Механика композитных материалов 2 1979

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1979, № 2, с. 313—316

УДК 539.4:678.5.06

П.В. Мает, Л. А. Бобьен, М. А. Клиффорд, Д. Р. Мюльвиль, С. А. Саттон,

Р.В. Томас, Дж. Тирош, И. Волок

п р е д с к а з а н и е начала р а зр у ш е н и я в к о м п о зи тн ы х

МАТЕРИАЛАХ*

До сих пор разрушение композитов, армированных волокнами, иссле­ довалось в основном в условиях простого нагружения, хотя в литературе неоднократно указывалось1-3 на необходимость изучения их прочности при сложном нагружении. Недостаточность данных по сложному нагру­ жению объясняется сложностью соответствующих экспериментов. Было рассмотрено большое число аналитических критериев для предсказания прочности композитов при сложном нагружении1, однако, к сожалению, без особого успеха. Поэтому во всех случаях, связанных с характеристи­ кой прочности композитов в условиях нагружения, мы зависим от экспе­ риментальных данных.

На начальных этапах наших исследований характера разрушения композитных материалов был определен ряд условий, способствующих успешному проведению экспериментов. Во-первых, следует пользоваться понятиями механики разрушения, концентрируя при этом внимание на установлении обстоятельств, при которых начинается разрушение, вы­ званное контролируемым дефектом или концентратором напряжений. Однако не следует ограничивать исследования, пользуясь только сущест­ вующими параметрами механики разрушения, такими, как скорость ос­ вобождения удельной энергии деформации G, коэффициент интенсив­ ности напряжения К или /-интеграл, установленными для изотропных материалов. Во-вторых, для создания условий, по возможности, прибли­ жающихся к действительным, эксперименты должны проводиться при общем плоском нагружении. В-третьих, проведение экспериментов должно быть максимально дешевым, несмотря на большое количество переменных параметров у композитных материалов. Для этого образцы должны иметь небольшие размеры и несложную геометрическую форму, что уменьшит затраты материала, расходы на механическую обработку образцов и время проведения эксперимента. При всем этом размеры об­ разцов должны быть достаточно большими по отношению к диаметру во­ локна или толщине отдельного слоя, чтобы при анализе можно было учесть однородность и ортотропность материала. В-четвертых, необхо­ димо вывести аналитические выражения, позволяющие интер- и экстра­ полировать полученные данные. Помимо всего сказанного, необходимо иметь в виду еще два момента: экспериментальные результаты должны быть пригодны для инженеров-конструкторов и опыты должны включать испытания на прототипах конструкции для подтверждения правильности данных, полученных на лабораторных образцах.

Программа наших экспериментов состояла из трех частей: 1) разра­ ботка системы нагружения, подходящей для осуществления сложного на­ гружения; 2) разработка критерия разрушения на основе результатов исследований разрушения композитных материалов при сложном нагру­ жении; 3) демонстрация пригодности этих критериев разрушения в лабо­ раторных исследованиях компонентов конструкций.

* Доложено на советско-американском симпозиуме «Разрушение композитных мате­ риалов» (Рига, сентябрь 1978 г.). Перевод И. В. Кнетса.

313

в.

Рис. 1. Схема устройства для плоского нагружения: 1 — рама; 2 — гидравлический привод; 3 — подвижная головка; 4 — фиксированная головка; 5 — захваты образца; 6 — устройство для нагружения—разгружения образца; 7 — образец; 8 — видеокамера; 9 — видеотерминал; 10 — дисплей.

Устройство для плоского нагружения (рис. 1), разработанное в рамках этой программы, состоит из трех самостоятельных, контролируемых вычислительной машиной, гидравлических приводов, присоединенных к подвижному захвату. Программированием скорости нагружения каждого привода к образцу может быть приложено плоское нагру­ жение, состоящее из комбинаций растяжения, сдвига и изгиба в плоскости (рис. 2). Ис­ пользовали образец размерами 25X38X2 мм с односторонним вырезом глубиной 15 мм, параллельным ребру образца, равному 25 мм. Образец удерживается двумя гидравли­ чески контролируемыми захватами, причем силу зажима можно программировать. Один захват прикреплен к неподвижной головке, а другой — к приводу с помощью подвижной головки, через которую осуществляется передача запрограммированных движений пере­ мещения и кручения.

Образцы из специальной обоймы перемещаются в захваты с помощью механиче­ ского манипулятора. Начальные данные о геометрических размерах образца, такие, как месторасположение выреза, получают с помощью преобразованного видеоизображения образца в захватах; затем эти данные поступают в память вы­ числительного устройства. Вычислительная система контроли­ рует эксперименты, собирая данные о геометрии образцов, ре­ гулируя усилия в захватах, осуществляя нагружение образца

иу

А

Рис. 2. Состояния нагруже­ ния, получаемые при помощи устройства для плоского на­ гружения: а—в — сдвиг и растяжение; г, д — изгиб в плоскости. 1 — подвижный захват; 2 — неподвижный захват; 3 — образец; 4 — вырез; 5 — гидравлические приводы, контролирующие

перемещение.

314

по предварительно заданному пропорциональному пути нагружения и накапливая дан­ ные о силе и перемещении.

В настоящее время оператор системы должен вручную управлять устройством на­ гружения, с помощью видеоустройства численно выражать геометрические данные об­ разца, вводить параметры в экспериментальную систему, контролируемую вычислителем. Совсем несложно автоматизировать и эти операции.

Разрушение исследовали в устройстве для плоского нагружения на углеродно-эпоксидных композитах с различными углами армирования (рассматривались углы 30, 45, 60 и 75°). Эксперимент повторяли два или три раза в выбранных точках. Изменчивость величины разрушающей на­ грузки в одной и той же точке не превышала 5%. Результаты экспери­ мента могут быть представлены в графическом виде путем нанесения критических перемещений (т. е. вызывающих начало разрушения) в сферических координатах и отображенных в декартовой системе коорди­ нат (рис. 3). На рисунке показана также взаимозависимость компонентов сдвига, растяжения и изгиба, приложенных к образцам, d0, d\, d% соответ­ ственно и сферических координат 0Ь 02 и г, отображающих поверхность разрушения. Эти результаты дают представление о поверхностях разру­ шения для целого ряда различных условий сложного нагружения. Они могут быть, использованы для предсказания начала разрушения лабора­ торных прототипов конструкций.

Рис. 3. Поверхности разрушения углеродно-эпоксидных композитов, испытанных в усло­ виях плоского нагружения, при угле армирования а = 30° (1), 45° (2), 60° (3) и 75° (4).

А — точка начала разрушения.

315

тация образца по отношению к оси нагружения менялась.

До разрушения диска из углеродно-эпоксидного композита был про­ веден экспериментальный анализ напряжений на опытных образцах, установленных в центре балки коробчатого сечения. Целью этого ана­ лиза, проведенного методом конечных элементов, была проверка числен­ ного моделирования полей напряжения и перемещения вблизи выреза. Фотоупругое покрытие было прикреплено к диску графитового компо­ зита, имеющего вырез, и балка с образцом была подвергнута плоскому нагружению. При разных комбинациях плоских нагрузок были получены разные изохроматические изображения. Различие между эксперимен­ тальными и теоретически вычисленными характеристиками изохромати­ ческих изображений при разных видах плоскостных нагружений незна­ чительное. Подтверждение применимости численной модели очевидно, так как возможность предсказания разрушения основана на подобии по­ лей деформации в районе вершины выреза как в небольших лаборатор­ ных образцах, испытанных в устройстве для плоского нагружения, так и в прототипе балки коробчатого сечения. Поля деформаций для обеих гео­ метрических форм образцов получены при помощи одной и той же про­ граммы структурного анализа.

После проверки метода числового анализа были проведены экспери­ менты по исследованию разрушения дисков графитового композита, уста­ новленных на балке коробчатого сечения, при разных плоских нагрузках. На основе подобия полей деформации была предсказана нагрузка, вызы­ вающая начало образования трещины.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Rowlands R. Е. Flow and failure of biaxially loaded composites: experimentaltheoretical correlation. — In: Inelastic Behavior of Composite Materials. AMD. Vol. 13. ASME, 1975, p. 97.

2.Morris D. H., Hahn H. T. Mixed-mode fracture of graphite epoxy composites: fracture strength. — J. Compos. Materials, 1977, vol. 11, p. 124.

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1979, № 2, с. 317—321

УДК 539.4:678.5.06

Б. В. Перов, А. М. Скудра, Г П. Машинская, Ф. Я. Булаве

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ОРГАНОПЛАСТИКОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ*

Пластики, армированные органическими волокнами, являются новым эффективным композитным материалом. Одним из преимуществ органо­ пластиков по сравнению с другими видами армированных пластиков является их пониженная плотность. В отличие от пластиков, армирован­ ных стеклянными, борными и углеродными волокнами, органопластики имеют специфический характер разрушения: их разрушение при сдвиге, растяжении и сжатии связано с разрушением самих волокон.

Целью настоящей работы является исследование механизма разруше­ ния и его влияния на прочность органопластиков при растяжении, сжатии

исдвиге.

Уорганических волокон сильно выражена анизотропия прочностных

иупругих свойств. Следует отметить, что простым путем определить проч­ ностные и упругие свойства органических волокон невозможно.

Экспериментально установлено, что для органических волокон харак­ терны очень низкая жесткость и прочность в поперечном направлении. Об этом свидетельствуют микрофотографии разрушения и деформирова­ ния волокон типа СВМ, приведенные на рис. 1. На рис. 1—а показан вид поперечного растрескивания волокон в случае осевого растяжения. Из рис. 1—б видно, что при поперечном сжатии волокна «пластически» де­ формируются и первоначальное круглое поперечное сечение превраща­ ется в прямоугольное.

Структурной единицей органических волокон являются жесткие мак­ ромолекулы или их агрегаты — фибриллы. Высокая прочность и жест­ кость таких волокон при растяжении обусловливаются высокой степенью ориентации макромолекул вдоль оси волокна и высокой энергией диссо­ циации химических связей в цепи исходного полимера. Характер разру­ шения предельно ориентированного волокна при одноосном растяжении обусловлен макронеоднородностью полимера, следствием чего является неодновременная работа отдельных структурных элементов волокна. Раз­ личие напряженного состояния соседних структурных элементов вызы­ вает возникновение в граничной области напряжений сдвига, приводя­ щих к макрофибриллизации и расщеплению волокна. В результате одно­ осное растяжение волокна сопровождается ориентационным прорастанием межфибриллярных трещин вдоль направления действия растягивающего усилия. Однако расщепленное волокно до какого-то предела еще в со­ стоянии воспринимать нагрузку. Расщепление волокон, очевидно, сопро­ вождается одновременным обрывом отдельных наиболее напряженных фрагментов волокна, после чего нагрузка воспринимается следующим пучком фибрилл и т. д. вплоть до полного разрушения, сопровождающе­ гося интенсивным расщеплением и распушиванием образца. Характер­ ный вид разрушения однонаправленно армированного органопластика при растяжении в направлении армирования показан на рис. 2.

Таким образом, можно полагать, что при растяжении органопласти­ ков перераспределение напряжений в образце происходит не только

* Доложено на советско-американском симпозиуме «Разрушение композитных мате­ риалов» (Рига, сентябрь 1978 г.).

317

Очень важно отметить, что в случае органопластиков применение за­ кона суммирования носит весьма условный характер. Экспериментально установлено, что модуль упругости волокон и их предельная деформация существенно зависят от величины технологического натяжения волокон и скорости нагружения, а прочность волокон зависит от физико-химиче*- ских условий взаимодействия с олигомерным связующим. Из этого сле­ дует, что формулу (1) для органопластиков можно применять только при фиксированном технологическом натяжении и фиксированной скорости нагружения.

Предельная деформация евд+ экспериментально определяется при условии, что волокна и связующее деформируются совместно, т. е. отсут­ ствует скольжение и деформации волокон в момент разрушения равня­ ются деформаций армированного пластика. Следует отметить, что под евд+ понимается деформация, при которой начинается лавинное разру­ шение волокон.

Описанная особенность разрушения органического волокна опреде­ ляет образование сильно развитой поверхности разрушения и высокую работу разрушения композиционного материала на его основе, чего не наблюдается в пластиках, армированных хрупкими волокнами. Высокая работа разрушения органопластиков определяет относительно высокую их прочность на малоцикловую усталость. Об этом свидетельствуют опыт­ ные данные, приведенные на рис. 3.

Прочность пластиков, однонаправленно армированных стеклянными, борными и углеродными волокнами, при поперечном растяжении опреде­ ляется по зависимости1

CJrVl-VA2'

где Or — коэффициент концентрации напряжений, зависящий от упругих свойств компонентов, их объемного содержания и вида упаковки. В ос­ нове этой формулы лежит допущение, что при трансверсальном растя­ жении разрушается полимерное связующее.

На рис. 4 показан вид разрушения органопластика при поперечном растяжении. Из приведенной фотографии видно, что волокна разруша­ лись на поперечное растяжение.

318