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

Если на намотанную стеклопластиковую стенку оболочки опу­ стить ведущий валок, то под действием его давления структзфа стенки деформируется, как указано на рисунке. Под действием приводного крутящего момента на поверхности контакта ведущего валка и формуемой стенки возникает удельное окружное усилие формования Е’о , равное эффективному окружному усилию , не­ обходимому для вращения технологической оправки, отнесенному к длине намотки Ь, т.е.

"I ■

Эффективное усилие определяется величиной сил трения в опорах намоточного оборудования.

Результирующая нормального давления формования и окружно­ го усилия Ф воздействует на намоточную стенку оболочки под не­ которым углом

к

Ф = агс1§—^

Р

и стремится деформировать текстуру в направлении своего дей­ ствия. В результате несимметричной деформации текстурных сло­ ев перед формующим валком образуется волна опережения. Чем рыхлее структура стеклопластиковой стенки и чем больше количе­ ство и толщина намоточных текстурных слоев, тем заметнее сдвиг текстуры и больше высота опережающей волны.

Таким образом, в момент вращения ведущего вала удельная сила трения Р^ стремится в сторону вращения по касательной к поверх­

ности контакта валка с волной опережения (рис. 5.11, а). Это при­ водит к дополнительному отклонению результирующего давления Ф от нормального давления формования N и еще большему сдви­ гу слоев текстуры вперед и увеличению высоты волны опережения, что, в свою очередь, вызывает еще больший подъем вектора Р^ , а это опять способствует отклонению Ф вперед и рост волны и т.д.

161

Следовательно, уплотняя структуру стенки в плоскости локаль­ ного прижима, ведущий формующий валок приводит к разуплотне­ нию и даже расслоению ее в зоне волны опережения. При очень рыхлой структуре намотанной стенки, отсутствии или малости тех­ нологического натяжения арматуры при намотке может произойти отрыв волны опережения, которая, сделав один оборот, вновь встречается с формующим валком, но с другой стороны, и закаты­ вается в складку.

Чтобы предотвратить получение такой складки, необходимо стремиться уменьшить величину при одновременном увеличе­

нии давления формования N . Это приводит к уменьшению откло­ нения результирующего давления Ф от нормали, а, следовательно, и сдвига слоев текстуры в сторону опережения. Образующаяся в результате волна опережения будет иметь незначительную высоту, которая не будет вызывать заметного разуплотнения стеклопласти­

ления оправки вращению, в частности, применением опор качения, качественной смазкой узлов трения, использованием технологиче­ ских оправок облегченного веса.

Повышение контактного давления формования в данном сл}шае обеспечивает качественную адгезию и аутогезию связующего и уплотнение слоев текстуры, создавая необходимые предпосылки для увеличения критерия объемной плотности //д Чем меньше

величина N , тем меньше площадь контакта валка с формуемой по­ верхностью, и, следовательно, меньшее количество слоев текстуры }шаствует в передаче крутящего момента на оправку. Таким обра­ зом, при малых N передача крутящего момента на оправку осу­ ществляется практически верхним слоем текстуры за счет адгезии и аутогезии связующего, которое и определяет величину эффектив­ ной мощности станка.

Естественно, с увеличением N в результате сближения слоев арматуры происходит уплотнение текстуры. Однако критерий объ­ емной плотности структуры //д В данном случае будет определятъся суммарнъ1м действием давления формования и эффективного окружного усилия намотки. Кроме того, уменьшение волны опере­

162

жения и предотвращение ее отрыва в процессе намотки может быть достигнуто путем применения технологического натяжения стеклоарматуры Гд . Чем выше , тем сильнее сопротивление сдвигу текстуры от действия Ф .

Величина технологического натяжения стеклоарматуры в этом случае может быть подсчитана по формуле [1]

М

т ,= - ^ - п к е /^ 1

где - момент сопротивления вращению оправки; К - радиус формуемой поверхности; 6 -угол, охватывающий зону контакта формуемой поверхности с ведущим валком; /у’ - адгезионно­

когезионное сопротивление связующего сдвигу, отнесенное к едини­ це площади (коэффициент трения); Ь - длина контактного ролика.

Скорость формования стеклопластиковых оболочек V при этом отличается от окружной скорости ведущего валка и на величину проскальзывания последнего по неотвержденному связующему.

Намотка по второй схеме выгодно отличается от первой. Здесь главное движение сообщается непосредственно технологической оправке, благодаря чему повышается к.п.д. оборудования, ибо кру­ тящий момент формования и крутящий момент на главном ва­ лу станка совпадают. В этом случае отсутствует волна опережения, способствующая расслоению текстуры, но зато появляется волна отставания.

Механизм образования волны отставания аналогичен рассмот­ ренному ранее и проиллюстрирован поэтапно на рис. 5.11, б). Удачное направление сил при намотке оболочек в данном случае создает наиболее благоприятные условия для формования очень плотных и качественных стеклопластиковых структур.

Величина при второй схеме формования может быть умень­ шена по сравнению с первой, поскольку кинематическая фрикци­ онная пара, образованная формующим валком и поверхностью формуемой трубы, способствует увеличению технологического натяжения трубы и увеличению технологического натяжения ар­ матуры. Снижаются требования к технологической адгезии и

163

аутогезии связующего, поскольку со связующего в этом случае снимаются функции кинематической передачи цепи главного движения. Это позволяет расширить технологические возможно­ сти данного способа формования и использовать его для намотки и сухим и мокрым методами.

Очевидно, волна отставания не представляет опасности, по­ скольку, проходя под формующим валком, она разглаживается. Поэтому вторая схема обеспечивает качественное выполнение фор­ мования и достаточно высокие структурные критерии стеклопла­ стиков при малом Го и даже при его полном отсутствии. Такой

способ намотки применяют при намотке тканей, у которых арми­ рующий материал (нити) расположен под углом отличным от нуле­ вого к направлению намотки. При этом формующий валок создает не только контактное давление формования, но и технологическое натяжение стеклоарматуры, величина которого для метода прямой намотки может быть определена по формуле [1]

То=Ро— -/т'^^гЬ ,

К

где г / К - передаточное число формующей кинематической пары; Ро - окружное усилие сопротивления формующего валка.

На предприятии ОАО «Авангард» применяется еще один эффек­ тивный способ намотки изделий однонаправленными стеклопла­ стиковыми лентами. Этот способ называется методом продольно­ поперечной намотки (ППН). При формовании композиционно - волокнистого материала по методу продольно-поперечной намотки продольно-поперечными лентами чередуют намотку тангенциаль­ ных слоев и приформовку коаксиальных слоев полуфабриката, т.е. намотку производят в несколько технологических переходов (в частности, в два). В этом случае выкладка продольных слоев вы­ полняется на всю длину формуемого изделия и одновременно по всему периметру окружности, например, возвратно­ поступательным способом, а их приформовка к технологической поверхности совмещается с намоткой тангенциальных слоев лент, например, токарно-рядовым методом.

164

Одной из технологических задач, решаемых при формовании стеклопластиковых оболочек, является обеспечение заданных структурных характеристик материала в пределах установленных допусков.

Выдерживание расчетных значений допусков на структурные показатели (Н ^± АН^ - содержание арматуры в единице объема и

Го ± АГо - натяжение арматзфы) позволяет значительно сократить и регламентировать разброс физико-механических характеристик ма­ териала и гарантировать высокую стабильность прочностных дан­ ных оболочек.

Таким образом, при подготовке производства технологу по ис­ ходным значениям струюуфных характеристик и их допускаемым дополнениям необходимо установить оптимальные величины тех­ нологических параметров формования (режимы формования) и ре­ гламентировать их соответствующими допусками, которые гаран­ тировали бы стабильность готовых стеклопластиковых структур в заданных пределах.

В отличие от металлов, которые поступают в производство дета­ лей с известными физико-механическими свойствами, композици­ онно-волокнистый материал только приобретает эти свойства по окончании производства изделий. Иными словами, композицион­ но-волокнистый материал как конструкционный материал возника­ ет не в начале, а в конце технологического процесса изготовления изделия. Поэтому первоочередной задачей ОТК является опреде­ ление и контроль физико-механических, теплофизических и элек­ тротехнических свойств полученного композиционно-волокнистого материала на соответствие их расчетным величинам.

С другой стороны, КВМ является полидисперсным гетероген­ ным материалом, на качество которого оказывает влияние огромное количество технологических и конструктивных факторов. Причем в силу специфичности технологии и особенно процессов отвержде­ ния многие из факторов носят случайный характер. Поэтому не­ удачное сочетание технологических факторов, ошибки субъектив­ ного и объективного характера приводят к появлению при произ­ водстве изделий из КВМ отрицательных эффектов, которые при нормальных технологических (расчетных) условиях не должны бы­ ли бы проявляться. Эти отрицательные эффекты выражаются в по­

166

явлении локальных внутренних макродефектов типа раковин, рас­ слоений, непроклеев, место и вероятность появления которых в стенках изделия носят случайный характер. Однако вероятность их появления в изделиях из КВМ достаточно велика и для деталей очень ответственного назначения их наличие может оказаться не­ допустимым. В таких случаях необходимо предусмотреть операции дефектоскопии изделий. Отсутствие дефектов и соответствие физи­ ко-механических свойств композиционно-волокнистого материала являются необходимыми, но недостаточными условиями прочности готовых изделий, т.е. на прочность оказывают еще огромное влия­ ние конструктивные и эксплуатационные факторы. Разрушение изделия, например, может обусловливаться потерей устойчивости, разрушением соединений с законцовками, неоптимальной кон­ струкцией краевых зон, наличием таких концентраторов напряже­ ний, как отверстия, окна, анкерные крепления фурнитуры и т.д.

Поэтому после дефектоскопии готового изделия из композици­ онно-волокнистого материала подвергаются испытаниям на проч­ ность при заданных нагрузках и схеме нагружения. Например, все сосуды, емкости, баллоны, предназначенные для работы под внут­ ренним давлением, подвергаются стопроцентному контролю на прочность гидропрессовкой.

И, наконец, стенки изделий из композиционно-волокнистого ма­ териала могут оказаться газо- и водопроницаемыми, особенно после испытания их на прочность. Для контроля стенок изделий на гер­ метичность предусматривается специальная контрольная операция на проницаемость. Таким образом, структура контрольной стадии производственного процесса состоит из следующих контрольных операций:

контроль композиционно-волокнистого материала; дефектоскопия стенок изделия; испытание изделия на прочность; испытание изделия на проницаемость.

По результатам испытаний принимается решение по изменению технологических параметров процесса изготовления изделия, если оно не удовлетворяет требованиям конструкторской документации по некоторым параметрам. Дальнейшая обработка проводится до тех пор, пока все требования конструкторской документации не бу­ дут удовлетворены полностью.

167

Литература

1.Цыплаков О.Г. Основы формирования стеклопластиковых оболочек / О.Г. Цыплаков. - Л.: Машиностроение, 1965. - 183 с.

2.Трофимов Н.Н. Основы создания полимерных композитов / Н.Н.Трофимов, М.З.Канторович. - М.: Наука, 1999. - 539 с.

3.Полимерные композиционные материалы: структура, свой­ ства, технология: учебное пособие / М.Л.Кербер [и др.]; под общ.ред. А.А.Берлина.- СПб.: Профессия, 2008. - 560 с., ил.

4.Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех то­

мах. Том 1/ Под ред. И.А. Биргера. - М.: Машиностроение, 1968. -

831с.

5.Дукельский, А.И. Подвесные канатные и кабельные краны / A. И. Дукельский. - Москва: Машгиз. - 1951. - 215 с.

6.Качурин, В.К. Гибкие нити с малыми стрелками / В.К. Качурин. - Москва: ГИТТЛ. - 1956. - 137 с.

7.Справочник проектировщика / А.А.Уманский [и др.]; под общ.ред. А.А.Умайского. - Москва: Госстройиздат, 1960. - 356 с.

8.Филоненко-Бородич М.М. Курс сопротивления материалов. Ч.1 / М.М. Филоненко-Бородич, С.М.Изюмов, Б.А.Олисов, И.Н.Кудрявцев, Л.И.Мальчинов. - М.: Машгиз, 1956. - 644 с.

9.\УЫп1:еу, 1.М. 81:ге88 апа1у818 оГ 1Ыск 1атта1:е(1 сотро811:е апй 8ап(^^V^сЬ р1а1е8 / 1.М. \VЪ^п1:еу //1. Сотро8. Ма1ег. - 1972. - № 6. - Р.

426-440.

10.Егер, Дж.К. Упругость, прочность и текучесть / Дж.К. Егер.

-Москва: Машгиз, 1961. - 247 с.

11.Образцов И.Ф. Оптимальное армирование оболочек враще­ ния из композиционных материалов / И.Ф.Образцов, В.В.Васильев, B. А.Бунаков. - М.: Машиностроение, 1977. - 144 с.

12.НиЬй \\^. ОгеаИ1у соШго! оБ ГйатеШ: VVоип(^ ша1:епа18 Бог йеер 8иЬте г§епсе тееззеП // Ргос. 20 1Ь СопБ. §Р1 Яе1пБогсе(1 Ркзйсз 01у., 1965, р.15.

13.Ваганов А.М. Проектирование корпусных конструкций из стеклопластика / А.М.Ваганов, П.А.Колмыков, М.А.Фрид. - М.: Судостроение, 1972. - 272 с.

14.Моделирование процесса изготовления торовой оболочки из

цилиндрического состояния препрега / В.М.Сахоненко, К.Г.Скворцов, Д.А.Федотов, К.А. Горелый // Тенденции развития

168

современной науки. Сб. научных статей (Волоколамск). - 2011. -

С.30-34.

15.Модель деформирования конструкционных тканей/ A.Б.Миткевич, А.А. Кульков, К.А. Горелый, Е.В. Малютин // Во­

просы оборонной техники. Серия 15. - 2010. - Вып. 1(156) - 2(157).

-С . 3 - 10.

16.Неупругая составляющая сжатия ткани / Ю.В.Василевич, B. М.Сахоненко, С.В.Сахоненко, К.В.Горелый, Е.В.Малютин // Про­ блемы новых композиционных материалов: сб. на}Т1. тр. Междунар. на}Т1. - техн. конф. - Обнинск: 2010. - С. 48 - 52.

17.Функциональные зависимости для сил внутреннего трения

механизмов и материалов. - 2011. - № 3(16). - С. 3133.

18.Зависимость между деформационными характеристиками тканей гладкого переплетения / Ю.В.Василевич, В.М.Сахоненко, С.В.Сахоненко, К.В.Горелый, Е.В.Малютин // Композиционные ма­ териалы в промышленности: сб.науч. тр. XXIX Междунар. назш. - техн. конф. - Ялта, Крым: 2009. - С. 84 - 89.

19.Математическая энциклопедия. Т.З / Под ред. И М. Вино­ градова. - М.: Советская Энциклопедия, 1982. - 1184 стр., ил.

20.Математическая энциклопедия. Т. 1 / Под ред. И М. Вино­ градова. - М.: Советская Энциклопедия, 1977. - 1152 стр., ил.

21.Калинчев, В.А. Намотанные стеклопластики / В.А. Калинчев, М.С. Макаров. - Москва: Химия, 1986. - 272 с.

22.Трофимов Н.Н. Основы создания полимерных композитов / Н.Н.Трофимов, М.З.Канторович. - М.: Наука, 1999. - 539 с.

23.Практикум по технологии переработки пластических масс / Под.ред. Виноградова В.М., Головкина Г.С. - М.: Химия, 1980. - 240 с.

24.Моделирование процесса изготовления торовой оболочки из цилиндрического состояния препрега / В.М.Сахоненко, К.Г.Скворцов, Д.А.Федотов, К.А. Горелый // Тенденции развития современной науки. Сб. назшных статей (Волоколамск). - 2011. -

С.30-34.

25.Теоретические и экспериментальные исследования по опре­ делению неупругой составляющей сжатия ткани Т-13 / Ю.В. Васи­ левич, В.М.Сахоненко, С.В.Сахоненко, К.А.Горелый, Е.В.Малютин

169

//Механика машин, механизмов и материалов. - 2011. - № 4(17). -

С.63 -65.

26.Миткевич А.Б., Кульков А.А. Оптимальное проектирование и технология формообразования горообразных оболочек из компо­ зитных материалов // Механика композитных материалов. - Т.42, № 2.-С . 147-164.

27.Миткевич А.Б. Геометрические соотношения трансформа­ ции цилиндрической трубы, выполненной спиральной намоткой, в криволинейный отвод // Механика композитных материалов. - Т.45, № 4 . -С . 1-10.

28.Бидерман В.Л. Исследование изгиба резинокордных цилин­ дрических оболочек // Расчеты на прочность в машиностроении: Сб. статей под ред. Г.А.Николаева. - М.: Машгиз, 1958. - Вып. 89. - С.119-146.

29.Бидерман В.Л. Механика тонкостенных конструкций. - М.: Машиностроение, 1977. - 488 с.

30.Композитные материалы: Справочник / В.В.Васильев, В.Д.Протасов, В.В.Болотин и др.; Под общей ред. В.В.Васильева, Ю.М.Тарнопольского. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.

31.Погорелов А.В. Дифференциальная геометрия. - М.: Наука, 1969. - 176 с.

170