
Поведение конструкций из композитных материалов
..pdfПрименение металлических прослоек и утолщений приводит к увеличению весовой эффективности. Несмотря на трудности изготовления, соединения с металлическими прокладками показываются более компактными и прочными. Выполнение концевых утолщений явилось в общем тоже хорошей конструкторской идеей. Как уже отме чалось, дополнение болтового соединения клеевым способствует значительному увеличению прочности. Прочность болтовых соединений для стекловолокнистых композитов в 3 раза ниже, а для композитов с волокнами бора в 5 раз ниже, чем прочность комбинированных соединений. Разрушение от среза соединяемого мате риала было основным для болтовых соединений, исключая соединения с усиливаю щими прослойками и клее-болтовые соединения, спроектированные по условиям смятия. Использование вискеризации матрицы не увеличивает прочность соединений.
Напряжения среза в соединяемом элементе уменьшаются при увеличении расстоя ния от болта до свободного края. Увеличение этого расстояния не является эффек тивным средством для увеличения прочности соединения. Однако при заданной ве личине расстояния до свободного края прочность возрастает примерно линейно с увеличением толщины композита до момента, когда изгиб болта вызовет обратный эффект.
Для равнопрочности по срезу и смятию необходимо, чтобы расстояние от болта до свободного края было в 4,5 раза больше его диаметра. Разрыв по отверстию можно предотвратить, если расстояние между отверстием и краем листа будет вдвое больше диаметра отверстия. Отношение толщины детали к диаметру отверстия около 0,8 обеспечивает соединению максимальную несущую способность. Макси мальные напряжения среза воспринимаются композитом с укладкой слоев под углами 0 и ±45°, если 2/3 слоев имеют ориентировку ±45° к направлению нагрузки.
В исследованиях болтовых соединений использовались болты, а не вставки, т.е. учитывались контактные силы трения. Подготовка поверхности и тарировка моментов затяжки болтов обеспечивали минимальный их разброс. Использовались стандартные усилия затяжки, при которых в болтах возникали напряжения от 20 до 27 МПа. Стандартные образцы имели ширину 25,4 мм с установленными в них болтами диаметром 4,8 и 6,35 мм. При этом отношение s/D составило 2,63 и 2,00 соответственно, где s - расстояние от оси болта до продольного края испытываемо
го образца. Было установлено, что несущая способность соединения полностью не реализуется, если D/t > 2 (t —толщина композита). Поэтому номинальная толщина
композита была выбрана равной 3 мм. Опубликованные результаты показали, что несущая способность соединения возрастает с увеличением e/D до 5 (е - расстояние
от болта до поперечного свободного края). Были использованы болты диаметром 12, 19 и 6,35 мм, так что отношение e/D изменялось от 2,63 до 6,58. Испытания
показали, что прочность болтовых соединений линейно возрастает с увеличением отношения e/D до 4. Выше этой величины увеличение отношения e/D не приводит к повышению прочности болтового соединения при любых t/D.
Было предложено следующее эмпирическое соотношение для определения проч ности болтового соединения:
0 < Ъ <4 (8'9)
где Кп - экспериментально определяемый коэффициент. Для больших расстояний
от свободного края
e / D > 4 (8Л°)
где Кп - коэффициент; Рдцц - предел прочности материала.
Оба этих уравнения основаны на экспериментальных исследованиях соединений слоистых композитов, армированных под углами 0 и ±45° при s /D > 2. При этом
исключалось разрушение от растяжения (рассматривался срез и смятие листа). Был сделан также вывод о том, что наиболее эффективными при разработке соединений из композитных материалов являются полуэмпирические методы.
Как для одинарных, так и для двойных болтовых соединений внахлестку были проведены усталостные испытания при коэффициенте асимметрии цикла +0,05 с изменением нагрузки в пределах 60 -80 % от разрушающей статической нагрузки. Образцы, армированные волокнами бора, испытывались при 1800 циклах в минуту, а армированные стеклянными волокнами при 900 мин'1 для уменьшения их разоп>е- ва. Несмотря на это, одинарные соединения разогревались до 10, а двойные до 30 °С.
Установлено, что двойные болтовые соединения внахлестку обладают большей долговечностью (по сравнению с одинарными болтовыми и клеевыми), причем в каждом случае разрушение проходило по отверстиям соединяемых элементов, вы полненных из алюминиевых сплавов. Комбинация болтового и клеевого соединения композитов на основе волокон бора также показала хорошие усталостные характе ристики.
В 1970 г. было проведено [71] полное теоретическое исследование болтовых соединений с использованием метода конечных элементов для плоского напряжен ного состояния как в пределах, так и за пределами упругости. Было проанализиро вано напряженно-деформированное состояние в одинарных механических соедине ниях, распределение остаточных напряжений в пластинах после установки заклепок с натягом, влияние изгиба крепежных элементов и деформации сдвига на распреде ление контактных напряжений между крепежным элементом и пластиной, а также сделан прогноз долговечности типовых механических соединений.
Несколько позже, в работе [72] также использовался метод конечных элементов для определения давления и зоны контакта между болтом и пластиной, а также для вычисления радиуса, на котором нарушился контакт между несимметрично нагруженными, первоначально плоскими и гладкими линейно упругими пластина ми различной толщины. Радиус зоны контакта измерялся двумя методами. В первом использовалась рентгенография, а во втором измерялась площадь полированного (вследствие взаимного скольжения пластин) участка вокруг болта. В результате оказалось, что метод конечных элементов дает возможность получить данные, согла сующиеся с эспериментом, причем и расчет и эксперимент дали меньшие величины зон контакта, чем приведенные в литературных источниках. В обсуждаемой работе даны алгоритмы и программы расчета, а также руководство по их использованию.
Вдвух последних работах композитные материалы не рассматриваются, но они содержат некоторые полезные методики исследований.
В1971 г. была опубликована статья [73], посвященная возможностям метода конечных элементов для определения упругих напряжений в штифтовых соедине ниях анизотропных элементов. Штифт моделировался давлением, распределенным по закону, соответствующему половине волны косинусоиды. Вид разрушения опре делялся с помощью энергетического принципа в предположении, что разрушение любого из слоев предопределяет разрушение всего пакета. В следующем году эти
исследования были продолжены в работе [74], где рассматривалось влияние трещин и отверстий на прочность конструкций из композитных материалов, причем исполь зовалась простая модель, основанная на теории слоистых пластин. Проведены оценки прочности болтовых соединений на боро- и углепластиков. Осуществлен анализ разрушения современных композитов. В результате сделан вывод о том, что для применения линейной механики разрушения должна быть определена нижняя грани ца длины трещины и изучены масштабные эффекты.
В 1972 г. исследовалась [75] усталость клеевых и болтовых соединений совре менных композитных материалов. Был разработан метод определения напряженного состояния штифтовых соединений композитов. В следующем году вышло в свет
техническое сообщение [76], посвященное массовой оптимизации соединений компо зитов с учетом особенностей их разрушения.
В мае 1974 г. были опубликованы результаты аналитического исследования [77] по вопросам упругого поведения и разрушения механических соединений ортотропных панелей с одним или несколькими крепежными элементами. Для определения контактных зон решалась задача о взаимодействии крепежного элемента с панелью. Исследованы соединения с одним крепежным элементом, с периодической системой элементов в прямоугольной пластине конечных размеров и с изолированным эле ментом в бесконечной пластине. Для решения двумерной задачи использовали метод комплексных переменных, а для решения контактной задачи - метод коллокаций. Было установлено, что оптимальная величина отношения s/D » 2 (s — расстояние между центрами крепежных элементов, a D - их диаметр).
В 1974 г. был опубликован [78] аннотированный библиографический список предшествующих работ по вопросам крепежных соединений разных видов и по смежным вопросам. Это была первая библиографическая работа, развитием которой является настоящий обзор. При этом мы не обсуждаем работы, не относящиеся
ккомпозитным материалам.
Втом же году Исследовательским центром армии по механике и материалам была проэедена конференция, посвященная задачам механики, связанным с конст руированием различных соединений. На этой конференции было сделано сообщение
[79]о работе по конструированию болтовых соединений для углеволокнистых композитов с эпоксидной матрицей. В исследовании преследовались две цели: проектирование соединений и исследование влияния усиливающих элементов на прочность соединения. Были получены данные о прочности соединения для Thornel 300/PR 286. На основании проведенных исследований разработана полуэмпирическая методика анализа прочности соединения. В качестве усиливающих элемен тов рассматривались металлические промежуточные слои, наружные металлические пластины, дополнительно ортогонально армированные слои, увеличивающие толщи ну соединения и жгуты из стекловолокон.
Вработе упоминаются некоторые другие исследования по болтовым соедине ниям, которые здесь не обсуждаются. Рассматривается влияние на поведение соеди нений таких геометрических параметров как расстояние от отверстия до поперечно го края (е) , расстояние от отверстия до бокового края (s), диаметр отверстия
(£>), толщина слоистого композита (f), а также свойств материала, ориентации волокон, последовательности укладки слоев и вида материала. Отмечается, что
тип используемого крепежа оказывает большое влияние на прочность соединения. Например, использование потайных головок значительно снижает несущую способ ность соединения.
На первом этапе выполнения программы испытаний были оценены параметры, влияющие на поведение механических соединений углепластиков. Были рассмотре ны одинарные и двойные соединения с выступающими головками крепежных эле ментов. Образцы имели длину 127 мм. На втором этапе испытывалось 54 образца с двойной нахлесткой и исследовались возникающие усиления. Приведено описа ние усиленных соединений.
Эмпирическая формула для коэффициента концентрации напряжений имеет вид
( 8.11)
где А экспериментально определяемая постоянная, зависящая от ориентации
слоев в композите. Таким образом, зная предел прочности на растяжение компо зита в исходном состоянии можно найти величину предела прочности на растяжение композита с болтовым соединением
|
(8.12) |
Поэтому предельная растягивающая нагрузка |
|
Pni = Fni{ 2 s - D ) t |
(8.13) |
где Ъ - ширина образца. |
|
Предельная нагрузка при срезе' |
|
№ |
(8.14) |
|
где А , и А 2 - постоянные, зависящие от ориентации слоев.
Зная Fso, можно найти соответствующую предельную нагрузку на крепежных
элементах
(8.15)
Для определения предельной нагрузки, соответствующей смятию, использовано очевидное равенство
■^B R — FBRuDt |
(8.16) |
где FB RU “ предел прочности композита на смятие. |
|
После проведения второго этапа испытаний было установлено, |
что наиболее |
эффективная в массовом отношении структура для соединений элементов из угле пластика соответствует углам армирования ±45°, это согласуется с результатами работы [6]. Вместе с тем, использование промежуточных титановых слоев оказалось предпочтительным с точки зрения минимизации толщины панели.
В случае, когда имеются ограничения на размеры соединения, следует использо вать металлические слои, размещенные либо внутри материала, либо снаружи. При этом может быть получено отношение e/D = 2, вместо 3, которое необходимо при
других видах усиления соединений. Этот вывод также аналогичен полученному в работе [6]. С технологической точки зрения чисто композитное соединение являет ся наиболее простым, а соединение с дополнительными титановыми слоями - наибо лее сложным.
При использовании для усиления соединений утолщений, титановых накладок и прослоек, а также однонаправленного стеклопластика отношение нагрузок, соответ ствующих начальному и окончательному разрушению, было близко к единице. Только для образцов из стеклоткани с высоким (e/D) это отношение составляло
0,06. Следовательно, для высоконагруженных соединений элементов из углепласти ка усиление сктелопластиков можно'использовать только в особых случаях, когда необходимо повысить трещиностойкость соединения. Отмечается, что выполнение отверстий в ходе изготовления материала с помощью извлекаемого затем штыря является перспективным, но требует дальнейших исследований. Необходимо также проведение усталостных испытаний при случайных режимах нагружения.
На симпозиуме в 1974 г. обсуждалось f861 применение метода сил для анализа Heynpyrqro поведения и определения предельной нагрузки и вида разрушения много слойных и многорядных соединений в условиях неравномерного нагрева. К сожале
нию, в этой работе рассматриваются только металлические конструкции. В работе [86] для получения соотношений между деформациями и напряжениями при анализе напряженного состояния пластины в окрестности крепежного элемента используются соотношения Рамберга-Озгуда. Здесь рассматривают нелинейные и неупругис эф фекты. Отмечаются еще три работы [87 -89], посвященные анализу соединений в условиях температурного нагружения, но они относятся к поведению металличес ких конструкций при упругих деформациях.
На этом же симпозиуме была представлена работа [90], где приводятся аналити ческие исследования механических соединений композитных пластин. Крепежные элементы рассматривались в виде жестких круглых вставок. Исследовались как одиночные, так и многорядные соединения. Приводилось сравнение решений, выпол ненных с учетом трения между крепежным элементом и пластиной и без него. Для решения плоской задачи использовали метод комплексных переменных, как и в работе [13], а граничные условия удовлетворялись методом наименьших квадратов. Отмечается, что итерационное решение требуется для: определения зоны контакта между крепежным элементом и пластиной; оценки величины участка отверстия, на котором отсутствует проскальзывание при учете трения; определения попереч ной деформации, соответствующей отсутствию поперечных напряжений в много рядном соединении.
Необходимо учитывать, что на поверхности отверстия имеет место контактная зона, для которой радиальные перемещения соответствуют смещениям крепежного элемента, и область, где нормальные и касательные напряжения отсутствуют. Кроме того, контактная зона разделяется на область, где отсутствует скольжение, и область, где имеет место скольжение, т.е. должно выполняться линейное соотношение между касательными напряжениями и контактным давлением.
Для анализа послойного разрушения был использован модифицированный энерге тический критерий Хоффмана [91]. Преимущества такого подхода по сравнению с работой [9], где использовался традиционный энергетический критерий, связаны с тем, что критерий Хоффмана учитывает различия прочности при растяжении и сжа тии, т.е.
° L |
g L a T |
. |
a T |
, * -*L c |
^ L t |
, |
^ T c |
^ T t _ |
, |
T L T _ 1 |
/ g |
|
C C |
^ О |
О |
C1 O' |
|
^ L |
С |
С |
l |
1 L T |
' |
^ L c ^ L t |
^ T c ^ L t |
^ L c ^ L t |
|
° T c ° T t |
|
|
|||||
где a - |
нормальные напряжения; т - |
напряжения сдвига; |
S - |
допускаемые нор |
|||||||
мальные напряжения; |
Т - допускаемые напряжения при сдвиге; |
индекс L соответст |
|||||||||
вует направлению волокон; |
индекс Т - |
направлению, перпендикулярному волок |
|||||||||
нам; индекс t - |
напряжению при растяжении, индекс с - напряжению при сжатии. |
Еще раньше в работе [9] было установлено, что представление закона распределе ния давления между крепежным элементом и пластиной в форме полуволны коси нусоиды приводит к удовлетворительным результатам. В работе [90] было отмечено, что такое представление приемлемо, если {e/D) > 2 и s/D не очень велико.
Кроме того, в работе [90] был сделан вывод о том, что оптимальное расстояние между крепежными элементами должно быть примерно вдвое больше их диаметра, и что для реализации полной прочности соединения необходимо, чтобы минималь-1 ное расстояние до края соединения было также вдвое больше диаметра крепежного 1 элемента. Это связано с тем, что при {e/D) > 2 максимальное значение напряжения ’ становится независимым от {e/D). Этот вывод отличается от результатов работы1 [6], где отмечается, что вышесказанное справедливо при {e/D) > 4. Различия между ; поведением соединений с одним и многими крепежными элементами для часто'’ используемых композитов со слоями 0? ± 45° незначительны. Вместе с тем, для1' однонаправленных слоистых композитов учет взаимного влияния крепежных эле-1 ментов становится важным. Установлено, что учет трения значительно снижает на-11
пряжения, вызывающие расслоение. Указывается на необходимость эксперимен тального определения действительного значения коэффициента трения. Отмечается, что при использовании усиливающих прослоек материал должен обладать высокой сдвиговой жесткостью, обеспечивающей эффективную передачу нагрузки на про слойку. Такие материалы можно получать осаждением бора на полиамидную основу или образованием пленок графита.
И, наконец, делается вывод о том, что методы исследований необходимо усовер шенствовать: введением нелинейности, что обсуждалось ранее (26); учетом межслой ного сдвига и нормальных напряжений, наряду с другими трехмерными эффектами; учетом стеснения деформации, вызванного накладками; учетом потери устойчивос ти слоев. Установлено, что при разрушении от смятия трехмерные эффекты прояв ляются, например, в расслоении материала. Межслойное разрушение часто имеет место в композитах с укладкой ±45°.
Годом позже в работе [92] вновь отмечается, что клеевые соединения более эф фективны, чем заклепочные или болтовые, и что последние используются при необ ходимости образования разборных соединений. В 1975 г. тем же автором подчерки валось, что основные трудности анализа механических соединений связаны не с опре делением напряженного состояния, а с описанием их разрушения, которое является актуальной проблемой. Отмечается, что трехмерный анализ напряжений и учет нелинейности поведения материалов позволили бы усовершенствовать расчет соеди нений и повысить их надежность.
Указывается, что пластическая деформация в слоистых композитах оказывает значительное влияние на распределение напряжений и разрушение. Недавние экспе рименты, проведенные на ортогонально армированных стеклопластиках с использо ванием метода муаровых полос, подтверждает этот вывод. Кроме того, поскольку влияние трения надо учитывать, то использование граничных условий на контуре отверстия в перемещениях является предпочтительным по сравнению с аппрокси мацией радиального давления, хотя последняя общепринята.
Также делается вывод, что максимальная прочность многорядного соединения достигается при (s/D) = 1, где (2s/D) - расстояние между рядами, a (e/D) =2. Одна ко при наличии нелинейности при сдвиге величины (e/D) может быть значительно больше двух. В работе отмечаются и другие аспекты, упомянутые в этом разделе. Существенным является учет анизотропии разрушения при исследовании напряжен ного состояния. Трехмерный анализ напряженного состояния необходим для изуче ния расслоения. Разрушение в результате сдвига в отдельных слоях приводит к сни жению жесткости слоя, которая компенсируется волокнами соседних слоев. Поэто му нелинейный анализ позволяет лучше предсказать разрушение.
На той же конференции в 1975 г. в работе [93] был представлен обзор по механи ческим соединениям. Отмечается, что точные методы исследования требуют решения задачи для одного крепежного элемента с использованием граничных условий в пере мещениях, а не аппроксимации радиального давления. Эти методы должны допус кать изменение угла зоны контакта между, болтом или штифтом и пластиной, что подтверждает ранее сделанные выводы. ?
В 1976 г. было показано [94], что прочность при смятии стеклопластиков может быть увеличена на 40-100 % за счет натяга болта. В том же году появилась работа [95], посвященная гидротермическим воздействиям (сочетание высокой температу ры и влажности) на болтовые соединения. Исследовалось влияние воздействия температуры 114 °С и 1,5 %-ной влажности (по массе) на прочность при смятии штифтового соединения композита Thomel 300/Narmco 5208. Рассматривались следующие ориентации слоев: [02/±45°]2S, [90?/±45°]2У и [0°/±45°/90°] 2S. Уста новлено, что прочность соединений на смятие при 114 °С и 1,5 %-ной влажности ниже, чем при комнатной температуре и влажности для всех вышеперечисленных компози тов. Впоследствии было показано, что взаимодействие между температурой и влаж ностью отсутствует, каждый из параметров независимо влияет на падение прочности.
В 1977 г. появилась работа (96], в которой исследовалось влияние последователь ности укладки слоев в стеклопластиках на прочность соединений при смятии. Проч ность соединений определялась на образцах, образованных восемью слоями и обла дающих срединной плоскостью симметрии. Использовались слои с углами 0°, 90°, ±45° и -4 5 ° в восьми комбинациях. Был сделан вывод, что укладка слоев с углом 90° вблизи поверхности увеличивает прочность на смятие. Вид разрушения зависит от последовательности укладки слоев. Отмечается, что последовательность укладки (90°/±45°/0°]5 обеспечивает на 30 % более высокую прочность на смятие по сравне нию с самым неудачным вариантом, [0°, 90°, ±45°]г Вместе с тем, наиболее проч ная структура обладает наименьшей трещиностойкостью.
В то же время была опубликована работа (97] по исследованию прочности на смятие штифтового соединения тканых эпоксидных композитов на основе воло кон кевлар 49. Отмечается, что применение композитов на основе волокон кевлар вызывает трудности, связанные с обеспечением прочности на смятие. Эксперимен тальное исследование проводилось на образцах с укладкой слоев 10о/90°/±45°], [0°/90°] и (±45°]. Толщина их изменялась от 1,9 до 7,5 мм, а диаметры крепежных элементов - от 3,2 до 12,7 мм. Композиты специального назначения изготавливали из сатиновой ткани Du Pont Style 181 Kevlar 49, пропитанной эпоксидной смолой Е= 781. Образцы имели ширину 3,8 мм, а расстояние между отверстиями, а также до кромки образца составляло 19 мм. Допуск отверстия находился в пределах 0,05 мм.
В работе констатируется, что желательно обеспечить не только прочность на смя тие, но и специальную форму диаграммы деформирования, которая позволит проек тировать соединение по пределу текучести материала, а не по пределу прочности на смятие. Это особенно существенно для соединений, работающих при повторных нагрузках. Для всех образцов была характерной классическая форма разрушения при смятии, сопровождающаяся расщеплением и отслоением наружных слоев. Не наблюдалось разрушения от среза и разрыва по ослабленному сечению, во всяком случае до момента, когда накапливались значительные деформации смятия. Отме чается, что зависимость между нагрузкой и деформацией при всех испытаниях была идентичной и имела пять характерных участков, которые подробно описывают ся в работе для штифтового соединения, допускающего свободную поперечную деформацию композита. Если эта деформация стеснена, то диаграмма деформирова ния имеет традиционную форму.
Был сделан вывод, что предел текучести при смятии достигается значительно раньше, чем предел прочности и очень чувствителен к последовательности укладки
слоев. Квазиизотропные материалы (0°, 90°±45°]s обладают наибольшим пределом текучести. Предел прочности при смятии не зависит от последовательности укладки слоев.
Важно отметить, что прочность при смятии органопластиков на основе волокон кевлар (49] существенно ниже, чем для других высокопрочных композитов и сос тавляет 6,9-14 МПа. Поэтому рекомендуется местное усиление отверстия.
В 1977 г. были представлены результаты (98] аналитического решения для упру гих ортотропных и изотропных пластин, нагруженных через штифты. При этом полагалось, что штифты являются абсолютно жесткими, трение отсутствует, а нор мальное давление распределяется в соответствии с полуволной косинусоиды.
Отмечается, что в виду своей сложности, задачи оптимизации и оценки поведения конструкции при циклическом нагружении должны решаться экспериментально. Теоретическое распределение напряжений вокруг отверстий под крепежные элемен ты представляется полезным для анализа результатов испытаний. Рассматривались однонаправленные армированные под углами (90j, ±45°]s и квазиизотропные углепластики. Допущение относительно абсолютной жесткости штифта применимо ко всем слоистым композитам, исключая однонаправленные. Кроме того, косинусо идальное распределение давления справедливо только для изотропных или слабо анизотропных материалов. Отмечено, что окружные напряжения не всегда макси мальны при угле 90° к направлению нагрузки, действующей на отверстие.
Автор работы (98] обращает внимание, что можно было бы найти напряжения в отдельных слоях и исследовать прочность слоев композита, однако этого не дела лось, поскольку преобладают трехмерные эффекты у края отверстия, чем в значи тельной мере ограничивались возможности двумерного анализа, Делается также вывод, что в виду относительно низкой поперечной прочности и относительно высо кой концентрации окружных напряжений следует избегать применения механичес ких креплений для однонаправленных углепластиков.
Общий подход к проектированию
Очевидно, что сложности, связанные с разработкой механических соединений для композитных материалов, исключают аналитические методы проектирования. Необходимо располагать программой метода конечных элементов, учитывающей трехмерные эффекты, трение между болтом и отверстием, гидротемпературные воздействия, нелинейность слоистых композитов, изгиб болта и другие факторы. Но даже и в этом случае чисто практические вопросы, связанные, например, с точностью отверстий или с действительным моментом затяжки болта, ограничивают применимость теоретических результатов для решения задач проектирова
ния.
Применительно к этим задачам лучшим подходом можно считать изложенный в работе [79], где даются простые и удобные зависимости, использование которых предполагает проведение необходимых экспери ментальных исследований. Для любого элемента конструкции выбор материала и ориентации слоев и их количества осуществляется с учетом общего нагружения и воздействия окружающей среды, прежде чем ре шается вопрос о соединениях.
Для выбранного композита проводятся испытания с целью определе ния пределов прочности на растяжение (7 ^ ), срез (Fso) и смятие (FBR), соответствующих конкретной структуре. В статье [79] представлены ре зультаты испытаний углепластика с укладкой слоев [0°, ±45°, 90°]у. Они приведены на рис. 8.13, 8.14 и 8.15. Эти результаты, а также уравне ния (8.11)—(8.16) можно использовать для конструирования, расчета и оптимизации любого соединения. Если на элемент конструкции действуют гидротемпературные факторы, то испытания должны проводиться в соот ветствующих условиях. Отметим, что в работе [95] показано отрицатель ное воздействие гидротемпературных факторов. Для соединений с затяж кой испытания должны проводиться при контролируемой затяжке, по скольку было показано [94], что усилие затяжки может увеличить проч ность на смятие на 40-100 %. При испытаниях должны использоваться реальные болты, при этом прочность болтовых соединений с выступаю щими и потайными головками различна [79]. Зная прочностные свойства, можно выбрать размер болта, способного передавать заданное усилие. Следует иметь в виду, что общеприняты соотношения s/D = 1 и e/D =2, которые близки к оптимальным во многих случаях. Для более детальной оптимизации можно воспользоваться уравнениями работы [79].
Когда толщина слоистого композита недостаточна для передачи задан ной нагрузки, необходимо местное усиление. Различные способы усиле-
Рис. 8.13. Прочность при растяжении слоистого композита с укладкой слоев (0°, ±45°, 90°) в функции (s/D) при (e/D), равном 2(7), 3(2) и 4 (3); 4 - прочность при сжатии
Png. 8.14. Прочность при срезе слоистого композита с укладкой слоев (0°, ±45°, 90°)s в функции (e/D) - линейная зависимость по уравнению (4); разрушение от смятия при (e/D) =4
ния рассматривались в работах [7, 90]. В этом случае требуются допол нительные испытания усиленных соединений. Если конструкция подвер гается знакопеременному нагружению, то необходимы испытания на усталость. Предварительное проектирование может быть осуществлено по условиям текучести и прочности на срез и смятие при средней нагрузке цикла.
Не надо забывать и о том, что сочетание клеевых и болтовых соедине ний обеспечивает гораздо более высокую прочность, чем исполь зование каждого соединения в отдельности [7]. При конструи ровании таких соединений мож но также воспользоваться под ходом, изложенным в работе [79].
Рис. 8.15. Прочность при смятии в зависимости от свойств слоистого композита с укладкой слоев (0°, ±45 , 90 )s ; цифры у кривых - эквивалентные напряжения смятия
Уместно отметить, что проблемы, связанные с разработкой механичес ких креплений трехслойных конструкций из композитных материалов, не освещены в современной литературе. Ш и в этом случае также можно воспользоваться результатами работы [79].
8.4.ЗАДАЧИ
8.1.а. Определить, используя рис. 8.15, полную нагрузку Р на болт диаметром 6,35 мм, если толщина слоев композита 0,14 мм.
8.1.б. Для соединения с параметром е = 19 мм, используя рис. 8.14, определять, каким должно быть расстояние s , и чтобы оно было способно выдержать нагрузку, определенную в задаче 8.1, а (т.е. найти s при Рдд =РЮ).
8.2.а. Для слоистого композита со структурой [0°, ±45°, 90°Js при толщине
каждого слоя 0,14 мм с помощью рис. 8.15 найти полную предельную нагрузку Р на болт, если его диаметр 16 мм.
8.2. б. С помощью рис. 8.14 для соединения с параметром е = 19 мм определить, каким должно быть sy чтобы оно было способно противостоять нагрузке на болт, величина которой была определена в задаче 8.2, д, т.е. найти = Ру0.
8.3. Для композита из восьми слоев [0°, ±45°, 90°JS общей толщиной Л = 1,1 мм определить величину разрушающей нагрузки, если для соединения используется болт диаметром 9,5 мм, s = 25,4 мм, е = 25,4 мм. Указать, какой из трех видов разрушения наступит под действием нагрузки, приложенной к болту.
8.4.Почему потенциальные возможности клеевых соединений в конструкциях из композитных материалов выше, чем механических?
8.5.Перечислите шесть основных типов клеевых соединений.
8.6.Какие три вида разрушения возникают в конструкциях с механическими соединениями?
8.7.Почему сочетание механических соединений с клеевыми имеет преимущест во перед каждым из этих видов соединения в отдельности?
8.8.Какими пятью основными правилами следует руководствоваться при конст руировании клеевых соединений в конструкциях из композитов?