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

ных средств, а также погрешности из-за отклонения температуры, непостоянства измерительного усилия и деформации детали при ее извлечении из пресс-формы. ГОСТ 18616-73 предусматривает из­ мерение усадки с помощью универсальных измерительных инстру­ ментов: штангенциркуля и микрометра. Результаты таких измере­ ний следует рассматривать только как ориентировочные из-за не­ определенности прикладываемого измерительного усилия и смещения точек измерения. Это приводит к тому, что заданный допуск размера становится одного порядка с величиной погрешно­ сти измерения.

При использовании специальных приборов и приспособлений с индикаторами часового типа точность измерения возрастает до 0,005 мм при фиксированном измерительном усилии 210^Н . Вследствие этого приспособления с индикаторами широко исполь­ зуются в лабораторной практике и в цеховых условиях.

Усадка представляет собой сложное явление и зависит от многих факторов: технологических параметров формования, способа под­ готовки материала, режима охлаждения изделия после извлечения из пресс-формы, конструкции изделия и структурных параметров композиции (длины и диаметра армирующих элементов, их объем­ ного содержания с^, закона распределения в объеме).

Анализ влияния структурных параметров на усадку может быть осуществлен путем решения задачи об определении перемещений и напряжений вязко-упругой среды, содержащей коротковолокнистые упругие включения. Эта задача является чрезвычайно сложной для решения даже численными методами. Поэтому в настоящее время представляется наиболее целесообразным качественный анализ на основе упрощенной модели, позволяющей приближенно выявить основные закономерности влияния структурных параметров на усадку рассматриваемых композиций.Такой анализ естественно начать с однонаправленной композиции, которую можно предста­ вить в виде элементарных моделей - звеньев, последовательно со­ единенных таким образом, что вероятность несовпадения торцов армирующих элементов в двух смежных звеньях будет равна объ­ емному содержанию полимерной матрицы ^-с^ .

Влияние технологических параметров изготовления деталей на величину усадки определяется, во-первых, случайными отклонени­

101

ями от заданных режимов и, во-вторых, возможностью изменять технологические параметры в определенных пределах с целью обеспечения заданных размеров деталей. Этому вопросу посвяще­ но значительное количество работ [177-181], в которых изучалось раздельное влияние основных технологических параметров - дав­ ления прессования Р , температуры Т и времени выдержки х - на усадку композиционных материалов с порошкообразным наполни­ телем, но без учета совместного действия этих факторов.

В процессе формования изделий из хаотически армированных композиций происходит ориентация армирующих элементов. Под

- объемное содержание однонаправленного и хаотически арми­ рованного материала в композиции соответственно.

В общем случае степень ориентации 5 является величиной век­ торной, так как характеризуется не только абсолютной величиной, но и направлением ориентации. Для полностью хаотически арми­ рованного материала абсолютная величина степени ориентации 5' = О, для однонаправленной структуры 5 = 1. Реальную структу­ ру материала можно моделировать двухслойной средой, в которой один слой полностью ориентирован, а другой является хаотически армированным. Частично ориентированная структура определяется соотношением слоев (их толщина) и задается параметром 5 [183].

Опыт переработки стекловолокнистых пресс-материалов пока­ зывает, что во многих слзшаях доже для сравнительно простых из­ делий наблюдается отклонение от заданной чертежом геометриче­ ской формы, связанное с короблением изделий. Коробление явля­ ется одним из наиболее распространенных видов брака и

102

происходит, если имеются различия в величине усадки по объёму изделия. В этом случае свободная деформация отдельных частей изделия при его охлаждении оказывается затрудненной, что приво­ дит к появлению внутренних напряжений и изгибающих моментов, вызывающих коробление.

Различия в усадке являются следствием неодинаковых усло­ вий протекания сложных физико-химических процессов во время формования изделия (отверждение, возникновение и релаксация напряжений) и после его извлечения из пресс-формы (охлажде­ ние, релаксация напряжений) и зависят от большого числа фак­ торов, точный учет влияния которых в настоящее время произве­ сти не представляется возможным. К таким факторам относятся разнотолщинность элементов изделия, различия в температуре нагрева матрицы и пуансона, нестационарность и неоднород­ ность температурного поля пресс-формы, анизотропия усадки. Для хаотически армированных стеклопластиков различия в усад­ ке определяются главным образом разной степенью ориентации армирующих волокон по зонам изделия, т.е. технологической анизотропией усадки.

Рассмотрим некоторые типичные случаи коробления хаотически армированных стеклопластиков. При изготовлении плоской детали типа пластины методом компрессионного формования отсутствует течение, а, следовательно, механические свойства изотропны. Од­ нако по периметру изделия, у его кромок, наблюдается ориентация армирующих элементов вдоль кромок из-за ограничения возмож­ ных углов расположения армирующих элементов [182]. Вследствие этого усадка в зоне кромок меньше усадки средней части изделия, а возникающие напряжения сжатия по контуру изделия приводят к короблению в результате потери устойчивости.

Вслучае осесимметричного изделия в форме усеченного конуса

сднищем в средней зоне стенок изделия армирующие элементы ориентируются в вертикальном направлении. Ближе к кромке изде­ лия происходит дезориентация первоначального потока или его ориентация вдоль кромки. В результате усадка в окружном направ­ лении у кромки изделия будет ниже, чем в средней зоне стенок, и кромки изделия будут испытывать сжимающие напряжения. Под действием указанных напряжений возможна локальная потеря

103

устойчивости, и первоначально круглое поперечное еечение вблизи кромки иекажаетея.

Увеличению анизотропии прочности соответствует увеличение коэффициентов анизотропии уеадки [183], при этом в направлении ориентации прочноетные показатели возрастают, а усадка умень­ шается, в перпендикулярном направлении - наоборот. Повышенная усадка днища заставляет изделие коробиться. При этом в кромке возникают ежимающие напряжения, а в нижних зонах - растягива­ ющие напряжения, о чем евидетельетвуют и результаты измерения тензометричееким методом деформаций образцов после вырезания их из изделия.

Неоднородноеть механичееких евойетв и усадки может быть в значительной етепени нивелирована дополнительным армировани­ ем отдельных чаетей детали етекловолокниетыми материалами ста­ бильной структуры в виде тканей, еетки, жгутов и др. Это сущеетвенно уменьшает коробление.В общем елучае при решении зада­ чи о короблении хаотичееки армированных изделий необходимо учитывать неоднородноеть и нестационарноеть температзфного по­ ля, вязкоупругие свойетва материала. В этом елучае матрица по­ датливостей заменяется матрицей временных операторов [184-186], а вмеето компонент тензора уеадок также появляются некоторые временные операторы, завиеящие от вязкоупругих свойств поли­ мерной матрицы.

На етадии проектирования изделий, выбора конструкции фор­ мующего инструмента, епоеоба переработки материала достаточно ограничиться решением упругой задачи. Даже в этом случае для подавляющего большинетва реальных изделий решение задачи мо­ жет быть пол}^ено только чиеленными методами с использованием современных электронно-вычиелительных машин. В частном слу­ чае для ортотропных плаетин термоупругая задача решена в анали­ тическом виде [187]. В евязи е отеутствием в наетоящее время до­ статочного опыта по решению таких задач на практике пользуютея рекомендациями, оенованными на многолетних результатах конетруирования, изготовления и экеплуатации изделий.

Отсутствие фундаментальных исследований напряженнодеформированного еоетояния препрегов не являетея предположе­ нием о том, что промышленноетью не выдвигаетея таких требова­ ний. Более того, иееледования в этом направлении етали наетолько

104

насущными, что обойтись без них уже невозможно. Очевидно, начинать надо с плана исследований. Такой план может отразить математическая модель, которая концентрирует в себе записанную в форме математических предложений совокупность знаний о препрегах. Как известно [188], при построении математической модели системы необходимо учитывать следующие основные требования: адекватность, универсальность, точность и экономичность. С этой точки зрения математическая модель препрегов должна включать в себя [188]:

- геометрическую модель - препреги, которые представляют собой ортотропную многослойную структуру на основе гладких тканей, выполненных из многоволоконных нитей, имеющих упоря­ доченное расположение волокон и пропитанных связующим;

-механико-математическую модель - установление функцио­ нальных зависимостей между напряжениями и деформациями ар­ мирующего материала препрегов, зависимости для предельш>1х сил трения вместе с гипотезами об абсолютной гибкости нитей и доста­ точной малости коэффициентов внутреннего трения;

-полную систему уравнений статики;

-граничные условия;

-модель решеьшя.

Математическое моделирование процесса деформирования в препреге базируется на физических принципах, обуславливающих формирование сил сопротивления неотвержденного композита (среды) внешней нагрузке. При этом в моделях необходимо исполь­ зовать константы, размерные или безразмерные параметры, опреде­ ляемые экспериментально в зависимости от структурных характе­ ристик полимерно-волокнистого материала.

Все рассмотренные в этой главе вопросы по композиционным материалам помогают в той или иной мере построить математи­ ческую модель расчета напряженно-деформированного состоя­ ния препрегов. Это предопределило начало работы, которая поз­ воляет глубже понять адгезию, трение, остаточные напряжения и концентрацию напряжений и др., а также найти способы сниже­ ния их влияния на прочностные характеристики готовых изде­ лий. Практическое использование результатов разработок имеет своей целью широкое непосредственное внедрение их в техноло­ гический процесс с целью повышения прочностных свойств и

105

качества изделий, снижения их себестоимости. Результаты про­ веденных исследований уже нашли применение в производ­ ственной практике изготовления изделий из гетерогенных поли­ мерных материалов.

Изложенный в данной работе способ расчета напряженного состояния препрегов позволяет определять напряжения попереч­ ного сжатия и растяжения в каждом семействе нитей. При этом напряжения могут достигать предельных значений, при которых наступает момент разрушения армирующего материала.

Оценка таких напряжений и их влияния на напряженнодеформированное состояние изделия после отверждения связу­ ющего представляют собой отдельную область для дальнейшего исследования.

1.18. Классификация и характеристики стеклопластиков

Ниже приведены характеристики материалов конструкций из стеклопластиков, изготавливаемых на предприятии ООО «Аван­ гард», г. Сафонове. Величины показателей отражают уровень тех­ нологии, достигнутой на предприятии. Все стеклопластики можно классифицировать по способу изготовления: намоточные, прессо­ ванные, вакуумформованные и ручного формования. По способу отверждения: горячего отверждения в специальных печах и холод­ ного отверждения (при температуре цеха). По составу: наполните­ ли и связующие. Величины показателей имеют средние значения для достигнутого уровня производства. Величины показателей определялись в центральной заводской лаборатории по ГОСТ и ОСТ приведенных в таблице 1.20.

Таблица 1.20 Нормативные документы по определению

106

Показатели механических свойств стеклотканей, полученных методом намотки, представлены в таблице 1.21

Коэффициент Пуассона в осевом направлении (уток), б/р

107

Таблица 1.21 Показатели механических свойств стеклопластиков на основе стеклотканей Т-10-14, Т-10-80, Т-13, Т-23П

В таблице 1.22 приведены показатели стеклопластиков, полу­ ченных методом ручного формования для двух сл5Т1аев, когда слои ткани уложены так, что основа и уток чередуются. Пол}Т1ается рав-

108

непрочный материал. Во втором случае все слои уложены так, что основа каждого слоя имеет одно и то же направление.

Таблица 1.22 Величины показателей механических свойств стеклопластиков,

109

Окончание табл. 1.22

В таблице 1.23 показаны величины показателей характериетик стеклопластиков, получаемых методом вакуумной пропитки под давлением и методом прессования препрегов.

Таблица 1.23 Величины показателей механических свойств стеклопластиков.

Здесь в таблице в обозначениях параметров опущен индекс /= 1,2, так как материал стеклопластика равнопрочен. Смысл па­ раметров остается таким же, как и для параметров, приведенных в таблице 1.20.

ПО