книги из ГПНТБ / Детали из стеклопластика в судовом машиностроении

Совании почти неизбежны и могут влиять не только на их жесткость, но и на прочность. Если бы детали прессовались из гомогенной пласт­ массы, не армированной и не слоистой, то технологические дефекты первого рода, о которых пойдет речь в дальнейшем, не могли бы возникнуть.

Для исследования технологических дефектов в изделиях приме­ няются различные методы контроля:

а) исследование макроструктуры материала, позволяющее обна­ ружить дефекты первого рода;

Рис. 53. Волнистость и «завиток» ткани.

б) ультразвуковая дефектоскопия, позволяющая обнаружить де­ фекты второго рода;

в) контроль механических свойств стеклопластика в готовой де­ тали неразрушающим методом;

г) оценка несущей способности изделий путем их выборочного разрушающего испытания.

Наиболее опасный технологический дефект первого рода связан с местными искривлениями слоев стеклоткани и их отклонениями от срединной поверхности изделия. Этот дефект можно наблюдать, на­ пример, при изготовлении лопастей гребных винтов из стеклопла­ стиков. Все лопасти изготавливались из стеклопластиков горячего прессования типов СТЭР и СТЭТ. На рис. 53 и 54 представлена макро­ структура материала лопасти гребного винта диаметром 0,75 м: на рис. 53 (срез на расстоянии 15 мм от выходящей кромки) виден крупный дефект, а на рис. 54 (срез по оси) —■искривление слоев в средней (по высоте) части лопасти. Искривления возникают вслед­ ствие смещения слоев материала в процессе прессования изделия сложной геометрической формы, при котором усилие прессования не везде перпендикулярно слоям стеклоткани, а также неточности

109

Набора пакета ткани. В рассматриваемом случае степень искривле­ ния зависит от сложности геометрического перехода пера лопасти в комель. Искривления особенно опасны, если они приводят к вы­ ходу ткани на поверхность лопасти в опасном сечении в результате механической обработки боковых граней комля лопастей в процессе их установки в ступицу гребного винта. Для краткости назовем та­ кой дефект «косослоем», по аналогии с соответствующим пороком древесины.

На рис. 53 и 54 показано, что косослой, при котором ткань выходит под углом около 15° на засасывающую поверхность в опасной точке корневого сечения, привел к появлению трещин по слоям связую­ щего и к преждевременному разрушению лопасти.

Как видно из рис. 55, а, в средней части лопасти гребного винта диаметром 1,1 м имеются регулярные искривления слоев. Макси­ мальная степень искривления имеет место в утолщенной комлевой части лопасти (рис. 55, б). В сжатой зоне опасного сечения наблю­ дается качественная параллельная структура. В комлевой части лопасти вблизи торца ткань выходит под углом 35° к засасывающей поверхности (рис. 55, а, точка Г, 55° к торцу) и под углом 55° вблизи торца к нагнетающей (точка /, 35° к торцу). В средней части комля

лопасти угол выхода ткани на торцевую поверхность соста­ вляет 15°.

Трещина при стендовых испытаниях начинается в точках 1 я Г (рис. 55, а) выхода ткани на поверхность и распространяется вдоль изогнутых слоев ткани. С целью объяснения причины появления трещины определим контактные напряжения в заделке комля лопасти винта диаметром 1,1 м.

110

При повороте координатных осей на угол а определим напря­ жения, действующие по площадкам симметрии материала:

площадкам симметрии материала в случае отсутствия косослоя. Нор­ мальные напряжения аХі, ау, , aZl и касательные напряжения хХіУі, ху,г„ Х2,х, возникают на действительных площадках симметрии

Считаем, что направление утка ткани (ось у) не меняется, т. е. что направление утка ткани остается перпендикулярным геометрической оси лопасти. Косослой рассматриваем как поворот слоев ткани (вслед­ ствие ее искривления) вокруг оси у, при котором волокна ткани ока­ зываются перерезанными (благодаря механической обработке) в опас­ ной точке корневого сечения лопасти Л'.

Для проверки прочности в этом случае нужно применить крите­ рий прочности для общего случая трехосного напряженного состоя­ ния, который был записан ранее (гл. II, формула (67)). Количествен­ ная оценка влияния этого дефекта на снижение общей прочности лопасти показала, что в случае выхода ткани на поверхность под углом 15° в опасной точке прочность лопасти снижается на 15%, в случае выхода ткани на поверхность под углам-и 30 и 60° — на 55%, в случае выхода ткани на поверхность под углом 45° — на 62% (рис. 60). Для проверки прочности был применен критерий прочности в форме полинома четвертой степени. На рис. 60 по оси абсцисс отложен диаметр винта DBи логарифм наименьшего момента сопротивления опасного сечения лопасти Wmln- По оси ординат от-

средственно после изготовления (рис. 61, а). Площадь всех местных дефектов в опасном сечении лопасти № 2 составила не более 3 см2, т. е. около 5% от площади опасного сечения лопасти. Обнару-

Рис. 59. Поворот системы координатных осей.

« — угол поворота.

114

женная дефектоскопом длина дефектов точно Совпала С длиной рас­ слоений, замеренных в продольном сечении после того, как лопасть была разрезана. Расслоения появились в процессе прессования ло­ пасти из-за того, что на этих участках имелись утолщенные про­ слойки смолы. Несмотря на наличие дефектов в виде расслоений только в лопасти № 2, обе лопасти разрушились при испытаниях на стенде при одинаковой нагрузке 1500 кгс. Следовательно, дефекты второго рода при их небольшой площади, даже попадая в опасное сечение, могут и не снижать несущей способности лопастей. На рис. 61, б показана дефектограм­ ма лопасти № 1 винта диаметрЬм 0,75 м, снятая после испытания на стенде.

Таким образом, из проанали­ зированных технологических де­ фектов, снижающих прочность ло­ пастей гребных винтов, наиболее опасным является косослой или выход ткани на поверхность в опас­ ном сечении лопасти. В винтах больших диаметров вероятность косослоя всегда больше, чем в вин­ тах малых диаметров. Для винтов больших диаметров с целью умень­ шения искривлений ткани введена дополнительная технологическая операция по предварительному от­ дельному изготовлению средней части изделия в виде таблетки или сердечника.

Таблетирование производится в холодном состоянии без полиме­

ризации связующего либо при температуре 140° С с неполной поли­ меризацией до 50—70%. Основное назначение таблетки состоит в том, чтобы препятствовать появлению искривлений в наружных слоях изделия в процессе горячего прессования. Сердечник, изготовленный в специальной пресс-форме, вкладывается в общий пакет, после чего производится прессование лопасти. Первая партия лопастей изготав­ ливалась по старой технологии, без предварительного таблетирования, одностадийным методом. При рассмотрении структуры лопастей первой партии после испытаний было обнаружено наличие значи­ тельных по глубине складок и продольных искривлений. Лопасти разрушались первоначально на стороне сжатия с последующим расслоением вблизи нейтрального слоя. Подсчитанные по разрушаю­ щей нагрузке напряжения в наиболее нагруженном сечении оказа­ лись в два раза ниже, чем на стандартных образцах.

С целью устранения искривлений раскрой пресс-материала был переработан и изготовлена вторая партия лопастей. Улучшение раскроя позволило заметно повысить прочность лопастей, однако

полностью искривлений устранить не удалось. При изготовлений лопастей третьей партии двухстадийным методом вводился сердеч­ ник. Несущая способность лопастей третьей партии увеличилась благодаря отсутствию искривлений и косослоя. Аналогичные меро­ приятия проводились на лопастях крыльчатого движителя ДКК-20/5 (рис. 62, а—в), что также позволило увеличить несущую способность изделий.

лопасть № 1, после разрушения на стенде.

1 — расслоение; 2 — дефектная зона; 3 — латунная окантовка.

Ниже подробно рассматривается влияние регулярных искривле­ ний и расслоений на несущую способность и прочность стеклопла­ стика.

Для экспериментальных исследований влияния регулярных ис­ кривлений на несущую способность стеклопластика были изготов­ лены образцы методом горячего прессования из стеклопластика марок СТЭР и СТЭТ. Образцы испытывались на поперечный и кон­ сольный изгиб, сжатие, сдвиг, удельную ударную вязкость. Все ис­ следования, за исключением консольного изгиба, проводились на стандартных образцах. Образцы для проведения испытаний при кон­ сольном изгибе имели размер 10 X 15 X 120 мм.

Прессование пластин осуществлялось на прессе усилием 63 тс при удельном давлении 100 кгс/см2 и температуре 160° С. Наружные слои толщиной 25% от общей толщины образца искривлений не имели. Регулярные искривления средней части образца выполнялись путем

116

введения жгутов из этого же материала, которые ориентировались в направлении утка ткани. Жгуты толщиной 2 мм укладывались по шаблону. Модель многослойного стержня с внутренними слоями, искривленными по синусоиде и направленными вдоль основы, и жгу-

Рис. 62. Структура материала в лопасти крыльчатого движителя ДКК-20/5: а — лопасть, изготовленная одностадийным методом; б — лопасть, изготовленная одностадийным методом после уточнения раскроя; в — лопасть с сердечником, изготовленная в две стадии.

тами, направленными вдоль утка ткани, показана на рис. 63. Харак­ тер искривлений в образцах соответствует искривлениям слоев мате­ риала в реальных конструкциях.

Для количественного описания искривлений Ю. М. Тарнополь­ ский [55] предложил использовать параметр f = где k—число

полуволн на замеренной базе /, А — амплитуда волны, мм. Характеристики искривлений, заложенных искусственно при

изготовлении пластин, приведены в табл. 19 (см. стр. 113).

117

Ввиду того что в настоящее время нет надежных методов опре­ деления напряжений для стержней, имеющих регулярные искрив­ ления, оценивалась только несущая способность образцов (рис. 64).

Рис. 63. Многослойный стержень с внутренними слоями, искривлен­ ными по синусоиде.

При каждой отпрессовке одна пластина являлась контрольной. Все результаты были подвергнуты статистической обработке.

С увеличением параметра регулярных искривлений внутренних слоев несущая способность образцов, отпрессованных из материала

Рис. 64. Влияние искривлений на несущую способность образцов.

1 — сжатие; 2 — симметричный изгиб; 3 — симметричный изгиб на у к о ­ роченных образцах; 4 — удельная ударная вязкость.

СТЭТ-1, при сжатии падает от 6 до 36% (кривая 1 на рис. 64), причем коэффициент вариации образцов с нормальной структурой изме­ няется от 4 до 7%, а с нарушенной структурой — от 6 до 15%, что приводит к значительному расширению доверительных интервалов разрушающих нагрузок при уровне доверительной вероятности 0,95.

118