Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надежность и безопасность при производстве и применении полимерных композиционных материалов. Учебное пособие
.pdf
121
тип деформирования;
EMEM
VV ,,,
σσ
напряжения при растяжении и объемные содержание (%) матрицы и
волокон.
Вопрос о применимости той или иной теории разрушения
материала для описания поведения композита должен решаться в
каждом конкретном случае на основании данных экспериментов или
результатов теоретического прогнозирования. Естественно, что теоретическое прогнозирование также нуждается в экспериментальном
подтверждении, однако, объем экспериментальных исследований в
этом случае может быть несравнимо меньшим, чем при построении
всех материальных функций только на основании опытных данных.
Зная технические требования к материалу, необходимо спроектировать его состав и структуру. Состав связующего, тип напол-
нителя и схему армирования, возможно определить уже на стадии
проектирования армированного композиционного материала, чтобы
создать предпосылки для получения изделия с необходимыми
эксплуатационными характеристиками. После этого следует спроектировать технологию производства изделия с учетом различных факторов, влияющих на свойства ПКМ. При проектировании матриц
учитывают сложный комплекс требований к ним: высокие, упруго–
прочностные свойства (повышение прочности терморективных матриц до 250 МПа, в перспективе – до 500МПа), высокая термоустойчивость (тепло–, термо–, огнестойкость по показателям горючести, дымовыделения, токсичности продуктов горения), низкое водопоглощение (повышение трещиностойкости, устранение на микроуровне
дефектов, стимулирующих осмотический механизм насасывания
воды, уменьшение концентрации третичных азотов в малеимидных
матрицах, отвержденных аллильными отвердителями, снижение
равновесного водопоглощения в 2–5 раз).
В современной технике часто требуется, чтобы проектируемый материал сочетал в себе противоречивые свойства, например,
высокий коэффициент трения и низкую интенсивность изнашивания,
высокую механическую прочность и значительную податливость,
высокую прочность при низкой плотности, высокая износостойкость и
несущая способность, повышенная теплостойкость и теплопроводность, ударопрочность, электропроводность, стойкость к излучениям
высокой энергии, стабильность размеров, стойкость к агрессивным
средам, низкая способность к газовыделению в вакууме и многие другие. Для систем, работающих в экстремальных условиях необходимы
материалы с особыми свойствами (коррозионно—, температурно—,
радиационно— устойчивые).
Для современных материалов и материалов будущего
необходимо обеспечение регламентированных свойств и заданной
– соответственно разрушающие
122
анизотропии в материале, проектируемом и производимом специально
Наименование
показателя
Единица
измерения
Направление
нагрузки
Значение
показателя
1. Прочность при
растяжении
МПа
Вдоль волокон
Поперек волокон
1500
32
2. Прочность при
сжатии
МПа
Вдоль волокон
Поперек волокон
1200
140
3.Модуль упругости
при растяжении
ГПа
Вдоль волокон
Поперек волокон
140
9
для определенного типа технической системы.
Например, при проектировании структуры углепластиков и
изделий из них необходимо учитывать направление (вектор) действия
нагрузок при эксплуатации (табл. III. 2.).
Таблица III. 2. Анизотропия свойств углепластиков
(Бобович. Б.Б., 2009)
Возможность управления свойствами вновь создаваемых материалов, особенно хорошо реализуемая при проектировании гибридных (армированных несколькими типами наполнителей) композитов,
оказывает существенное влияние на совершенствование технологического проектирования.
Однако вывод единой расчетной формулы для определения
механических характеристик композиционных материалов и установления функциональной зависимости между ними и изменениями,
которые происходят в период формования изделий, в значительной
степени затруднен из-за многообразия форм, ориентации, взаимного
влияния компонентов и различных механизмов их взаимодействия на
границе раздела фаз и т.д.
Для расчета надежности конструкций, в том числе с разбросом
свойств материала, используются в основном два подхода: вероят-
ностный и детерминистский. В некоторых инженерных задачах
совмещают оба подхода. Использование вероятностных расчетов при
проектировании означает, что величины, используемые для оценки
несущей способности конструкции, принимаются случайными.
Детерминированное проектирование основывается на том, что величины, определяющие несущую способность конструкции, определены
точно, что по отношению к полимерным композиционным материалам
некорректно. В основном их свойства колеблются в определенном
диапазоне, а не являются точной величиной. Оценки макроскопических свойств стохастических многокомпонентных материалов могут
быть сделаны методами статистической механики на основе данных о
функциях распределения локальных эффективных характеристик.
Расчет ведется по средним значениям параметров, а наличие отклоне-
123
ний для реальных материалов от этих значений учитывается введением коэффициента запаса прочности.
Одним из основных показателей надежности и безопасности
является вероятность безотказной работы (ВБР) конструкции. Для
определения ВБР конструкций из ПКМ с учетом нестабильности их
свойств определяются параметры напряженно-деформированного
состояния (НДС) конструкции, которые носят вероятностный характер, строятся кривые распределения значений эквивалентных напряжений и/или деформаций в каждой точке конструкции и сравниваются
с экспериментально полученными предельными напряжениями, имеющими также вероятностный характер.
Основной недостаток существующих методов и теорий
прогнозирования прочностных свойств композиционных материалов
заключается в том, что они либо в недостаточной мере учитывают
влияние структуры композита на его эффективные свойства, либо
вводимые предположения и упрощения направлены на то, чтобы
исключить из рассмотрения реальную структуру материала или
существенно ее упростить. При построении моделей структурнонеоднородных сред и при вычислении из эффективных характеристик
не учитывается возможное рассеяние свойств фаз ПКМ. Точные
решения получены для определенных моделей композиционных
материалов при очень жестких предположениях относительно свойств
материала и геометрии конструкции.
Контрольные вопросы
1. Какие принципы необходимо выполнять при конструировании
полимерных композиционных материалов
2. Какие основные свойства ПКМ и необходимо учитывать при
конструировании
3. В чем заключается роль аппретов
4. Какие основные механизмы регулирования свойств полимерных
композиционных материалов
5. Основные принципы регулирования горючести полимерных
материалов
6. Основные подходы к проектированию и прогнозированию свойств
полимерных композиционных материалов
7. Какие подходы используются при прогнозировании надежности
конструкций
124
Список литературы
Вишняков Я.Д. Общая теория рисков: учеб. пособие для студ. Высш.
учеб. заведений/ Я.Д.Вишняков, Н.Н.Радаев.― М.: Издательский
центр «Академия», 2007. ― 368с.
Алымов В.Т., Тарасова Н.П. Техногенный риск: Анализ и оценка:
Учеб.пособие для вузов.― М.: ИКЦ «Академкнига», 2005.― 118 с.
Акимов В. А., Лапин В. Л., Попов В. М., Пучков В. А., Томаков В. И.,
Фалеев М. И. Надежность технических систем и техногенный риск. —
М.:ЗАО ФИД «Деловой экспресс», 2002 — 368 с.
Акимов В.А., Лесных В.В., Радаев Н.Н. Основы анализа и управления
риском в природной и техногенной сферах. — М.: Деловый экспресс,
2004. — 352 с.
Шубин В.С., Рюмин Ю.А. Надежность оборудования химических и
нефтеперерабатывающих производств.— М.: Химия, КолосС, 2006.—
359 с.
Кузьмин И.И., Махутов Н.А., Хетагуров С.В. Безопасность и риск:
Эколого-экономические аспекты.— СПб.: Изд-во СПбГУЭФ, 1997.—
164 с.
Быков А.А., Соленова Л.Г., Земляная Г.М., Фурман В.Д. Методические
рекомендации по анализу и управлению риском воздействия на
здоровье населения вредных факторов окружающей среды. ―М.:
Издательство «АНКИЛ», 1999.— 72с.
Быков А.А., Мурзин Н.В. Проблемы анализа безопасности человека,
общества и природы. СПб.: Наука, 1997.― 247 с
Страхов В.Л., Крутов М., Давыдкин Н.Ф.Огнезащита строительных
конструкций.—М.: Информационно-издательский центр «ТИМР»,
2000, Т.2 —433с.
Нормы пожарной безопасности. Огнезащитные составы для стальных
конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной
эффективности. НПБ 236-97/ВНИИПО МВД РФ. —М., 1997 — 37 с.
Хенли Э.Дж., Кумамото Х. Надежность технических систем и оценка
риска./Пер.с англ. М.: Машиностроение, 1984.― 528 с.
Берлин А.А., Баженов С.Л., Кульков А.А., Ошмян В.Г.
Композиционные полимерные материалы. Прочность и технологии
Издательство: Интеллект Групп , 2010. — 352 с.
Берлин А.А. Горение полимеров.//Соросовский образовательный
журнал.1996, №9.
Кодолов В.И. Горючесть и огнестойкость полимерных материалов. –
М.: Химия, 1976. – 157 с.
Батракова Г.М.,Коротаев В.М. Исследование термического
разложения конструкционных материалов с целью исследования
125
параметров экологического контроля при их ликвидации //
Ползуновский вестник, № 4, 2007. С. 112-117
Сорокина Н.Е., В.В.Авдеев,А.С.Тихомиров и др. Композиционные
наноматериалы на основе интеркалированного графита. Учебное
пособие, М., 2010.
Холодников Ю.В., Волков А.С. Применение химстойких композитов
для опасных производственных объектов..http://www.sdo-mysl.ru/
Трофимов Н.Н., Канович М.З., Основы создания полимерных
композитов, М.: Наука, 1999, 540с.
Батаев А.А. Композиционные материалы: строение, получение,
применение: учебник / А.А. Батаев, В.А. Батаев. - Новосибирск: Изд.
НГТУ, 2002. - 384 с.
Машков Ю.К. Полимерные композиционные материалы в
триботехнике - М.: ООО «Недра»-Бизнесцентр», 2004. - 262с.
Бобович Б.Б. Неметаллические конструкционные материалы. Учебное
пособие Изд.: Московский государственный индустриальный
университет (МГИУ), 2009г. 384 стр.
Бушуев Ю.Г. Углерод-углеродные композиционные материалы.-М.,
Металлургия, 1994.-265 с.
Михайлин Ю.А., Конструкционные полимерные композиционные
материалы, ─ СПб.: Научные основы технологии, 2008, 822с.
Вишняков Я.Д. Материаловедение и теория технологии материалов в
контексте наук о рисках и безопасности // Материаловедение.
Экономические и экологические проблемы. М., 1998, № 4-5 с. 36 -56.
Черепанов Г.П. Механика разрушения композиционных материалов.-
М.:, Наука, Главная редакция физико-математической литературы,
1983.- 296с.
Бочкарева С.А., Люкшин Б.А., Реутов А.И. Определение вероятностей
безотказной работы конструкций из полимерных материалов //
Физическая мезомеханика. Томск, 2004, Т.7, с. 43-45.
ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия.
Термины и определения. М.: МНТК «Надежность машин», 1989.―
58с.
ГОСТ Р ИСО 14004-98. Системы управления окружающей средой.
Общие указания по принципам, системам и средствам обеспечения
функционирования. – М. Госстандарт России, 1998.
Паспорта безопасности веществ и материалов. – М.: Госстандарт
России.
ГОСТ Р 12.3.047-98. Пожарная безопасность технологических
процессов. Общие требования. Методы контроля.
ГОСТ Р 51901-2002 Управление надежностью. Анализ риска
технологических систем.
ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к
воздуху рабочей зоны. М.: ИПК Изд-во стандартов. 1988.
126
Словарь терминов
Авария: опасное техногенное происшествие, создающее на
объекте, определенной территории или акватории угрозу жизни и
здоровью людей и приводящее к разрушению зданий, сооружений,
оборудования и транспортных средств, нарушению производственного
или транспортного процесса, а также к нанесению ущерба окружающей
природной среде.
Анализ риска: исследования, направленные на выявление и
количественное определение характеристик различных видов риска при
осуществлении каких-либо видов деятельности и хозяйственных
проектов.
Безопасность: состояние защищенности жизненно важных интересов личности, общества и государственных интересов от внутренних и
внешних угроз.
Воздействия (нерегламентированные): воздействия на объекты
внешних факторов с уровнями, превышающими допустимые для нормальных условий эксплуатации.
Источник опасности: ограниченный в некоторой области
пространства процесс, деятельность или состояние определенного объема
окружающей человека среды, способные привести к реализации опасности и возникновению в окружающей среде негативных воздействий на
людей, объекты техносферы и природную среду.
Надежность: свойство объекта сохранять во времени значения
всех параметров, обусловливающие способность выполнять требуемые
функции.
Опасность: свойство окружающей человека среды, состоящее в
возможности при определенных условиях случайного или детерминированного характера создания негативных воздействий, способных привести
к негативным последствиям для жизнедеятельности, т.е. самого человека
и (или) окружающей его среды:
— отклонению здоровья человека от среднестатистического
значения, т.е. к его заболеванию или даже смерти;
— ухудшению состояния окружающей человека среды,
обусловленное нанесением материального или социального ущерба
(нарушением процесса нормальной хозяйственной деятельности, потерей
того или иного вида собственности и т.д.) и/или ухудшением качества
природной среды.
Поражающий фактор источника техногенной чрезвычайной
ситуации: составляющая опасного происшествия, характеризуемая физи-
ческими, химическими и биологическими действиями или проявлениями,
которые определяются или выражаются соответствующими параметрами.
Опасный производственный объект (ОПО): промышленный
объект (предприятие, цех, участок, площадка, а также иной
127
производственный объект), представляющие потенциальную опасность
жизни и здоровью людей, их имуществу, природной среде, которая может
реализоваться в случае аварии
Предельно допустимая концентрация опасного вещества;
ПДК: максимальное количество опасных веществ в почве, воздушной или
водной среде, продовольствии, пищевом сырье и кормах, измеряемое в
единице объема или массы, которое при постоянном контакте с человеком
или при воздействии на него за определенный промежуток времени
практически не влияет на здоровье людей и не вызывает неблагоприятных
последствий.
Промышленная безопасность: состояние объекта, предприятия,
производства, определяемое комплексом технических и организационных
мер, обеспечивающее стабильность параметров технологического
процесса и сводящее к минимуму опасность возникновения аварийной
ситуации или в случае ее возникновения предотвращающее воздействие
на людей и объекты вызываемых ее негативных факторов.
Пожарная безопасность: состояние защищенности населения,
объектов народного хозяйства и иного назначения, а также окружающей
природной среды от опасных факторов и воздействий пожара.
Риск аварии – мера опасности, характеризующая возможность
возникновения аварии на опасном производственном объекте и тяжесть ее
последствий. Основными количественными показателями риска аварии
являются:
− технический риск – вероятность отказа технических устройств с
последствиями определенного уровня (класса) за определенный
период функционирования опасного производственного объекта;
− индивидуальный риск–частота поражения отдельного человека в
результате воздействия исследуемых факторов опасности аварий;
− потенциальный территориальный риск (или потенциальный риск) –
частота реализации поражающих факторов аварии в
рассматриваемой точке территории;
− коллективный риск–ожидаемое количество пораженных в
результате возможных аварий за определенное время;
− социальный риск, или F/N кривая –зависимость частоты возник-
новения событий F, в которых пострадало на определенном уровне
не менее N человек, от этого числа N. Характеризует тяжесть
последствий (катастрофичность) реализации опасностей;
− ожидаемый ущерб – математическое ожидание величины ущерба
от возможной аварии, за определенное время.
Стойкость: свойство объекта сохранять свои параметры в
пределах установленных допусков и выполнять свои функции во время и
после действия внешних нагрузок.
Пожар: процесс, характеризующийся социальным и/или
экономическим ущербом в результате воздействия на людей и/или
128
материальные ценности факторов термического разложения и/или
горения, развивающийся вне специального очага, а также применяемых
огнетушащих веществ.
Пожарная опасность: возможность причинения ущерба опасными факторами пожара, в том числе их вторичными проявлениями.
Противопожарное мероприятие: Мероприятие организацион-
ного и (или) технического характера, направленное на соблюдение противопожарного режима, создание условий для заблаговременного предотвращения и (или) быстрого тушения пожара.
Система пожарной безопасности: комплекс организационных
мероприятий и технических средств, направленных на предотвращение
пожара и ущерб от него.
Технический риск ― комплексный показатель надежности
элементов техносферы. В отношении аварий и катастроф он выражает
вероятность аварии или катастрофы.
Техногенная опасность: состояние, внутренне присущее
технической системе, промышленному или транспортному объекту,
реализуемое в виде поражающих воздействий источника техногенной
чрезвычайной ситуации на человека и окружающую среду при его
возникновении, либо в виде прямого или косвенного ущерба для человека
и окружающей среды в процессе нормальной эксплуатации этих объектов.
Техногенный риск: возможность нежелательных последствий от
опасных техногенных явлений (аварий и катастроф на объектах
техносферы), а также ухудшения окружающей среды из-за промышленных выбросов в процессе хозяйственной деятельности.
Устойчивое развитие: развитие человечества, при котором
удовлетворение потребностей ныне живущего поколения людей осуществляется без ущерба для будущих поколений; управляемое развитие общества, не разрушающего своей основы и обеспечивающее непрерывный
процесс цивилизации.
Управление рисками чрезвычайной ситуации: основанная на
анализе риска целенаправленная деятельность органов государственной
власти и управления всех уровней по реализации наилучшей из систем
взаимосвязанных мер по уменьшению рисков ЧС до уровня, который
общество считает приемлемым исходя из существующих ограничений на
ресурсы и время.
Ущерб от аварии — потери (убытки) в производственной и
непроизводственной сфере жизнедеятельности человека, вред окружающей природной среде, причиненные в результате аварии на опасном
производственном объекте и исчисляемые в денежном эквиваленте.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]