Деформирование и прочность слоистых углепластиков при температурах 293 и 77 К
Изучены закономерности деформирования углепластика с симметричной схемой укладки
 слоев относительно его срединной поверхности при температурах 293 и 77 К. По данным
 испытаний на растяжение, сжатие и трехточечный изгиб образцов на основе принципа
 энергетического сглаживания...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2001 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2001
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46592 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Деформирование и прочность слоистых углепластиков при
 температурах 293 и 77 К / Н.К. Кучер, М.П. Земцов // Проблемы прочности. — 2001. — № 3. — С. 46-56. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860167991232036864 |
|---|---|
| author | Кучер, Н.К. Земцов, М.П. |
| author_facet | Кучер, Н.К. Земцов, М.П. |
| citation_txt | Деформирование и прочность слоистых углепластиков при
 температурах 293 и 77 К / Н.К. Кучер, М.П. Земцов // Проблемы прочности. — 2001. — № 3. — С. 46-56. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Изучены закономерности деформирования углепластика с симметричной схемой укладки
слоев относительно его срединной поверхности при температурах 293 и 77 К. По данным
испытаний на растяжение, сжатие и трехточечный изгиб образцов на основе принципа
энергетического сглаживания Болотина определены параметры упругости и прочности
‘эквивалентного” ортотропного тела. Исследовано влияние охлаждения материала до 77 К
и последующего термоциклирования на механическое поведение слоистого углепластика.
Проанализирована достоверность определения его упругих и прочностных параметров в
зависимости от вида испытаний.
Досліджено закономірності деформування вуглепластика із симетричною
схемою укладки шарів відносно його серединної поверхні за температур 293
і 77 К. За даними випробувань на розтяг, стиск і триточковий згин на основі
принципу енергетичного вирівнювання Болотіна визначено характеристики
пружності і міцності “еквівалентного” ортотропного тіла. Досліджено вплив
охолодження до 77 К і наступного термоциклювання на механічну поведінку
шаруватого вуглепластика. Проаналізована достовірність визначення
його пружних і міцнісних параметрів у залежності від виду експерименту.
We investigated the deformation behavior of a
coal-plastic with a symmetric alignment of layers
relative to its median surface at temperatures
of 293 and 77 K. Based on the experimental
data obtained in tensile, compressive and
three-point bending tests of specimens, we defined
the parameters of elasticity and strength
for an “equivalent” orthotropic solid body in
the framework of the Bolotin principle for the
smoothed energy. We studied the effect of the
material cooling to 77 K and further thermal cycling
on the mechanical behavior of the layered
coal-plastic. The reliability of determination of
the material parameters of elasticity and
strength is analyzed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:57:16Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 620.1
Деформирование и прочность слоистых углепластиков при
температурах 293 и 77 К
Н. К. Кучер, М. П. Земцов
Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
Изучены закономерности деформирования углепластика с симметричной схемой укладки
слоев относительно его срединной поверхности при температурах 293 и 77 К. По данным
испытаний на растяжение, сжатие и трехточечный изгиб образцов на основе принципа
энергетического сглаживания Болотина определены параметры упругости и прочности
‘эквивалентного” ортотропного тела. Исследовано влияние охлаждения материала до 77 К
и последующего термоциклирования на механическое поведение слоистого углепластика.
Проанализирована достоверность определения его упругих и прочностных параметров в
зависимости от вида испытаний.
К л ю ч е в ы е с л о в а : композиционные материалы, углеволокно, армированные
пластики, слой, напряженно-деформированное состояние.
О б о з н а ч е н и я
£ X , £ у , • •• , У уг
О X , О у , ••• , Т уг
Е х , Е у , Е г
П ху , П хг , П уг
V V Vу ху ’ у хг у уг
П х , П у , . . . , П уг
£ х , О х , Е х , П х
I, Ь, И
^ , I
м
Е и Е и П и^ х ’ -^х 5 • • • ’ ^ уг
w’’ п
Е ,
О
система декартовых координат
компоненты тензора деформации
компоненты тензора напряжения
модули упругости ортотропного тела
модули сдвига ортотропного тела
коэффициенты Пуассона ортотропного тела
характеристики нормальной и сдвиговой прочности
ортотропного тела
компоненты тензора деформации, напряжения, модуля
упругости и нормальная прочность материала
при растяжении образца в направлении ОХ
аналогичные параметры материала при сжатии
длина, ширина и высота призматического образца
площадь и момент инерции поперечного сечения образца
удлинение рабочей части образца
модули упругости и сдвига ортотропного тела,
определенные по данным испытаний на изгиб
максимальный прогиб образца
фиктивный модуль упругости
параметр анизотропии материала
максимальные значения напряжений образца при изгибе
абсолютная температура
© Н. К. КУЧЕР, М. П. ЗЕМЦОВ, 2001
46 1ББЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3
Деформирование и прочность слоистых углепластиков
Современные композиционные материалы, среди которых особое место
занимают углепластики, находят все более широкое применение в различ
ных отраслях народного хозяйства. Интерес к ним объясняется не только
высокими удельными прочностными свойствами, но и возможностью орга
низации многотоннажного производства. В недалеком будущем, по неко
торым прогнозам [1, 2 ], производство углепластиков возрастет и даже пре
высит выпуск стеклопластиков.
Углепластики успешно используются в авиационной, ракетной и кос
мической технике, в автомобиле- и судостроении, при изготовлении спор
тивного инвентаря и в других областях. При этом для проектирования
новых элементов конструкций и совершенствования существующих изде
лий требуется достаточно полная информация об их сопротивлении дефор
мированию и разрушению в широком температурном диапазоне.
Цель настоящей работы - изучение закономерностей деформирования и
разрушения слоистых углепластиков при температурах 293 и 77 К, а также
анализ достоверности определения их механических характеристик по дан
ным испытаний на трехточечный изгиб.
Основным структурным элементом слоистых углепластиков является
монослой, представляющий собой плоский или изогнутый слой материала
из полимерной матрицы и углеродных волокон, уложенных равномерно в
одном направлении. Слоистые материалы получают в результате после
довательной укладки друг на друга монослоев в определенном направ
лении. Практически все автоматизированные технологические процессы
формирования слоистых пакетов обеспечивают симметричную укладку сло
ев относительно срединной поверхности. Так, слою с углом армирования
+ 6 отвечает такой же слой с углом армирования —6 .
Для анализа механического поведения слоистых углепластиков восполь
зуемся макромеханическим подходом, когда исследуемый композиционный
материал заменяется “эквивалентной” однородной анизотропной средой [2 ].
Согласно методу энергетического сглаживания Болотина, такая замена впол
не допустима, так как слоистые углепластики обладают регулярным стро
ением и содержат большое количество структурных элементов, которые в
большинстве случаев не рационально рассматривать отдельно.
В слоистых композитах с симметричной схемой армирования два моно
слоя одинаковой толщины с углами армирования + 6 и —6 при расчете
можно считать как один симметрично армированный слой. Если каждый из
монослоев - анизотропный, то, работая совместно, они образуют орто-
тропный слой. Поэтому слоистые углепластики с симметричной укладкой
армирования можно отнести к классу ортотропных материалов.
Как показывают эксперименты [3, 4], слоистые углепластики являются
линейно-упругими материалами, для характеристики которых с достаточной
степенью точности можно использовать теорию упругости анизотропного
тела [5].
Для описания механического поведения слоистых композиций будем
использовать систему декартовых координат (Х У 2), которая совпадает с
осями ортотропии тела.
ISSN 0556-171Х. Проблемыы прочности, 2001, № 3 47
Н. К. Кучер, М. П. Земцов
Деформационные свойства ортотропного упругого тела характеризу
ются 12 упругими постоянными, из которых независимыми являются 9: три
модуля упругости Е х ,Е у ,Е г , три модуля сдвига 0 ху , 0 х2, 0 у2 и три коэф
фициента Пуассона у ху ,V у г , . Остальные три упругие постоянные (коэф
фициенты Пуассона) определяются из зависимостей
Е х V ху = Е у V ух ; Е х V xz = Е г V 2х ; Е у V у2 = Е г V 2у. (1)
Как и упругие свойства, прочность ортотропного тела зависит от на
правления нагрузки. В качестве основных прочностных характеристик орто
тропного тела в координатах Х У 2 принимают прочности по нормальным
напряжениям П х , П у , П 2 и на сдвиг П ху , П у 2 , П х . Прочность по нормаль
ному напряжению П х определяют как предельное значение напряжения
о х , при котором происходит разрушение материала. Аналогично опреде
ляются прочности П у , П 2 , П х у ,П у2 , П 2х .
В случае плоской задачи ортотропное тело характеризуется четырьмя
назависимыми постоянными Е х ,Е у , 0 ху,Vху и тремя характеристиками
прочности П х , П у , П ху. Коэффициент Пуассона V ух определяется из со
отношения Е ху ху = Е у у . В большинстве случаев параметры Е х , Е у ,V ху,
П х ,П у определяются по данным испытаний на растяжение плоских образ
цов. Величины 0 ху ,П ху вычисляются из экспериментов на сдвиг плоских
или кольцевых образцов. Весьма распространенным методом определения
характеристик межслойного сдвига 0 х г , П хг является трехточечный изгиб
прямых стержней. Обзор других подходов для определения вышеприве
денных характеристик можно найти в работах [6- 8 ].
Следует отметить, что большинство слоистых и волокнистых мате
риалов слабо сопротивляется межслойному сдвигу. Поэтому определение
характеристик Е х / 0 х2 и П х / П Х2 - весьма важно для оценки деформи
рования и прочности слоистых углепластиков.
Объектом экспериментального исследования служил слоистый угле
пластик, содержащий 21 монослой: из них девять слоев армированы в
направлении 0 = 0°, шесть - в направлении в = 90° и шесть, волокна ко
торых уложены в направлении в = ±45°. Расположение слоев в материале
определяется кодом схемы армирования, который в соответствии с [6 ] имеет
вид [(0 / 90), ± 45 / (0 / 90)2 / 45 / 0 ],.
Для испытания материала на одноосное растяжение или сжатие ис
пользовали плоские образцы, вырезанные в виде полосок из слоистых
пластин в направлении главных осей упругой симметрии. Нагружение осу
ществлялось на испытательной машине “1ш1хоп-1126” с помощью клино
видных захватов. Для предотвращения разрушения образцов в местах креп
ления использовались текстолитовые накладки. Размеры образцов для рас
тяжения таковы: 250 Х12 X 3,6 мм, для сжатия - 120 X 12 Х3,6 мм, что
соответствует стандарту [7, 8], длина рабочей части образцов соответст
венно составляет 60 и 30 мм. При испытаниях на сжатие применялось
специальное приспособление, которое исключало потерю устойчивости
образца, но не ограничивало его осевую деформацию.
48 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3
Деформирование и прочность слоистых углепластиков
Систему координат Х Ї 2 выберем таким образом, чтобы ось X совпадала
с осью образца, У - была направлена по его ширине, а Z - перпендикулярна
к плоскости Х О У . Тогда по данным испытаний на растяжение получим
Б
Р
= РР-
+
е ; =
X
А/ _
I !
+
+ ,
х
(2 )
+
х
где Р + - усилие, растягивающее образец; Б - площадь поперечного сечения
образца; Р + - разрушающая нагрузка; П + - кратковременная статическая
прочность при растяжении; о + , £+ - условные нормальное напряжение и
относительная продольная деформация; А/ - удлинение рабочей части образ
ца длиной /.
Выполненные исследования деформирования образцов при растяжении
и сжатии показали, что упругие характеристики углепластика практически
не изменяются. Прочность материала при сжатии приблизительно на 12%
больше, чем при растяжении. Поэтому с достаточной для практики сте
пенью точности можно считать, что углепластик относится к классу равно-
сопротивляющихся материалов. В дальнейшем верхний индекс в компо
нентах тензоров напряжения, деформации и упругих модулей опускается.
Для более точного определения параметров материала с учетом возможного
разброса экспериментальных данных измерения проводились при пяти зна
чениях фиксированной нагрузки для пяти образцов как при растяжении, так
и при сжатии. Полученные величины затем усреднялись. При определении
характеристик упругости образцы деформировались до значений нагрузки,
не превышающей 30% разрушающей. Результаты испытаний представлены в
таблице.
Упругие и прочностные характеристики слоистого углепластика
Характеристики межслойного сдвига определяли при испытаниях на
изгиб прямых стержней с прямоугольным поперечным сечением. Основная
трудность заключалась в обработке результатов испытаний. При этом свой
ства материала прогнозируются на основании измеренных величин нагрузки
ISSN 0556-171Х. Проблемыы прочности, 2001, № 3 49
Н. К. Кучер, М. П. Земцов
и прогиба с помощью формул, точность которых определяется гипотезами,
лежащими в основе рассматриваемой модели.
В частности, при использовании подхода Тимошенко [9] предполага
ется, что материал является изотропным, однородным, равносопротивля-
ющимся растяжению и сжатию, а величина прогиба - мала.
Полагаем, что ориентация системы координат Х У 2 такая же, как и при
описании одноосного растяжения плоских образцов. Тогда для свободно
опертого на двух опорах стержня, нагруженного сосредоточенной силой Р в
середине пролета I, максимальный прогиб ^ тах определяется выражением
Р 13 а Р1
-----------1------------ .
481ЕИ 4 в ^ Г
(3)^тах
где I и Г - момент инерции и площадь поперечного сечения стержня; а -
коэффициент, зависящий от формы сечения (для прямоугольного сечения
а = 1,2). Верхний индекс “и” при модулях упругости означает, что эти
величины определяются из опытов на изгиб.
Если ввести понятие фиктивного модуля упругости
Р 13
Е г = ------------, (4)
1 481м>481К^тах
то зависимость между Е ^ , ЕИ , в И в соответствии с представлениями (3),
(4) имеет вид
1 1 1,2 ! И ' 2
Е 1 е и в и
где И - высота перпендикулярного сечения образца.
С помощью единичного эксперимента по формуле (5) нельзя вычислить
модули упругости Е И , в И , поскольку она содержит две неизвестные вели
чины. Поэтому необходимо провести испытания нескольких образцов с
разными соотношениями И / I и построить график, по оси абсцисс которого
2
откладывается величина ( И / I) , по оси ординат - 1/ Е ^ . В этих коорди
натах зависимость (5) должна определять прямую линию, пересекающую
ось ординат в точке 1 / Е®, а тангенс ее угла наклона к оси абсцисс равен
1,2 / в £ .
Для более корректного определения модулей упругости Е ^ , в ^ вос
пользуемся методом наименьших квадратов. Предположим, что из экспе
римента известны несколько значений нагрузки и максимального прогиба
для образцов с разными соотношениями И / 1. Пронумеруем следующую
тройку чисел { Р 1, (^ тах) I , ( И / I) I }, где I = 1, 2 ,..., т. Тогда т будет равно
50 1$$1Я 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3
Деформирование и прочность слоистых углепластиков
числу всех замеров ( nh / l ) j , a n - числу измерений прогиба при ( h / l ) j =
= const. Следовательно, для каждого значения ( h / l ) ,• по формуле (4) можно
вычислить (E f ) j-.
В результате, аппроксимируя зависимость (1/ E j ) j от ( h / l ) 2 прямой
линией, получаем
е и =
m S 11 S 1
S 11S 2 - S 1S15 2
(б)
где
m 2
h
j=1 - l l j
G и _
xz =
1,2(m S 11 - S 12)
m S 12 - S 1S 2
m 4
h
j=1 ' l Zj
m І 1 \
s 1 = 2 I h I ; S 11= 2 I h I ; s 2 = 2 e ^ ; * 1 2 = 2
j=A E f Z l Zj
(7)
(8)
Сопоставляя значения Е х с величиной Е х, определенной из опытов на
растяжение, в случае их равенства легко убедиться в правильности приня
тых гипотез и корректности обработки результатов испытаний стержней на
изгиб. Кроме того, размеры образцов для испытаний на изгиб зависят от
степени анизотропии материала, которая характеризуется величиной х [2 ,
4]:
Н
Х = п — Л
21
E И
G l
(9)
Поэтому при их определении вначале необходимо обратиться, если есть
такая возможность, к регламентирующему документу [10] или хотя бы
приблизительно теоретически вычислить значение х . При выборе толщины
Н необходимо соблюдать условие, которое обеспечивает обоснованность
перехода к сплошной среде. Результаты вычислений по методу Ржаницина
[11] устанавливают взаимосвязь между величиной х и минимальным коли
чеством монослоев п в пакете. Если х = 1, 3, 5, 7, ..., то п > 5, 15, 17, 20 и
т.д. В нашем случае Н = 3,6 мм, что соответствует толщине 21 монослоя.
Следовательно, параметр анизотропии должен быть меньше семи.
Как отмечалось в [4], влияние деформаций сдвига на распределение
напряжений по высоте стержня значительно меньше, чем на прогиб. По
этому можно пренебречь отклонениями законов распределения нормальних
напряжений от линейного и касательных от параболического, если х — 1,2 .
Для приближенной оценки максимальных напряжений по результатам экс
перимента можно использовать зависимости
о т 1+
15 525
4 \ p p lh
8I (10)
2m
h
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 3 51
Н. К. Кучер, М. П. Земцов
( 2 4
1 —^ + _ х__
60 12600\
3Р 31 р
4 Б (11)т тах
При больших прогибах (w > 0,1/) вместо формулы (11) необходимо
применять соотношение, которое учитывает дополнительный изгиб,
обусловленный горизонтальными составляющими реакций опор. Тогда
/ 2 4
1 — ^ + . X
60 12600
^ 6w2 4w h
1 + ~ 2 -------- ГV / 2 / 2
3Р
4 Б
р
(12)
где w - прогиб в момент разрушения.
Для вычисления напряжений при изгибе можно использовать и другие
подходы, в частности уточненные формулы Стокса [12], которые получены
при использовании гипотез Бернулли. Однако для рассматриваемых усло
вий нагружения и материала вычисленные значения напряжений практи
чески совпадают.
При разрушении образца от нормальных напряжений, когда наблю-
<-< Т—Г и _дается перелом крайних растянутых или сжатых слоев, определяем П х =
= ° тах. Если имеет место разрушение от касательных напряжений, что
соответствует скалыванию по слою на уровне срединной поверхности, вы
числяем прочность межслойного сдвига П ^ = т тах. При испытаниях слоис
тых материалов возможны также разрушения от смятия-среза и от нормаль
ных напряжений, когда наблюдается отслоение хлопком сжатого наружного
слоя. В наших экспериментах такие виды разрушения не зафиксированы.
Как показали исследования, прочность межслойного сдвига данного
материала зависит от соотношения h / /. Чем меньше относительный
прогиб, тем выше сдвиговая прочность углепластика. Однако при соот
ношениях / / h < 6 [4] перестает работать теория элементарного изгиба, и
формулы (10) - ( 12) не имеют места, что необходимо учитывать в расчетах.
Из опытов следует, что при 7 < / / h < 16 справедливо соотношение
30,5 МПа < П и < 48,1 МПа.
Зависимость величины прочности межслойного сдвига от относитель
ного прогиба при использовании результатов испытаний на изгиб опре
деляется как погрешностью расчетной модели при вычислении распреде
ления напряжений в образце, так и влиянием кромочного эффекта. Поэтому
вычисленное значение ПХ2 может быть привлечено в качестве первого
приближения при оценке механических свойств слоистых углепластиков.
Модуль сдвига в плоскости армирования 0 ^ у определялся на основе
данных испытаний на трехточечный изгиб. При этом образцы вырезали из
слоистой пластины таким образом, чтобы плоскость, на которую будет
действовать сосредоточенная нагрузка при изгибе, совпадала с плоскостью
Х 0 2 . Вычисленная характеристика материала представлена в таблице.
52 ISSN 0556-171Х. Проблемыы прочности, 2001, № 3
т тах
Деформирование и прочность слоистых углепластиков
Как видно, для углепластика с рассматриваемой схемой укладки воло
кон наблюдается значительная разность упругих свойств материала в на
правлении главных осей. Сопоставление таких параметров, как Е ^ , Е ^ , с
аналогичными величинами, вычисленными по результатам испытаний на
одноосное растяжение, показывает, что максимальная разность при этом не
превышает 16%. Это подтверждает правомочность использования расчет
ных методик для определения упругих характеристик слоистых материалов.
Сравнение максимальных нормальных напряжений о и , о У с преде
лами прочности П х, П у , определенными по данным экспериментов на
одноосное растяжение образцов, свидетельствует о необходимости совер
шенствования как методики расчета напряжений в композитных балках при
изгибе, так и критериев разрушения слоистых углепластиков для таких
видов нагружения.
Для испытания углепластика на изгиб при температуре 77 К иссле
дуемые образцы помещали в криостат, в который заливали жидкий азот.
При комнатной температуре прогиб измеряли с помощью тензометра. В
среде жидкого азота прогиб не измеряли. Для его определения использовали
диаграммы, полученные в условиях комнатной температуры при испыта
ниях образцов на изгиб для каждого соотношения И / 1. При Т = 293 К
записывались две диаграммы: нагрузка - время и стрела прогиба -
время. Диаграммная лента перемещалась с постоянной скоростью (и =
= 8,33 * 10—4 м/с). В связи с тем что скорость перемещения траверсы испы
тательной машины также постоянна, диаграмма стрела прогиба - время
представлялась в виде линейной зависимости. В опытах при Т = 77 К
записывалась только диаграмма стрела прогиба - время. Скорость пере
мотки бумаги и геометрические параметры систем нагружения и регист
рации оставались такие же, как и в опытах при комнатной температуре.
Постоянные параметры нагружения и регистрирующей системы гаранти
руют точное определение величины прогиба при температуре жидкого азота
по диаграмме нагрузка - время.
Вычисленные механические характеристики углепластика при низких
температурах представлены в таблице. Согласно данным испытаний, пони
жение температуры образца до 77 К не приводит к заметному изменению
его упругих свойств. Однако прочность углепластика при этом уменьшается
на 10...25%. Понижение температуры материала до 77 К оказывает упроч
няющееся воздействие на его прочностные свойства при последующем
деформировании в условиях комнатной температуры на 6 ...8%. Такое влия
ние низких температур характерно только для первого охлаждения. При
последующем термоциклировании прочностные свойства углепластика не
изменялись. Необходимо отметить, что этот экспериментально наблюда
емый факт имел место при аналогичных испытаниях авторами бороплас-
тика.
При прогнозировании деформирования слоистых композиционных ма
териалов на основе механических характеристик составляющих композиций
важное значение имеют упругие и прочностные характеристики отдельного
ТХОТ 0556-171Х. Проблемыы прочности, 2001, N 3 53
Н. К. Кучер, М. П. Земцов
монослоя. Характеристики жесткости монослоя углепластика определяются
по данным соответствующих испытаний образцов с одним направлением
армирования или рассчитываются исходя из свойств компонентов: волокна
и матрицы.
Согласно паспортным данным, продольные модули упругости и проч
ности углеродного волокна равны: е [ = 235000 МПа; п [ = 1400 МПа.
Механические характеристики изотропной эпоксидной смолы таковы:
Е т = 500МПа; Є т = 1200 МПа; v = 0,32; П т = 700 МПа. На основании этих
параметров по известным подходам [2-4] можно рассчитать упругие и
прочностные характеристики монослоя. Однако такое прогнозирование в
нашем случае приводит к значительным погрешностям, за исключением
таких параметров, как Е х, П х, которые вычисляются достаточно точно.
Поэтому вышеизложенные методики могут быть использованы только в ка
честве первого приближения при поверочных расчетах.
Как следует из результатов экспериментов, упругие характеристики
монослоя углепластика при комнатной температуре следующие: Е х = 140000
МПа; Е у = 3300 МПа; Vху = 0,31.
Понижение температуры испытаний до 77 К не приводит к заметному
изменению упругих параметров монослоя. Его продольная прочность при
комнатной температуре равна 900 МПа, при температуре жидкого азота -
870 МПа.
В ы в о д ы
1. Установлено, что углепластик с рассмотренной схемой укладки воло
кон имеет низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному отры
ву. В данном случае предельные разрушающие сдвиговые напряжения более
чем в 5,4...21,6 раза меньше соответствующих максимальных нормальных
составляющих тензора напряжения. В направлении, перпендикулярном к
направлению максимальной прочности, наблюдается аналогичная картина.
Сопротивление исследуемого материала в поперечном направлении в 2,64
раза меньше, чем в направлении максимальной прочности при комнатной
температуре, и в 2,9 раза - при Т = 77 К. Понижение температуры экс
плуатации до 77 К не приводит к заметному изменению упругих свойств
углепластика. Прочностные свойства материала при низких температурах
уменьшаются примерно на 15...25%. Однократное понижение температуры
материала до 77 К приводит к увеличению его прочности при очередном
деформировании в условиях комнатной температуры на 6 ...8%. При после
дующем термоциклировании свойства углепластика не изменяются.
2. Опыты на трехточечный изгиб образцов могут достаточно эффек
тивно использоваться для вычисления упругих характеристик углепластика.
Привлечение их для вычисления нормальной прочности слоистых мате
риалов на основе рассмотренных расчетных методик в сочетании с кри
терием максимальных напряжений приводит к завышенным (почти в 1,8
раза) результатам.
54 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3
Деформирование и прочность слоистых углепластиков
3. Установлено, что прочность межслойного сдвига углепластика, опре
деленная из опытов на изгиб, зависит от относительного пролета и схемы
укладки арматуры. Поэтому вычисленные значения разрушающих напря
жений при сдвиге могут служить только для качественной оценки возмож
ностей различных армированных композиционных материалов.
Р е з ю м е
Досліджено закономірності деформування вуглепластика із симетричною
схемою укладки шарів відносно його серединної поверхні за температур 293
і 77 К. За даними випробувань на розтяг, стиск і триточковий згин на основі
принципу енергетичного вирівнювання Болотіна визначено характеристики
пружності і міцності “еквівалентного” ортотропного тіла. Досліджено вплив
охолодження до 77 К і наступного термоциклювання на механічну пове
дінку шаруватого вуглепластика. Проаналізована достовірність визначення
його пружних і міцнісних параметрів у залежності від виду експерименту.
1. М ехани ка композитов. В 12 т. / Под ред. А. Н. Гузя. - Киев: Наук.
думка, 1998.
2. В аси л ьев В. В., П р о т а со в В. Д ., Болот ин В. В. и др . Композиционные
материалы: Справочник / Под ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарно
польского. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.
3. Вишняков Л. Р., Грудина Т. В., Кадыров В. X. и др. Композиционные
материалы: Справочник / Под ред. Д. М. Карпиноса. - Киев: Наук.
думка, 1985. - 592 с.
4. Тарнопольский Ю . М ., К и нц ис Т. Я . Методы статических испытаний
армированных пластиков. - М.: Химия, 1981. - 272 с.
5. Л ехницкий С. Г . Теория упругости анизотропного тела. - М.: Наука,
1977. - 416 с.
6 . П ри лож ен и е II. Код ориентации волокон в слоях композиционных
материала, разработанный Лабораторией материалов ВВС США // Ком
позиционные материалы. - М.: Машиностроение, 1978. - Т. 3. - С. 496
- 503.
7. Г О С Т 2 5 6 0 1 -8 0 . Расчеты и испытания на прочность. Методы механи
ческих испытаний композиционных материалов с полимерной матри
цей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение
при нормальной, повышенной и пониженной температурах. - М.:
Изд-во стандартов, 1980. - 13 с.
8 . Г О С Т 2 5 6 0 2 -8 0 . Расчеты и испытания на прочность. Методы механи
ческих испытаний композиционных материалов с полимерной матри
цей (композитов). Метод испытания на сжатие при нормальной, повы
шенной и пониженной температурах. - М.: Из-во стандартов, 1980. -
17 с.
9. Т им ош енко С. П . Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1965. - Т. 1.
- 364 с.
0556-171Х. Проблемыы прочности, 2001, № 3 55
Н. К. Кучер, М. П. Земцов
10. Г О С Т 2 5 6 0 4 -8 2 . Расчеты и методы испытания на прочность. Методы
механических испытаний композиционных материалов с полимерной
матрицей (композитов). Метод испытания на изгиб при нормальной,
повышенной и пониженной температурах. - М.: Изд-во стандартов,
1983. - 11 с.
11. Тарнопольский Ю . М ., Р о зе А. В. Особенности расчета деталей из
армированных пластиков. - Рига: Зинатне, 1969. - 276 с.
12. П оляков В. А., Ж и гу н И. Г . Контактная задача для балок из компо
зиционных материалов // Механика полимеров. - 1977. - № 1. - С. 63 -
74.
Поступила 18. 05. 2000
56 ISSN 0556-171Х. Проблемыы прочности, 2001, № 3
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46592 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:57:16Z |
| publishDate | 2001 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кучер, Н.К. Земцов, М.П. 2013-07-01T19:54:33Z 2013-07-01T19:54:33Z 2001 Деформирование и прочность слоистых углепластиков при
 температурах 293 и 77 К / Н.К. Кучер, М.П. Земцов // Проблемы прочности. — 2001. — № 3. — С. 46-56. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46592 620.1 Изучены закономерности деформирования углепластика с симметричной схемой укладки
 слоев относительно его срединной поверхности при температурах 293 и 77 К. По данным
 испытаний на растяжение, сжатие и трехточечный изгиб образцов на основе принципа
 энергетического сглаживания Болотина определены параметры упругости и прочности
 ‘эквивалентного” ортотропного тела. Исследовано влияние охлаждения материала до 77 К
 и последующего термоциклирования на механическое поведение слоистого углепластика.
 Проанализирована достоверность определения его упругих и прочностных параметров в
 зависимости от вида испытаний. Досліджено закономірності деформування вуглепластика із симетричною
 схемою укладки шарів відносно його серединної поверхні за температур 293
 і 77 К. За даними випробувань на розтяг, стиск і триточковий згин на основі
 принципу енергетичного вирівнювання Болотіна визначено характеристики
 пружності і міцності “еквівалентного” ортотропного тіла. Досліджено вплив
 охолодження до 77 К і наступного термоциклювання на механічну поведінку
 шаруватого вуглепластика. Проаналізована достовірність визначення
 його пружних і міцнісних параметрів у залежності від виду експерименту. We investigated the deformation behavior of a
 coal-plastic with a symmetric alignment of layers
 relative to its median surface at temperatures
 of 293 and 77 K. Based on the experimental
 data obtained in tensile, compressive and
 three-point bending tests of specimens, we defined
 the parameters of elasticity and strength
 for an “equivalent” orthotropic solid body in
 the framework of the Bolotin principle for the
 smoothed energy. We studied the effect of the
 material cooling to 77 K and further thermal cycling
 on the mechanical behavior of the layered
 coal-plastic. The reliability of determination of
 the material parameters of elasticity and
 strength is analyzed. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Деформирование и прочность слоистых углепластиков при температурах 293 и 77 К Deformation and Strength of Layered Coal-Plastics at Temperatures 293 and 77 K Article published earlier |
| spellingShingle | Деформирование и прочность слоистых углепластиков при температурах 293 и 77 К Кучер, Н.К. Земцов, М.П. Научно-технический раздел |
| title | Деформирование и прочность слоистых углепластиков при температурах 293 и 77 К |
| title_alt | Deformation and Strength of Layered Coal-Plastics at Temperatures 293 and 77 K |
| title_full | Деформирование и прочность слоистых углепластиков при температурах 293 и 77 К |
| title_fullStr | Деформирование и прочность слоистых углепластиков при температурах 293 и 77 К |
| title_full_unstemmed | Деформирование и прочность слоистых углепластиков при температурах 293 и 77 К |
| title_short | Деформирование и прочность слоистых углепластиков при температурах 293 и 77 К |
| title_sort | деформирование и прочность слоистых углепластиков при температурах 293 и 77 к |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46592 |
| work_keys_str_mv | AT kučernk deformirovanieipročnostʹsloistyhugleplastikovpritemperaturah293i77k AT zemcovmp deformirovanieipročnostʹsloistyhugleplastikovpritemperaturah293i77k AT kučernk deformationandstrengthoflayeredcoalplasticsattemperatures293and77k AT zemcovmp deformationandstrengthoflayeredcoalplasticsattemperatures293and77k |