6.5. Результаты разгонных испытаний колец из композитов на эпоксидном связующем

П р и м е ч а н и е . При испыта­ ниях тонкое кольцо крепилось на профилированную алюминиевую сту­ пицу.

заны с требованиями, предъявляемыми

кмощности системы.

Существенные проблемы могут быть

порождены вибрациями. Особенность состоит в необходимости обеспечения устойчивой работы системы в широком диапазоне угловых скоростей. Рабочий диапазон может располагаться до пер­ вой критической угловой скорости или между критическими скоростями. Про­ ектирование системы, работающей в докритическом режиме, предъявляет высокие требования к жесткости как самого маховика, так и других элемен­

неустойчивости вращения, т. е. появ­ ления колебаний (прецессии) с нара­ стающей амплитудой с частотой, от­ личной от частоты вращения. Одним из таких источников является внутрен­ нее трение в маховиках, которое в согставных конструкциях может оказать­ ся значительным.

Вопросы, связанные с проектирова­ нием защиты, рассмотрены в [15]. Маховики, изготавливаемые намоткой, разрушаются без крупных осколков и

а в восприятии крутящего момента, которым разрушающийся маховик на­ гружает стенки камеры. Для маховика

с малой осевой толщиной основным элементом защиты может служить коль­ цо, изготовленное для уменьшения массы из композита и имеющее воз­ можность расширяться в радиальном направлении и проворачиваться вокруг оси. В такой конструкции реактивный момент ограничивается величиной тре­ ния между кольцом и корпусом спе­ циальной конструкции.

Список литературы

1. Боков Ю. В., Васильев В. В., Портнов Г. Г. Оптимальные формы и траектории армирования вращающихся оболочек из композитов//Механика ком­ позитных материалов. 1981. Кв 5. С. 846— 864.

2.Васильев В. В., Поляков В. А., Портнов Г. Г. и др. Оптимальная вра­ щающаяся оболочка из композита, на­ полненная жидкостью//Механика компо­

зитных материалов. 1982. Кв 2. С. 301 — 306.

3.Моорлат П. А., Портнов Г. Г., Ромашко В. И. и др. Анализ предельной

мощности при подводе н съеме энергии в процессе разгона и торможения кордо­ вых маховиков//Механнка композитных материалов. 1985. Кв 4. С. 665—673.

4.Моорлат П. А ., Портнов Г. Г. Ана­ лиз энергоемкости хордовых маховиков// Механика композитных материалов. 1985. Кв 5. С. 881 —887.

5.Моорлат П. А., Портнов Г. Г. Рас­ чет напряженно-деформированного со­ стояния хордового маховика со спнца-

мн//Механика композитных материалов. 1983. Кв 5. С. 853—862.

6. Моорлат П. А., Портнов Г. Г,. Селезнев М. Н. Равновесие нити с учетом трення при хордовой намотке дисков из

дование энергоемкости маховиков из ком­

позитных материалов. 1980. Кв б. С. 888— 894.

9.Портнов Г. Г. Оценка энерго­ емкости вращающихся тел по интеграль­ ной характеристике их напряженного состояння//Проблемы прочности. 1987. Кв 2.

С.7— 12.

10.Ромашов Ю. П., Черевацкий С. Б., Проектирование маховиков, изготовлен­ ных из волокнистых материалов//Проблемы прочности. 1983. Кв 4. С. 13—17.

11.Черевацкий С. Б., Ромашов Ю. П., Сидорин С. Г. Об одном проекте накопите­ лей механической энергии//Механика ком­ позитных материалов. 1983. Mb 6. С. 1116— 1119.

Толстостенные цилиндрические обо­ лочки и кольца, образуемые методом намотки, находят широкое применение в конструкциях самого разнообразного назначения. Основная особенность рас­ чета и проектирования толстостенных композитных элементов связана с не­ обходимостью анализа их напряжен­ ного состояния на этапе изготовления, так как возникающие при этом началь­ ные технологические напряжения ока­ зывают существенное (а иногда и ре­ шающее) влияние на несущую способ­ ность.

Первым этапом изготовления яв­ ляется намотка полуфабриката с за­ данным усилием натяжения. После за­ вершения намотки в общем случае сле­ дуют стадии разогрева, полимеризации при повышенной температуре, охла­ ждения, снятия с оправки (если оправ­ ка не является составной частью гото­ вого изделия). Разогрев сопровождает­ ся совместным термическим расшире­ нием изделия и оправки, падением ра­ диальной жесткости, фильтрацией, ре­ лаксацией части напряжений, создан­ ных при намотке. При полимеризации растет радиальная жесткость и проч­ ность, происходит физико-химическая

усадка. Толстостенные изделия производятся с применением преимуществен­ но смол горячего отверждения, так как полимеризация смол холодного отвер­ ждения связана с выделением тепла, приводящим к неконтролируемому са- моразогреву и, как правило, к боль­ шей физико-химической усадке. Охла­ ждение сопровождается совместной тер­ мической усадкой изделия и оправки, ростом радиальной жесткости и проч­ ности. В процессе охлаждения изделие может само при некоторой температура отделиться от оправки. Если это не происходит, то производится удаление оправки.

На протяжении всего технологиче ского процесса происходят существен­ ные изменения физико-механических свойств материала и напряженно-де­ формированного состояния. Поэтому применение к такому материалу еди­ ной (но очень сложной) реологической модели, характеризующейся большим набором экспериментально определен­ ных констант, практически исключено, хотя теоретические попытки такого рода делались. Инженерный подход к решению состоит в том, что история нагружения изделия разбивается и я

Рис. 7.1. Изменение давления на тензо­ метрическую оправку на всех технологи­

ряд стадий, соответствующих техноло­ гическим (к ним добавлялась эксплуа­ тационная стадия), на каждой из ко торых материал характеризуется своим реологическим законом. При этом на стыках стадий происходит скачкооб­ разное изменение свойств, для учета которых могут быть приняты различ­ ные упрощающие гипотезы, например гипотеза о наследовании напряженного состояния (в этом случае пренебрегают невязками в деформациях) или ка­ кая-то более сложная гипотеза, кото­ рую в общем случае называют гипоте­ зой о наследовании напряженно-де­ формированного состояния. Разбивка на стадии удобна и тем, что для каждой из них возможно использование ряда упрощений, неприемлемых для описа­ ния всего процесса в целом.

Отправной точкой в развитии инже­ нерной теории послужили эксперимен­

ты с применением тензометрических оправок, которые позволили просле­ дить за кинетикой изменения давления на всех технологических стадиях про­ цесса (рис. 7.1). Особый интерес пред­ ставляет постоянство давления на оп­ равку в процессе полимеризации. Это позволило создать различные варианты теории начальных напряжений, в ко­ торых при применении гипотезы сум­ мирования напряженных состояний по стадиям полимеризационная стадия игнорируется.

Разработаны методы и приемы, по­ зволяющие рассчитать кинетику изме­ нения напряженно-деформированного состояния в процессе изготовления изделия и сопоставить ее с кинетикой изменения прочности, определить на­ чальные технологические напряжения, учесть их и другие особенности, свя­ занные с намоткой, а затем, исходя из прочностных данных и особенностей работы конструкций под эксплуата­ ционной нагрузкой, найти оптималь­ ные технологические режимы, способ­ ствующие повышению качества изде­ лий и несущей способности конструк­ ций.

7.1. АНИЗОТРОПИЯ НАМОТОЧНЫХкомпозитов

Для аналитического описания процес­ са намотки необходимо знать деформативные свойства наматываемого полу­ фабриката. Свойства вдоль наматывае­ мой ленты или жгута определяются свойствами арматуры; при использо­ вании жесткой арматуры и сохранении предварительного натяжения в про­ цессе переработки они с достаточной точностью описываются законом Гука. Деформативные свойства полуфабри­ ката поперек волокон характеризуются высокой податливостью. Обычно эти свойства исследуются путем испытания на статическое сжатие поперек воло­ кон пакета из слоев полуфабриката (рис. 7.2).

Приведенные данные, несмотря на их некоторую условность, связанную с от­ сутствием единой отработанной мето­ дики, убедительно свидетельствуют о существенной нелинейности диаграмм а3 — вд, обусловленной процессом объ-

О 1 0 2 0 3 0 - Е 3 , %

Рис. 7.2. Диаграммы аа—е8 при попереч­

ленный полиэфирный стеклопластик, Т —

емного уплотнения пакета и образова­

б 3,МПа

Рис. 7.8. Диаграммы поперечного сжатия при температурах 293 К (/, 2, 3) и 373 К {4, 5, 6) для трех ( / —///) типов однона­ правленных стеклопластиков

при поперечном сжатии слоев полу­ фабриката), меняется в широких пре­ делах в зависимости от состояния свя­

фабрикаты композитов могут быть оха­ рактеризованы как материалы с исклю­ чительно ярко выраженной анизотро­ пией и существенной нелинейностью в направлении, перпендикулярном ар­ мирующим волокнам. Именно свой­ ства в этом направлении необходимы для построения количественной тео­ рии.

Для описания стадии намотки важ­ ное значение имеют .прочности при растяжении вдоль волокон Я | и сжа­ тии поперек них Яз. Эти характери­ стики по порядку величин не отли­ чаются от соответствующих значений для отвержденных композитов. При переходе в зону сжатия при нагруже­ нии вдоль волокон происходит их искривление, поэтому в расчетах мож­ но считать, что прочность Яу полу­ фабриката композита при сжатии в этом направлении равна нулю.

На этапе разогрева происходит паде­ ние жесткости полуфабриката при сжа­ тии поперек волокон. Представление о количественной оценке этого явления можно получить из сопоставления кри­ вых (см. рис. 7.2) для одних и тех же материалов, но при разных температу­ рах испытаний. Кроме того, при разо­ греве происходит термическое расши­ рение материала. Величина темпера­ турного коэффициента линейного рас­ ширения ах вдоль волокон примерно та же, что и у отвержденного мате­ риала. Температурный коэффициент линейного расширения поперек воло­ кон Од весьма изменчив и существенно зависит от степени предварительного уплотнения. Для уплотненного полу­ фабриката коэффициент Од примерно равен или несколько превышает соот­ ветствующий коэффициент отвержден­ ного композита.

При полимеризации происходит рост жесткости и прочности в направлении поперек волокон и физико-химическая усадка в этом же направлении. В ре­ зультате полимеризации характер диа­ граммы поперечного сжатия (рис. 7.3) меняется на противоположный; с рос