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

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АРМИРОВАННЫХ ПРЕПРЕГОВ

3.1.Требования к методикам испытаний препрегов

Вотличие от традиционных конструкционных материалов препреги обладают специфическими свойствами, которые надо учиты­ вать при проведении механических и других видов испытаний. Прежде всего, эти материалы практически невоспроизводимы, если не будут строго регламентированы технология, условия кондицио­ нирования, испытания и трансформации в процессе изготовления изделия. Поскольку препреги являются гетерогенными материала­ ми, их свойства будут обусловливаться свойствами отдельных определяющих компонентов. Свойства препрегов при проведении испытаний должны соответствовать условиям их переработки, т е. учитывать влияние окружающей среды, температуры, внешней нагрузки.

Существенным для препрегов является то, что один из компо­ нентов - связующее, находится в жидком состоянии. Это позволяет препрегам быть эластичными. Определяющую роль при формова­ нии изделий играют силы трения. Армирующий материал в виде нитей не связан тесно друг с другом в узлах переплетения, что объ­ ясняет возможность сдвига со смещением одной нити относительно второй. Такие деформации значительны, другими словами, конечны и, несмотря на это, во многих случаях не приводят к разрушению армирующего материала.

Соблюдение требований о моделировании реальных технологи­ ческих режимов обязательно, так как это может порождать несов­ падение методик испытаний с заложенными в них требованиями. Для получения сопоставимых данных при таком подходе к исследо­ ванию свойств препрегов и их научного обобщения необходимо иметь соответствующие информационные данные и соблюдать определенные правила:

- полную характеристику испытываемого материала - тип материала (состав, соотношения компонентов, схемы укладки арматуры), режимы изготовления, формы и размеры исходной заготовки и т.п.;

201

-форму, размеры и способ изготовления образцов, условия кондиционирования образцов, способ закрепления, количество об­ разцов для эксперимента;

-характеристику испытательной машины и измерительной ап­ паратуры, характеристику окружающей среды, температуру;

-режим нагружения - способ приложения нагрузки, скорость нагружения;

-способ обработки экспериментальных данных и доверитель­ ные интервалы (ошибка, разброс).

При построении методик испытаний будем соблюдать два принципа. Одно утверждение (принцип «размазывания»): Альперин [1] основано на том, что число армирующих элементов до­ статочно велико и поэтому армированный материал можно при­ ближенно заменить квазиоднородным анизотропным материалом. Этот материал является обобщением классической среды, рас­ сматриваемой в теории упругости анизотропного тела. Другим принципом является рассмотрение материала без учета влияния связующего. При этом предполагается, что всю нагрузку воспри­ нимают волокна. Давление, возникающее в связующем, в резуль­ тате деформации препрега, со временем выравнивается, поскольку арматура препрега представляет собой пористую среду. Только после выравнивания давления процесс деформирования препрега

завершается. На этом основании можно считать, что связующее не оказывает существенного влияния на напряженное состояние в нитях препрега. Связующее играет роль смазки, уменьшая силы трения в узлах переплетения нитей.

Рассматриваемые препреги представляют собой слоистые ком­ позиты, армированные нитями под углом ±сро, т.е. они имеют регу­ лярную структуру и, следовательно, обладают четко выраженной анизотропией каждого слоя. На этом основании, если рассматривать задачи, которые приводят к деформациям, не выходящим за рамки слоев, такую систему можно рассматривать как плоскую. Это оправдывает применение в испытаниях образцов, изготовленных из тканого материала.

Задачей настоящего раздела является установление методик про­ ведения испытаний для определения тех характеристик препрега, которые используются в расчетных формулах, полученных в

2 0 2

предыдущей главе. Таким образом, необходимо разработать мето­ дики испытаний для определения коэффициентов внутреннего тре­ ния , Р2 ^ ^11; ^12! ^22; напряжений растяжения ,^ 2 0 в армирующем материале, определяющем предсдвиговое состоя­

ние; , 12 - предельных значений внутреннего трения нитей у биаксиальной ткани; Рд “ коэффициента, отражающего линейную

зависимость между модулем сдвига и давлением у препрегов; т-^ и М2 - максимального и минимального относительного неупругого удлинения при растяжении и сжатии тканого армирующего матери­ ала соответственно в поперечном и продольном направлениях к по­ лотну ткани.

Для проведения испытаний необходимы: образец, изготовлен­ ный из испытываемого материала, механизмы (испытательные ма­ шины и оборудование), нагружающие образец и измеряющие вели­ чину прилагаемых нагрузок, приборы, которые измеряют деформа­ ции образца. Образец должен обладать такой формой, чтобы в его рабочей части во время испытаний осуществлялось требуемое напряженное состояние.

Особое внимание при проведении испытаний уделяется способу крепления образцов. Во-первых, способ креплеьшя образцов должен быть таким, чтобы устранялась возможность их разрушения в са­ мом зажимном устройстве. Во-вторых, оно должно быть достаточно надежным, чтобы не было смещений образца в месте закрепления. Размеры образцов должны быть такими, чтобы обеспечивались: то напряженное состояние, которое соответствует напряженному со­ стоянию в изделии; точность отсчета деформации и можно было бы пренебречь влиянием краевого эффекта.

Основной целью механических испытаний (прочностных и де­ формационных) всех материалов является опытная оценка тех их физических свойств, которые непосредственно характеризуют ме­ ханическую прочность. Отсюда происходит и название этих свойств - механические. Физическая природа прочности материа­ лов ещё далеко не выяснена. Не вдаваясь в подробности, будем по­ нимать под механической прочностью материала его способность противостоять механическому разрушению или выдерживать де­ формирование без разрушений. Под разрушением следует подра­

203

зумевать необратимое микроскопичеекое разделение материала, как механичеекого целого, на отдельные части, включая еюда и появле­ ние трещин.

Прочноеть материала обычно оцениваетея величиной уеилий, напряжений или работы, которые материал выдерживает при раз­ личных епоеобах нагружения вплоть до разрушения. Кроме того, при оценке прочности материала необходимо принимать во внима­ ние данные о его составе, особетоети етроения, методе получения, предварительной обработке - все то, что называют «предиеторией» материала. Прочность нельзя характеризовать вне евязи е напря­ женным еоетоянием, в котором находитея материал. Однако етремление найти обобщенное выражение механичеекой прочноети, не завиеящее от напряженного соетояния, - одна из оеновных задач иззшения механических свойств материала.

Оборудование для проведения иепытаний, методики проведения иепытаний и порядочность испытателей обеепечивают доетоверность и точность проведения исследований. Вее эти факторы полу­ чают развитие вместе с предприятием, которому они елужат.

Имеется ещё один фактор, подтверждающий доетоверноеть ре­ зультатов испытаний, - это многократность проведения независи­ мых испытаний различными исследователями. В случае с препрегами вее иееледования проведены на предприятии ОАО «Авангард» впервые, повторение иепытаний другими исследователями, к сожа­ лению, не проводилиеь. Оборудование, которым укомплектована центральная заводекая лаборатория ОАО «Авангард», позволяет производить жееткоетные и прочноетные испытания при растяже­ нии, сжатии, изгибе, ерезе и еколе для композиционных материа­ лов. Имеетея цех по проведению иепытаний внутренним давлением до 30 МПа и оеевой еилой до 100000 кН. Это покрывает весь пере­ чень иееледований композиционных материалов, который дополня­ ется проведением уекоренных климатичееких иепытаний. Для та­ ких иепытаний имеютея епециальные термошкафы различных мо­ дификаций. Веё вмеете позволяет уетанавливать гарантийный срок службы изготавливаемых изделий и проводить некоторые научноисследовательекие работы. Следует также добавить, что необходи­ мость иметь на предприятии выеокотехнологичную лабораторию для проведения иепытаний вытекает из требования по обеспечению должного уровня производства изделий.

204

3.2.Расчетные обоснования методик испытания препрегов

Для более глубокого понимания всех процессов, происходящих внутри исследуемых материалов необходимо, прежде всего, озна­ комиться с результатами проведенных экспериментальных иссле­ дований. Так как обычно напряжения и деформации в одном направлении сопровождаются соответствующими явлеьшями в пер­ пендикулярном направлении, то желательно только оценить, какая реальная система может рассматриваться как плоская задача. Оче­ видно, что визуально это можно оценить по деформациям.

Рассмотрим несколько простейших частных случаев нагружения препрегов, отнесенных к главным осям с целью максимального упрощения нахождения по ним характеристик препрегов. Таким

ствующие испытания и затем, путем сравнения нагрузок и переме­ щений, полученных экспериментальным путем и вычисленных ана­ литически, определить искомые значения коэффициентов. Количе­ ство таких видов испытаний равно трем. Первый вид испытаний заключается в параллельном перемещении нитей одного семейства в направлении нитей второго семейства. Измеряются усилия и со­ ответствующие перемещения в результате такого действия. Второе испытание заключается в том, что к концу одной нити прикладыва­ ется достаточная по величине внешняя сила. При этом измеряется перемещение конца нити и усилие, затраченное на это перемеще­ ние. Более подробное описание этих испытаний приведено ниже. Третий вид испытаний - это двуосное растяжение полосы ткани.

Пусть тканый препрег расположен между двумя жесткими по­ верхностями, создающими давление внутри препрега равное р . На всю глубину ткани вставлены две гребенки (рис. 3.1), нагруженные силами Т . Их параллельное смещение позволяет сдвигать попереч­ ные нити вдоль продольных. Одновременно поперечные нити рас­ тянуты силами ^ и находятся под напряжением ^ . В процессе ис­

пытаний при установившимся равновесии измеряют силы Т^, при­ ложенные к гребенкам, и перемещения гребенок Щ .

205

Сумма всех сил на ось Ох равна нулю. Таким образом

где ко - толщина слоя тканого препрега, <^12 - напряжение сжатия в поперечном направлении нитей утка. Решение системы диффе­ ренциальных уравнений (3.2) с учетом выражений (3.1) и гранич­ ных условий

Очевидно, что граница зоны х = Хд , где под действием внешней нагрузки происходит смещение со скольжением второго семейства нитей относительно первого, может быть определена из условия предсдвигового состояния

208

Выражение (3.7) устанавливает связь между внешней нагрузкой и соответствующими перемещениями семейств нитей тканого препрега. Зависимость (3.7) в совокупности определяет четыре пара­ метра С1 -С4 , которые с помощью соотношений (3.8) однозначно выражаются через восемь ранее названных характеристик препрега

209