Исследование несущей способности и эффективности тонкостенных оболочек из эпоксидных композиционных материалов

________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том XIII 1982

№ 4

УДК 629.7.018.4.023:62—419.8

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК ИЗ ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

С. О. Джанхотов, В. Л. Киреев, Ю. Ф. Крашаков, Н. Т. Кулагин, В. Ф. Кутышов, А. Л. Рубина

Приведены результаты экспериментального исследования несущей способности сжатых слабоконических оболочек из различных композиционных материалов. Экспериментальные данные сравниваются с расчетом. Дана оценка эффективности применения стекло-, органо- и углеэпоксидных композиционных материалов в оболочеч-ных конструкциях.

Целью работы являются исследование эффективности применения современных эпоксидных композиционных материалов в тонкостенных конструкциях оболочечного типа и оценка влияния различных схем армирования оболочек на их несущую способность.

1. Для исследования были изготовлены и испытаны 44 конические оболочки монолитной и трехслойной конструкций, выполненных из стекло-, органо- и углеэпоксидных композиционных материалов с различными вариантами схем армирования. Оболочки имели одинаковые общие геометрические размеры: длину 1=720 мм, диаметр меньшего основания £, = 525 мм, диаметр большего основания Д> = 645 мм, средний диаметр (при х = Ц2) И — 565 мм, полный угол конусности 2я=Ю°. Оболочки отличались лишь толщиной и схемой армирования композитного пакета стенки. Относительная толщина конструкции изменялась в диапазоне /?///« 50-т-150. Исследуемые оболочки имели следующие варианты схем армирования:

а) стеклопластиковые монолитные оболочки — [+5X90] с соот- , ношением слоев (7: 6), [+ 5 X + 45 X 90] — (6:2:5) и (5:4:4);

б) трехслойные со стеклопластиковыми обшивками—[+5X90]— (7:6);

в) органопластиковые монолитные—[+35X90]—(2:1) с различным общим числом слоев в композитном пакете: 8, 12, 24 и 36;

г) углепластиковые монолитные — [+5X90]—(1:1), [+45]—(1:1), [+10X90]-(4:3), [+10X90]—(2:1), [±ЮХ±45]-(2:1), [±35x90]—[2:11;

д) трехслойные оболочки с углепластиковыми обшивками — [+5X90]-(1:1).

Примечание: +5° —укладка слоев в осевом направлении, 90° — по окружности оболочки.

В качестве наполнителя в стеклопластиковых оболочках использовалась стеклолента ЭДТ-ЮВОВ на основе стеклонити ВМПС, в углепластиковых — лента на основе жгута ВМН-4, в органопластиковых—лента на основе волокон СВМ. В качестве связующего для всех оболочек была использована эпоксидная смола ЭДТ-10. Исходные жесткостные и прочностные характеристики однонаправленного слоя стекло-, органо- и углепластиков приведены в табл. 1.

Оболочки изготавливались на автоматическом программном станке ВНС-1М методом сухой намотки ленты шириной 20 мм (для продольных и перекрестных слоев) и 10 мм (для кольцевых слоев). Скорость вращения оправки при намотке составляла 2—4 об/мин при натяжении ленты 80—100 Н. Торцы оболочек были усилены за счет намотки на длине 70 мм пяти дополнительных окружных слоев.

Несущие слои трехслойных конструкций образовывали из двух отдельно изготовленных оболочек разного диаметра с продольнопоперечной схемой армирования. В качестве заполнителя использовался пенопласт ППУ толщиной 13—14 мм, который получали путем вспенивания исходных компонентов в кольцевом зазоре между оболочками. Для обеспечения связи между внешними слоями и пенопластом стенки несущих слоев покрывались клеем ВК-9. Геометрические размеры и схемы армирования испытанных оболочек приведены в табл. 2—5.

Таблица 1

Исходные характеристики однонаправленного композиционного материала

Характеристика Материал £,•10-1, МПа £И0-«, МПа <7И. Ю~4, МПа ,ці 3—в ’ МПа „90 — в’ МПа в’ МПа

Стеклопластик 7,0 0,350 0,500 0,25 700 30 40

Углепластик 14,50 0,700 0,350 0,27 400 80 30

Органопластик 6,84 0,585 0,205 0,27 270 100 25

Жесткостные характеристики композитных оболочек определялись непосредственно при испытаниях исследуемых конструкций, аналогично методике, приведенной в работах [1, 2]. Модуль упругости в продольном направлении Ех и коэффициент Пуассона были получены при осевом обжатии оболочек.

Испытания на осевое сжатие проводились на испытательной машине с гидравлическим приводом. Нагрузка на оболочку от испытательной машины передавалась через плоские плиты с шаровыми опорами. Модуль упругости в окружном направлении Еу и коэффициент Пуассона цу получены при испытаниях оболочек на внутреннее гидростатическое давление. Внутреннее избыточное

Вариант намотки Номер оболоч- ки Н, мм /?, мм Ех- Ю-4, МПа /•у 10-*, МПа МПа !*х — о 1 СП вв, МПа акр> МПа °кр> МПа <1 МПа ”пр| МГ1а

1 2,12 283,3 3,65 2,84 0,49 0,171 — — — 60,5 83,8 205,9

2 2,59 286,4 3,37 3,4 0,55 0,140 5, 1 110,0 104 73,8 108,1 205,9

X ^ 3 2,45 285,2 3,20 3,4 0,35 0,126 4,7 107,0 94 69,9 96,8 205,9

ю ^ 4 2,60 283,9 4,42 3,80 0,485 0,147 5,5 118,0 113 74,0 102,6 205,9

+1 5 2,51 283,8 4,28 3,66 0,610 0,139 5,4 120,0 119 71,5 99,0 205,9

6 3,08 284,4 3,60 2,84 0,462 0,139 6,6 120,0 114 87,8 121,8 205,9

7 3,55 283,2 2,89 3,74 0,535 0,076 — — 160 101,0 140,0 205,9

8 3,95 283,4 2,65 3,71 0,519 0,141 8,5 120,0 155 112,3 156,0 205,9

8

СО ю ^ 9 2,30 283,2 3,41 2,82 0.340 0,106 3,12 76,0 72 65,5 90,9 205,9

+1 10 2,28 282,7 3,74 3,32 0,321 0,134 3,64 89,0 75 65,0 90,2 205,9

8 X ^

ю ю +1 " СО X ” 11 12 3,21 2,92 289.4 289,1 3,40 3,78 2,65 2,86 0,740 0,827 0,288 0,272 6,0 6,33 104.0 121.0 156 155 122,1 112,2 159,0 144,6 233.4 233.4

ю +!

8 X

13 3,08 281,9 3,34 2,65 0,504 0,225 5,2 91,0 119 102,9 142.2 230,7

X *2- 14 3,43 281,6 3,39 2,39 0,680 0,216 6,15 104,0 153 114,6 158,6 230,7

+1

* Оболочки изготавливались на другом намоточном станке.

Номер Вариант и. ч. £,10-4, £уЮ-*, Оху ю II ,, Т О £ °кр. гпр>

оболочки намотки ММ мм МПа  'МПа МПа ГХ и МПа МПа МПа МПа МПа

1 2,02 280,0 1,52 1,69 0,705 0,450 1,68 47,2 62,0 76,4 93,3

2 2,30 283.0 1,59 1,88 0,830 0,370 1,80 43,8 72,5 86,1 106,8

3 1.62 282,5 1,72 2,48 0,820 0,280 0,90 31,3 52,9 60,8 70,7

4 1,40 282,5 1,95 2,0 0,800 0,300 0,70 28,2 43,0 52,5 61 ,4

5 С-) 3,30 285,5 1,55 2,30 0,840 0,270 5,16 87,0 97,4 122,5 160,8

6 3,10 283,5 1,58 2,38 0,810 0,280 4,46 81,0 106,4 115,0 151,7 102,1

7 2,31 281,0 1.65 1,39 0,987 0,310 2,45 60,0 68,5 87,1 116,0

8 1,41 284,0 1,72 3,38 0,759 0,271 1,00 39,9 41,6 52,7 61,7

9 1.31 283.4 1.88 2,86 1, 130 0,327 0,76 32,5 50,6 49,0 58,1

10 О О! х 2,05 283,8 1,08 2,24 0,646 0,266 1,00 27,4 49,7 76,5 103,6

11 ю со 6,08 280,8 1,96 3,36 0,962 0,327 13,7* 127,8 260,0 229,4 320,0

12 +1 8,99 282.2 1,57 2,71 1,000 0,263 20,00* 125.8 314,0 337,5 451,2

* Достигнут предел прочности материала.

Таблица 4

Механические характеристики, результаты испытаний и расчета углепластиковых монолитных оболочек

Вариант намотки Номер оболочки Н, мм о, мм £*10-4, МПа ЯуЮ-4, МПа 0ху 10-4, МПа Р-х Рэ.|0->, н МПа ^Кр *, н "пр. МПа

1 3,62 565 4.75 3,97 0.216 0,01 64,2 113 65,0 225

1 5x90 2 2,66 565,4 7.45 5,30 0,304 0,028 44,6 106 50,5 225

(1:1) 3 3,35 563 6,52 5,10 0,295 0.02 65,8 125 69,5 225

4 2,88 565 7,45 4,95 0,275 0,01 56.0 124 55,1 225

5 2,64 566,2 7,75 5,00 0,265 0,04 42,2 101 48,0 225

Вариант Номер н, о, £«•10-*, Еу-10-4, Ох у-10-4 а-ю-*, 9> Якр-Ю-* °пр*

намотки оболочки мм мм МПа МПа МПа 1‘х Н МПа Н МПа

±45(1:1) 6 3,04 564,6 ! ,04 1,04 3,85 0,79 33,4 72 57,7 68,6

+ 10X90 7 3,25 565,2 6,90 5,80 0,695 0,04 77,0 151 1 16 245

(4:3) (2:1) 8 3,14 567,3 6,20 4,85 0,555 0,12 59,6 122 94,5 294

+ ЮХ±45 9 3,34 564,3 8,00 1,82 1,50 0,63 54,0 104 70,5 216

10 3,22 565 4,00 2,96 3,03 0,79 95,0 188 177 235

11 3,0! 566,3 3,63 3,33 2,24 0,47 92,0 202 135 235

+35X90 (2:1) 12 3,17 565 3,98 3,96 3,72 0,43 113,0 226 160 235

13 3.07 565 3,92 3,46 3,07 0,47 128,0 263 142 235

14 3,03 565 3,67 3,53 1,97 0,44 113,0 236 132 235

Таблица 5

Механические характеристики, результаты испытаний и расчета трехслойных оболочек

Масса оболочки, кг Толщина, мм И-х

Материал несущих слоев Номер обо- лочки наруж- ного слоя внутрен- него слоя за- пол- ните- ля мм Ех -10 *, МПа Еу 10-*, МПа 0,уЮ- *, МПа наруж- ный внут- ренний о3, МПа Рэ, кН »9, МПа Зпр. МПа ^кр. кН

Стекло- пластик 1 2 17.1 17.2 3,26 3,29 3,33 3,29 13 13 295.0 295.0 3,34 (3,89) 3,39 (3,43) (0,521) 0,113 (0,0 0,129 0,103 316) 0,109 40.0 40.0 2808 2300 240 194 (205,9) 2963 2581

Углепла- стик 3 4 13,1 12,6 3,60 3,25 3,21 3,07 14 13 295.0 295.0 7,50 (7,42) 8,96 (7,62) (0,396) 1 (0.031) 1 43,0 33,5 2560 2370 203 202 (208,8) 7091 6006

давление создавалось резиновым мешком, помещенным в оболочку, в который подавалась вода под давлением до 0,5 МПа. Для предотвращения появления осевых деформаций торцы оболочки закрывались нескрепленными с конструкцией плитами с упорами. Модуль сдвига вху получен при испытаниях конструкций на кручение, создаваемое с помощью пары сил. Модуль сдвига пенопластового заполнителя трехслойных оболочек определялся из испытаний на сдвиг трехслойных пластинок, вырезанных из конструкции. В процессе испытаний измерялись действующая нагрузка и относительные деформации, фиксируемые с помощью тензодат-чиков. Экспериментальные значения упругих характеристик для каждой оболочки представлены в табл. 2—5. После определения жесткостных характеристик оболочка нагружалась сжимающими усилиями до разрушения. Всего были испытаны на сжатие 44 композитные оболочки.

2. Исчерпание несущей способности стеклопластиковых монолитных оболочек наступало от потери устойчивости конструкции (см. табл. 2). Потеря устойчивости происходила хлопком с образованием ромбовидных вмятин, которые исчезали после снятия нагрузки. При нагружении оболочки № 7 произошло расслоение у ее верхнего торца. При выпучивании обычно образовывалось два неполных ряда вмятин —посередине оболочки и в зоне, примыкающей к ее большему основанию.

Исчерпание несущей способности органопластиковых монолитных оболочек наступало также вследствие потери устойчивости с образованием ромбовидных вмятин, кроме относительно толстых оболочек № И, 12, где имело место разрушение стенки в рабочей зоне (см. табл. 3).

В отличие от стеклопластиковых и органопластиковых конструкций углепластиковые монолитные оболочки в основном разрушались без видимых следов волнообразования с появлением кольцевой наклонной трещины (см. табл. 4). Лишь на относительно тонких оболочках ЛЬ 2, 4, 8 отмечался начальный момент образования выпучнн и вмятин от потери устойчивости. Этот факт — разрушение углепластиковых оболочек без характерной картины выпучивания—объясняется более высокими жесткостными характеристиками и повышенной хрупкостью углепластика по сравнению с органо- и стеклопластиком. Результаты испытаний трехслойных конструкций приведены в табл. 5. Стеклопластиковая трехслойная оболочка Л 1 разрушилась от потери устойчивости с образованием в районе большего основания одного ряда волн, вытянутых в окружном направлении. Оболочка № 2 разрушилась с образованием наклонной трещины на внешнем несущем слое. Обе углепластиковые оболочки после исчерпания несущей способности имели кольцевую трещину в районе нижнего основания. Отметим, что для всех испытанных оболочек диаграммы „напряжение —деформация" были линейны вплоть до начала разрушения, за исключением углепластиковых оболочек с перекрестным армированием.

3. Для обоснованного анализа полученных экспериментальных данных в работе выполнена теоретическая оценка несущей способности исследуемых конструкций, проведенная на основе расчета как на прочность, так и на устойчивость. Для сравнения получены расчетные жесткостные характеристики многослойных композитов, исходя из свойств однонаправленного монослоя, а расчетные прочностные характеристики пакета (зпр) определялись с помощью

энергетического критерия прочности [3, 4]. Расчет на устойчивость монолитных и трехслойных композитных оболочек (зкр, Ркр) проведен на основе измеренных жесткостных характеристик исследуемых конструкций, методика расчета которых изложена в работах [5, 6]. Кроме того, для сравнения монолитных стекло- и органопластиковых оболочек вычислены критические значения напряжений, исходя из расчетных характеристик жесткости (окр) [7], а также по формулам С. А. Амбарцумяна (о*р) [8]. Результаты расчета предельных и критических нагрузок и напряжений, а также характеристик жесткости (в скобках) исследуемых оболочечных конструкций приведены в табл. 2—5. Здесь же даны экспериментальные значения разрушающих нагрузок Рэ и напряжений оэ.

Таким образом, для каждой оболочки в таблице получены две расчетные точки: критическое напряжение потери устойчивости зкр и предельное напряжение зпр из расчета на прочность. При достижении нагрузкой наименьшего из этих двух значений происходит исчерпание несущей способности конструкции, т. е. оболочка или теряет устойчивость (акр < апр), или разрушается от достижения предельного напряжения (зПр<!3кр)» соответствующего композиционному материалу с данной схемой армирования. Следовательно, нижние значения вычисленных напряжений дают расчетные оценки несущей способности исследуемых оболочек и позволяют определить первопричину разрушения конструкции.

Как видно из табл. 2, стеклопластиковые монолитные оболочки исчерпывали несущую способность от достижения критических напряжений потери устойчивости (зкрОпр), при этом имея запас по прочности т]Пр= 1,7 н-2. Критические напряжения имели величину зэ— аКр—100 МГ1а. Органопластиковые оболочки в основном также теряли устойчивость при напряжениях зкр = 40-+70 МПа. Лишь относительно толстые оболочки № И, 12 разрушились от достижения предельных напряжений, имея запас по устойчивости ^кр — 2 (табл. 3).

Как следует из табл. 4, часть углепластиковых монолитных оболочек исчерпала несущую способность от достижения предельного напряженного состояния (например, оболочки № 6, 10, И), а часть—от достижения критической нагрузки (начало разрушения от потери устойчивости, например, оболочки № 1—5, 8, 9). Оболочки № 7, 12—44 оказались спроектированными так, что у них критические напряжения близки к предельным. Разрушающие напряжения находились в диапазоне аэ— 100^-200 МПа.

Как и следовало ожидать, наибольшую нагрузку выдержали трехслойные конструкции с заполнителем. Причем разрушающие напряжения оболочек со стеклопластиковымн обшивками близки к критическим, а с углепластиковымн обшивками—к пределу прочности материала обшивок (табл. 5). На трехслойных оболочках были достигнуты напряжения в обшивках зэ — 200 МПа.

Как следует из приведенных табл. 2—5, в целом результаты расчета удовлетворительно согласуются с экспериментом. Расхождение расчетных точек с данными испытаний в среднем для исследуемых оболочек составляет — 20—30%. Наиболее близкое совпадение расчета с экспериментом наблюдается для композитных оболочек, образованных продольно-поперечной намоткой (рас-

хождение не превышает 10%). Отметим, что расчетные критические напряжения (см. табл. 1 и 2), полученные по методике [5] с учетом измеренных упругих характеристик конструкции, лучше согласуются с данными эксперимента, чем расчет по методике [7, 8].

Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных, проведенный на оболочках с различными схемами армирования, показал, что продольно-поперечная намотка Г1ПН (1:1) не является рациональной в случае осевого сжатия, так как такие оболочки, работающие на устойчивость, имеют низкие характеристики жесткости на сдвиг. Наиболее эффективным из исследованных вариантов армирования оболочек данного класса (/?///—100) оказался вариант с укладкой перекрестных (+35°) и кольцевых (90°) слоев с соотношением 2:1. Этот тип армированных оболочек обладает в 1,5—2 раза большей несущей способностью вследствие повышенной сдвиговой жесткости по сравнению с оболочками, образованными продольно-поперечной намоткой (см., например, табл. 3). Из результатов испытаний и расчета также следует, что, варьируя структурой композитного пакета стенки оболочки при одной и той же несущей способности конструкции, можно существенно изменять ее жесткостные параметры.

4. С целью сравнения эффективности применения эпоксидных композиционных материалов в тонкостенных конструкциях на рисунке построены гистограммы абсолютных и удельных значений разрушающих нагрузок для всех типов исследуемых оболочек (монолитных стекло-, органо-, углепластиковых и трехслойных конструкций). Причем в одни группы объединены (и взяты с их средним значением) однотипные оболочки, изготовленные из одного материала и имеющие одинаковые схему армирования и число слоев в композитном пакете. По горизонтали отложены номера испытанных оболочек каждого типа и их схема армирования. По вертикали отложены средние экспериментальные значения разрушающих нагрузок Рэ серии однотипных оболочек (заштрихованный

Р'ЪН Отекшластий Органопластин Углепластик

чп

1-5 6 7-8 9 10-14 1-2 З-Ч /I.

±5*90 ±45 *Ют+10*Ь5*35Щ ±5*90

Схена

армирования

7 — --Ученые записки ЦАГИ» № 4.

97

столбец) и средние значения удельных разрушающих нагрузок РЭ/'С, отнесенных к весу испытанных конструкций (7 (незаштрихованный столбец).

Из полученных гистограмм видно, что трехслойные конструкции обладают существенно большей несущей способностью по сравнению с монолитными оболочками, однако по удельной нагрузке рационально спроектированные монолитные оболочки могут не уступать трехслойным, образованным продольно-поперечной намоткой. Из гистограмм также следует вывод, что весовая отдача углепластиковых конструкций существенно выше по сравнению с эквивалентными конструкциями, выполненными из стекло- или органопластика.

Кроме того, результаты проведенных исследований показывают, что по удельной нагрузке органопластиковые оболочки могут превосходить оболочки из стеклопластика. В ряде случаев конструкции из органопластика, обладающего малым удельным весом и высокой технологичностью, могут быть более предпочтительны, чем аналогичные стеклопластиковые или даже углепластиковые. Отметим, что металлические монолитные оболочки имеют обычно характеристику удельной нагрузки в диапазоне Р/в — (5ч-

6)-103, и, следовательно, уступают по весовой отдаче рассмотренным композитным конструкциям.

Таким образом, проведенные экспериментально-теоретические исследования указывают на возможность реализации высоких характеристик и несущей способности оболочечных конструкций при применении современных эпоксидных композиционных материалов с рациональной схемой армирования и свидетельствуют об их высокой весовой эффективности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Горлов К. В., К р а ш а к о в Ю. Ф., Рубина А. Л. Экспериментальное исследование несущей способности оболочечных конструкций из стекло-эпоксидного композиционного материала. „Ученые записки ЦАГИ", т. IX, № 3, 1978.

2. Б е л о з е р о в Л. Г., Джанхотов С. О., К и р е е в В. А.

К методике исследования несущей способности панелей при растяжении в двух направлениях со сдвигом. „Механика полимеров",

1974, № 6.

3. Проектирование, расчет и испытания конструкций из композиционных материалов, под ред. В. Ф. Кутьинова, вып. 1- ЦАГИ.

1973.

4. К р а ш а к о в Ю. Ф., Рубина А. Л., С у х о б о к о в а Г. П. Проектирование цилиндрических оболочек из композиционных материалов при ограничениях по прочности и устойчивости. „Ученые записки ЦАГИ‘, т. IX. № I, 1978.

5. Крашаков Ю. Ф., Рубина А. Л. Устойчивость ортотроп-ных конических и цилиндрических оболочек при одновременном действии осевого сжатия и равномерного давления. В кн.: „Проектирование, расчет и испытания конструкций из композиционных мате-риалов", вып. VI, ЦАГИ, 1978.

6. Крашаков Ю. Ф., Рубина А. Л. Расчет устойчивости трехслойных конических оболочек с ортотропными внешними слоями и жестким заполнителем при осевом сжатии и равномерном внешнем давлении. Труды ЦАГИ, вып. 1748, 1976.

7. К и р е е в В. А. Алгоритм и программа расчета на устойчивость многослойных цилиндрических оболочек из композиционных материалов при осевом сжатии, внешнем давлении и их совместном действии. В кн.: „Проектирование, расчет и испытания конструкций из композиционных материалов", вып. VIII, ЦАГИ, 1981.

8. Амбарцумян С. А. Общая теория анизотропных оболочек. М., „Наука”, 1974.

Рукопись поступила 2':11 1981 г.