1. Отсутствие пластических деформаций вплоть до разрушения;

2. Относительное удлинение при разрушении не превышает 0,5%.

Вывод: данные особенности необходимо учитывать при проектировании конструкции, в которой композиционный материал соединен с металлом, а поскольку они соединены, то их перемещения под нагрузкой одинаковые. Нагрузка распределяется по элементам пропорционально их модулям упругости и их площадям сечений.

9. Усталостные испытания конструкций, работающих на поперечный изгиб от распределённой нагрузки. ( источник  46  ).

На Рис.1,2 изображены конструкция, схемы испытаний и результаты испытаний профилей из КМУ ( УОЛ – 300 -2А + ВС – 2526К ). Соединение отверждённого профиля с отверждённой обшивкой производилось на клее ВК – 37. Важной деталью в данной конструкции являются угловые вкладыши из КМУ, которые были приформованы к стенкам профилей. Наличие их обязательно! Профиля имеют конструктивные отличия.

Профиль на Рис.1. Обшивка имеет 11 слоёв, из них: 0⁰- отсутствуют, ±45⁰- 8 слоёв, 90⁰- 3слоя, толщина обшивки-2,6мм, толщина монослоя- 0,236мм. Лапка имеет 15 слоёв, из них: 0⁰- 10 слоёв, ±45⁰- 4слоя, , 90⁰- 2 слоя, толщина лапки-3,7мм, толщина монослоя- 0,247мм. Стенка имеет 7 слоёв, из них: 0⁰- 1 слой, ±45⁰- 4слоя, , 90⁰- 2 слоя, толщина стенки-1,7мм, толщина монослоя- 0,243мм. Полка имеет 19 слоёв, из них: 0⁰- 13 слоёв, ±45⁰- 4слоя, , 90⁰- 2 слоя, толщина полки-4,3мм, толщина монослоя- 0,226мм.

Профиль на Рис.2. Обшивка имеет 11 слоёв, из них: 0⁰- отсутствуют, ±45⁰- 8 слоёв, 90⁰- 3слоя. Лапка имеет 15 слоёв, из них: 0⁰- 8 слоёв, ±45⁰- 4слоя, , 90⁰- 3 слоя. Стенка имеет 7 слоёв, из них: 0⁰ отсутствуют, ±45⁰- 4слоя, , 90⁰- 3 слоя. Полка имеет 15 слоёв, из них: 0⁰- 8 слоёв, ±45⁰- 4слоя, , 90⁰- 3 слоя.

Особенно необходимо остановиться на схеме укладки в стенке, воспринимающей перерезывающую силу, т. е., работающей на сдвиг. Для профиля Рис.1. : 0⁰ составляет 0,143 от всего количества слоёв, 45⁰- 0,57, а 90⁰- 0,286. . Для профиля Рис.2. : 0⁰ составляет 0 от всего количества слоёв, 45⁰- 0,57, а 90⁰- 0,43.

Был испытан ещё один образец, у которого стенка состояла из 5-ти слоёв, 4 из которых были 45⁰ и один – 0⁰, т.е. отсутствовали слои с ориентацией 90⁰. При испытании этого образца произошла потеря устойчивости стенок и их разрушение при нагрузке, составляющей 55% от расчётной. Анализ конструкции стенок профилей показал, что, хотя стенки и работают на сдвиг, при котором рациональнее иметь ориентацию слоёв ± 45⁰, но данная укладка имеет низкий модуль упругости в вертикальном направлении, что приводит к значительным вертикальным деформациям ( прогибам ), которые и привели к образованию диагональных волн, что и явилось причиной раннего разрушения. Это привело к созданию конструкций, изображённых на Рис.1,2.

Результаты испытаний образца №2 Рис.1. Первый этап испытания. Расчётная нагрузка составляла 5100 кгс. Было проведено статическое испытание до нагрузки 10000 кгс ( 196% от расчётной нагрузки ). Признаков потери устойчивости стенки или какого-либо разрушения не наблюдалось. В стенке  24,51 .Отношение высоты стенки ( Н ) к её толщине ( = при этом не было потери устойчивости стенки. Второй этап испытания. Испытания на усталость по схеме Рис.1 с периодическим замером прогибов.

Результаты испытаний образца №3 Рис.2. Первый этап испытания. Статическое испытание до расчётной нагрузки. Признаков потери устойчивости стенки или какого-либо разрушения не наблюдалось. Второй этап испытания. Испытания на усталость по схеме Рис.2.

Выводы.

Данная конструкция из КМУ и технология её изготовления показала хорошую выносливость при работе на усталость. Другими словами – с выносливостью проблем нет.

Рекомендации.

1. При проектировании стенок, работающих на поперечный сдвиг, рекомендуется иметь слои с ориентацией 90⁰, составляющих 30% - 40% от общего количества слоёв. Слои с ориентацией 0⁰ можно вообще не применять, или они должны составлять не более 15% от общего количества слоёв. Остальные слои должны быть с ориентацией ± 45⁰. При соблюдении этих рекомендаций можно получить в стенке 25 , а при отношении  35 потери устойчивости данной стенки не будет.

2. Для конструкции, работающей на сдвиг в плоскости листа, которая может потерять устойчивость , её необходимо проектировать в трёхслойном варианте с сотовым заполнителем и двумя обшивками. В такой конструкции, при отношении  200 ( для каждой обшивки с укладкой ± 45⁰ ) и высоте сотового заполнителя 10мм потери устойчивости не будет, при этом можно принять 30 .

На Рис.3 изображена конструкция, схемы испытаний и результаты испытаний, которые показали, что по статической прочности и по усталости у данной конструкции и технологии её изготовления проблем нет.

10. Усталостные испытания конструкции соединения при помощи четвертьоборотного силового замка. ( источник  46  ).

На Рис.1 изображена конструкция, схем испытаний и результаты испытаний. Деталь №1 – втулка с шипами диаметром 2мм., изготовленная методом литья по выплавляемым моделям из материала ВНЛ-3. Устанавливалась в КМ путём раздвижки волокон. Вес втулки 10 грамм.

Деталь №2 – углепластик, у которого: 0⁰- 38%, ±45⁰- 28,6%, 90⁰- 33,4% ( всего 42 слоя ). Деталь №3 - лист Д19_чАТ. Деталь №4 – четвертьоборотный замок, устанавливаемый во втулку методом завальцовки. Допустимая расчётная нагрузка на замок – 1500 кгс., а максимально-допустимая эксплуатационная нагрузка ( Р_экспл. ) – 1000кгс. На Рис.1б показаны экспериментально полученные зависимости от толщины детали №3 и от ширины образца, а на Рис.1в –зависимости потока ( нагрузка, действующая на единицу ширины ) от тех же параметров. Три образца прошли испытания на усталость при пульсирующем растяжении ( схема показана на Рис.1 ) Результаты испытания первого образца показаны на Рис.1. N₆₅₀ – 65% от Р_экспл. , N₁₀₀₀ – 100% от Р_экспл. – разрушилась втулка. Испытания образца №2. N₈₀₀ – 30200 циклов + N₉₀₀ – 30800 циклов + N₁₀₀₀ – 4600 циклов ( начало расслоения КМ ), при 6000 циклов – начало разрушения, при 10300 циклов образец разрушился. После наработки N₈₀₀ – 30200 циклов + N₉₀₀ – 30800 циклов было определено визуально,что никаких следов разрушения нет, а замок функционировал нормально. Испытания образца №3. N₈₀₀ – 31000 циклов + N₉₀₀ – 32000 циклов + N₁₀₀₀ – произошло разрушение образца при достижении силы 1000 кгс. После наработки N₈₀₀ – 31000 циклов + N₉₀₀ – 32000 циклов замок функционировал нормально.

Вывод. С усталостью проблем нет.

11. Концентрация напряжений. ( источник  46  ).

Вывод. Коэффициент концентрации напряжения для КМ аналогичен коэффициенту концентрации напряжения для металлов.

12. Особенности технологии. ( источники:  45  для Fig., для остальных  46  ).

Монослой – один слой композиционного материала ( КМ ), состоящий из наполнителя ( однонаправленной ленты или ткани ) и связующего. У любого наполнителя есть основа и уток. Ориентация утка – 90⁰ к направлению основы. Ориентация основы – 0⁰. К характеристикам монослоя относятся : толщина монослоя , механические характеристики вдоль основы ( 0⁰ ) и вдоль утка ( 90⁰ ) , такие, как: пределы прочности (σ ) и модули упругости ( Е ) при растяжении и при сжатии , предел прочности при сдвиге ( τ ) под углом 45⁰ к направлению основы , удельный вес. При проектировании конструкций из КМ рекомендуется применять материал с наименее возможной толщиной монослоя . Это даст возможность создать конструкцию с минимальным весом.

Препрег – предварительно пропитанный связующим и подсушенный монослой. Обычно препрег состоит из 58%- 62% наполнителя , остальное – связующее.

Режимы технологического процесса ( скорость подъема температуры и давления, время выдержки при определенных значениях температуры и давления, режимы охлаждения ) и температура эксплуатации определяется .

Пакет – количество, определённых расчетом и ориентированных определенным образом, монослоев. Независимо от способа укладки слоев ( ручная, автоматизированная или непрерывная намотка ) толщина пакета до прессования на 30 – 50 процентов больше, чем после прессования , т.е. пакет до прессования « пухлый « . Это необходимо иметь в виду при определении оснастки. Особенно это касается конструкций с углами и конструкций с замкнутым контуром .

На Fig.4.2.6 (а, b ) изображены схемы типового технологического процесса, при котором пакет располагается на оснастке , а прессование осуществляется вакуумным мешком. На Fig.4.2.6 (с ) изображена схема изготовления трёхслойной сотовой конструкции. Данная конструкция может изготавливаться по нескольким технологическим процессам:

1. Обе обшивки отверждаются заранее, а затем склеиваются с сотовым заполнителем.

2. Нижняя обшивка отверждается заранее, на нее устанавливается сотовый заполнитель, на который выкладывается пакет верхней обшивки. Склейка нижней обшивки с сотовым заполнителем, полимеризация верхней обшивки и её соединение с сотовым заполнителем осуществляется за одну операцию.

3. На оснастку выкладывается пакет нижней обшивки, на неё устанавливается сотовый заполнитель, на сотовый заполнитель выкладывается пакет верхней обшивки. Полимеризация обшивок и соединение их с сотовым заполнителем осуществляется за одну операцию. Этот процесс называется совмещенной технологией.

Каждый вид технологии подробно рассмотрен в  46  .

На Fig.4.2.4 изображены 2 вида оснасток: верхняя - оснастка от внутреннего контура и нижняя - оснастка от наружного контура. Оснастка от внутреннего контура гарантирует качественную пропрессовку КМ в углах, т.к. материал обтягивает оснастку. Оснастка от наружного контура не гарантирует качественную пропрессовку КМ в углах, т.к. « пухлый « материал, осаживаясь на стенки, не даст возможности качественно отпрессовать угол. Это показано на Fig.4.2.11 и Fig.9.3.6.

При проектировании оснастки необходимо учитывать пружинение, изображенное на Fig.4.2.5; 4.2.13.

Рекомендуется применять оснастку от внутреннего контура с внутренним радиусом для КМ: для углепластика не менее 5-ти мм., для стеклопластика – не менее 2-х мм.

Конструкцию, изображенную на Fig.4.9.4 можно изготовить только по совмещенной технологии.

Рекомендуемый угол скоса сот не более 30⁰.

Справка : на самолёте Boeing 787 угол скоса равен 20⁰.

Зона перехода толщин. Рекомендуется ∆ = 30 толщин монослоя.

13. Виды разрушений. ( источник  46  ).

Ниже представлены экспериментально полученные виды разрушения, характерные для КМ. По представленным результатам испытаний можно определить область применения данных видов конструкций. Рекомендуется применять конструкцию со скосами при условии, чтобы R не превышал 35 кгс. на 1см. ширины конструкции.

Ниже показаны возможные разрушения при постановке крепежных элементов ( заклепок ).

На рисунке 1 – прессовая клепка. КМ в хорошем состоянии.

На рисунках 2,3 – ударная клепка. КМ разбит.

Вывод – ударная клепка запрещается.

14. Виды конструкций и законцовок. ( источник  46  ).

Рисунки 6.3 и 6.4 – усиление обшивок при помощи накладок.

Рисунки 6.5 и 6.6 – усиление обшивок при помощи дополнительных слоев, располагаемых между основных слоев. Данный вид усиления увеличивает несущую способность в зоне стыка по сравнению с Рисунками 6.3 и 6.4.

Слева- сечения цельнокомпозиционного воздухозаборника.

Справо: а)-сечение по тормозному щитку. Особенность данной конструкции – в районе кончиков щитка послойно углепластик был заменен на стеклопластик ( очень важная особенность КМ, позволяющая переходить с одного материала на другой ) с целью обеспечения хорошего прилипания к поверхности фюзеляжа; б) – сечение по элевону; г ,д )- сечения по трубе канала воздухозаборника; е) – сечение по переднему горизонтальному оперению.

15. Пример оформления чертежей. ( источник  46  ).

Данный вопрос подробно рассмотрен в  46 .