книги / Механика композитных материалов. 1979, т. 15, 2
.pdfМЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1979, № 2, с. 313—316
УДК 539.4:678.5.06
П.В. Мает, Л. А. Бобьен, М. А. Клиффорд, Д. Р. Мюльвиль, С. А. Саттон,
Р.В. Томас, Дж. Тирош, И. Волок
п р е д с к а з а н и е начала р а зр у ш е н и я в к о м п о зи тн ы х
МАТЕРИАЛАХ*
До сих пор разрушение композитов, армированных волокнами, иссле довалось в основном в условиях простого нагружения, хотя в литературе неоднократно указывалось1-3 на необходимость изучения их прочности при сложном нагружении. Недостаточность данных по сложному нагру жению объясняется сложностью соответствующих экспериментов. Было рассмотрено большое число аналитических критериев для предсказания прочности композитов при сложном нагружении1, однако, к сожалению, без особого успеха. Поэтому во всех случаях, связанных с характеристи кой прочности композитов в условиях нагружения, мы зависим от экспе риментальных данных.
На начальных этапах наших исследований характера разрушения композитных материалов был определен ряд условий, способствующих успешному проведению экспериментов. Во-первых, следует пользоваться понятиями механики разрушения, концентрируя при этом внимание на установлении обстоятельств, при которых начинается разрушение, вы званное контролируемым дефектом или концентратором напряжений. Однако не следует ограничивать исследования, пользуясь только сущест вующими параметрами механики разрушения, такими, как скорость ос вобождения удельной энергии деформации G, коэффициент интенсив ности напряжения К или /-интеграл, установленными для изотропных материалов. Во-вторых, для создания условий, по возможности, прибли жающихся к действительным, эксперименты должны проводиться при общем плоском нагружении. В-третьих, проведение экспериментов должно быть максимально дешевым, несмотря на большое количество переменных параметров у композитных материалов. Для этого образцы должны иметь небольшие размеры и несложную геометрическую форму, что уменьшит затраты материала, расходы на механическую обработку образцов и время проведения эксперимента. При всем этом размеры об разцов должны быть достаточно большими по отношению к диаметру во локна или толщине отдельного слоя, чтобы при анализе можно было учесть однородность и ортотропность материала. В-четвертых, необхо димо вывести аналитические выражения, позволяющие интер- и экстра полировать полученные данные. Помимо всего сказанного, необходимо иметь в виду еще два момента: экспериментальные результаты должны быть пригодны для инженеров-конструкторов и опыты должны включать испытания на прототипах конструкции для подтверждения правильности данных, полученных на лабораторных образцах.
Программа наших экспериментов состояла из трех частей: 1) разра ботка системы нагружения, подходящей для осуществления сложного на гружения; 2) разработка критерия разрушения на основе результатов исследований разрушения композитных материалов при сложном нагру жении; 3) демонстрация пригодности этих критериев разрушения в лабо раторных исследованиях компонентов конструкций.
* Доложено на советско-американском симпозиуме «Разрушение композитных мате риалов» (Рига, сентябрь 1978 г.). Перевод И. В. Кнетса.
313
в.
Рис. 1. Схема устройства для плоского нагружения: 1 — рама; 2 — гидравлический привод; 3 — подвижная головка; 4 — фиксированная головка; 5 — захваты образца; 6 — устройство для нагружения—разгружения образца; 7 — образец; 8 — видеокамера; 9 — видеотерминал; 10 — дисплей.
Устройство для плоского нагружения (рис. 1), разработанное в рамках этой программы, состоит из трех самостоятельных, контролируемых вычислительной машиной, гидравлических приводов, присоединенных к подвижному захвату. Программированием скорости нагружения каждого привода к образцу может быть приложено плоское нагру жение, состоящее из комбинаций растяжения, сдвига и изгиба в плоскости (рис. 2). Ис пользовали образец размерами 25X38X2 мм с односторонним вырезом глубиной 15 мм, параллельным ребру образца, равному 25 мм. Образец удерживается двумя гидравли чески контролируемыми захватами, причем силу зажима можно программировать. Один захват прикреплен к неподвижной головке, а другой — к приводу с помощью подвижной головки, через которую осуществляется передача запрограммированных движений пере мещения и кручения.
Образцы из специальной обоймы перемещаются в захваты с помощью механиче ского манипулятора. Начальные данные о геометрических размерах образца, такие, как месторасположение выреза, получают с помощью преобразованного видеоизображения образца в захватах; затем эти данные поступают в память вы числительного устройства. Вычислительная система контроли рует эксперименты, собирая данные о геометрии образцов, ре гулируя усилия в захватах, осуществляя нагружение образца
иу
А
Рис. 2. Состояния нагруже ния, получаемые при помощи устройства для плоского на гружения: а—в — сдвиг и растяжение; г, д — изгиб в плоскости. 1 — подвижный захват; 2 — неподвижный захват; 3 — образец; 4 — вырез; 5 — гидравлические приводы, контролирующие
перемещение.
314
по предварительно заданному пропорциональному пути нагружения и накапливая дан ные о силе и перемещении.
В настоящее время оператор системы должен вручную управлять устройством на гружения, с помощью видеоустройства численно выражать геометрические данные об разца, вводить параметры в экспериментальную систему, контролируемую вычислителем. Совсем несложно автоматизировать и эти операции.
Разрушение исследовали в устройстве для плоского нагружения на углеродно-эпоксидных композитах с различными углами армирования (рассматривались углы 30, 45, 60 и 75°). Эксперимент повторяли два или три раза в выбранных точках. Изменчивость величины разрушающей на грузки в одной и той же точке не превышала 5%. Результаты экспери мента могут быть представлены в графическом виде путем нанесения критических перемещений (т. е. вызывающих начало разрушения) в сферических координатах и отображенных в декартовой системе коорди нат (рис. 3). На рисунке показана также взаимозависимость компонентов сдвига, растяжения и изгиба, приложенных к образцам, d0, d\, d% соответ ственно и сферических координат 0Ь 02 и г, отображающих поверхность разрушения. Эти результаты дают представление о поверхностях разру шения для целого ряда различных условий сложного нагружения. Они могут быть, использованы для предсказания начала разрушения лабора торных прототипов конструкций.
Рис. 3. Поверхности разрушения углеродно-эпоксидных композитов, испытанных в усло виях плоского нагружения, при угле армирования а = 30° (1), 45° (2), 60° (3) и 75° (4).
А — точка начала разрушения.
315
П_____________[П |
Следующим шагом в решении проблемы |
|
было доказательство обоснованности критерия |
|
разрушения, полученное с помощью устройства |
|
для плоского нагружения, для балки коробча |
|
того сечения, взятой в качестве опытного об |
|
разца. Алюминиевая балка представляла кон |
|
струкцию, встречающуюся в самолетах (рис. 4). |
|
Алюминиевые пластинки размерами 305 X |
|
X460X3 мм были привинчены и укреплены в |
|
каналах глубиной 38 мм. К верхней и нижней |
|
частям этого приспособления были прикреп |
|
лены элементы с просверленными нагружаю |
|
щими отверстиями. Выбирая отверстия, можно |
|
получить разные комбинации усилий плоскост |
|
ного растяжения, сдвига и изгиба при одноос |
|
ной системе нагружения. Диск, сделанный из |
Рис. 4. Устройство для на |
экспериментального материала толщиной 2 мм |
гружения коробчатой балки: |
и имеющий диаметр 114 мм, был установлен в |
1 — универсальная испыта |
центре одной стороны алюминиевой пластины. |
тельная машина; 2 — алю |
Диск таких размеров экономичнее, нежели це |
миниевая коробчатая балка; |
|
3 — диск из композита. |
лая пластина из того же материала. В центре |
|
опытного образца был сделан вырез. Ориен |
тация образца по отношению к оси нагружения менялась.
До разрушения диска из углеродно-эпоксидного композита был про веден экспериментальный анализ напряжений на опытных образцах, установленных в центре балки коробчатого сечения. Целью этого ана лиза, проведенного методом конечных элементов, была проверка числен ного моделирования полей напряжения и перемещения вблизи выреза. Фотоупругое покрытие было прикреплено к диску графитового компо зита, имеющего вырез, и балка с образцом была подвергнута плоскому нагружению. При разных комбинациях плоских нагрузок были получены разные изохроматические изображения. Различие между эксперимен тальными и теоретически вычисленными характеристиками изохромати ческих изображений при разных видах плоскостных нагружений незна чительное. Подтверждение применимости численной модели очевидно, так как возможность предсказания разрушения основана на подобии по лей деформации в районе вершины выреза как в небольших лаборатор ных образцах, испытанных в устройстве для плоского нагружения, так и в прототипе балки коробчатого сечения. Поля деформаций для обеих гео метрических форм образцов получены при помощи одной и той же про граммы структурного анализа.
После проверки метода числового анализа были проведены экспери менты по исследованию разрушения дисков графитового композита, уста новленных на балке коробчатого сечения, при разных плоских нагрузках. На основе подобия полей деформации была предсказана нагрузка, вызы вающая начало образования трещины.
СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы
1.Rowlands R. Е. Flow and failure of biaxially loaded composites: experimentaltheoretical correlation. — In: Inelastic Behavior of Composite Materials. AMD. Vol. 13. ASME, 1975, p. 97.
2.Morris D. H., Hahn H. T. Mixed-mode fracture of graphite epoxy composites: fracture strength. — J. Compos. Materials, 1977, vol. 11, p. 124.
3. Guess T. R., Gerstle F. P. jr. Deformation |
and fracture of resin matrix composites |
in combines stress states. — J. Compos. Materials, |
1977, vol. 11, p. 146. |
Исследовательская лаборатория |
Поступило в редакцию 05.10.78 |
Военно-морского флота США, Вашингтон |
|
МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1979, № 2, с. 317—321
УДК 539.4:678.5.06
Б. В. Перов, А. М. Скудра, Г П. Машинская, Ф. Я. Булаве
ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ОРГАНОПЛАСТИКОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ*
Пластики, армированные органическими волокнами, являются новым эффективным композитным материалом. Одним из преимуществ органо пластиков по сравнению с другими видами армированных пластиков является их пониженная плотность. В отличие от пластиков, армирован ных стеклянными, борными и углеродными волокнами, органопластики имеют специфический характер разрушения: их разрушение при сдвиге, растяжении и сжатии связано с разрушением самих волокон.
Целью настоящей работы является исследование механизма разруше ния и его влияния на прочность органопластиков при растяжении, сжатии
исдвиге.
Уорганических волокон сильно выражена анизотропия прочностных
иупругих свойств. Следует отметить, что простым путем определить проч ностные и упругие свойства органических волокон невозможно.
Экспериментально установлено, что для органических волокон харак терны очень низкая жесткость и прочность в поперечном направлении. Об этом свидетельствуют микрофотографии разрушения и деформирова ния волокон типа СВМ, приведенные на рис. 1. На рис. 1—а показан вид поперечного растрескивания волокон в случае осевого растяжения. Из рис. 1—б видно, что при поперечном сжатии волокна «пластически» де формируются и первоначальное круглое поперечное сечение превраща ется в прямоугольное.
Структурной единицей органических волокон являются жесткие мак ромолекулы или их агрегаты — фибриллы. Высокая прочность и жест кость таких волокон при растяжении обусловливаются высокой степенью ориентации макромолекул вдоль оси волокна и высокой энергией диссо циации химических связей в цепи исходного полимера. Характер разру шения предельно ориентированного волокна при одноосном растяжении обусловлен макронеоднородностью полимера, следствием чего является неодновременная работа отдельных структурных элементов волокна. Раз личие напряженного состояния соседних структурных элементов вызы вает возникновение в граничной области напряжений сдвига, приводя щих к макрофибриллизации и расщеплению волокна. В результате одно осное растяжение волокна сопровождается ориентационным прорастанием межфибриллярных трещин вдоль направления действия растягивающего усилия. Однако расщепленное волокно до какого-то предела еще в со стоянии воспринимать нагрузку. Расщепление волокон, очевидно, сопро вождается одновременным обрывом отдельных наиболее напряженных фрагментов волокна, после чего нагрузка воспринимается следующим пучком фибрилл и т. д. вплоть до полного разрушения, сопровождающе гося интенсивным расщеплением и распушиванием образца. Характер ный вид разрушения однонаправленно армированного органопластика при растяжении в направлении армирования показан на рис. 2.
Таким образом, можно полагать, что при растяжении органопласти ков перераспределение напряжений в образце происходит не только
* Доложено на советско-американском симпозиуме «Разрушение композитных мате риалов» (Рига, сентябрь 1978 г.).
317
|
|
|
|
посредством полимерной матрицы |
||||||||
|
|
|
|
от волокна к волокну, но также |
||||||||
|
|
|
|
вследствие |
взаимодействия |
от |
||||||
|
|
|
|
дельных, в разной степени напря |
||||||||
|
|
|
|
женных |
пучков |
фибрилл |
внутри |
|||||
|
|
|
|
одного |
макронеоднородного |
во |
||||||
|
|
|
|
локна. |
растяжении однонаправ |
|||||||
|
|
|
|
|
При |
|||||||
|
|
|
|
ленно армированного органоплас |
||||||||
|
|
|
|
тика в направлении армирования |
||||||||
|
|
|
|
прочность |
материала |
в |
первом |
|||||
|
|
|
|
приближении |
с достаточной |
для |
||||||
Рис. 3. Прочность малоцикловой усталости |
практики точностью определяется |
|||||||||||
различных |
материалов |
при |
растяжении: |
на |
основании |
закона суммиро |
||||||
1 — однонаправленно армированный орга |
вания: |
|
|
|
|
|
|
|
||||
нопластик |
(г|э = 0,40); 2 — |
однонаправленно |
R\i+= [ф£В2 + (1 -^>)EA]eBR+, |
(1) |
||||||||
армированный углепластик (0,65); 3 — од |
||||||||||||
нонаправленно армированный |
боропластик |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
(0,60); 4 — органотекстолит (0,45); 5 — |
где |
ф |
— |
объемное |
содержание |
|||||||
алюминиевый сплав; 6 — стеклотекстолит. |
волокон; Еа — модуль упругости |
|||||||||||
Все армированные пластики |
изготовлены |
|||||||||||
на связующем эпоксидного типа. Характе |
связующего; |
евн+ — |
предельная |
|||||||||
|
ристика цикла г=0,1. |
деформация |
волокон |
на |
растя |
|||||||
|
|
|
|
жение. |
|
|
|
|
|
|
|
Очень важно отметить, что в случае органопластиков применение за кона суммирования носит весьма условный характер. Экспериментально установлено, что модуль упругости волокон и их предельная деформация существенно зависят от величины технологического натяжения волокон и скорости нагружения, а прочность волокон зависит от физико-химиче*- ских условий взаимодействия с олигомерным связующим. Из этого сле дует, что формулу (1) для органопластиков можно применять только при фиксированном технологическом натяжении и фиксированной скорости нагружения.
Предельная деформация евд+ экспериментально определяется при условии, что волокна и связующее деформируются совместно, т. е. отсут ствует скольжение и деформации волокон в момент разрушения равня ются деформаций армированного пластика. Следует отметить, что под евд+ понимается деформация, при которой начинается лавинное разру шение волокон.
Описанная особенность разрушения органического волокна опреде ляет образование сильно развитой поверхности разрушения и высокую работу разрушения композиционного материала на его основе, чего не наблюдается в пластиках, армированных хрупкими волокнами. Высокая работа разрушения органопластиков определяет относительно высокую их прочность на малоцикловую усталость. Об этом свидетельствуют опыт ные данные, приведенные на рис. 3.
Прочность пластиков, однонаправленно армированных стеклянными, борными и углеродными волокнами, при поперечном растяжении опреде ляется по зависимости1
Я,+=— |
R A + |
(2) |
|
CJrVl-VA2'
где Or — коэффициент концентрации напряжений, зависящий от упругих свойств компонентов, их объемного содержания и вида упаковки. В ос нове этой формулы лежит допущение, что при трансверсальном растя жении разрушается полимерное связующее.
На рис. 4 показан вид разрушения органопластика при поперечном растяжении. Из приведенной фотографии видно, что волокна разруша лись на поперечное растяжение.
318