Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Поведение конструкций из композитных материалов

..pdf
Скачиваний:
34
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
10.12 Mб
Скачать

Применение 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 - 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 ) , 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?