Экспериментальная механика композитов
Покупка
Тематика:
Материаловедение
Автор:
Полилов Александр Николаевич
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 376
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-4489-2
Артикул: 610301.03.99
Доступ онлайн
В корзину
Изложены научные основы экспериментальных исследований композитных материалов-конструкций. Обоснованы экспериментальные методы определения полного набора упругих и прочностных констант ортотропных композитов. Приведены методы исследования ползучести и высокоскоростного деформирования композитов, модели и критерии разрушения анизотропных волокнистых композитов с полимерной матрицей. Предложены энергетические критерии развития расслоений и расщеплений в композитах. Рассмотрено влияние концентрации напряжений на прочность композитных деталей. Представлены оригинальные модели разрушения композитов, а также расчетные методы, отличающиеся от стандартных.
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, читаемых автором в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов технических вузов, а также для аспирантов, инженеров, исследователей, занимающихся проблемами применения композитных материалов в различных областях специального и гражданского машиностроения.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
А.Н. Полилов ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕХАНИКА КОМПОЗИТОВ Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 151600 «Прикладная механика» 2-е издание
УДК 620.22:620.17 ББК 30.36 П50 Рецензенты: кафедра «Сопротивление материалов» Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ) (зав. кафедрой канд. техн. наук, профессор Н.А. Крамской); чл.-кор. РАН, д-р физ.-мат. наук, зав. кафедрой «Теория пластичности» механико-математического факультета МГУ им М.В. Ломоносова профессор Е.В. Ломакин; д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Механика композитов» механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова В.И. Горбачёв; д-р техн. наук, профессор кафедры «Ракетно-космические композитные конструкции» МГТУ им. Н.Э. Баумана Г.В. Малышева Полилов, А. Н. Экспериментальная механика композитов : учебное пособие / А. Н. Полилов. — 2-е изд. — Москва : Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. — 375, [1] с. : ил. ISBN 978-5-7038-4489-2 Изложены научные основы экспериментальных исследований компо- зитных материалов-конструкций. Обоснованы экспериментальные методы определения полного набора упругих и прочностных констант ортотроп- ных композитов. Приведены методы исследования ползучести и высоко- скоростного деформирования композитов, модели и критерии разрушения анизотропных волокнистых композитов с полимерной матрицей. Предло- жены энергетические критерии развития расслоений и расщеплений в ком- позитах. Рассмотрено влияние концентрации напряжений на прочность композитных деталей. Представлены оригинальные модели разрушения композитов, а также расчетные методы, отличающиеся от стандартных. Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, читаемых автором в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Для студентов технических вузов, а также для аспирантов, инженеров, исследователей, занимающихся проблемами применения композитных мате- риалов в различных областях специального и гражданского машиностроения. УДК 620.22:620.17 ББК 30.36 Полилов А.Н., 2015 Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-4489-2 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 П50
Оглавление Предисловие ............................................................................................... 5 Список сокращений .................................................................................. 7 Введение ..................................................................................................... 9 1. Введение в мир композитов ............................................................... 12 1.1. Общие сведения о композитах ...................................................... 12 1.2. Прочность композитов ................................................................... 16 1.3. Классификация композитов........................................................... 23 1.4. Структура и свойства композитов. Волокна и матрицы ............. 32 1.5. Композитные технологии .............................................................. 46 1.6. Основные объекты и эффекты применения композитов в машиностроении ............................................................................ 53 Контрольные вопросы ........................................................................... 57 2. Механика деформирования композитов ......................................... 59 2.1. Теория упругости анизотропного тела ......................................... 59 2.2. Определение полного набора упругих констант ортотроп- ных материалов .............................................................................. 81 2.3. Особенности испытаний композитов на изгиб ........................... 103 2.4. Методы определения модулей сдвига .......................................... 121 2.5. Элементы наследственной теории ползучести ............................ 131 2.6. Различные условия и режимы испытаний .................................... 145 2.7. Динамические испытания композитов ......................................... 157 Контрольные вопросы ........................................................................... 171 3. Механика разрушения композитов. Прочность и трещино- стойкость ............................................................................................... 174 3.1. Критерии прочности анизотропных волокнистых компози- тов .................................................................................................... 174 3.2. Задачи о расслоении и расщеплении волокнистых компози- тов ................................................................................................... 199 3.3. Влияние концентрации напряжений на прочность волокни- стых композитов ............................................................................ 234 Контрольные вопросы ........................................................................... 269
Оглавление 4 4. «Этюдные» задачи композитного проектирования ...................... 272 4.1. Послойный метод расчета прочности слоистых пластин ........... 272 4.2. Упрощенный послойный метод. Понятие «изотропного» композита ....................................................................................... 277 4.3. Рациональное армирование баллона для сжатого природного газа ................................................................................................... 287 4.4. Оптимальное проектирование композитного карданного вала ...... 292 4.5. Расчет намоточного торсиона и других упругих элементов из стеклопластика ................................................................................. 298 4.6. Проектный расчет композитных малолистовых рессор ............. 310 Изгибно-крутильная потеря устойчивости 4.7. .................................. 322 Диаграммы Цая для оценки упругих и прочностных свойств 4.8. композитов ...................................................................................... 327 Оценки упругопрочностных свойств трехслойных панелей 4.9. с сотовым заполнителем ................................................................ 332 Концентрация напряжений вблизи механической заделки ...... 336 4.10. Расчет и оптимизация заклепочных соединений композит- 4.11. ных пластин .................................................................................. 343 4.12. Биомеханические принципы проектирования мест крепле- ния с применением криволинейных траекторий укладки волокон ......................................................................................... 351 Контрольные вопросы ........................................................................... 361 Заключение ................................................................................................. 363 Литература .................................................................................................. 368 Именной указатель .................................................................................... 370 Предметный указатель .............................................................................. 371
Предисловие 5 Предисловие В названии настоящей книги приведены три слова: наиболее известное из них — «эксперимент». «Механика» здесь понимает- ся как часть математики, позволяющая с заданным уровнем адек- ватности описывать наблюдаемые процессы. Это механика сплошной среды, и в частности механика деформируемого твер- дого тела, а более конкретно механика специально сконструи- рованных, «сочиненных» неоднородных материалов — компози- тов. Особенность проектирования композитов состоит в том, что материал и конструкция композита создаются одновременно, и характеристик свойств предполагаемого материала нет в справоч- никах. Это обусловливает особую роль экспериментальной меха- ники отдельной области исследований, позволяющей получать сведения о материалах и элементах конструкции как в процессе их проектирования, так и в связи с конкретными технологиями производства. Поскольку свойства анизотропных материалов раз- личны во всех направлениях, можно сделать вывод, что этих свойств бесконечно много. На практике же число независимых свойств материала может быть строго определенным. Путем од- них экспериментов эту задачу не решить, на помощь приходит механика наука о моделировании поведения композитов. Научные подходы к изучению композитов весьма разнообраз- ны. При одинаковом объекте (композитный материал-конст- рукция) предмет исследования может быть другим, т. е. основы- ваться на различных моделях и соответствующем математическом аппарате. Представленные в данном учебном пособии задачи о разрушении композитов относятся к модели материала, занима- ющей промежуточное положение между «микроструктурными» и «макрооднородными» моделями. Условно принято, что макроме- ханика изучает поведение композитного элемента, моделируемого
Предисловие 6 сплошным, однородным, анизотропным телом с эффективными упругими (деформационными) характеристиками. Напротив, иссле- дование структурных моделей отдельного волокна, погруженного в матрицу, называют микромеханикой композитов. (Хотя правильно было бы относить к понятию «микромеханика» изучение тех моде- лей и эффектов, которые связаны не с неоднородностью структуры, а с масштабным эффектом, когда при сохранении геометрического подобия структуры (волокно в матрице или арматура в бетоне) с из- менением абсолютных размеров компонентов изменяются свойства материала и характер его разрушения. Наиболее ярким проявлением такого рода масштабного эффекта является резкий рост прочности волокон при уменьшении их диаметра.) Когда за характерный элемент структуры принимают не отдель- ное волокно, а жгут, ленту (при намотке) или монослой, препрег (при выкладке), соответствующие расчетные модели (послойный метод) в некоторых случаях называют минимеханикой. Автор предлагает называть структурный уровень моделей, представленных в данном пособии, «мидимеханикой» композитов. При этом расчет напряже- ний проводится по схеме однородного ортотропного материала, но при анализе механизмов разрушения следует учитывать «слабые» направления вдоль границ раздела волокно — матрица и «слабые» межслойные поверхности. Именно их наличие приводит к часто воз- никающим разрушениям полимерных композитов в виде расслоений (по границе слоев) и расщеплений (вдоль волокон). Представление о направленном характере разрушения композитов делает анализ их критериев прочности не сложнее (а в чем-то и проще), чем изотроп- ных материалов, металлов. Эта основная особенность направленного разрушения композитов превалирует в приведенной в учебном посо- бии подборке «этюдных» учебных задач. Автор считает своим долгом отметить выдающийся вклад в раз- витие механики разрушения своего Учителя ученого-механика, академика РАН Ю.Н. Работнова, 100 лет со дня рождения которого научная общественность отмечала в 2014 г. Следует отметить большую помощь в работе над рукописью, особенно над гл. 4, канд. техн. наук Н.А. Татуся как соавтора в освещении многих вопросов. Автор будет признателен за любые замечания и предложения по данному пособию, которые можно отправлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Введение 7 Список сокращений КИН коэффициент интенсивности напряжений (SIF Stress Intensity Factor) ККМ керамический композитный материал (Сeramic- Matrix Composite) КМ композитный материал (CM Composite Material) МДТТ механика деформируемого твердого тела (Mecha- nics of Solids) МКМ металлический композитный материал (Metal- Matrix Composite) МКЭ метод конечных элементов (FEM Finite-Element Method) МСС механика сплошных сред НДС напряженно-деформированное состояние НК неразрушающий контроль (NDE Non-Destructive Estimation) ПКМ полимерный композитный материал (Polymeric- Matrix Composite) ТК тело Кельвина ТМ тело Максвелла ТФ тело Фойгта УУКМ углерод-углеродный композитный материал, угле- волокнистый композит с карбонизованной матрицей ( С-С Carbon-Carbon Material, Carbon-matrix Carbon-fibers Сomposite Material) ЭМК экспериментальная механика композитов ANSYS компьютерный пакет программ, в частности, для расчетов напряженно-деформированных состояний
Список сокращений 8 и прочности композитных конструкций методом конечных элементов BFRP Boron Fiber Reinforced Plastics боропластик CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics углепластик FRP Fiber Reinforced Plastics армированные волокна- ми пластики GFRP Glass Fiber Reinforced Plastics стеклопластик KFRP Kevlar Fiber Reinforced Plastics органопластик РЕЕК полиэфирэфиркетон термопласт, свойства которого не уступают реактопластам
Введение 9 Введение Новые волокнистые композиты армированные пластики являются высоко эффективными и незаменимыми материалами в ряде отраслей. Цель предлагаемого учебного пособия подготовка специалистов, владеющих знаниями в области композитного проектирования. Опыт преподавания новых специальных дисциплин «Механика композитов», «Экспериментальная механика композитов», «Основы проектирования деталей из полимерных композиционных материалов», «Механика композитных конструкций» показал, что студенты с большим интересом и пониманием изучают основы теории композитного проектирования не абстрактно, по формулам, а на примерах конкретных деталей. При этом они получают знания и о нетрадиционных областях механики твердого тела, к которым относятся: теория упругости и критерии прочности конструктивно анизотропных материалов; механика разрушения, учитывающая особые механизмы потери целостности материала, принципы оптимизации композитных конструкций. Очевидно, что в отличие от проектирования авиационной и аэрокосмической техники, где главным является снижение массы, в автомобилестроении, например, это недостаточное условие эффективности замены металлов на новые дорогостоящие композиты стекло-, угле-, боро-, органо- и базальтопластики. В то же время в традиционных курсах материаловедения отмечаются только высокие удельные прочностные характеристики, которые не столь важны для массового наземного транспорта. В этом заключаются проблемы, которые сдерживают широкое применение конструкционных композитов и образуют некий порочный круг. Так, низкий объем производства новых материалов обусловливает их высокую цену, что, в
Введение 10 свою очередь, не стимулирует рост производства и спрос на эти материалы. К сдерживающим факторам развития также относятся: малый опыт работы с композитными материалами (КМ), неразвитость технологий, сложности проектирования композитных деталей и их сопряжений с металлическими конструкциями, отсутствие справочной и учебной литературы, недостаток специалистов. Для преодоления сложившихся противоречий необходимо начинать с производства тех изделий из КМ, которые давали бы наибольший эффект по сравнению с металлическими аналогами не просто за счет снижения массы, а в результате решения принципиальной тех- нической задачи. Анализ основных эффектов от применения КМ позволяет выбрать те силовые объекты, где особые свойства КМ обеспечивают эффективность их применения даже с учетом высо- кой цены при мелкосерийном производстве. Поэтому одна из ос- новных задач обучения студентов в рамках дисциплины «Экспе- риментальная механика композитов» обеспечение связи материаловедения с машиноведением, обоснованный выбор КМ, его состава и структуры армирования для различных силовых эле- ментов. При этом в учебных «этюдных» задачах (гл. 4) предлагает- ся максимально упростить расчетную схему, чтобы выявить новые возможности композитного проектирования. Курс «Экспериментальная механика композитов» рассчитан на два семестра, и, соответственно, структура данного учебного посо- бия состоит из четырех глав. В первом семестре изучается материал вводной гл. 1 и гл. 2 (механика деформирования композитов), во втором семестре гл. 3 (механика разрушения композитов) и примеры решения практических задач (гл. 4). Глава 1 содержит общие сведения: определение композитов, их структура, свойства, классификация, история их создания и совер- шенствования, технологии изготовления композитных изделий, ос- новные объекты, эффекты и области их эффективного применения. Из общей классификации конструкционных композитов выделен наиболее широко распространенный и наиболее перспективный класс полимерных композитных материалов (ПКМ) стекло-, угле-, боро- и органопластики. Основной раздел механика композитов включает в себя механику деформирования (анизотропная упругость, ползучесть, динамика (гл. 2)) и механику разрушения композитов (критерии
Введение 11 прочности, условия роста расслоений и расщеплений, влияние концентрации напряжений (гл. 3)). В главе 2 обоснованы экспериментальные методы определения полного набора упругих констант ортотропных композитов. Описа- ны методы исследования ползучести и высокоскоростного деформи- рования. Глава 3 посвящена моделям и критериям разрушения ани- зотропных волокнистых композитов с полимерной матрицей — стекло-, органо-, углепластиков. Предложены силовые критерии раз- рушения композитов и энергетические критерии развития расслое- ний и расщеплений. Подробно обсуждается проблема влияния концентрации напряжений на прочность композитных деталей. Представленные оригинальные модели разрушения композитов от- ражают особенности их поведения под нагрузкой и объясняют необ- ходимость применения расчетных методов, отличающихся от тради- ционных. В главе 4 приведены простые, учебные примеры проект- ного расчета композитных элементов с целью иллюстрации тех принципиальных преимуществ, которые можно получить благодаря особым упругопрочностным свойствам композитов. Принцип изло- жения материала состоит в выборе задач, имеющих ясную постанов- ку, простое решение, наглядный результат. Именно на таких задачах можно объяснить студенту особенности поведения волокнистых композитов без чрезмерного усложнения и формализации. Рассмотренные в учебном пособии вопросы во многом отража- ют научные интересы и опыт работы автора, хотя эксперименталь- ная механика композитных материалов и конструкций гораздо ши- ре содержания данного учебного пособия.
1. Введение в мир композитов 12 1. ВВЕДЕНИЕ В МИР КОМПОЗИТОВ 1.1. Общие сведения о композитах Английское слово composite относительно недавно стали применять к материалам. В классических словарях приводятся по- нятия с этим корнем: «композиция», «сочинение», «композитор», но в их определениях отсутствует указание неоднородности (для этого используется другое слово nonhomogeneous) или сложного соста- ва материала (combined, complex materials). В понятие composite material изначально закладывался смысл именно «сочиненного», специально сконструированного материала, другими словами, мате- риала-конструкции. Иногда говорят, что любой материал, по сути, композит, так как он неоднороден, состоит из различных компонен- тов (например, любой сплав). Но это представление не соответствует основной идее нового термина. Композит состоит из армирующих элементов и связующего (матрицы), однако этот термин не приме- няют к железобетонным конструкциям, где также есть армирующие элементы направленно-уложенные стальные стержни, и связую- щее бетон (цементно-песчано-гравийная смесь). Основным все- таки является масштабный фактор. В отличие от железобетона и по- добных составных конструкций, в которых стальные стержни име- ют прочность на макроуровне такую же, как вне конструкции, в композитах удается реализовать сверхвысокие механические свой- ства (в основном, прочность), присущие именно тонким волокнам. Подробнее об этом будет сказано далее (разд. 1.2), здесь же ограни- чимся лишь определением и необходимыми признаками, позволяю- щими выделить класс композитных материалов композитов. По- следний термин кажется наиболее удачным. Действительно, проще
Доступ онлайн
В корзину