Механика композитных материалов 4 1982

ляются по ^простым соотношениям между известным ядром и его

резольвентой согласно [4]. Все найденные параметры материала при­ ведены в таблице.

Для проверки выбранной модели материала и пригодности найден­ ных параметров проведены контрольные испытания* в различных температурных условиях:

1) на релаксацию сдвиговых напряжений при постоянной темпера­

2) на релаксацию сдвиговых напряжений при температуре, линейно изменяющейся во времени от 20 до 80°С с постоянной скоростью; для таких температурных условий вязкоупругая функция имеет вид

7-) = Z , S , [ 1 - ехр ( _

где ут = 20°С/ч. Сопоставление расчета по (4) и (5) с опытными дан­ ными показано на рис. 2; этим опытом частично подтверждается, что функцию температурно-временной редукции можно принять независя­ щей от вида напряженного состояния;-

3) на ползучесть при растяжении совместно с релаксацией сдвиго­ вых напряжений при постоянной температуре 60°С; для такого вида

Рис. 3. Кривые ползучести при растяжении сгц = 28 МПа совместно с релаксацией

жимы нагружения как по напряжениям cr=const, так и по деформациям e=const. Режим нагружения е = const ( « 5 с) и последующая выдержка при е = const обеспечи­ вались электромеханическим двухкомпонентным измерителем деформаций, позволяю­ щим с большой точностью осуществлять обратную связь с вычислительным комплек­ сом испытательной машины.

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1982, № 4, с. 719—726

УДК 620.1:678.067

Р. П. Шлица, Е. А. Новикова

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА ПОЛУДИСКОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ НАМОТОЧНЫХ

к о м п о з и т о в

N

1. При создании намоточных изделий из композитов необходимо знать упругие и прочностные характеристики этих материалов. Оценка указанных характеристик производится, как правило, на кольцевых или трубчатых образцах. Стабильность и воспроизводимость значений определяемых характеристик во многом зависят не только от коррект­ ности постановки эксперимента, но и от выбора метода испытаний. В настоящее время существует несколько методов определения меха­ нических характеристик композитов на этих образцах [1]. Наиболее простым из них является метод испытания кольцевых образцов полудисками, предназначенный для определения прочности в окружном направлении Пе и применяемый, кроме того, для подсчета модуля уп­ ругости E Q. Проведение испытаний не требует создания сложных и до­ рогостоящих установок; необходимая мощность испытательных машин в 5—12 раз меньше, чем при определении Пе другими методами, на­ пример, растяжением гидравликой или резиновым диском. Все это имеет значение при проведении серийных испытаний для отработки технологии изготовления новых марок композитных материалов и срав­ нительной оценки прочности и жесткости при подборе материала для изделий.

Однако и для этого метода испытаний отсутствуют достоверные экс­ периментальные данные по выбору геометрических параметров коль­ цевых образцов; не оценено влияние зазора между кольцевым образ­ цом и полудисками и другие факторы. Недостаточно отработана ме­ тодика определения модуля упругости: не установлены места для из­ мерения деформаций, применяется также оценка E Q п о данным изме­ рения зазора между полудисками при нагружении кольцевых образ­

цов [1].

Настоящая работа посвящена рассмотрению особенностей использо­ вания и установлению ограничений для метода испытаний кольцевых образцов на растяжение с помощью жестких разъемных полудисков.

2. Отработка методики проводилась на кольцевых образцах, изго­ товленных из наиболее распространенных современных композитных материалов — угле-, боро-, органо- и высокомодульных стеклопласти­ ков. Применялись разные типы этих материалов, различающиеся техно­ логией изготовления и модификацией компонентов. В качестве связую­ щих применялись модифицированные эпоксидные смолы; арматура была расположена в окружном направлении. Применяемые композиты имели широкий диапазон анизотропии упругих свойств от £ 0/С0г~ 8 , Ео/Ег^З у высокомодульиых стеклопластиков до £ 0/G0r= 3O—40,

jE,o/£,0r= 15—25 у углепластиков.

Поскольку определяемыми характеристиками были модуль упруго­ сти EQ и прочность П0 при растяжении, экспериментальному изучению подвергались в основном тонкие образцы. Под тонкими образцами под­ разумевались такие образцы, для которых (в случае нагружения их равномерным внутренним давлением) различие между безмоментным решением и решением для толстого кольца [2] не превышало 5%. Образцы имели следующие размеры: внутренний диаметр ^1= 148мм±

дисками и испытываемым кольцом до начала нагружения. Увеличение начального зазора приводит к расширению этого участка. Характер­ ные распределения деформаций ее по окружности кольца при разных уровнях растягивающих окружных напряжений GQ представлены на рис. 3. Распределение общей деформации показано штриховыми ли­ ниями, распределение деформаций на линейном участке зависимости Р ~ ее — сплошной линией. Как и следовало ожидать, у разъема полудисков имеют место значительные пики и провалы деформаций ее. Де­ формации на линейном участке, по которому определяется E Q, более равномерно распределены в диапазоне 0= 20—50° Смазка рабочих по­ верхностей маслом не вносит принципиальных изменений в распределе­ ние деформаций.

Данные по распределению деформаций были использованы для от­ работки методики определения модуля упругости E Q д л я установления места на кольцевом образце, где следует производить измерение дефор­ маций. Предварительные исследования проводили на кольцах из высоко­ модульного стеклопластика и углепластика. На образцах симметрично к линии разъема полудисков наклеивали четыре тензодатчика сопротив­ ления (см. рис. 1—а). Были опробованы пять различных вариантов рас­ положения измерителей деформаций: середины тензодатчиков сопро­ тивления находили при 0= ±12; ±18; ±30; ±45 и ±60° На тех же кольцах были определены модули упругости при нагружении внутрен­ ним давлением. Сравнение результатов показало, что наилучшее совпа­ дение между значениями модуля упругости имеет место в случае, когда при нагружении полудисками середины тензодатчиков расположены при 0=±ЗО° (кольца из стеклопластика) и ±45° (кольца из углепла­ стика). Эти выводы подтвердились и при более подробном изучении этого вопроса на кольцах из угле-, боро-, органо- и высокомодульных стеклопластиков.

Для сравнения на тех же кольцах определялся модуль упругости при растяжении равномерно распределенным давлением, а также двумя сосредоточенными силами. При последнем способе нагружения подсчет модуля упругости проводился по деформациям ееверт и ее гор, измерен­ ным при вертикальном и горизонтальном диаметре [3] и по перемеще­ ниям вертикального диаметра доверт [4]. Найденные значения модулей упругости приведены в табл. 1. Совпадение между результатами, полу­ ченными разными методами (см. табл. 1), хорошее; в большинстве случаев разница между значениями модулей упругости не превышает 5%. По изучаемой методике более предпочтительным является измере­ ние деформаций при 0= ± 30°; при 0=±45° данные для высокомодуль­ ного стеклопластика несколько (на 5,1%) завышены.

На кольцах из органопластиков оценивалась возможность определе­ ния модуля упругости E Q п о данным измерения зазора между полу­ дисками. Хотя для подсчета модуля упругости использовался только тот участок диаграммы, на котором строго соблюдалась линейность между приложенной силой Р и измеренным увеличением зазора Аи3у прлученные значения EQ3 оказались заниженными на 60—80% по срав­ нению с данными, полученными другими методами. Более подробное изучение этого вопроса не позволило найти корреляцию между опреде-

В дальнейших опытах середины баз измерения, т. е. середины тен­ зодатчиков сопротивления располагались при 0=±ЗО°

3. Представляет практический интерес оценить влияние геометриче­ ских параметров кольца — ширины и толщины. Опытные данные по оценке влияния толщины кольцевых образцов представлены в табл. 2. Из них видно, что в исследованном диапазоне найденные значения модуля упругости, как правило, не зависят от толщины образца. За-

Влияние 'толщины кольцевых образцов на модуль упругости £0 и прочность Пе

* Для углепластика падение прочности при возрастании толщины обусловлено не только применяемой методикой испытаний, но и тем обстоятельством, что технологи­ ческие несовершенства намоточных углепластиков сильно увеличиваются с возраста­ нием толщины.

вышенные значения Ев были получены только при испытании колец из стеклопластика, имеющих толщину h = 8 мм (di/d2 = 0,905), которые, как следует из принятого определения, нельзя считать тонкими. Значе­ ния прочности Пе, определенные по данной методике, зависят от тол­ щины образцов. Величина Пе уменьшается при увеличении толщины образцов. Исключение составляют результаты испытаний органопла­ стиков, для которых в исследованном диапазоне толщин падения проч­ ности не наблюдалось. Казалось, что предпочтительнее применять наи­ более тонкие образцы, однако минимальную толщину колец опреде­ ляют чисто технологические и технические факторы: возможность реа­ лизации заданной постоянной толщины по окружности кольца, точность измерения толщины и приложенной силы и т. д. При прочностных испытаниях в кольцах малой толщины возникает также опасность раз­ мотки по ширине. По этим соображениям минимальная толщина коль­ цевых образцов должна составить от 1,5 до %мм.

Влияние ширины кольца на определяемые значения Ев и По было изучено на наиболее чувствительных к размотке композитах — угле- и органопластиках. Соответствующие данные приведены в табл. 3. Из

Влияние начального зазора между кольцевым образцом и полудисками на модуль упругости Ео и прочность Пе

Примечание, v — коэффициент вариации.

Табл. 5

Сопоставление значений прочности, определяемых при испытаниях полудисками и равномерно распределенным давлением

* Разрушение произошло путем размотки образцов по ширине.