Поведение конструкций из композитных материалов

Рис. 1.19. Формование листовых компаундов:

1 -	подача непрерывных нитей; 2 - нож; 3 - паста из смолы с наполнителем;
4 -	несущая пленка; 5 - ленточный цепной привод; 6 - приемный ролик

Формование листовых компаундов. Этот процесс, как показано на рис. 1.19, состоит в непрерывной подаче нитей, которые режутся и пода­ ются на несущую пленку, покрытую смолой, обычно полиэфирной. Пас­ та из смолы с наполнителями прокатывается и образуется листовой материал. Готовый материал —листовой формовочный компаунд — ре­ жется и подвергается дальнейшей формовке. Технология находит приме­ нение в транспортном машиностроении и при изготовлен™ торгового оборудования.

1.5.ПОВЕДЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В предыдущих разделах мы дали определение и классификацию компо­ зитных материалов, а также описали некоторые технологические процес­ сы. В этом разделе мы обращаем внимание на оценку особенностей пове­ дения композитов под нагрузкой. Оценивая с общих позиций поведение композитов на макроскопическом уровне, можно отнести их к следую­ щим типам: однородные, изотропные; однородные, анизотропные; неод­ нородные, изотропные; неоднородные, анизотропные.

Однородным считается тело, имеющее одинаковые свойства по все­ му объему, вне зависимости от расположения точки, выбранной внутри тела. Изотропное тело характеризуется одинаковыми свойствами по любому направлению для любой точки материальной среды. Вследствие неоднородности, присущей композитным системам, и вытекающей отсю­ да сложности оценки поведения композитных материалов, существует два подхода к их описанию; микромеханический и макромеханический (рис. 1.20) .

С помощью микромеханического анализа исследуются компонен­ ты композита, волокна и матрица без рассмотрения их внутреннего строения. В ходе этого анализа устанавливается и оценивается гетероген­ ность слоя. Для развития методов оценки материала на этом уровне необходимо ввести некоторые упрощающие допущения. Одно из наиболее важных допущений касается порядка расположения волокон и позволя-

Рис. 1.20. Уровни неоднородности композитных материалов:

а -	микромеханический; б - макромеханический; 1 - свойства волокна; 2 - слой;
3 -	свойства матрицы; 4 - однородный слой; 5 - ортотропный слой; 6 - элемент

балки, пластины, оболочки

ет на основе свойств компонентов и их объемного содержания предска­ зать средние свойства слоя. Определенные таким образом параметры служат затем основой для оценки свойств на макроструктурном уровне.

При макромеханических исследованиях рассматриваются только средние свойства слоя, что является существенным, поскольку микро­ структура материала при этом может не учитываться. Он наделяется не­ которыми свойствами вдоль волокон и перпендикулярно им. В итоге структурный элемент рассматривается как комбинация слоев, образую­ щих балку, ортотропную пластину или оболочку, для анализа которых используются классические теории.

Это последнее замечение является важным. Заметим, что возможность различной ориентации слоев определяет существенные преимущества композитных материалов по сравнению с традиционными. Главным из этих преимуществ является возможность получения требуемых свойств конструкции, соответствующих условиям нагружения, путем рациональ­ ной ориентации слоев материала. В случае, если материал образован боль­ шим количеством слоев, различно ориентированных, то условно его мож­ но отнести к изотропным материалам. Действительно, простая комбина­ ция слоев, уложенных под углом 60°С один к другому, образует матери­ ал, изотропный в плоскости укладки.

Основное внимание в этой книге уделяется аналитическим методам исследования поведения композитных материалов на макроскопичес­ ком уровне. В связи с этим вводятся параметры, отличающие композит­ ные материалы от изотропных. Отметим, что в следующей главе подроб­ но описаны наиболее характерные особенности ортотропных композит­ ных материалов: связь между нормальными напряжениями и деформа­ циями сдвига у материалов армированных под углом к направлению нагружения; влияние направления действия касательных напряжений на прочность композитов.

Использование композитных материалов с непрерывными и дискретными волок­ нами, размещенными в соответствующей металлической или неметаллической матрице, привлекает все более пристальное внимание. Благодаря возможности получения заданных свойств композитов могут быть реализованы их уникальные характеристики и достигнуто снижение массы, повышение долговечности, уменьше­ ние ремонтных расходов. Появление новых технологических процессов вызывает определенные проблемы, связанные с их внедрением в массовое производство. Для композитов такими проблемами являются механизация производственных процессов, обеспечение надлежащей конструкторской проработки, определение исходных свойств. Решение этих задач и определение исходных данных осуществляет инженер. Освоение технологии композитных материалов требует от инженера-прак- тика изучения новых подходов к решению этих задач, а также вызывает необходи­ мость подготовки соответствующих специалистов. Если раньше инженер выбирал материал, то теперь он сам его создает. Поскольку экономика диктует самое ши­ рокое использование композитных материалов, необходимы фундаментальное их изучение, и разработка новых производственных процессов.

При создании композитов составляющие их структурные элементы подбирают таким образом, чтобы свойства композита были более совершенными по сравнению со свойствами исходных структурных элементов. Дальнейшее внедрение композитов будет основано как на более полной информации об их свойствах, так и на разра­ ботанных новых эффективных и экономичных технологических процессах. В конеч­ ном счете, возможность применения композита в разрабатываемой конструкции определяется его экономичностью. В качестве примеров массового производства, где применение композитов дает стократную выгоду, можно назвать транспорт, авто­ мобили, современные самолеты, в том числе военные.

В самолетостроении композиты широко используются для изготовления фюзе­ ляжа и деталей двигателя, при этом применением композитов для фюзеляжа само­ лета может быть достигнуто снижение его массы до 35 %, а в дальнейшем эта цифра может возрасти до 70 % в перспективных моделям. Поскольку приблизительно одну треть массы самолета составляет масса конструкции, ее снижение может привести к ощутимым результатам. Для деталей двигателя снижение массы благодаря использо­ ванию композитов эквивалентно увеличению мощности, т.е. здесь также достигается выигрыш. В дальнейшем разнообразное применение композитов будет расширяться как с целью замены металлических деталей в традиционных конструкциях, так и для изготовления новых конструкций. Некоторые характеристики и свойства применяе­ мых композитов приведены в табл. 1.2 - 1.4.

		Т а б л и ц а		1.2. Характеристика некоторых высокопрочных волокон
Показатель		Стеклянные			Борные		Углеродные	Углеродные		Органические
							высокомодульные высокопрочные (кевлар-49)
Минимальный радиус		Небольшой			Большой		Небольшой	Небольшой		Небольшой
изгиба
Повреждаемость		Средняя			Средняя		Высокая	Высокая		Низкая
Способность к перс-		Посредств.			Низкая		Отличная	Отличная		Отличная
работке
Ткацкие свойства		Посредств.			Отсутств.		Хорошие	Хорошие		Отличные
Способность к выкладке		Хорошая			Плохая		Хорошая	Хорошая		Хорошая
Стоимость		Очень низкая			Высокая		Средняя	Средняя		Средняя
			Т а б л и ц а 1.3 Характеристика применяемых композитов
Тип композита	Высокое		Высокое Максимальная температура					Криоген-	Терми­	ХимичесНизкая плот­
	отношение отноше-			эксплуатации				нов при-	ческая	ная стой-ность
	прочнос-		ние жест-					менение	изоля­	кость
	ти к массе кости к			< 176 °С <260°С		260-	> 538°С		ция
			массе			538 °С
1		2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Волокнистые
стекло—эпоксид­		+
ная смола
стекло-полиимид		+
Кевлар-49—эпок­		+	+
сидная смола
Кевлар-49-поли-		+	+
имид
графит-эпоксид-		+	+
ная смола

to

ON

1	2	3	4	5
графит-полним ид	+	+	+
бор -эпоксидная		+
смола	+		+
бор-полним ид	+	+		+
бор-алюминий		+
вольфрам—метал­
лическая матрица
Слоистые:
ткань, покрытая			+	+
полимером
пленка, армиро­
ванная волок­			+
нами	+
пленка, армиро­
ванная волок­			+
нами	+
трехслойная со­		+	+	+
товая стенка	+
биметаллические
материалы и
системы из неор­
ганических мате­
риалов и металлов
металлизирован­
ные органические
пленки

6

10

И

+

+

Наполненные:
наполненная орга­
ническая пена	+
наполненная ме­
таллическая мат­
рица	+
наполненные соты
На основе частиц:
дисперсионно-упроч­
ненные сплавы
сплавы, упрочнен­
ные короткими
волокнами
керамика, упроч­
ненная волокнами
Керметы чешуйчатые:
слюда-эпоксидная
смола
алюминий - эпок­
сидная смола

ю

--j

++

++

+

+

+

Т а б л и ц а 1.4. Свойства некоторых высокопрочных волокон

	Свойства	Стеклянные	Борные
	Механические
	удельная прочность	Высокая	Высокая
	удельный модуль	Низкий	Высокий
	однородность	Отличная
	свойств		Отличная
	ударная вязкость	Отличная	Посредств.
	удлинение при разру­
	шении	Высокое	Низкое
	несущая способность	Низкая	Очень высокая
	при сжатии
	сопротивление эрозии	Среднее	Высокое
	усталостная долговеч­	Низкая	Средняя
	ность
	ползучесть	Высокая	Очень низкая
	прочность на разрыв	Низкая	Высокая
	прочность связи с	Хорошая	Отличная
	матрицей
	Термофизические:	Высокая	Высокая
	плотность
	коэф .термического	Высокий	Средний
	расширения
	теплопроводность	Низкая .	Средняя
	термостабильность	Высокая	Высокая
	демпфирующие	Хорошие	Посредств.
	диэлектрические	Хорошие	Плохие
	Химические:		(низкие)
		Отличная	Отличная
	стойкость к окислению
	стойкость к раствори­	Высокая	Высокая
	телям
	стойкость к высокой	Посредств.	Посредств.
	влажности

Углеродные	Углеродные	Органические
высокомодульные	высок опрочные	(кевлар-49)
Средняя	Высокая	Очень высокая
Очень высокий	Очень высокий	Средний
Средняя	Средняя	Отличная
Низкая	Низкая	Отличная
Низкое	Среднее	Среднее
Средняя	Высокая	Низкая
Низкое	Низкое	Высокое
Средняя	Средняя	Высокая
Очень низкая	Низкая	Средняя
Средняя	Средняя	Высокая
Удовлетв.	Хорошая	Удовлетв.
Средняя	Средняя	Низкая
Очень низкий	Очень низкий	Очень низкий
Высокая	Высокая	Низкая
Высокая	Средняя	Удовлетв.
Посредств.	Удовлетв.	Отличные
Плохие	Плохие	Отличные
(низкие)	(низкие)
Плохая	Плохая	Не установл.
Высокая	Высокая	Высокая
Низкая	Низкая	Отличная

Гл а в а 2. ТЕОРИЯ УПРУГОСТИ АНИЗОТРОПНЫХ

ИСЛОИСТЫХ СРЕД

2.1.ВВЕДЕНИЕ

Вгл. 1 были описаны композитные материалы, а также некоторые способы

производства элементов	конструкций, выполненных из композитных	материа­
лов. В настоящее время	наиболее широкое применение композитные	материа­

лы находят в изделиях типа балок, пластин и оболочек. Более подробно эти вопросы будут рассмотрены в гл. 3-5.

Однако, прежде чем перейти к анализу поведения композитных пластин и обо­ лочек, определению напряжений, деформаций, перемещений, частот собственных колебаний и критических нагрузок, необходимо рассмотреть анизотропию упру­ гих свойств материала.

Большинство инженеров и специалистов по материаловедению хорошо осведом­ лены о поведении и использовании изотропных материалов. Такими материалами являются большинство металлов и чистых полимеров. Изотропные материалы характеризуются одинаковыми механическими, физическими, температурными и электрическими свойствами в любом направлении. Материалы, характеристики которых зависят от направления, называются анизотропными.

Вообще, понятие изотропии материала является условным и определяет по су­ ществу лишь математическую модель реального материала. Например, в поликристаллических металлах, состоящих из многочисленных анизотропных зерен, макро­ скопическая изотропия является следствием статистического распределения отдель­ ных, случайно ориентированных зерен. Однако некоторые материалы могут быть макроскопически аназотропными благодаря структуре, образующейся в процессе холодной обработки, в частности, при ковке или вытяжке. Другие материалы, такие как древесина, кости человека и животных, и все материалы, армированные волокнами (подобные тем, что описаны в гл. 1 ),являются анизотропными по своей природе.

Как указывалось в гл. 1, композитные материалы, армированные волокнами, представляют исключительный интерес, поскольку использование длинных волокон обеспечивает материалу более высокое отношение прочности и жесткости к плот­ ности, чем у других материалов, эксплуатирующихся при нормальной температуре. Кроме того, существует возможность направленного расположения волокон в соответствии с заданной геометрией изделия, приложенными нагрузками и услови­ ями эксплуатации. Композиты, армированные короткими волокнами, применяют главным образом тогда, когда требуется низкая стоимость, высокая производитель­ ность процесса изготовления. В этом случае использование таких материалов позво­

ляет получать изделия	конкурентноспособные и даже предпочтительные по отно­
шению к прототипам из	пластмасс	и металлов. Наконец, сочетание двух и более
типов волокон с одной	матрицей,	например использование более прочных и жест­

ких волокон в сочетании с более дешевыми и, следовательно, более пригодными для менее нагруженных участков конструкции волокон, открывает новый класс проблем для исследования. Таким образом, при использовании композитных мате­ риалов инженер не только выбирает материал, но одновременно является и его соз­ дателем .

Существует много разных моншрафий и справочников, посвященных проб­ лемам тонкостенных многослойных конструкций, (балок, пластин и оболочек), например [1-4). В них показано, что при малых деформациях в пределах линей­ ной упругости материала уравнения равновесия, геометрические соотношения, свя­ зывающие деформации и перемещения, и уравнения совместности деформаций имеют одну и ту же форму для конструкций, образованных как из изотропных, так и из анизотропных композитных материалов. Однако для систем из композит­ ных материалов в уравнения, связывающие напряжения и деформации, называемые