Прочность тонколистового элемента конструкции из композиционного материала при ударном растяжении
Кратко описаны методика и результаты исследования прочности тонколистового элемента
 конструкции толщиной 2 мм из ударостойкого композиционного материала РА6 при
 ударном растяжении. Экспериментальные исследования включают испытания на статическое
 и ударное растяжение образц...
Saved in:
| Published in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Date: | 2001 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2001
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46554 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Прочность тонколистового элемента конструкции из
 композиционного материала при ударном растяжении / Г.В. Степанов, В.И. Зубов, В. М. Токарев, А.В. Дроздов, Я.Р. Клепачко // Проблемы прочности. — 2001. — № 1. — С. 38-48. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860235707939815424 |
|---|---|
| author | Степанов, Г.В. Зубов, В.И. Токарев, В.М. Дроздов, А.В. Клепачко, Я.Р. |
| author_facet | Степанов, Г.В. Зубов, В.И. Токарев, В.М. Дроздов, А.В. Клепачко, Я.Р. |
| citation_txt | Прочность тонколистового элемента конструкции из
 композиционного материала при ударном растяжении / Г.В. Степанов, В.И. Зубов, В. М. Токарев, А.В. Дроздов, Я.Р. Клепачко // Проблемы прочности. — 2001. — № 1. — С. 38-48. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Кратко описаны методика и результаты исследования прочности тонколистового элемента
конструкции толщиной 2 мм из ударостойкого композиционного материала РА6 при
ударном растяжении. Экспериментальные исследования включают испытания на статическое
и ударное растяжение образцов с укороченной рабочей частью и с острыми симметричными
боковыми надрезами. Методом акустической эмиссии при статическом растяжении
обнаружены акустические сигналы, свидетельствующие о развитии повреждений
в материале при нагрузке, значительно ниже разрушающей. Методики испытаний аналогичны
использованным ранее для испытания тонколистовых металлов на растяжение.
Проанализирован волновой процесс при ударном растяжении образцов по вязкоупругой
модели материала. Установлено влияние вязкости на ширину фронта волны, определяющей
скорость роста напряжений при ее распространении. Согласно результатам испытаний,
переход от квазистатического растяжения к ударному незначительно (слабо) изменяет
уровни максимальных напряжений. При ударном растяжении образцов с острыми надрезами
в первой волне нагрузки, ниже разрушающей, наблюдается снижение напряжений с
течением времени, которое может быть обусловлено как проявлением эффектов вязкости,
так и повреждениями вблизи острых надрезов.
Коротко описано методику і результати досліджень міцності тонколистового
елемента конструкції товщиною 2 мм з ударостійкого композиційного
матеріалу РА6 при ударному розтязі. Експериментальні дослідження включають
випробування на статичний й ударний розтяг зразків з укороченою
робочою частиною і з гострими симетричними боковими надрізами.
Методом акустичної емісії при статичному розтязі виявлено акустичні сигнали,
що свідчить про розвиток пошкоджень у матеріалі при навантаженні,
значно нижчому за руйнівне. Методики випробувань аналогічні тим, що
використовувалися раніше для випробувань тонколистових матеріалів на
розтяг. Проаналізовано хвильовий процес при ударному навантаженні зразків
за допомогою в’язкопружної моделі матеріалу. Встановлено вплив в’язкості
на ширину фронту хвилі, що визначає швидкість росту напружень при
її розповсюдженні. Згідно з результатами випробувань, перехід від квазі-
статичного розтягу до ударного несуттєво (слабо) змінює рівень максимальних
напружень. При ударному розтязі зразків із гострими надрізами в
першій хвилі навантаження, яка нижча за руйнівну, спостерігається зниження
напружень з часом, що може бути зумовлене як проявом ефектів
в’язкості, так і пошкодженнями поблизу гострих надрізів.
We present a brief description of the
experimental procedure and results of strength
investigation of a thin-sheet element (of 2-mm
thickness) of crash-proof composite material
RA6 under impact loading conditions.
Experimental investigations included static and
impact tensile tests of specimens with a short
test portion and specimens with two symmetric
sharp edge V-notches. Using the acoustic
emission method, we registered acoustic
signals, which indicated development of
damages in the material, under static loading by
the load much lower than the critical one. The
test procedures used are similar to those earlier
applied to tensile tests of thin-sheet metal
structural elements. Using a viscoelastic model
of material, we performed analysis of the wave
process that accompanies impact loading of
specimens. We determined the influence of
viscosity on the width of the wave front that
controls the rate of stress rise during transverse
wave propagation. Based on the test results, it
is shown that transition from quasistatic to
impact tension causes insignificant (low)
changes in the maximum stress level. In the
case of impact tension of sharp-notched
specimens, the first wave of load (of the level
below the critical one) is characterized by
gradual reduction of stresses with time, which
fact can be attributed both to the viscosity
effects and accumulation of damages in the
sharp-edge zones.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:24:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.4
П р о ч н о с т ь т о н к о л и с т о в о г о э л е м е н т а к о н с т р у к ц и и из
композиционного материала при ударном растяжении*
Г. В. Степанова, В. И. Зубова, В. М. Токарева, А. В. Дроздова, Я. Р.
Клепачко6
а Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
6 Лаборатория физики и механики материалов, Метц, Франция
Кратко описаны методика и результаты исследования прочности тонколистового эле
мента конструкции толщиной 2 мм из ударостойкого композиционного материала РА6 при
ударном растяжении. Экспериментальные исследования включают испытания на стати
ческое и ударное растяжение образцов с укороченной рабочей частью и с острыми сим
метричными боковыми надрезами. Методом акустической эмиссии при статическом рас
тяжении обнаружены акустические сигналы, свидетельствующие о развитии повреждений
в материале при нагрузке, значительно ниже разрушающей. Методики испытаний ана
логичны использованным ранее для испытания тонколистовых металлов на растяжение.
Проанализирован волновой процесс при ударном растяжении образцов по вязкоупругой
модели материала. Установлено влияние вязкости на ширину фронта волны, определяющей
скорость роста напряжений при ее распространении. Согласно результатам испытаний,
переход от квазистатического растяжения к ударному незначительно (слабо) изменяет
уровни максимальных напряжений. При ударном растяжении образцов с острыми над
резами в первой волне нагрузки, ниже разрушающей, наблюдается снижение напряжений с
течением времени, которое может быть обусловлено как проявлением эффектов вязкости,
так и повреждениями вблизи острых надрезов.
К л ю ч е в ы е с л о в а : статическое и ударное растяжение, акустическая эмиссия,
вязкоупругая модель, продольная и поперечная волна, максимальные напря
жения, численный расчет.
Введение. Для изготовления корпусных элементов транспортных
средств широко используются тонколистовые металлы и композиционные
материалы. Наиболее перспективными являются высокопрочные компози
ционные материалы на основе высокомодульных волокон и связующего.
Однако их поведение и прочностные характеристики при динамическом
нагружении изучены недостаточно.
В работе приведены результаты испытаний листового композицион
ного материала РА6, созданного в Институте композиционных материалов
(Германия). Физико-механические характеристики опытной партии этого
материала приведены в табл. 1 (данные предприятия-изготовителя). Образ
цы и методики испытаний аналогичны использованным ранее [1] для испы
таний тонколистовых металлических материалов. Поскольку поведение ис
следуемого материала соответствует вязкоупругой модели (в неповрежден
ном материале после нагружения отсутствует остаточная деформация), осо
бое внимание обращено на проявление эффектов вязкости. Возможное
влияние последних на напряженное состояние анализировали по резуль-
* Работа выполнена по программе ШТАБ-96-2141.
© Г. В. СТЕПАНОВ, В. И. ЗУБОВ, В. М. ТОКАРЕВ, А. В. ДРОЗДОВ, Я. Р. КЛЕПАЧКО, 2001
38 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1
Прочность тонколистового элемента конструкции
татам численного моделирования напряженного состояния в образце в виде
узкой полосы при распространении продольной волны растягивающих на
пряжений. Поведение материала описывается вязкоупругой моделью.
Т а б л и ц а 1
Физико-механические характеристики опытной партии
композиционного материала РА6
Арти
кул
Поверх
ностная
плот
ность,
г/м2
Число нитей
на 1 см
Основа,
текс
Уток,
текс
Тол
щина,
мм
Тип
пере
плете
ния
Содержание
волокна в
матрице,
мм2/см
основа уток основа уток
’№7421 170 6,5 6,5 127 127 0,35 Полотно 0,57 0,57
Для регистрации повреждений при нагружении образцов использовали
метод акустической эмиссии (АЭ), обладающий высокой чувствительно
стью. Основным источником АЭ при деформировании металлов является
движение дислокаций и формирование трещин. АЭ непрерывного типа,
возникающая при движении дислокаций, имеет низкую амплитуду. Нагру
жение композиционных материалов, содержащих хрупкие волокна (крем
ниевые или углеродные), сопровождается интенсивной АЭ ярко выражен
ного дискретного типа [2]. Анализ акустической эмиссии в композиционном
материале, не имеющем остаточных деформаций, позволяет получить до
полнительную информацию для оценки кинетики повреждений.
М етодики испытаний. Для определения прочности тонколистового
элемента конструкции из композиционного материала при ударном растя
жении использовали образцы с укороченной рабочей частью длиной I и
шириной Ь и удлиненной динамометрической частью (динамометр) длиной
240 мм (на рис. 1 т и п 1). Размеры образцов из тонколистового компози
ционного материала и результаты испытаний на растяжение представлены в
табл. 2 .
При выбранных размерах рабочей части образца для ударного растя
жения в ней обеспечивается близкое к однородному напряженно-деформи
рованное состояние.
Использование образцов с удлиненной динамометрической частью
обеспечивает надежную регистрацию продольной нагрузки по упругой де
формации.
Статические испытания на растяжение проводили на аналогичных об
разцах, а также на образцах с увеличенной рабочей частью (табл. 2), что
позволяло судить о возможном влиянии на прочность размеров образца.
Для оценки влияния острых надрезов при статическом и ударном растя
жении испытывали образцы в виде полос с симметричными боковыми
надрезами (на рис. 1 т и п 2). Длина динамометрической части таких образ
цов составляла 240 мм, что достаточно для неискаженной регистрации
продольной нагрузки в течение заданного промежутка времени по упругой
деформации в полосе, вызванной прохождением прямой продольной волны
до прихода волны, отраженной от закрепленного конца динамометра. Испы
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1 39
Г. В. Степанов, В. И. Зубов, В. М. Токарев, А. В. Дроздов, Я. Р. Клепачко
тывали полосы-образцы (номинальная ширина Ь) с симметричными над
резами, суммарная длина которых составляет величину ширины рабочей
части полосы.
Т а б л и ц а 2
Результаты испытаний композиционного материала РА6
Тип
образца
№
образца
В х Ь х /х Н,
мм м/с
Ртах
кН
^ max,
МПа
е тах / е ,
% %
1 о3 23,0х 7,6х 30,0х 2,0 2,2* 10-5 5,96 390,1 - -
о5 23,0х 7,6х 30,0х 2,0 2,2* 10-5 6,00 394,7 - -
о11 23,0х 7,6х 30,0х 2,0 5,3* 10-5 5,39 354,6 0,50/0,50 -
о17 7,7х 3,6 х 30,0 х 2,0 2,2* 10-5 2,35 326,4 0,66/0,66 -
о19 7,9 х 3,6 х 8,0 х 2,0 12,5 - (450,9) 0,71/0,67 -
2 об 48,0 х 15,5 х 2,0 х 2,0 2,2* 10-5 8,23 265,5 - -
о9 48,0 х 15,5 х 2,0 х 2,0 5,3* 10-5 7,55 243,5 0,51/0,51 -
о12 48,0 х 15,5 х 2,0 х 2,0 12,5 - (437,0) 0,48/0,37 0,26
о4 23,0 х 7,6 х 2,0 х 2,0 2,2* 10-5 4,35 286,2 - -
о16 23,0 х 7,6 х 2,0 х 2,0 5,3* 10-5 4,88 321,1 0,50/0,50 -
о10 23,0 х 7,6 х 2,0 х 2,0 12,5 - (355,9) 0,40/0,32 0,26
Примечания: 1. еу - деформация разрушения; е - максимальная деформация в первой
волне. 2. В скобках указано максимальное напряжение, рассчитанное по максимальной
деформации е тах с использованием динамического модуля упругости.
Рис. 1. Образцы типов 1 (а) и 2 (б) для испытаний на растяжение.
Испытания при статическом растяжении проводили на стандартной
испытательной машине ИР 5047-50 с графической записью диаграмм на
грузка Р - время ? и деформация в динамометрической части образца е -
время ?.
Упругую деформацию регистрировали тензорезисторами, наклеенными
на динамометр в области его равномерной упругой деформации (на уда
лении примерно 30 и 60 мм от границы с рабочей частью или надрезом).
40 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1
Прочность тонколистового элемента конструкции
Диапазон линейной зависимости между деформацией и изменением сопро
тивления используемых проволочных резисторов, по данным изготовителя,
равен 0,5%. Диаграмму деформация - время записывали в блок памяти
цифрового осциллографа и в дальнейшем обрабатывали с помощью пакета
прикладных программ EXCEL-97. Схема обработки зарегистрированных
диаграмм не отличается от описанной ранее [1].
Сигналы АЭ при статическом нагружении регистрировали пьезоэлект
рическим датчиком (диапазон рабочих частот 0,3...0,5 МГц) с выносным
предварительным (диапазон частот пропускания 0,3...1,0 МГц) и основным
усилителями. Общий коэффициент усиления составлял 60 дБ. Амплитуды
сигналов АЭ измеряли с использованием инструментальной платы
ADA-1292B (Holit Data System, Украина), которую устанавливали в свобод
ный слот компьютера. Датчик АЭ посредством упругого зажима крепили к
поверхности образца вблизи оси на расстоянии 15-20 мм от границы с
рабочей частью или надрезом.
Для регистрации амплитуды АЭ дискретного типа разработано про
граммное обеспечение, позволяющее непрерывно измерять ее сигналы при
нагружении испытуемых образцов с максимально возможной для данной
инструментальной платы частотой опроса (4 мкс), проводить их анализ и
накопление в интервале времени 10 мс. В этом интервале времени опре
деляли максимальную амплитуду сигнала АЭ, величину которой вводили в
память компьютера. Необходимо отметить, что используемый метод АЭ и
алгоритм обработки сигналов учитывает дискретный характер образования
повреждений в композиционных материалах, однако не исключает возмож
ности наложения сигналов АЭ, вызванных одновременными или близкими
по времени элементарными процессами разрушения (например, разрывами
отдельных волокон), что особенно вероятно на конечной стадии нагружения
образцов.
Испытания на ударное растяжение со скоростью 12,5 м/с проводили на
вертикальном копре [3]. Удар свободно падающей тяжелой массы со ско
ростью v 0 = 6,25 м/с по легкой наковальне, закрепленной на торце нагру
жающего стержня-волновода длиной 2 м, вызывает распространение по
стержню упругой продольной волны растягивающих напряжений. Отраже
ние этой волны от второго торца стержня, соединенного с головкой образца,
вызывает растяжение последнего с номинальной скоростью v, равной ~ 2v0.
При ударном растяжении записывали только диаграмму деформация дина
мометрической части образца е - время t.
Характерные диаграммы е — t при статическом и ударном растяжении
образцов с укороченной рабочей частью и острыми симметричными боко
выми надрезами приведены на рис. 2 и 3. По результатам обработки диа
грамм P — t и е — t при статическом растяжении установлена близкая к
линейной зависимость между напряжением и деформацией в динамометри
ческой части образца, а следовательно, между деформацией и напряжением
в композиционном материале при деформациях до 0,7%.
Напряжение в рабочей части образца с площадью поперечного сечения
S рассчитывали по регистрируемой нагрузке о = P / S . Напряжение в дина
мометрической части образца в момент разрушения о d = Pmax / S d (S d -
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 1 41
Г. В. Степанов, В. И. Зубов, В. М. Токарев, А. В. Дроздов, Я. Р. Клепачко
площадь сечения динамометрической части образца) и соответствующая
этому моменту деформация £шах позволили оценить эффективный модуль
Юнга Е е̂ = о ^ / £шах и характерную среднюю скорость продольной волны
1/7 3
а 5 = (Е е̂ / р ) , где р = 1270 кг/м - усредненная плотность материала.
Экспериментальная величина Е е̂ - = 23,2 ± 1,2 ГПа примерно соответствует
известным данным для таких материалов [4, 5], средняя скорость распрост
ранения продольной волны а $ = 4270 ± 100 м/с.
<1
кцС
10
9
8
7
б
5
4
3
2
1
<1
кцС
t ,c
<103
кцС
а
б
в
Рис. 2. Характерные диаграммы деформирования и АЭ при статическом растяжении.
42 НЗМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1
Прочность тонколистового элемента конструкции
а
б
т
і
в
Рис. 3. Характерные диаграммы деформирования при ударном растяжении динамометри
ческой части образца, зарегистрированные одним (а) и двумя (б, в) датчиками.
При ударном растяжении со скоростью V в полосе из упругого мате
риала в первой волне нагрузки максимальный уровень напряжений (за
фронтом продольной волны) а = р ^ сохраняется до момента воздействия
на датчик отраженной от закрепленного торца образца волны догрузки. При
этом величина продольной деформации определяется как е = и / а , что
позволяет вычислить эффективную скорость распространения продольной
волны упругих напряжений, а = V / е. Скорость волны, рассчитанная по
ІББМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1 43
Г. В. Степанов, В. И. Зубов, В. М. Токарев, Л. В. Дроздов, Я. Р. Клепачко
упругой деформации за фронтом волны, а = 4810 м/с, выше значения, най
денного по кривой при статическом растяжении (соответствующий модуль
Юнга Е = 29,4 ГПа). Следует отметить близость определенного таким
образом модуля по максимальной деформации в первой волне в образцах
т и п а 2 с шириной динамометрической части 23 и 48 мм.
Основные параметры материала и характеристики прочности, опре
деленные по результатам экспериментов, приведены в табл. 2 , где 1 -
образец с укороченной рабочей частью, 2 - образец с симметричными
боковыми надрезами.
Анализ результатов испытаний. С т а т и ч ес к о е р а с т я ж е н и е . При ста
тическом растяжении образца с укороченной рабочей частью диаграмма
нагрузка-время характеризуется слабонелинейным нарастанием нагрузки во
времени, что качественно соответствует принятым представлениям о кине
тике деформирования композиционных полимерных материалов с волок
нистым наполнителем и обусловлено особенностями взаимодействия между
связующим и волокном.
При растяжении образца с боковыми надрезами диаграмма нагрузка-
время аналогична диаграмме, полученной при испытании образцов с уко
роченной рабочей частью. Отличие заключается в изменении длительности
процесса нагружения до полного разрушения, вызванного изменением
области интенсивных напряжений.
Поскольку композиционный материал характеризуется структурными
несовершенствами, в процессе нагружения развиваются локальные повреж
дения, приводящие к полному разрушению. Первые регистрируемые мето
дом акустической эмиссии повреждения наблюдаются при нагрузке, состав
ляющей менее половины максимальной (разрушающей). Плотность акусти
ческих сигналов (рис. 2) быстро возрастает с увеличением нагрузки, осо
бенно интенсивно перед полным разрушением.
При растяжении образцов с надрезами начало интенсивного повреж
дения сдвигается в область начального нагружения, что может быть вызвано
повышенным уровнем напряжений у вершин надрезов.
При нагружении образцов т и п а 1 и 2 общим было то, что АЭ регист
рировали задолго до полного разрушения образцов. Однако для каждого
типа образца АЭ имела свои характерные особенности. Наиболее короткий
промежуток времени от начала нагружения до регистрации первых сигналов
АЭ наблюдался при нагружении узкой полосы с боковыми надрезами, а
наиболее длинный - для образца с укороченной рабочей частью. Амплитуда
отдельных импульсов АЭ и их общее количество при нагружении до
80-85% максимальной нагрузки минимальны для образца с укороченной
рабочей частью (т ип 1), значительно выше для широкого образца с над
резами, и наконец, максимальны для узкого образца с надрезами (т ип 2).
При деформировании широкого образца с надрезами на конечной стадии
его нагружения наблюдали отчетливо выраженный лавинообразный харак
тер появления сигналов АЭ, что может быть связано с ускоренным накоп
лением повреждений (разрывов волокон) в исследуемом композиционном
материале.
44 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1
Прочность тонколистового элемента конструкции
У д а р н о е р а с т я ж е н и е . Ударное растяжение образцов с короткой ра
бочей частью при номинальной скорости V = 12,5 м/с характеризуется
монотонным нелинейным ростом нагрузки во времени (диаграммы е — ()
вплоть до максимальной величины (рис. 3,а). Максимальные напряжения
при ударном растяжении выше, чем при статическом, и составляют
450,9 МПа (табл. 2). С увеличением средней скорости деформации, опре
деляемой как е = V / 1, повышается уровень максимальных напряжений.
В образце с симметричными надрезами за фронтом первой продольной
волны следует понижение продольной деформации (снижение нагрузки),
регистрируемой датчиком в динамометрической части образца. Среди воз
можных причин такого понижения следует отметить влияние уменьшения
интенсивности упругой волны в стержне-волноводе, специфические осо
бенности распространения продольной волны в полосе из вязкоупругого
материала и развитие повреждений в областях концентрации напряжений.
Анализ параметров нагружающей системы по приведенной ранее [3]
схеме показывает, что снижение интенсивности волны в стержне-волноводе
не превышает 5% и, значит, не может объяснить понижение нагрузки за
фронтом волны в полосе при ударном растяжении. Из представленного
ниже расчета процесса распространения продольной волны в тонкой полосе
из вязкоупругого материала следует, что осцилляции продольной дефор
мации возникают вследствие влияния волн боковой разгрузки. Амплитуда
этих осцилляций мала, затухает при распространении волны и не может
служить причиной спада регистрируемой нагрузки.
Следовательно, наиболее вероятно - развитие микроповреждений в
области концентрации напряжений. Такой вывод подтверждается появле
нием сигналов АЭ при нагрузке, значительно ниже максимальной. Подход к
датчику волны догрузки от закрепленного торца образца вызывает уве
личение деформации и сдвиг во времени диаграмм, зарегистрированных
двумя датчиками, расположенными на расстояниях / = 30 мм и / = 60 мм
от линии надрезов (рис. 3). Расчетное напряжение в рабочей части образца
при ударном растяжении (табл. 2) определено по регистрируемой дефор
мации в динамометре при модуле Юнга, равном его величине при динами
ческом растяжении.
После 3-5 пробегов волны, в частности к моменту разрушения, влияние
волновых процессов в динамометре на распределение деформаций сни
жается, а усилие в динамометре примерно соответствует усилию в рабочей
части образца.
-4 -3 -2 - 1 0 1 2 3 ^ ( £ ), с 1
Рис. 4. Зависимость прочности композиционного материала РА6 при растяжении от скорости
деформации.
ШБЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1 45
Г. В. Степанов, В. И. Зубов, В. М. Токарев, Л. В. Дроздов, Я. Р. Клепачко
Зависимость незначительного (не более 25%) увеличения прочности
композиционного материала от скорости деформации представлена на
рис. 4 для образцов с укороченной рабочей частью. Общей закономер
ностью для всех типов образцов является несущественное повышение мак
симальных средних напряжений в материале при переходе от статического
растяжения к ударному.
Компьютерное моделирование напряженного состояния в полосе
при ударном растяжении. Компьютерное моделирование процесса
распространения продольной волны в полосе из композиционного
материала при продольном ударном нагружении выполнено для
вязкоупругого материала со следующими параметрами: модуль Юнга
Е = 0,294 * 1011 Па; коэффициент Пуассона V = 0,05; коэффициент линейной
вязкости и = 5000 Па *с; плотность р = 1270 кг/м .
Связь между компонентами тензоров напряжений и деформаций при
плоском напряженном состоянии описывается уравнениями:
Е E v „ .
+ £ уу------ Г + 2и е хх;2 УУ 1 2
1- V 1- V
__ Е ^ E v 2 ̂ ;
° УУ = е хх~ 2 + £ у у \ 2 + 2 и £ уу ;1 — V 1 - V
Е
2(1+ у )° ух £ у х ™ , , ,\ + и£ у х .
Схема расчета параметров полей скоростей, скоростей деформации,
деформаций и напряжений аналогична использованной ранее для расчета
одномерной задачи [6]. При расчете использовали равномерную сетку с
разбиением по осям п х = 50 и п у = 9, образованную ортогональными лини
ями. Скорость деформации, а по ней деформации и напряжения рассчи
тывали в центре каждой прямоугольной ячейки по скорости в узлах ячейки.
Последнюю рассчитывали по напряжениям в центрах прилегающих ячеек.
Шаг по времени, удовлетворяющий условию устойчивости Куранта, не
обеспечивает устойчивости счета, поэтому принят уменьшенным в два раза.
Введение вязкости подавляет возникшую неустойчивость, аналогичную ре
зонансу.
Результаты численного моделирования распространения продольной
волны в полосе шириной 24 мм, вызванной ударным воздействием на
нагружаемом торце со скоростью V = 12,5 м/с, приведены на рис. 5 (разме
ры ячеек расчетной сетки: д х = д у = 0,003 м; шаг по времени д t = 0,2 мкс).
Продольное ударное нагружение полосы из тонколистового материала
приводит к распространению упругой продольной волны, за фронтом ко
торой возникает поперечное движение материала, обусловленное волнами
боковой разгрузки (рис. 5). В области, прилегающей к фронту волны, эта
разгрузка вызывает существенное отклонение поля напряжений от одно
осного. В результате наложения поперечного движения материала возни
кает колебание продольной деформации на оси полосы. Амплитуда этих
46 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1
Прочность тонколистового элемента конструкции
колебаний затухает при распространении продольной волны и на значи
тельном удалении от нагружаемого торца становится несущественной.
Однако при удалении фронта волны от нагружаемого торца в полосе из
вязкоупругого материала расширяется протяженность фронта нарастания
нагрузки (продольной деформации) - рис. 6 , что ведет к искажению импуль
са нагрузки.
Рис. 5. Распределение продольной (верхняя поверхность) и поперечной (нижняя поверх
ность) скорости в материале полосы при ударном нагружении в момент времени 20 мкс.
Рис. 6. Изменение продольной деформации во времени в точках на оси полосы, удаленных от
нагружаемого торца на разное расстояние х.
Заключение. По результатам регистрации сигналов акустической эмис
сии при статическом растяжении установлено, что развитие повреждений в
материале возникает при нагрузке, намного ниже разрушающей.
Переход от статического растяжения к ударному вызывает незначи
тельное (не более 25%) повышение уровня максимальных напряжений.
ШБЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 1 47
Г. В. Степанов, В. И. Зубов, В. М. Токарев, А. В. Дроздов, Я. Р. Клепачко
Испытания на статическое растяжение композиционного материала с
высокомодульными волокнами показали, что наличие надрезов существен
но влияет на уровень средних напряжений, в то время как при ударном
растяжении влияние надрезов уменьшается.
Р е з ю м е
Коротко описано методику і результати досліджень міцності тонколисто
вого елемента конструкції товщиною 2 мм з ударостійкого композиційного
матеріалу РА6 при ударному розтязі. Експериментальні дослідження вклю
чають випробування на статичний й ударний розтяг зразків з укороченою
робочою частиною і з гострими симетричними боковими надрізами.
Методом акустичної емісії при статичному розтязі виявлено акустичні сиг
нали, що свідчить про розвиток пошкоджень у матеріалі при навантаженні,
значно нижчому за руйнівне. Методики випробувань аналогічні тим, що
використовувалися раніше для випробувань тонколистових матеріалів на
розтяг. Проаналізовано хвильовий процес при ударному навантаженні зраз
ків за допомогою в’язкопружної моделі матеріалу. Встановлено вплив в’яз
кості на ширину фронту хвилі, що визначає швидкість росту напружень при
її розповсюдженні. Згідно з результатами випробувань, перехід від квазі-
статичного розтягу до ударного несуттєво (слабо) змінює рівень макси
мальних напружень. При ударному розтязі зразків із гострими надрізами в
першій хвилі навантаження, яка нижча за руйнівну, спостерігається зни
ження напружень з часом, що може бути зумовлене як проявом ефектів
в’язкості, так і пошкодженнями поблизу гострих надрізів.
1. С т е п а н о в Г . В ., З у б о в В. И ., О ли со в А . H ., Т о ка р ев В. М . Прочность
тонколистовых металлов при ударном растяжении // Пробл. проч
ности. - 2000. - № 4. - С. 62 - 69.
2. L ic h t T. Acoustic Emission // Bruel and Kjaer Techn. Rev. - 1979. - N 2. -
P. 3 - 36.
3. С т е п а н о в Г . В . Упруго-пластическое деформирование и разрушение
материалов при импульсном нагружении. - Киев: Наук. думка, 1991. -
287 с.
4. П р о ч н о с т ь и разрушение композиционных материалов / Тр. второго
совет.-амер. симп. / Под ред. Дж. К. Си, В. П. Тамуж. - Рига: Зинанте,
1983. - 320 с.
5. Я ц е н к о В. Ф. Прочность и ползучесть слоистых пластиков. - Киев:
Наук. думка, 1966. - 204 с.
6 . С т е п а н о в Г . В . Распространение волны сдвига в полубесконечной
пластине из упруговязкопластичного материала // Пробл. прочности. -
2000. - № 6 . - С. 124 - 130.
Поступила 21. 02. 2000
48 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 1
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46554 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:24:04Z |
| publishDate | 2001 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Степанов, Г.В. Зубов, В.И. Токарев, В.М. Дроздов, А.В. Клепачко, Я.Р. 2013-06-30T20:03:54Z 2013-06-30T20:03:54Z 2001 Прочность тонколистового элемента конструкции из
 композиционного материала при ударном растяжении / Г.В. Степанов, В.И. Зубов, В. М. Токарев, А.В. Дроздов, Я.Р. Клепачко // Проблемы прочности. — 2001. — № 1. — С. 38-48. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46554 539.4 Кратко описаны методика и результаты исследования прочности тонколистового элемента
 конструкции толщиной 2 мм из ударостойкого композиционного материала РА6 при
 ударном растяжении. Экспериментальные исследования включают испытания на статическое
 и ударное растяжение образцов с укороченной рабочей частью и с острыми симметричными
 боковыми надрезами. Методом акустической эмиссии при статическом растяжении
 обнаружены акустические сигналы, свидетельствующие о развитии повреждений
 в материале при нагрузке, значительно ниже разрушающей. Методики испытаний аналогичны
 использованным ранее для испытания тонколистовых металлов на растяжение.
 Проанализирован волновой процесс при ударном растяжении образцов по вязкоупругой
 модели материала. Установлено влияние вязкости на ширину фронта волны, определяющей
 скорость роста напряжений при ее распространении. Согласно результатам испытаний,
 переход от квазистатического растяжения к ударному незначительно (слабо) изменяет
 уровни максимальных напряжений. При ударном растяжении образцов с острыми надрезами
 в первой волне нагрузки, ниже разрушающей, наблюдается снижение напряжений с
 течением времени, которое может быть обусловлено как проявлением эффектов вязкости,
 так и повреждениями вблизи острых надрезов. Коротко описано методику і результати досліджень міцності тонколистового
 елемента конструкції товщиною 2 мм з ударостійкого композиційного
 матеріалу РА6 при ударному розтязі. Експериментальні дослідження включають
 випробування на статичний й ударний розтяг зразків з укороченою
 робочою частиною і з гострими симетричними боковими надрізами.
 Методом акустичної емісії при статичному розтязі виявлено акустичні сигнали,
 що свідчить про розвиток пошкоджень у матеріалі при навантаженні,
 значно нижчому за руйнівне. Методики випробувань аналогічні тим, що
 використовувалися раніше для випробувань тонколистових матеріалів на
 розтяг. Проаналізовано хвильовий процес при ударному навантаженні зразків
 за допомогою в’язкопружної моделі матеріалу. Встановлено вплив в’язкості
 на ширину фронту хвилі, що визначає швидкість росту напружень при
 її розповсюдженні. Згідно з результатами випробувань, перехід від квазі-
 статичного розтягу до ударного несуттєво (слабо) змінює рівень максимальних
 напружень. При ударному розтязі зразків із гострими надрізами в
 першій хвилі навантаження, яка нижча за руйнівну, спостерігається зниження
 напружень з часом, що може бути зумовлене як проявом ефектів
 в’язкості, так і пошкодженнями поблизу гострих надрізів. We present a brief description of the
 experimental procedure and results of strength
 investigation of a thin-sheet element (of 2-mm
 thickness) of crash-proof composite material
 RA6 under impact loading conditions.
 Experimental investigations included static and
 impact tensile tests of specimens with a short
 test portion and specimens with two symmetric
 sharp edge V-notches. Using the acoustic
 emission method, we registered acoustic
 signals, which indicated development of
 damages in the material, under static loading by
 the load much lower than the critical one. The
 test procedures used are similar to those earlier
 applied to tensile tests of thin-sheet metal
 structural elements. Using a viscoelastic model
 of material, we performed analysis of the wave
 process that accompanies impact loading of
 specimens. We determined the influence of
 viscosity on the width of the wave front that
 controls the rate of stress rise during transverse
 wave propagation. Based on the test results, it
 is shown that transition from quasistatic to
 impact tension causes insignificant (low)
 changes in the maximum stress level. In the
 case of impact tension of sharp-notched
 specimens, the first wave of load (of the level
 below the critical one) is characterized by
 gradual reduction of stresses with time, which
 fact can be attributed both to the viscosity
 effects and accumulation of damages in the
 sharp-edge zones. Работа выполнена по программе INTAS-96-2141. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Прочность тонколистового элемента конструкции из композиционного материала при ударном растяжении Strength of Thin-Sheet Structural Element Made of Composite Material under Impact Tension Article published earlier |
| spellingShingle | Прочность тонколистового элемента конструкции из композиционного материала при ударном растяжении Степанов, Г.В. Зубов, В.И. Токарев, В.М. Дроздов, А.В. Клепачко, Я.Р. Научно-технический раздел |
| title | Прочность тонколистового элемента конструкции из композиционного материала при ударном растяжении |
| title_alt | Strength of Thin-Sheet Structural Element Made of Composite Material under Impact Tension |
| title_full | Прочность тонколистового элемента конструкции из композиционного материала при ударном растяжении |
| title_fullStr | Прочность тонколистового элемента конструкции из композиционного материала при ударном растяжении |
| title_full_unstemmed | Прочность тонколистового элемента конструкции из композиционного материала при ударном растяжении |
| title_short | Прочность тонколистового элемента конструкции из композиционного материала при ударном растяжении |
| title_sort | прочность тонколистового элемента конструкции из композиционного материала при ударном растяжении |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46554 |
| work_keys_str_mv | AT stepanovgv pročnostʹtonkolistovogoélementakonstrukciiizkompozicionnogomaterialapriudarnomrastâženii AT zubovvi pročnostʹtonkolistovogoélementakonstrukciiizkompozicionnogomaterialapriudarnomrastâženii AT tokarevvm pročnostʹtonkolistovogoélementakonstrukciiizkompozicionnogomaterialapriudarnomrastâženii AT drozdovav pročnostʹtonkolistovogoélementakonstrukciiizkompozicionnogomaterialapriudarnomrastâženii AT klepačkoâr pročnostʹtonkolistovogoélementakonstrukciiizkompozicionnogomaterialapriudarnomrastâženii AT stepanovgv strengthofthinsheetstructuralelementmadeofcompositematerialunderimpacttension AT zubovvi strengthofthinsheetstructuralelementmadeofcompositematerialunderimpacttension AT tokarevvm strengthofthinsheetstructuralelementmadeofcompositematerialunderimpacttension AT drozdovav strengthofthinsheetstructuralelementmadeofcompositematerialunderimpacttension AT klepačkoâr strengthofthinsheetstructuralelementmadeofcompositematerialunderimpacttension |