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

рокое применение пол}^или оправки из алюминиевых еплавов, при формовании малогабаритных изделий часто применяются стальные и комбинированные (металл - стеклопластик) оправки.

Процесс намотки можно охарактеризовать тремя технологиче­ скими параметрами: натяжением рулонного наполнителя N , температзфой Т и давлением прикатки р . Под действием температу­

ры, поддерживаемой в процессе намотки на постоянном уровне, и давления жидкое связующее отжимается, перетекает в зоны нахлеста полотен и к торцам формируемого изделия, а также в виде от­ жатого валика переносится на последующие слои наматываемого материала. Излишнее связующее при этом вытекает. Суммарное давление от натяжения и давления прикатки не является постоян­

ной величиной, т.е. Р =р{У)- В процессе формования с ростом

числа наматываемых слоев суммарное давление непрерывно увели­ чивается, условия намотки существенно меняются и связующее по­ чти не вытесняется.

Проведенные исследования показывают, что окружные остаточ­ ные напряжения могут достигать 10 - 15 % от предела прочности материала при растяжении в направлении армирования, а радиаль­ ные - сопоставимы с пределом прочности стеклопластика при рас­ тяжении поперек армирования. Таким образом, остаточные напря­ жения - в зависимости от знака могут уменьшать или увеличивать прочность конструкций при действии внешних нагрузок.

Постановка корректных экспериментов по изучению влияния остаточных напряжений на прочность конструкций затруднитель­ на [1, 11], так как невозможно ползшить образцы с сильно отлича­ ющимися остаточными напряжениями, не оказывая при этом вли­ яния на механические характеристики материала. Так, изменение усилия натяжения ленты или переход от одного режима намотки к другому вызывает изменение остаточных напряжений. Однако это приводит к изменению характера распределения связующего по толщине образца. Величину остаточных напряжений можно регу­ лировать та1сже изменением температуры термообработки 7^ . Эксперименты показывают, что температура термообработки прак­ тически не оказывает влияния на распределение связующего по толщине образцов, если намотка производится на обогреваемую

271

териала за счет более глубокой сшивки полимерной матрицы. Од­ нако влияние этого фактора можно снизить, уменьшая длительность термообработки с ростом Т^• .

9.6. Методы экспериментального исследования остаточных напряжений

В основу экспериментальных методов определения остаточных напряжений в намоточных изделиях положены классические прин­ ципы исследования напряжений в цилиндрических деталях. Из­ вестные методы Закса и Давиденкова в настоящее время применя­ ются для определения остаточных напряжений в кольцевых образ­ цах, вырезаемых из цилиндров. При использовании этих методов предполагается, что упругие свойства материала по толщине кольца постоянны.

Однако, как было показано выше, миграция связующего в про­ цессе изготовления намоточных изделий обусловливает неравно­ мерность распределения его по толщине изделий, а, следовательно, и неравномерность механических свойств материала. Для опреде­ ления остаточных напряжений в кольцах с учетом неравномерности механических свойств материала по толщине, а также в кольцах из комбинированных композитов, методы Давиденкова и Закса были обобщены [12, 13]. Использование вышеуказанных методов огра­ ничивается тем, что они требуют разрушения изделий тем или иным способом.

Перспективным в этом отношении является неразрушающий ме­ тод исследования напряжений, основанный на измерении внутрен­ них деформаций в различных зонах изделия при помощи специаль­ ных лент-свидетелей с дискретно расположенными на них тензо­ датчиками сопротивления.

Можно указать еще один метод определения, вернее - метод контроля и оценки остаточных напряжений в намоточных изделиях по результатам тензометрирования оправки [1, 4].

272

По методу Давиденкова в процессе радиальной разрезки и по­ слойной размотки (или обточки) колец регистрируют изменение среднего диаметра кольца или длины его средней окружности. Удобнее вычислять остаточные напряжения по окружной деформа­ ции 8^, регистрируемой тензодатчиком, наклеенным на внутренней

поверхности кольца. Метод Давиденкова, как и метод Закса, по­ дробно описан в работе [6]. Ограничимся лишь кратким изложени­

а® (а), которые были в слое непосредственно перед его удалением (см. рис. 9.13). Однако они не будут равны первоначальным (ис­ тинным) остаточным напряжениям Ст(р(а), так как в процессе раз­ резки кольца и снятия предыдущих слоев к ним добавились допол­ нительные напряжения (а) и (^ )»следовательно.

(а) = с?ф (а) + с?ф2 (а) + ^фз (а) ■

Отсюда окружные напряжения в слое с координатой а будут равны

_ф,

^ Ф ( “ ) = - ^ Ф 2 ( “ ) + ^ ф ( а ) - ^ ф З ( “ ) •

где 8^ - деформация, регистрируемая датчиком при разрезке, 8^ - приращение деформации при снятии слоя (^а .

275

Ленты-свидетели и компенсирующие датчики, подключенные к регистрирующему прибору, при проведении эксперимента заклады­ вают в процессе намотки между слоями формуемого полуфабриката. Эффект «плавающего» компенсационного датчика достигается обра­ боткой каждого компенсатора непосредственно перед употреблением антиадгезивом (эмульсией фторопласта-4). В отличие от рабочих датчиков, требуемая жесткость связи которых с лентой-свидетелем сохраняется на всех этапах изготовления намоточного изделия, ком­ пенсационные тензодатчики из-за отсутствия адгезии связующего к стеклоткани представляют собой достаточно свободные, но жесткие ячейки, дискретно размещенные в клеевых прослойках композици­ онного материала. Нахождение рабочих и компенсационных датчи­ ков в одинаковых условиях по отношению к окружающей среде обеспечивает наиболее многостороннюю компенсацию, необходи­ мую при анализе намоточных изделий тензометрическим методом. При этом защитная ячейка, образованная из отвержденного эпок­ сидно-фенольного связующего, являясь электроизоляционной, не позволяет шунтировать тензодатчики жидким связующим и предо­ храняет их от влаги и газообразных продуктов, выделяющихся в процессе намотки и термоотверждения полуфабриката.

При проведении опытов для контроля температуры в различ­ ных зонах отформованного полуфабриката в непосредственной близости от рабочих и компенсационных датчиков помещают предварительно залитые связующим и отвержденные при 150 °С хромель-копелевые термопары. Места спаев соединительных про­ водов и сами провода также покрывают тонким слоем связующего и отверждают.

При определении внутренних напряжений по измеренным зна­ чениям окружных и 8^ деформаций необходимо учитывать из­

менение упругих свойств стеклоленты, стеклоткани и стеклопла­ стика в целом в процессе термоотверждения отформованных полу­ фабрикатов. Деформативные свойства стеклоленты и стеклоткани оцениваются по условному модулю упругости Е , значения которо­ го для различных стадий отверждения находятся экспериментально. Образцы в форме полосок 40»250 мм с установленными на них тен­ зодатчиками и термопарами пропитываются эпоксидно-фенольным связующим с последующим отверждением, которое проводится в

277

соответствии с температурно-времеьшым режимом для исследуемой стадии термообработки.

Из сравнения результатов испытаний установлено, что по мере отверждения связующего происходит быстрое нарастание жестко­ сти стеклоленты. При этом в конце полного цикла термоотвержде­ ния условный модуль упругости ленты-свидетеля достигает вели­ чины, соизмеримой со средними значениями упругих характери­ стик стеклопластика. Интересно при этом отметить характерный ход деформационной кривой, полученной при испытаниях неотвержденных образцов стеклоленты в интервале изменения темпера­ туры от 25 до 150 °С при последующем охлаждении до ПО °С. С повышением усилия натяжения происходит выпрямление нитей, сопровождающееся изменением струюуры стеклоленты. Неотвержденное связующее (либо подсушенное, либо жидкое при повы­ шенных температурах, либо вязко-текучее до момента стеклования) не оказывает существенного влияния на механические свойства стеклоленты, описываемые на данной стадии ходом кривой дефор­ мирования в диапазоне изменения натяжения от нуля до 500 Н/м. При усилиях натяжения N > \000 Н/м стеклолента становится упругой, при этом в результате выпрямления нитей толщина ленты уменьшается от 0,13 до 0,08 мм. Определенный экспериментально

условный модель упругости Е =2,5 -10 МПа оказался стабильным в достаточно широком интервале натяжений 1 < < 4500 Н/м.

Как следует из экспериментальных данных, тепловое расшире­ ние металлических оправок и вызванное этим существенное пере­ распределение компонентов по толщине отформованных полуфаб­ рикатов, а также химическая и температзфная усадка полимерного связующего создают определенные условия для радиальных пере­ мещений в намоточных изделиях. Величина этих перемещений в каждом конкретном случае определяется количеством вытесненно­ го связующего и зависит от содержания его в элементарном слое наполнителя и в намоточном изделии в целом. В зависимости от послойного изменения количество связующего и интенсивности действия того или иного из перечисленных факторов меняется напряженно-деформированное состояние намоточного изделия, ко­ торое в конечном итоге определяется распределением температзфных напряжений в отвержденном цилиндре.

278

9.7. Технологические рекомендации по управлению остаточными напряжениями

Рассмотрим вначале режим намотки с постоянным натяжением армирующего материала. Влияние натяжения ленты на характер распределения остаточных напряжений по толщине намоточных изделий иллюстрируется рис. 9.14. Как видно из рисунка, с ростом натяжения уменьшаются растягивающие радиальные напряжения и окружные напряжения у внутренней поверхности изделий, а также сжимающие окружные напряжения у наружной поверхности. При этом, наряду с уменьшением растягивающих радиальных напряже­ ний, у внешней поверхности изделий появляется зона сжимающих радиальных напряжений.

Одним из факторов, соответствующих стадии намотки, является подогрев оправки, так как в процессе разогрева полуфабриката при намотке на холодную оправку вследствие теплового расширения оправки связующее отжимается от внутренних слоев к наружным. Это приводит, во-первых, к неравномерному распределению связу­ ющего по толщине изделия и, во-вторых, к релаксации начальных напряжений в полуфабрикате. Во избежание этих явлений реко­ мендуется или применять оправки с характеристиками теплового расширения, близкими к характеристикам полуфабриката (напри­ мер, комбинированные оправки металл-стеклопластик), или произ­ водить намотку на обогреваемые оправки. Намотка на обогревае­ мые оправки обеспечивает более качественную структуру материа­ ла. Как отрицательный фактор, имеющий место в случае намотки на обогреваемые оправки, отметим резкое увеличение усилия, не­ обходимого для снятия изделия с оправки после термообработки.

Остановимся на силовых факторах стадии намотки. Во-первых, при намотке происходит отжатие связующего. Это приводит к уве­ личению жесткости и прочности в направлении армирования. Но при намотке толстостенных изделий это может привести к умень­ шению прочности материала на межслоевой сдвиг и отрыв из-за уменьшения содержания связующего. Во избежание этого явления намотку целесообразно производить с возрастающим натяжением. В случае малой толщины изделий эффект отжатия связующего не­ значителен и намотку можно производить и при постоянном натя­ жении ленты. Во-вторых, режим силовой намотки определяет ве-

279