

Предел прочности при растяжении σ  44 ; Модуль упругости при растяжении Е  7200 ;

Предел прочности при сжатии  32 ; Предел прочности при сдвиге τ  19 ;

Предел прочности при сдвиге τ  19 ; Модуль сдвига G  2700 ;

Коэффициент Пуассона   0,33.

Для углепластика КМУ- 3 :   1,47 ;  80 ;   17500 ;  600 ;  40 ;  8,0 ;   550 ;  0,300 ;

 0,010286. Все данные приведены при   ( т. е. нагрузка действует вдоль основы ).

На Рисунках ( 1 – 5 ) показаны, полученные расчетами в НИО–3 ЦАГИ  48 , разрушающие значения при растяжении ( Рис.1, Рис.2. ) и при сжатии ( Рис.3, Рис.4 ) в зависимости от  и от R ; модули упругости ; модуль сдвига и коэффициенты Пуассона в зависимости от . Размерности для . Графики данных рисунков характеризуют резкую анизотропию свойств композиционного материала в зависимости от угла приложения нагрузки и от комбинации нормальных и сдвигающих усилий. Конструктор должен знать эти зависимости и учитывать их при выборе конструктивно-силовой схемы агрегатов из КМ.

На Рис.6. изображён вид приспособления ( рамка, состоящая из 4-х звеньев ), в котором испытываются образцы для определения прочности на сдвиг в плоскости листа в соответствии с . Данный метод является самым распространённым методом, но у него есть ряд особенностей, которые необходимо неукоснительно соблюдать. 1. Конструкция рамки ( см. Рис.6 ) должна быть такой, чтобы оси перемещения всех 4-х звеньев располагались точно в углах рабочего поля испытуемого образца. В ГОСТ 24778 – 81 это требование указано. На практике очень распространены неправильные конструкции рамок – не соблюдаются требования ГОСТ, что приводит к ошибочному определению прочности на сдвиг, за которым следуют неправильные выводы. 2. Рамка в сборе состоит из 2-х рамок, которые стягиваются между собой болтами, зажимая образец. Необходимо обеспечить условие, при котором не происходило бы разрушение образца от того, что нагрузка от рамки на образец передаётся смятием отверстия в образце. Это достигается путём изготовления насечки на зажимающие поверхности оснастки и путём увеличения диаметра отверстий в образце под зажимающие болты оснастки. Изготовленная насечка должна оставлять отпечаток на 100% поверхности в районе зажатия образца. Это не всегда соблюдается. Зажатие образца можно осуществлять при помощи плавающих втулок с насечками. Это позволит отслеживать неровности поверхностей образца. Автор в 1985 году спроектировал 2 рамки с плавающими втулками с рабочим полем 200 х 200мм и 400 х 400мм., на которых в ЦАГИ проводились испытания образцов из углепластика. В настоящее время данные рамки находятся в ЦАГИ. 3. При испытании образцов не должно происходить потеря устойчивости образца вплоть до его разрушения. 4. Образец не должен быть с маленьким рабочим полем, при котором сказывается краевой эффект рамки, искажающий напряженное состояние образца. Рабочее поле 200 х 200мм. – хорошее рабочее поле. Меньше этого лучше не брать. На Рисунках 7 – 10 показаны результаты испытаний в ЦАГИ на сдвиг образцов из углепластика КМУ – 4Э с различными схемами укладок. Испытания проводились в рамке с рабочим полем 200 х 200мм. Общий вид образцов показан на Рис.7. На Рис.8. представлены для двух образцов показания тензодатчиков, наклеенных по диагоналям рабочего поля. Одни датчики показывали удлинения ( +ε ), другие – укорочение ( ε ). Показания линейные для всех укладок, что говорит об отсутствии потери устойчивости.

Анализируя изменение свойств КМ , можно сделать следующие выводы:

1.Рассмотренный КМ ( Рис.1-5 ) обладает резкой анизотропией свойств, т. е. высокому значению σ при растяжении (80 ) соответствует низкое значение τ ( 4,0 ). Для угла 45 градусов σ  8,0 , а τ  25

2.При R > 0 имеет место резкое уменьшение допускаемого значения σ при растяжении. Так при R0,2 ( т. е. сдвиг составляет 20% от растяжения ) и при  σ допускаемое при растяжении составляет 34 . Для этой комбинации нагрузок ориентация основы под углом 15⁰ является наиболее рациональной. Для Д16Т допускаемое σ 20 .Применение КМУ- 3 позволит в 1,7 раза уменьшить вес конструкции по сравнению с применением Д16Т.

3.При R=1,0 оптимальный угол ориентации основы 22⁰, а коэффициент уменьшения веса конструкции будет  1,67.

4.Для ориентации   ±45⁰ имеет место незначительное изменение σ во всем диапазоне R  0 1,2. Это характеризует эффективную работу такой ориентации основы при комбинированном нагружении подкрепленной конструкции, состоящей из обшивки и продольных элементов. В данной конструкции в обшивке должна быть ориентация основы ± 45⁰, а в продольных элементах – 0⁰. Это позволит наиболее эффективно распределить нагрузку по элементам конструкции. Распределение произойдет пропорционально модулям упругости. Е₀ 17500 Е ₄₅ 2000 ( см. Рис. 5. ) т. е. на продольные элементы уйдет нормальных усилий в 8,75 раз больше, чем на обшивку. Кроме этого обшивка с ориентацией ±45⁰ имеет максимальный модуль сдвига ( G  4200 , для Д16Т G  2700 ) а, следовательно, и максимальную жесткость при кручении, т. е. минимальные углы закрутки.

5.Высокую эффективность применения КМ можно получить в конструкции, нагруженной или только нормальными нагрузками ( растяжения или сжатия ) или в комбинированно-нагруженной конструкции, в которой сдвиг не превышает 10-15% нормальных нагрузок.

6.Выбор типа конструкции, а особенно трехслойной конструкции с обшивкой, работающей на все виды нагрузок одновременно, должен быть обоснован и взаимосвязан с характеристиками КМ. Ошибка в выборе типа конструкции может привести к недостаточной весовой эффективности и даже к ее потере.

Анализируя свойства КМ и эффективность применения его в качестве конструкционного материала необходимо остановиться еще на одном вопросе – определить ту нижнюю границу эксплуатационных напряжений _., ниже которой коэффициент весовой отдачи больше 1,0 , т. е. конструкция из КМ тяжелее конструкции из алюминиевого сплава. В качестве примера можно рассмотреть два материала : алюминиевый сплав 01420 и углепластик КМУ – 4Э. Для КМУ-4Э принимается коэффициент безопасности  2, так как согласно статистическим данным коэффициент вариации ϑ 14% ( о зависимости ( ϑ ) будет сказано ниже ). Удельный вес Определим нижнюю границу

   14 .

В данной формуле : Для материала 01420 принято то, что при максимальной эксплуатационной нагрузке в конструкции не должно возникать остаточных деформаций , т. е. напряжение не должно превышать предела пропорциональности ( σ_пц. ), которое равно 22 , а предел прочности равен 42 , поэтому коэффициент безопасности   1,91. Удельный вес .

 14  уровень эксплуатационных напряжений, при котором замена 01420 на КМУ- 4Э в весовом отношении равнозначна. Если в конструкции из КМ < 14 , то эта конструкция тяжелее, чем из 01420, а также значительно дороже. Спроектировать конструкцию с > 14 по критериям эксплуатационной живучести очень не просто ( об этом будет сказано ниже ). Повышению коэффициента вариации ( и уменьшение коэффициента безопасности ( ). Это возможно при принятии мер, направленных на получение стабильных прочностных характеристик материала и конструкции ( автоматизация технологических процессов, пооперационный контроль на всех этапах создания конструкции и материала ).