Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Механика композитных материалов 1 1982..pdf
Скачиваний:
13
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
10.09 Mб
Скачать

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1982, № 1, с. 57—61

УДК 539.43:678.067

П. П. Олдырев

ОБ ОЦЕНКЕ АНИЗОТРОПИИ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Анизотропия механических свойств в композитных материалах созда­ ется преднамеренно с целью лучшего использования прочности его ком­ понентов в конкретных условиях применения. Поэтому много внимания уделяется анизотропии упругих свойств композитов, их кратковременной и длительной статической прочности. В ряде экспериментальных иссле­ дований показана также существенная анизотропия пределов выносли­ вости [1, 2 и др.]. По аналогии с оценкой анизотропии статической проч­ ности предложено [3] для ортотропных композитов определять пределы усталости по результатам испытаний образцов в трех направлениях от­ носительно главных осей армирования (0, 22,5, 45° или 0, 45, 90°). Од­ нако в работе [2] показано, что расчетные пределы выносливости в на­ правлениях вырезки под углами 15±5° для композита СВАМ при осевом циклическом нагружении оказались на 36—56% выше опытных. Такая точность оценки анизотропии неприемлема даже в прикидочных инже­ нерных расчетах при выборе подходящего конструкционного материала [4]. Следовательно, для более надежной оценки анизотропии потребу­ ется провести испытания серий образцов, вырезанных в четырех-пяти направлениях. Большая трудоемкость испытаний на многоцикловую усталость определяет актуальность поисков путей сокращения объема опытов при оценке анизотропии пределов выносливости. В настоящей работе представлены результаты исследования возможностей сокраще­ ния трудоемкости испытаний композитов.

Перспективным направлением поисков сокращения трудоемкости при определении анизотропии усталости композитов является установление связи между статическими характеристиками и пределами выносливости этих материалов, подобно тому, как это установлено для металлов. Ориентировочная оценка анизотропии усталости металлов, обладающих ортотропией статической прочности и деформирования, основана на кор­ реляции между истинным сопротивлением разрушению (разрыву) и пре­ делом выносливости для данного направления вырезки [5]. При этом полагалось, что сопротивление разрушению пригодно для корреляцион­ ной связи как при растяжении—сжатии, так и при изгибе. Известно также [6], что у металлов имеется хорошая корреляция между цикличе­ ским пределом пропорциональности и пределом выносливости при иден­ тичном виде деформации. Однако определение циклического предела пропорциональности на стандартном испытательном оборудовании явля­ ется более сложной операцией по сравнению с обычными статическими испытаниями образцов.

В настоящей работе по результатам испытаний трех видов армиро­ ванных пластиков проверяется наличие корреляционной связи между пределами выносливости a_i и тремя статическими характеристиками — пределами кратковременной прочности а11, пределами пропорциональ­ ности а* и модулями упругости Е.

Образцы вырезали под тремя углами а к главной оси армирования, соответствую­ щей максимальной прочности данного материала. Испытаны различные по типу армиро­ вания и составу связующего композиты — пространственно-армированный стеклоплас-

Результаты

испытаний при кратковременном статическом

и циклическом нагружении

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пределы

 

 

Растяжение, МПа

Сжатие, МПа

Изгиб, МПа

выносливости,

Материал

а 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МПа

 

 

 

£ РХ

Ос11

°*с

Ес X

*ип

 

£„Х

N 1

М

*3

 

 

« V ° * р

 

 

 

XI о-2

 

XI0-г

 

 

XI0-г

 

 

 

 

 

 

 

П21-39

0

300

114

178

303

180

171

350

200

171

147

123

109

 

45

168

46

78

126

43

72

140

56

80

.42

33

30

 

90

375

132

186

184

151

178

271

171

182

128

104

89

ВФТ-С

0

387

155

213

172

112

208

88

70

59,5

 

45

140

42

91

91

32

81

27,5

23

16,5

 

90

185

60

144

113

57

151

51

42

35

СВАМ

0

358

93

292

289

68

302

52

40

33

 

22,5

140

45

117

108

27

117

17,5

13,5

12

 

45

88

30

75

72

17,5

71

11,5

10

9,5

тик П21-39 на эпоксидном связующем ЭДТ-10 [7], стандартный стеклотекстолит ВФТ-С и стеклопластик СВАМ с укладкой шпона 1:1 на связующем БФ-4\ Образцы всех ма­ териалов имели размеры в опасном сечении (8—10) X 15 мм.

Статические испытания проведены при скорости перемещения захвата 5—6 мм/мин, с записью диаграмм деформирования. По трем-шести образцам строили диаграммы а е, по которым графически находили пределы пропорциональности, соответствующие точкам начала отклонения кривой а(е) от линейного участка. Результаты определения статических характеристик при растяжении, сжатии и чистом изгибе представлены в табл. 1. Материал П21-39 под углами вырезки 0 и 45° при изгибе не разрушался, по­ этому в табл. 1 помещены максимальные напряжения, достигнутые при испытании. На кривых а(е) материала СВАМ образуются два перегиба. Пределы пропорциональности и модули упругости в этом случае приняты по первому с начала нагружения перегибу, свидетельствующему о нарушении сплошности материала. Коэффициенты вариации для всех композитов и направлений вырезки находились в пределах 3—7% Для а п, 4—8% для а* и В.

Стеклопластик П21-39 испытан на усталость симметричным чистым плоским изги­ бом, а ВФТ-С и СВАМ — симметричным растяжением—сжатием. Частота циклического нагружения была в пределах 15—20 Гц. Испытания проведены в мягких режимах на­ гружения при наличии разогрева. Критические температуры разогрева достигали для всех направлений вырезки материала П21-39 28—35° С, ВФТ-С 37—45° С, СВАМ 8— 11°С при температуре окружающей среды 20±4°С . Таким образом, до начала макроразру­ шения различие в температурах разогрева для всех направлений вырезки каждого ма­ териала было несущественным. Силовой режим при изгибе выдерживался с точностью 1,5%, а на гидропульсаторах при растяжении—сжатии — с точностью 3%. Усредненные диаграммы усталости на каждое направление вырезки построены по 8— 13 опытам. По этим диаграммам для Л/1 = 104, М2=Ю 5 и М3=10б циклов определены ограниченные пре­ делы выносливости, значения которых содержатся в табл. 1.

Проанализируем данные табл. 1. О плотности корреляции между пре­ делами выносливости и статическими характеристиками будем судить по

постоянству коэффициентов усталости К: КР,с,пи=

0-11 ; /<*р,с,и=

;

гг

тр

O'—|]

Ор.с.и11

’ ’

О р,с,н

деформациям

растя­

Лр.с.и

= £

---- , где индексы р, с, и соответствуют

жения, сжатия и изгиба.

Коэффициенты усталости для трех баз испытаний с целью сокраще­ ния объема табл. 2 приведены только по-пределам прочности при растя­ жении /Срп. Остальные значения К показаны для баз N2 и N% или только для N3. Разброс К по всем направлениям вырезки образцов при N\y N2 и Л^з для одного материала примерно одинаков. Поэтому о величине К можно судить по приведенным в табл. 2 данным для одной из баз.

Из табл. 2 видно, что традиционная оценка пределов выносливости сравнением их с сгрп непригодна для отдельных композитов по причине

Данные по СВАМ взяты из работы [8] и частичо предоставлены автору п • и. Саркисяном.

Коэффициенты усталости для симметричных циклов

 

 

 

Па

прочности

 

 

По пределам

 

По

упругости

 

 

 

 

 

 

 

 

пропорциональности

 

 

 

Материал

<х°

 

V

 

 

*п п

**п

К*с

К •*и

К } Е У

К с Е у

Хм* х

 

 

 

 

к с "

Х10-

Х10-

XIо-1

 

 

М

1 N 2

 

 

Nz

 

А', 1

N3

N.

1

N 3

 

N 3

П21-39

0

0,49

0,41

0,37

0,36

0,31

0,95

0,69

0,60

0,62

0,55

0,61

0,64

0,64

 

45

0,25

0,20

0,18

0,24

0,24

0,65

0,77

0,70

0,59

0,53

0,39

0,40

0,36

 

90

0,34

0,28

0,24

0,48

0,33

0,67

0,67

0,57

0,61

0,52

0,48

0,50

0,49

ВФТ-С

0

0,23

0,18

0,16

0,34

_

0,38

0,63

0,53

_

_

0,28

0,28

_

 

45

0,20

0,16

0,12

0,18

0,39

0,72

0,52

0,18

0,20

 

90

0,28

0,23

0,19

0,31

0,58

0,74

0,61

0,24

0,23

СВАМ

0

0,15

0,11

0,09

0,12

_

0,35

0,59

0,49

_

_

0,11

0,11

_

 

22,5

0,13

0,10

0,09

0,11

0,27

0,50

0,45

0,10

0,10

 

45

0,13

0,11

0,11

0,13

0,32

0,57

0,54

0,13

0,14

анизотропии их прочности и тем более — для всех видов армированных пластиков. Оценим разброс значений К, показанных в табл. 2, для трех направлений вырезки отдельно по каждому материалу коэффициентами вариации vK. Значения их сведены в табл. 3, из которой видно, что при осевом нагружении (материалы ВФТ-С и СВАМ) между пределами вы­ носливости и статическими характеристиками композитов арп, а*р, Ev и Ес нет надежной корреляции, так как составляет от 10 до 36%. Мини­ мальные значения vl{ при осевом нагружении получены по /Ссп и К*с• Од­ нако малая величина ик по Ксп получена только по образцам СВАМ, а для ВФТ-С составляет 30%• Следовательно, более общей будет лучшая корреляция пределов выносливости при осевом нагружении с а*с. Это не случайно, так как для всех направлений вырезки обоих стеклопластиков (см. табл. 1) а*р>(7*с. Разумеется, если для некоторых композитов ока­ жется а*р< а * с, то для них более плотная корреляция будет по а*р. Под­ робно этот вопрос рассмотрен в [9]. Наличие этой закономерности поз­ волило разработать способ ускоренных испытаний для оценки анизотро­ пии усталостной прочности композитных материалов при симметричном осевом нагружении [10].

Рассмотрим теперь возможность оценки анизотропии миогоцикловой усталости при изгибе по статическим характеристикам материала П21-39. Казалось вероятным, что при изгибе лучшая корреляция а_i бу­ дет с меньшим из пределов пропорциональности а*р или же а*с, по­ скольку при этой деформации волокна материала циклически растяги­ ваются и сжимаются. Уместно отметить, что оценка пределов выносли­ вости металлов при изгибе обычно производится сравнением их со статическими параметрами, полученными при растяжении [11]. Но дан­ ные табл. 3 показывают, что наиболее плотная корреляция а_| в этом случае наблюдается с пределом пропорциональности а*„(/С*„). Значения ук по этому параметру в два-три раза ниже, чем по меньшему из преде-

Табл. 3

Значения коэффициентов вариации vK для трех направлений вырезки образцов

 

 

V

 

* с "

К а ”

 

Крв

 

КпЕ

 

К*с

 

К \ <

М а т е р и а л

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

Ns

N.

 

N.

 

 

 

 

 

 

N 3

 

 

Л^з

Ml

 

М

М

М,

Мэ

М» ,

 

 

П21-39

33,5

36,5

34,5

33,4

16

22

22,5

18,5

28

7,5

11

2,7

2,4

ВФТ-С

17,5

1 9

23

30

24,5

22

16

8,2

8,9

— —

СВАМ

10

9.2

14

8,8

— -

13

13,5

16

8,6

9,1

лов пропорциональности — о*с(К*с) при осевом нагружении. Из табл. 3 следует, что си изгиба слабо коррелирует со ста­ тической прочностью и модулями упру­ гости при растяжении, сжатии и изгибе. Отсутствие надежной корреляции с ука­ занными выше характеристиками видно также по экспериментальным данным,

 

 

 

приведенным в работе [12] для большого

 

 

 

числа армированных пластиков.

 

 

 

 

Тесная связь между ои

и о*и при из­

 

 

 

гибе обусловлена механизмом разруше­

Зависимость

пределов

вынос­

ния композитов: при напряжении о*и на­

ливости от

пределов

пропор­

рушается сплошность материала [13], ог­

циональности

для различных

раничивающая циклическую прочность на

направлений

вырезки образцов

изгиб в мягком и жестком

режимах

на­

для материалов П21-39 ( # ),

гружения [14]. Эта закономерность поло­

ВФТ-С (О) и СВАМ

(Л ).

 

 

 

жена в основу способа ускоренной оценки

 

 

 

анизотропии усталостной

прочности

на

изгиб [15].

Способы ускоренных испытаний [10, 15] включают статические испы­ тания образцов, вырезанных в трех или более направлениях, и усталост­ ные — только для одного из направлений. Для остальных направлений пределы выносливости вычисляются по значениям а* в предположении постоянства коэффициента усталости К* для всех направлений вырезки. Оба способа, как видно по значениям v1{ (см. табл. 3), позволяют с по­ грешностью ^10% оценить анизотропию прочности композита при двух­ трехкратном сокращении объема усталостных испытаний и потребного количества образцов.

Представляло интерес по приведенным в табл. 1 значениям пределов выносливости и пределов пропорциональности (сг*с — для растяжения— сжатия и а*и — для чистого изгиба), с которыми наблюдается наилуч­ шая корреляция, определить корреляционное уравнение для всех стекло­ пластиков и направлений вырезки образцов. Для базы Af3=106 циклов эта зависимость описывается линейным уравнением си = 1,1 + 0,53а* с эмпирическим коэффициентом корреляции г= 0,998 в пределах измене­ ния 17,5<о *<2 0 0 МПа. На рисунке показаны эта зависимость и опыт­ ные данные. Близкое расположение от единой прямой точек по осевому нагружению и чистому изгибу, помимо родства этих деформаций, свя­ зано также с тем, что опыты на усталость проведены практически при одинаковых частотах, размерах образцов и параметрах окружающей среды.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Ашкенази Е. КПоздняков А. А. Испытание стеклопластиков на усталость. — Завод, лаб., 1961, № 10, с. 1288—1293.

2.Саркисян II. Е. Анизотропия усталостной прочности стеклопластиков типа СВАМ. — Изв. АН АрмССР. Механика, 1971, № 2, с. 59—70.

3.Ашкенази Е. К. Анизотропия механических свойств некоторых стеклопластиков. Л., 1961.70 с.

4. Малмейстер А. К.. Тамуж В.

П Т е т е р е Г А. Сопротивление полимерных и

композитных материалов. 3-е изд. Рига,

1980. 572 с.

5.Микляев П. Г Фридман Я. Б. Анизотропия механических свойств материалов. М., 1969. 270 с.

6.Трощенко В. Т. Усталость и неупругость металлов. Киев, 1971. 268 с.

7.Розе А. В., Жигун И. Г., Лушин М. И. Трехмерноармированные тканые мате­ риалы. 2. Экспериментальное изучение. — Механика полимеров, 1970, N° 3, с. 471—476.

8.Саркисян Н. Е. Прочность и деформативность стеклопластиков типа СВАМ при циклическом осевом нагружении. — Изв. АН АрмССР. Механика, 1969, № 6, с. 54—63.

9.Олдырев П. П. О корреляции между статической и усталостной прочностью ар­ мированных пластиков. — Механика полимеров, 1973, № 3, с. 468—474.

10.Олдырев П. П. Способ определения анизотропии усталостной прочности кон­ струкционных материалов. Авт. свидетельство СССР № 652472. — Открытия. Изобре­ тения. Пром. образцы. Товарные знаки, 1979, № 10, с. 169.

11.Гаврилов Д. А. Корреляционные соотношения между механическими характе­ ристиками в условиях статического и циклического нагружений для конструкционных сталей и сплавов. — Пробл. прочности, 1979, № 5, с. 59—62.

12.Fume И., Shimamura S. On flexural fatugue properties of rigid plastics and plastic composites. — J. Soc. Mater. Sci. Jap., 1978, vol. 27, N 300, p. 88—93.

13.Тарнопольский Ю. M., Кинцис T. Я. О механизме передачи усилий при дефор­

мировании ориентированных стеклопластиков. — Механика полимеров, 1965, № 1,

с.100—110.

14.Олдырев П. П. Многоцикловая усталость стеклопластика в режимах мягкого и

жесткого нагружения. — Механика композитных материалов, 1981, № 2, с. 218—226. 15. Олдырев П. П. Способ определения анизотропии усталостной прочности компо­ зиционных материалов. Авт. свидетельство СССР № 853480. — Открытия. Изобретения.

Пром. образцы. Товарные знаки, 1981, № 29, с. 207.

Институт механики полимеров

Поступило в редакцию 01.07.81

АН Латвийской ССР, Рига

 

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1982, № 1, с. 62—67

УДК 539.2:539.4:678.05

П. Э. Пикше

О М О Д Е Л И Р О В А Н И И Л О К А Л Ь Н Ы Х Д Е Ф Е К Т О В В А Н И З О Т Р О П Н Ы Х М А Т Е Р И А Л А Х С П О М О Щ Ь Ю Д И С К Р Е Т Н Ы Х

Р Е Ш Е Т О К

Настоящая работа посвящена моделированию различных дефектов в анизотропных материалах посредством упругих решеток с соответствую­ щими дефектами. Такая дискретизация среды облегчает численные рас­ четы задач, которые не решаются классическими уравнениями сплошной среды. В частности это относится к задачам с особыми точками, такими, как точка приложения сосредоточенной силы, устье трещины и др. В этих задачах решения уравнениями сплошной среды дают неограничен­ ные перемещения [1] или напряжения [2], что не соответствует действи­ тельности. С помощью настоящего метода рассматриваются также за­ дачи о взаимодействии дефектов в анизотропных материалах.

Для решения названных задач предлагается заменить сплошную среду (включая и ее дефекты) соответствующей решеткой. Выбор вида решетки зависит от класса анизотропии среды, а дефекты в решетку вно­ сятся аналогичными по виду и размеру. Например, среда, обладающая кубической симметрией, заменяется кубической решеткой, а трещина в сплошной среде заменяется цепочкой порванных связей, жесткое вклю­ чение — жесткими связями. Иногда сама среда имеет периодические структурные элементы, например, ориентированные аморфно-кристалли­ ческие полимеры, периодически армированная среда и др. Такие среды легко заменяются соответствующей решеткой.

Для моделирования сплошной среды решеткой надо установить взаи­ мосвязь между упругими постоянными сплошной среды и потенциалом взаимодействия узлов в соответствующей решетке. Определение зависи­ мости между постоянными упругой жесткости C*j в сплошной среде и силами взаимодействия узлов в соответствующей решетке осуществля­ ется приравниванием механической работы, затраченной на деформа­ цию континуального тела, к изменению внутренней энергии решетки при отклонении от равновесной формы [3]. В рассматриваемой решетке, в от­ личие от реальной кристаллической решетки, силы, действующие между узлами, линейны и направлены вдоль связей. По предложенному в [3] методу в случае линейной силовой зависимости для кубических решеток устанавливают соотношения между C,*j в сплошной среде и централь­ ными силами взаимодействия узлов в соответствующих решетках. В табл. 1 приведены условия устойчивости, условия изотропии и соотно­ шения между Сщ н удельными (отнесенными к длинам связей /*) коэф­ фициентами а* (аь « 2, аз — первых, вторых и третьих ближайших со­ седних узлов) сил взаимодействия кубических решеток.

Следует отметить, что учет соотношений Коши при выводе зависи­ мостей а* от Cij дает возможность ограничиться только первыми двумя ближайшими соседями (аь аг) в решетке, положив аз=0.

Заменим дефектную решетку бездефектной таким образом, чтобы дефекты (разорванные связи, вакансии, жесткие включения и др.) на­ стоящей решетки заменялись системой эквивалентных сил Fj в новой бездефектной решетке. Эквивалентные силы зависят от решетки, вида, размеров и взаимного расположения дефектов, а также от вида нагру-

Соотношения между C,j и а* кубических решеток

Вид

 

 

С|2“ С4«

решетки

 

 

Простая ку­

 

 

5-(«*+Ь»)

бическая

^ |.а 1+ 202+ д“ 0&3j

Гранецент­

1

4

ИМ-)

ная

(2а!+2а2+з“а 3

рирован­

 

Объемно-

 

OL1+ 2о&2+ 2сСз|

 

центриро­

 

а( ! “ •+ “ »)

ванная

 

 

 

 

 

Условия Условия устойчивости изотропии £*44^0.

Сц—С|2—2С44»=0 Сп—С,2^0. Сц4-2С|2^0

0С2

 

8_ Оз_

аз

3

aj ~

“ 3

ai

а2 ^

4 ’

а2

1

4

а3

а,

 

аз_

3

ctj

4

+ 3

а х

а, ^

8 ’

 

 

 

 

а2

3

 

 

 

 

ai

4

аз

2

1 аз_

а3

2_

ai —3 + 2 а \

aj ^ ~ 3 ’

“ ■ > - 2 а2

* а — постоянная решетки.

жения. В случае отсутствия внешней нагрузки оц эквивалентные силы Fj = 0, так как в рассматриваемой ненагруженной решетке силы взаимо­ действия между узлами в положении равновесия равны Fij(г) =0.

В качестве примера рассмотрим жесткое включение в сплошной среде, обладающей кубической симметрией. Среда моделируется объ­ емно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой, а жесткое включе­ ние — системой жестких связей г (0, 0, 0)—гЦ ± а/2; ± а /2; ± а / 2), заме­ няемой бездефектной решеткой с фиктивными упругими связями, к концам которых приложены эквивалентные силы, компенсирующие пе­ ремещения, вызванные внешними нагрузками. Таким образом, рассмат­ ривается бездефектная ОЦК решетка с системой внутренних сил Fj, ко­ торая подвергается действию внешних нагрузок Oij. В случае одноос­

ного растяжения GZZ= OOO компоненты

перемещений ик узловой

точки

П (а/2, а/2, а/2) в бездефектной ОЦК решетке принимают значения

« i(ri) = « 2(ri) =Si2<T»a/2;

u3(ri) = Sn<Tooa/2,

(1)

где Sij — компоненты матрицы податливости для бездефектной решетки. Эти перемещения компенсируются эквивалентными силами F (FUF UF2) для того, чтобы ужесточить фиктивные упругие связи. Fj аналогично прикладывается к другим узловым точкам гг с учетом симметрии задачи (рис. 1—а). Величины эквивалентных сил определяются из сопоставле­ ния перемещений (1), вызванных внешними нагрузками, с перемеще­ ниями, вызванными системой эквивалентных сил Fj, узловых точек г,-, и из системы линейных уравнений в перемещениях

8

з

 

^A.(ri) = ^ j

С ^ (Г ь Г ,)^ (Г ,),

(2)

i-1

j-1

 

где Ghjp — тензор Грина ОЦК решетки.

Тензор Грина решетки G/tj p ( r 1, r i ) представляет собой перемещения в узловой точке в направлении к, вызванные единичной силой /; (г,), при­ ложенной в узловой точке гг-в направлении /.

Поскольку независимыми являются только две компоненты ик, сис­ тема (2) состоит из двух независимых уравнений, решение которых дает

Зависимость uz(z), полученная по МЭС и методу итерации (МИ) для элементарного включения

 

в ОЦК решетке ( s n(ioo = l;

 

ai = 1,29904; a 2= l ;

a 3=0)

 

г/а

u j a (МЭС)

и г/а (МИ)

 

1

0,640

0,641

 

2

1,827

1,828

Рис. 1. Расположение эквивалентных сил Fj во­

3

2,906

2,913

круг включения в ОЦК решетке (а) и зависи­

4

3,943

3,951

мость F 1 и F2 от а 2 (б).

неизвестные компоненты эквивалентных сил F i и F2. В случае отсутствия симметрии в задаче, а также с ростом размеров дефекта число независи­ мых компонент Fj увеличивается. Возможность использования конечного числа линейных уравнений в системе (2) для эквивалентных сил накла­ дывает ограничение на локальность дефектов.

Нами проведено изучение изменения компонент эквивалентных сил Fj в широком диапазоне анизотропии d(d = C\\С\2—2с44), что дает воз­ можность определить перемещения вокруг дефекта в анизотропных ма­ териалах. Зависимость Fj от а 2 приведена на рис. 1—б.

Перемещения узловых точек вокруг дефекта определяются как сумма перемещений, вызванных эквивалентными силами, которые прибавля­ ются к перемещениям, вызванным внешними нагрузками:

U i(r)=u iQ( r ) + ^ j G i j p (r,Th)Fj{rh).

( 3)

ft. j

 

Перемещения, рассчитанные по предложенному методу эквивалентных сил (МЭС), сравнивались с результатами, полученными итерационным путем при размерах решетки 16aX l6aX l6a. В табл. 2 приводится срав­ нение этих методов.

Незначительное различие 6^0,3% связано с определением компонент тензора Грина решетки. Компоненты тензора Грина определялись чис­ ленно методом сшивания [4].

В случае вакансий и различных вырезов порванные связи заменя­ ются фиктивными связями, к концам которых приложены эквивалентные силы fj(ri), компенсирующие силы на связях, вызванные внешними на­ грузками. Система линейных уравнений для эквивалентных сил в этих задачах записывается в напряжениях, в отличие от задач с жесткими связями.

В механике сплошной среды имеются решения о перемещениях во­ круг сферической полости [5] и сферического включения 1 в изотропной среде. Принимая радиусы дефектов r = a, вычисленные перемещения сравниваем с результатами, полученными моделированием этих дефек­ тов МЭС в ОЦК решетке. На рис. 2 приведены зависимости их(х) и uz(z), вызванные вакансией и включением. В настоящих примерах раз­ личие результатов вблизи дефектов связано с неполной адекватностью дефектов сплошной среды и ОЦК решетки.

Преимущество МЭС состоит в том, что можно подсчитать перемеще­ ния вокруг различных дефектов в анизотропных средах. Зная компо­ ненты тензора Грина соответствующей бездефектной решетки, можно определить перемещения для произвольной системы эквивалентных сил

Fjy моделирующие различные дефекты в соответствующей решетке. За­ дачи сводятся к решению системы линейных уравнений для Fj (2) и к определению перемещения суммированием (3). Следовательно, МЭС при известных компонентах тензора Грина соответствующей решетки требует меньших вычислительных работ по сравнению с МИ.

Наличие различных дефектов в нагруженных решетках приводит к отклонениям в величинах напряжений на связях от их значений безде­ фектной решетки. Оценка истинных нагрузок на перегруженных связях имеет большое значение при оценке прочности материалов. Полную кар­ тину локальных напряжений можно получить построением распределе­ ния связей по локальным напряжениям. Вид распределения и макси­ мальное перенапряжение зависят от вида и размеров дефектов.

В качестве примера рассмотрим полость радиуса г в нагруженной (aZz = aoo) ОЦК решетке. Найденное распределение доли связей по коэф­ фициенту их перенапряжения <7= аЛок/сг«> в зависимости от радиуса г приведено на рис. 3. Видно, что с ростом размера дефекта распределе­ ние перенапряженных связей расплывается и все больше связей испыты­ вает перенагрузку. Примерно 2—10% (в зависимости от г) из общего числа связей оказываются перегруженными, а остальные связи не несут нагрузок. Для полости радиусом г= 2,899а коэффициент максимального перенапряжения связей <7тах~ 1,3 и уменьшается с уменьшением г. Приведенное распределение относится только к изолированному дефекту. В случае взаимодействующих дискообразных трещин <7тах~ 1,1-f-6,5 в за­ висимости от размеров и взаимного расположения. Реальные материалы кроме полостей и трещин содержат также различные дислокации, при­ меси и другие неоднородности, еще более расширяющие диапазон распределения связей по коэффициентам перенапряжения q, и qmax воз­ растает. Для ориентированного капрона qm3iX составляет даже 25 [6}.

Рассмотрим взаимодействие двух параллельно расположенных тре­ щин одинакового размера (рис. 4—а) в анизотропной среде, обладаю­ щей кубической симметрией. Локальное перенапряжение q = Gp_0KblonoK00 (отношение локальных напряжений в устье трещины ближних концов к локальным напряжениям в устье изолированной трещины) зависит от размеров трещины я, взаимного расстояния г, расположения б, а также от среды. Варьируя эти параметры методом эквивалентных сил, устано­ вили, что максимальное перенапряжение q имеет место при <р*= 0, т. е. когда обе трещины расположены на одной прямой. Минимальное значе­ ние q имеет место при <р = 60°-=-80°, в зависимости от отношения 2а/г

Рис.

2.

Зависимости ых(*)

(а) и uz(z) (б),

вызванные вакансией (1)

и включением

(2).

Рис

3.

Характер распределения связей по коэффициентам перераспределения в зависи­

мости

от радиуса полоски

р ОЦК решетке,

г = 0,899а (7); г= 1,899а

(2); г= 2,899а

(3).

* Ф = arcsin б/г.

(рис. 4—б), так как устье одной трещины находится в поле ослабленного напряжения другой трещины. Чем больше 2а/г, тем при меньших <р зависимость #(<p) имеет минимум. Максимальное значение q имеет при Ф = 0. Дополнительный анализ при ф = 0 показывает, что ^тах^2 и в ли­ нейной постановке задачи общее напряжение можно определить как су­ перпозицию двух невзаимодействующих трещин.

Для сравнения полученных результатов с существующими в литера­ туре результатами для аналогичной двухмерной задачи [7, 8] сопоставим коэффициенты интенсивности напряжения плоской трещины kin в двух­ мерной задаче с коэффициентом интенсивности напряжения дискообраз­ ной трещины kiT в трехмерной задаче. В случае всестороннего растяже­ ния плоскости с прямолинейной щелью коэффициент интенсивности

напряжений kin определяется формулой к1п=сГооУл;а, а в случае всесто­ роннего растяжения пространства с дискообразной трещиной — kiT =

= ОооУа2 Следовательно, kiT/kin = 2yji. Это позволяет в случае изотропии

я

сопоставить полученные значения q для дискообразной трещины с ре­ зультатами kiCT/ki°° для плоской трещины [7] (ki°° — коэффициент интен­ сивности напряжения невзаимодействующих трещин). Различие в ре­ зультатах не превышает 3%.

На основе полученных данных о взаимодействии двух трещин рас­ смотрим задачу о взаимодействии параллельно и равномерно располо­ женных дискообразных трещин, ориентированных перпендикулярно к направлению растяжения. Будем считать, что все трещины одинакового размера г. Присутствие трещин при постоянной деформации приводит к снижению напряжения. Изменение модуля упругости Е/Е вследствие на­ личия трещин моделируются ОЦК решеткой. Разобьем ОЦК решетку с трещинами на одинаковые подрешетки по одной трещине в каждой. Рас­ смотрим подрешетку размерами N x N x N , в центре которой находится дискообразная трещина радиусом г в виде разорванных связей. Ввиду симметрии задачи расчет ведется в области, расположенной в I октанте.

Граничные условия щ (х{) = —щ (- Х {); xjy ^ = const;

Ui(Xj) = иг{—* j ) ;

Xu ** = const, а условия суперпозиции — Ui{Xi) = 2ui(Xi)

при Xj или Xk=

= N/2, где i,j,k = 1,2,3. Перераспределение напряжений на оставшихся связях осуществляется МИ.

Плотность микротрещин со = (r/N)3 варьировали от 0 до 0,1, меняя со и г. На рис. 5 приведена зависимость Е/Е от со при различных г. Чем больше радиус г, тем меньше модуль упругости Е при одинаковых плот­ ностях трещин со.

Полученные результаты были сопоставлены с экспериментальными данными [9] для смолы ПНМ-2 с ПВХ с аналогично расположенными

f

t

t

t

а

, 2а

 

 

I

t

t

t

Рис. 4. Схематическое расположение двух параллельно расположенных трещин (а) и зависимость локального перенапряжения q от угла расположения ф (б).

Рис. 5. Зависимость Е/Е от со при г = 0,2а (/); 1,2а (2); 2,2а (3); 3,2а (4); 4,2а (5).

трещинами. Микроскопические исследования показали, что в этих образ­ цах трещины ориентированы в основном перпендикулярно плоскости на­ гружения. Полученное в экспериментах снижение модуля упругости при со = 0,03 для плиты 2 (см. [9]) согласуется с теоретическими расчетами при г/а = 0,2, что свидетельствует о слабом взаимодействии трещин. Ожи­ дается, что при дальнейшем росте растягивающих напряжений, близких к разрушению, взаимодействие приведет к большему снижению модуля упругости, как это следует из рис. 5.

Выводы. 1. Моделирование локальных дефектов в анизотропных ма­ териалах дискретными решетками позволяет решить целый ряд задач с особыми точками.

2.Метод эквивалентных сил при известных компонентах тензора Грина соответствующей решетки требует меньшего объема вычислитель­ ных работ по сравнению с методом итерации.

3.Рассмотрено применение метода эквивалентных сил к следующим задачам: определение перемещений вокруг элементарного включения и сферического выреза в поле одноосного растяжения; определение пере­ мещений и напряжения вокруг двух параллельно расположенных диско­ образных трещин в поле одноосного растяжения; определение перерас­ пределения напряжения на связях в зависимости от радиуса полости при наличии сферического выреза. Полученные результаты согласуются с имеющимися в литературе данными для случая изотропии, а также с приведенными результатами двухмерных задач.

4.Установленная зависимость модуля упругости Е от плотности рав­ номерно расположенных трещин <о хорошо согласуется с эксперименталь­

ными данными.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Ландау Л. Д., Лифшиц.Е. М. Теория упругости. М., 1965. 202 с.

2.Седов Л. И. Механика сплошной среды. М., 1976. Т. 2. 561 с.

3 Johnson R. A. Relationship between two-body interatomic potentials in a lattice modei and elastic constants. — Phys. Rev., B, 1972, vol. 6, N 6, p. 2094—2100.

4.Пикше П. Э. Применение метода сшивания для определения компонент тензора Грина упругой ОЦК решетки. — Изв. АН ЛатвССР. Сер. физ., 1981, № 2, с. 65.

5.Ильюшин А. А., Ломакин В. А., Шмаков А. П. Задачи и упражнения по механике

сплошной среды. М., 1973. 163 с. „ тг 6. Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа проч­

ности твердых тел. М., 1975. 560 с.

 

 

 

 

 

7

Sih G.C. Handbook of stress-intensity factors. Lehigh University, 1973, vol. 1. 430 p.

8.

Панасюк В.

В. Предельное

равновесие хрупких

тел с трещинами.

Киев,

1968. *246 с.

v „

гг

п к

 

 

 

9.

Микельсон М. Я., Хохбергс Л. Я. Анизотропия усталостного разрушения напол­

ненных аморфных

полимеров. —

Механика композитных

материалов, 1980,

№ 1,

с. 34—41.

 

 

 

 

 

 

Институт механики полимеров АН Латвийской ССР,

Поступило в редакцию 19.01.81

Рига

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1982, 1, с. 68—72

УДК 624.073.001:678.067

И. Н. Преображенский, Ж. Ш. Шасалимов

ВЛИЯНИЕ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ НА ЧАСТОТЫ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ОРТОТРОПНЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПЛАСТИНОК с ВЫРЕЗАМИ

В современном строительстве и промышленности широко использу­ ются оболочечные и пластинчатые несущие элементы с вырезами. При этом диапазон применяемых материалов весьма разнообразен — это и металлический лист, и полимерные материалы, и материалы с направ­ ленными физико-механическими характеристиками, например, компо­ зитные. Перед инженерами встает задача изучения динамических харак­ теристик системы в зависимости от конструктивных особенностей, в частности от условий на границах несущего элемента, а также от физико-механических параметров материала. Этот вопрос достаточно подробно изучен для конструкций из изотропных материалов [1, 2]. Ис­ следование частот собственных колебаний оболочек и пластинок с выре­ зами, выполненных из материалов, имеющих анизотропные характерис­ тики, только начинается.

Настоящая работа посвящена исследованию этих вопросов для пластинок с вырезами, изготовленных из композитного материала. При­ веденные здесь результаты являются продолжением исследований, опи­ санных в [3].

В предлагаемой работе приведены результаты изучения влияния граничных условий и физико-механических характеристик на частоты собственных колебаний анизотропных пластинок, ослабленных выре­ зами.

Рассматриваются прямоугольные ортотропные пластинки с прямо­ угольными и круговыми, свободными от опор, отверстиями. Исследова­ ние проводится с помощью метода, основанного на замене конструкции с вырезами некоторой «сплошной» моделью [3]. Жесткость и плотность последней являются разрывными функциями координат. Выводится формула для определения частот собственных колебаний пластинки с вырезами при следующих граничных условиях: а) две противоположные стороны пластинки шарнирно оперты, а две другие — жестко защем­ лены; б) две противоположные стороны пластинки закреплены шар­ нирно, одна защемлена, а одна свободна. Дано сопоставление значений относительных собственных частот колебаний, полученных в данной ра­ боте, а также шарнирно опертых и жестко защемленных с четырех сто­ рон пластинок, заимствованных из [3].

Пластину со сторонами а, & и высотой h отнесем к декартовой сис­ теме координат. Считаем, что ось х направлена вдоль стороны а, а ось у вдоль стороны Ь. Пусть пластинка имеет К прямоугольных и I круго­ вых, свободных от опор, отверстий. хц, дг2г, Ун, #2г — декартовы коорди­ наты, определяющие месторасположение вершин прямоугольных выре­ зов (i= 1,2,..., К), и Xj, yj — координаты центров круговых отверстий с радиусами /?,•(/= 1, 2 , .

Упругие свойства ортотропного материала характеризуются, как и в [3], четырьмя независимыми величинами — модулями упругости Е\ и Еч по двум взаимно перпендикулярным направлениям х и у, модулем сдвига G и коэффициентом Пуассона ць отвечающим поперечной дефор­

мации вдоль оси у. С помощью импульсивной функции нулевого порядка можно ^записать переменные параметры «сплошной» пластинки, эквива­

лентной пластинке с вырезами, по аналогии с методом [3], следующим образом:

E i= E l0X(x, у)\ Е2= Е 20Х(х, у); G= G0K(x, у)\

(1)

Y=YoЦ х,у),

(2)

где Ею, Е го, G0 — параметры упругости; у0 — плотность материала ре­ альной пластинки;

К

к ( х , у) = 1[То(Х Х2г) Го Xu) ] [T o (y —y2i) Го (у—Ун) ]

г= 1

Iм

~~|X J Wo{X—X2jk)—To(x—Xijh)\\To(y —y2jh)—To(y —y\jh)]. (3) j-1 ft-1

Каждый круговой вырез учитываем через М равновысоких прямоуголь­ ников [4]. Число прямоугольников М, с помощью которых представля­ ется круговой вырез, подбирается в процессе расчетов с целью получения заданной точности; хцк — координаты вершин прямоугольных вырезов, аппроксимирующих круговые вырезы (/=1,2).

Принимая во внимание зависимости (1) и (3), жесткости исследуе­

мой системы можно записать таким образом:

 

 

А с = Dx0X ( х } у); Dy = Dy0k (*, у ); A t = DkQ (x, у) ,

где Dx0=-

E l0h3

E2Qi

Goh?

; \i2 — коэффициент Пуас-

12(1 —jiip2)

; Dyo= ——A c(b A A0 =

12

 

-£*io

 

сона, соответствующий деформации по направлению х, p2=-c^p<i.

 

 

 

 

£10

Уравнение движения ортотропной пластинки с переменными пара­

метрами жесткости и массы, имеет вид

 

 

 

 

 

/ d4w

ч

dAw

dAw \

d2k

/

d2w

Ч а * ~ + 2 М ’1 d ¥ d f + h b

DA/

dx2

\

dx'

~dfj

 

dx2

d2w \

dk

l d3w

d3w \

 

лdk

( d3w

r2

d3w \

d2k

/ d2w

[ii

d2w

\

~д=2Щ/ ' + ^

- в ?

 

) +

d2k

d2w

yoha^d2w

-М^зф1 дхду dxdy

Dx0g

dt2

Здесь w= w/h\ x=x/a\ y=y/b\

Ф1= ci/b\

&2 —Ajo/^so*, &з—Ato/A\o;

k\ = |Л2 + 2&з; Г1 = ^1ф12; /*2= jxi + 2

h

.

 

 

 

 

 

Вначале рассмотрим случай, когда две противоположные стороны пластинки шарнирно оперты, а две другие жестко защемлены. Форма колебаний такой системы может быть аппроксимирована функцией вида да, = / sin ах sin2 $у, удовлетворяющей и геометрическим, и силовым гра­ ничным условиям сплошной пластинки. Здесь а = /?1я; р= ця; ш, п число полуволн вдоль осей х н у соответственно.

Функцию, описывающую свободные поперечные колебания плас­

тинки, представим в виде до = доi sin со/, где со

основная круговая

час­

тота собственных колебаний.

 

как

Решение задачи находим по методу Бубнова Галеркина, так

необходимые условия метода соблюдены. В результате для квадрата частот собственных колебаний пластинки получим

 

 

 

 

 

 

 

к

 

(О4= а *2{

I

l - S i - V —

£

 

I2Q*iM22i 4" ^3#i^A2i “Ь

 

 

 

 

01

г= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

М

+

Utn2\itTl22i +

k ^ 2 \ i m A2i) +

 

( l \ b * j k n i 2 \ jh + h t i * ihm 22jk +

 

 

 

 

 

 

 

j = 1

 

 

+ h d * jh^A2jh~Y h m 2\jA^22j/t +

h m 2\jhrnA2jk)

 

 

 

 

К

 

 

 

 

 

------T

E

[ 2 а * г а ( 8 т 2 1г — /^42г) — 9 Ь * г Р ^ 2 1г — 8 ш 2 1г ^ 2 2г ] +

 

2 4 a P

L

7

 

 

 

I

M

 

 

 

 

 

 

 

j-1 ft-1

[2й*jk&(8/7Z2Ijfc ffli2jh)

96*jfcpW2i jk 8tn2\jh^22j1i] J J"

 

 

 

 

 

 

 

(4)

Здесь о* — частота собственных колебаний прямоугольной ортотропной сплошной пластинки

 

 

 

со*2

4

Dxog

 

 

 

 

3

уоha* ои

(5)

 

 

 

 

Си U (5= 1 ,2 ,..., 5)

 

— величины, зависящие от геометрических и физи­

ческих параметров пластинки:

 

 

 

/ 3

4

ci2

k{

\

/ 3

\

c r i = a 4 у — Ь

—— Ь 2

- ^ — С\J

/i = p у — £2 +

2c i + p 2 — 2& 3 j

Ci=fe2\l),

, ’ 4

а 2

16 2

;* -

+

СО "V

k 2

 

 

f

с

2

\

 

;

/ 2

=

2 а |1

-------- h

Ц 2 )

/ з = — « а

C l

 

 

\

4

 

/

 

/ '4 =

С 2

_ L

"

 

г2 1\(

с , +' й16' + ’ 2

4 + '( i 2 ,

 

+ £3 ) ;

a *i =

x 2i — x {u

b*i = y 2i - y u \

m2H= sin 2 a *H -

 

—sin 2ax2r,

m22i= sin 2pj/n —sin 2p#2*;

 

 

 

 

К

I

M

m42i= sin Щ и -

sin 4py2i\

$i = Е з a*ib*i+

E i

E 1a*jhb*jh-

 

 

 

 

i-l

j-1

A-1

Величины

n*42jfc>

a*jk,

b*ih

получаются,

как

и

m 2u , mi2i, a*u b*u

только вместо координат Х ц ,

у н следует брать x lih ,

у т .

В частности, в предположении, что вырезы отсутствуют, из (4) можно получить известное выражение для частоты собственных колебаний ор­ тотропной сплошной пластинки ©* (5). Формула (4) может быть ис­ пользована для определения частот собственных колебаний пластинки, когда она закреплена шарнирно с двух сторон, одна сторона защемлена,

а одна свободна. В этом случае в (4) следует заменить р на р/2, а форма колебаний будет иметь вид

te>i= sin ах sin2

В качестве примера проведем исследование граничных условий на собственные частоты колебаний квадратной ортотропной пластинки с центральными квадратными и круговыми отверстиями.

На рис. 1—а представлен график изменения частотного параметра (со/со91*)2 в зависимости от размеров квадратного отверстия. На рис. 1—б приведен график изменения отношения квадрата основной собственной частоты колебаний для пластинки с квадратным отверстием сокв к час­ тоте пластинки с круговым отверстием о)1ф в зависимости от параметра

Si/S, характеризующего

изменение площади отверстия (/г2 = 3/4; й3 =

= 0,45; pi = 0,12). На рис.

1 кривые 1 и 2 соответствуют изменению соб­

ственных частот колебаний шарнирно опертой и жестко защемленной с четырех сторон пластинок соответственно (на рис. 1 штриховыми ли­ ниями показаны результаты, заимствованные из [3]). Кривые 3 характе­ ризуют шарнирно опертую с двух противоположных сторон и жестко за­ щемленную с двух других сторон пластинку, а кривая 4 — шарнирно закрепленную с двух противоположных сторон пластинку, одна сторона которой защемлена, а одна свободна.

На рис. 2 приведены зависимости частотного параметра от рассмот­ ренных типов граничных условий; рис. 2—а показывает зависимость па-

Рис. 1.

раметра (со/со*)2 от величины k2=D yo/Dxo при Аз= 0,75, а рис. 2—б — от Dko/Dx0 при А2 = 0,75. Кривые 7, 2 характеризуют шарнирно опертую с двух противоположных сторон, а с двух других жестко защемленную пластинку и шарнирно опертую с двух противоположных сторон плас­ тинку, одна сторона которой защемлена и одна свободна, с квадратным отверстием. Кривые <?, 4 относятся к пластинке с круговым отверстием и идентичными граничными условиями внешнего контура (pi = 0,12; S J S = 1/225).

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Преображенский Я. Н. Динамические задачи теории тонкостенных элементов не­

сущих конструкций, ослабленных вырезами (обзор). 1. — Пробл. прочности, 1980, № 5,

с.82—90.

2.Преображенский И. Н. Динамические задачи теории тонкостенных элементов не­ сущих конструкций, ослабленных вырезами (обзор). 2. — Пробл. прочности, 1980, N° 6,

с.99— 108.

3.Преображенский И. Н.г ШасаЛимов Ж. Ш. О колебаниях пластинок с вырезами

из композитных материалов. — Механика композитных материалов, 1981, № 5,

с.797—801.

4.Валеев Г Ш., Преображенский И. И. Устойчивость прямоугольных пластинок с отверстиями произвольной формы. — В кн.: VI Всесоюз. конф. по применению ЭВМ в строит, механике. Тез. секция 4. Л., 1971, с. 56—57.

Институт механики и сейсмостойкости сооружений

Поступило в редакцию 03.03.81

им. М. Т. Уразбаева АН Узбекской ССР, Ташкент