Механика препрегов - расчет изделий из армированных композиционных материалов. В 2 ч. Ч

МЕХАНИКА ПРЕПРЕГОВ -

РАСЧЕТ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АРМИРОВАННЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В 2 частях

Часть 1

МИНСК

БНТУ

2016

1.7.Основные свойства препрегов и их использование

втехнологических процессах изготовления изделий

3

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Полимерно-волокнистая композиционная среда, находящаяся в неотвержденном состоянии полимеров, т.е. в состоянии препрега, явля­ ется объектом исследования в денной книге. Одно из основных свойств препрегов - это возможность неупругого сдвига со скольже­ нием между собой нитей армирующего материала при нагружении. Препреги настолько податливы, что позволяют проводить с ним все­ возможную переработку. В результате уже сформированное изделие может приобрести новые формы с изменением размеров. В некоторых случаях появляется юзможность упростить оснастку, уменьшить вре­ мя изготовления изделия, повысить его качество и прочностные сюйства. Достоинстюм практического использования препрегов является формование изделий на гибких оправках (других приспособлениях), например, путем изгиба из цилиндрической оболочки можно получить торовую; в производственных условиях в процессе трансформации пропитанных связующим тканых материалов изготовить шпангоуты сложной формы и многие другие изделия с заданными геометриче­ скими и прочностными характеристиками. Описанные возможности использования на практике гетерогенных полимерных материалов ре­ ализованы в ОАО «Авангард» при изготовлении оболочек, трубопро­ водов, шпангоутов и многих других изделий. Процесс трансформации препрега в изделие является важнейшим этапом изготовления инже­ нерных элементов и объектов из композитов.

Книга состоит из девяти взаимосвязанных глав. В конце каждой главы содержится список цитируемой литературы. Первая глава носит вводную направленность в область исследования композици­ онных материалов. Дано описание основных высокомодульных во­ локон и нитей, структурной организации тканых наполнителей, свойств препрегов и их использования в технологических процессах изготовления изделий, принципов создания высокопрочных ориен­ тированных стеклопластиков; изложены требования к полимерным связующим. Обсуждаются результаты исследования по оценке установленной зависимости силы внутреннего трения от свойств армирующего материала препрега, схемы армирования, вязкости связующего, температуры переработки, скорости деформирования. Исследованы усадка и коробление композиционного материала;

6

даны рекомендации по избежанию указанных негативных явлений. Приведен перечень нормативных документов по определению фи- зико-механичееких показателей композитов.

Во второй главе изложены результаты иееледований по из}^е- нию упругого и неупругого состояний пропитанных связующим тканей (препрегов). Описаны случаи возникновения этих состоя­ ний. Разработана математическая модель по расчету напряженнодеформированного состояния однонаправленного резино-кордного монослоя и композитов на его основе. Установлена зависимость между напряжениями и деформациями при растяжении тканого ма­ териала препрега. Описаны закономерности поведения тканей при сжатии. Выведены зфавнения равновесия структурной ячейки ткани при плоском напряженном состоянии препрегов. Осуществлено мо­ делирование деформации ячейки препрега при сжатии его в направлении ортогональном к направлению растяжения.

Втретьей главе изложены методы испытаний для оценки меха­ нических свойств армированных препрегов; содержатся требования

кметодикам проведения испытаний, освещены другие сопутству­ ющие вопросы. Установлено влияние перекоса и эксцентриситета закрепления ткани в рамке на результат испытаний на сдвиг. Дан анализ предельно допустимых диапазонов возможных деформаций ортогонально армированных тканей.

Вчетвертой главе разработана теория плоского деформирован­ ного состояния препрегов в условиях статического равновесия. Вы­ ведены уравнения равновесия при плоском напряженном состоя­ нии препрегов; выполнен расчет потенциальной энергии деформа­ ции. Доказаны единственность и существование решения краевых задач для препрегов. Разработанная теория использована для расче­ та напряжений в нитях препрега при проколе круглых отверстий.

Теоретические основы формования торовых оболочек на гибких оправках описаны в пятой главе. Содержание главы изложено в сле­ дующих разделах: стадии формования торовых оболочек; требования,

предъявляемые к связующим и наполнителям препегов; управление критериями качества при формовании торовых оболочек из препрегов; влияние натяжения в нитях на монолитность композиционного мате­ риала; трансформация цилиндрической оболочки-заготовки в торовую с использованием спиральной намотки нитью или жгутом.

7

Изготовление интегральных подкрепленных оболочечных конетрукций и шпангоутов из препрегов опиеано в шеетой главе. Дана методика раечета параметров транеформации при изготовлении шпангоутов из коеоугольно армированных тканей.

Седьмая глава поевящена опиеанию разработаьшой математичеекой модели по укладке тканой заготовки на выпуклые поверхноети. Решение такой задачи продиктовано необходимость укладки ткани на выпуклые поверхности без образования гофр, складок и др. недостатков. Выполнен пример укладки квадратного образца ткани на сферическзло поверхность.

В восьмой главе изложено математическое моделирование по преобразованию спирально армированной неотвержденной цилин­ дрической заготовки в форму пространственного трубопровода. Приведен пример трансформации элементов цилиндрической трубы в винтовую поверхность. Результаты моделирования являются ос­ новой практической реализации проектных решений при изготов­ лении изделий. Приведены необходимые ссылки на цитируемую научно-техническую литературу.

В девятой главе рассмотрены важные научно-технические про­ блемы по ликвидации нежелательных остаточных напряжений в изделиях, изготовленных из композитных материалов. Изложены методические аспекты расчета остаточных напряжений в намоточ­ ных элементах конструкций, приведены соответствующие расчет­ ные формулы. Описаны методика определения остаточных напря­ жений в разрезанных шпангоутах; влияние технологических пара­ метров намотки цилиндрических изделий на остаточные напряжения; методы экспериментального исследования остаточных напряжений. Результаты исследований представляют ценную ин­ формацию об остаточных напряжениях, которые могут возникнуть в изделиях из композиционных материалов.

Теоретические и экспериментальные результаты выполненных исследований по моделированию и расчету прочностных и дефор­ мационных характеристик элементов изделий из полимерно­ волокнистых материалов с неотвержденным связующим представ­ ляют важную информацию для разработчиков и изготовителей при организации последовательных оптимальных технических и техно­ логических этапов производства объектов из композитов.

8

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ИЗДЕЛИЙ

ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Композиты

Новые материалы, появление которых, как правило, определяет­ ся естественным стремлением повысить эффективность разрабаты­ ваемых конструкций, открывают возможности для реализации принципиально новых конструктивных решений и технологиче­ ских процессов, а дальнейшее совершенствование конструкций и технологий ставит новые задачи перед материаловедением.

Современные композиционные материалы обладают не только широким спектром свойств, выгодно отличающих их от традицион­ ных материалов, но и способностью к направленному изменению этих свойств в соответствии с назначением конструкции. Направ­ ленный характер свойств композитов одновременно означает, что наряду с высокими характеристиками в одних направлениях они могут обладать низкими в других. Однако правильный з^ют особен­ ностей композитов и рациональное использование их преимуществ позволяет получать конструкции, обладающие высокой степенью весового совершенства и качественным уровнем свойств, недости­ жимых при использовании традиционных материалов.

Значительное место при исследовании полимерных материалов занимают способы их получения, которые осуществляются путем полимеризации полимеров. В каждом случае получение новых ма­ териалов с заданными свойствами, связано с целенаправленным регулированием свойств, которые достигаются путем отработки технологических режимов и процессов. Для целенаправленного ре­ гулирования свойств полимерных материалов используется целый ряд способов, позволяющих контролировать их на всех стадиях технологического процесса. В настоящее время достигнуты значи­ тельные успехи в создании композиционных материалов с желае­ мым комплексом свойств (повышенного качества, заданными физи­ ко-механическими и теплофизическими показателями, с высокой стабильностью и долговечностью).

9

Внимание специалистов многих стран мира все больше привле­ кают конструкционные материалы в виде ориентированных волок­ нистых композитов. Предназначены они для изготовления основ­ ных и вспомогательных несущих элементов конструкций. Для этого имеется возможность выбора их из целого ряда типов волокнистых структур, получаемых различными текстильными методами. Уни­ кальное сочетание легкости, гибкости, высокой прочности и вязко­ сти разрушения, характерное для текстильных армирующих струк­ тур, определило преимущество их применения для широкого спек­ тра изделий - от крыльев самолета до углерод-углеродных носовых обтекателей. Значение текстильных конструкционных композитов все время повышается. Текстили, используемые в качестве армату­ ры для композитов, проектируются с учетом многочисленных тре­ бований, включая стабильность размеров и способность к облега­ нию заданной формы. Однако, несмотря на то, что способы получе­ ния сложных текстильных структур найдены довольно давно, технология изготовления изделий из композитов на их основе раз­ вивается медленно, особенно на стадии переработки препрегов. Препреги - это полимерно-волокнистая композиционная среда, находящаяся в неотвержденном состоянии полимеров. Наблюдается отсутствие фундаментальных исследований по вопросам расчетов на прочность и жесткость текстильных каркасов применительно к конструкционным материалам. Отсутствует синтез знаний специа­ листов по текстильным материалам и по структурной механике.

Композиты можно охарактеризовать как определенную комби­ нацию разнородных материалов, обладающую специфической структурой и геометрической формой. При проектировании компо­ зита стараются реализовать наивысшие эксплуатационные характе­ ристики материала, недостижимые при использовании каждого из компонентов в отдельности. Довольно часто удается получать ком­ позиты с уникальными структурами, формой и свойствами, которые значительно превосходят свойства компонентов.

Текстильные композиты можно определить, как комбинацию полимерного связующего с системой волокон или нитей, либо с тканью, полученной текстильными методами. Текстильные компо­ зиты могут быть гибкими (покрышки, надувные плоты, конвейер­ ные ленты и т.п.) и жесткими. Многие системы волокнистых арми­

10