Испытание на прочность кольцевых образцов из слоистых композиционных материалов с межслойными дефектами

УДК 539.3

Л.А. Бохоева, А.Г. Пнев, А. С. Чермошенцева

ИСПЫТАНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ КОЛЬЦЕВЫХ ОБРАЗЦОВ ИЗ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С МЕЖСЛОЙНЫМИ ДЕФЕКТАМИ1

Представлены результаты экспериментального исследования кольцевых образцов из композиционных материалов с заложенными технологическими дефектами, для сравнения приведены результаты компьютерного моделирования

Ключевые слова: межслойные дефекты, слоистые материалы, отслоение, разрушение, моделирование, деформирование

L.A. Bokhoeva, A.G. Pnev, A.S. Chermoshentseva

EXPERIMENTAL RESEARCH OF RING SAMPLES FROM LAYERED COMPOSITE

MATERIALS WITH DEFECTS1

Results of an experimental research of ring samples from composite materials with the put technological defects, presented for comparison results of computer modeling

Keywords: interlaminar defects, layered materials, отслоение, destruction, modelling, deformation

В различных отраслях современной техники находят широкое применение элементы конструкций, выполненные из многослойных композиционных материалов (КМ). Такие материалы сами представляют конструкцию, поскольку при проектировании имеется возможность нужным образом сочетать полезные свойства отдельных слоев и получать материал, обеспечивающий высокую удельную жесткость и прочность изделия. Однако использование многослойных КМ требует учета присущих им специфических свойств, таких как анизотропия механических характеристик и возможность присутствия скрытых дефектов в виде нарушения сплошности материала по поверхностям раздела отдельных слоев (отслоений).

В настоящее время экспериментальное исследование поведения тонкостенных конструкций из слоистых КМ с дефектами типа отслоений далеко от своего завершения. Результаты проведения подобного класса экспериментов и их анализ рассматривались преимущественно в работах зарубежных авторов. Ограниченное число исследований объясняется не отсутствием интереса к этой проблеме, а существенными техническими и материальными трудностями.

Нами была разработана методика испытания образцов из КМ. В соответствии с методикой проведения экспериментальных работ предварительно моделировались образцы из слоистых композиционных материалов с применением интегрированных CAD/CAE систем.

В системе ANSYS были смоделированы кольцевые образцы с межслойными дефектами, состоящие из двух тонкостенных объёмных оболочек в виде колец, при помощи геометрических примитивов из слоистого КМ. Толщина образца кольца равна 10 мм, внешний радиус кольца R2 = 50 мм, внутренний радиус R1 = 40 мм, глубина отслоения - 1 мм, ширина образца - 10 мм. Схема кольца показана на рис. 1, модель образца, выполненная в системе ANSYS, представлена на рис. 2.

1 Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.».

Рис. 1. Кольцо с заложенным дефектом типа отслоение

Рис. 2. Модель кольца в системе ANSYS

Модель, представленная на рис. 2, была разбита на сетку из конечных элементов с использованием конечного элемента 80ЬШ95 (рис. 3).

Рис. 3. Модель, разбитая на сетку из конечных элементов

Решена контактная задача двух деформируемых тел. При моделировании контакта определяются элементы, которые участвуют в контактном взаимодействии. Неотмеченные узлы поверхностей моделируют непроклеи (рис. 4). Для создания контактной поверхности используем контактные элементы из библиотеки ANSYS. Схема создания контактных поверхностей показана на рис. 5.

Рис. 5. Создание контактных поверхностей 23 1

Рассматриваемое кольцо находится под действием внешнего давления q. При этом необходимо учитывать, что длина дефектного участка мала по сравнению с длиной всей окружности. Внешнюю поверхность кольца нагружали давлением до q = 10 Н/мм2. При этом к центру предполагаемого непроклея прикладывали дестабилизирующую нагрузку для реализации процесса отслоения. На рис. 6 представлена схема нагружения кольца с дефектом.

Были рассмотрены различные схемы армирования волокон материала [453,-452]5, [90,0]5. Полученные результаты расчета представлены на рис. 7, 8.

Рис. 7. Отслоение непроклея в кольце, схема Рис 8. Отслоение непроклея в кольце,

армирования волокон материала [45з,-45^ схема армирования волокон материала [9°,°]5

Для проведения экспериментальных работ было изготовлено 50 кольцевых образцов из слоистых композиционных материалов с разными диаметрами, углами армирования препрегов и глубиной залегания дефектов (рис. 9).

Рис. 9. Образец из стеклопластика Э = 90 мм, укладка препрега [453,-452]5, глубина залегания дефекта

до начала эксперимента - 1мм

Образцы изготавливались из препрегов стеклоткани промышленных марок способом сухой выкладки. Для этого в формообразующую оснастку (прессформу) - стальное кольцо разного внутреннего диаметра, смазанное антиадгезионным покрытием, выкладывался предварительно

раскроенный препрег в пять или десять слоёв. Затем в сердцевину кольца вкладывался силиконовый вкладыш для создания необходимого внутреннего давления. С торцов прессформа закрывалась металлическими пластинами, после чего сборку стягивали струбциной и помещали в печь для полимеризации.

Дефекты для имитации межслойных отслоений создавались путем прокладки фторопластовой пленки между определенными слоями. После термостабилизации образцы, выпрессованные из прессформы, подвергались механической обработке с торцов. Границы дефектов на образцах очерчивались рисками.

Было спроектировано и изготовлено два варианта полезной модели нагружающих устройств и зажимов, обеспечивающих всестороннее сжимающее давление. Первый вариант полезной модели нагружающего устройства и зажим (рис. 10а) использовался при проведении экспериментов для образцов диаметром 90 мм, второй (рис. 10б) - для образцов диаметром 50 мм.

Рис. 10. Полезные модели нагружающих устройств и зажимы. а) полезная модель

Полезные модели нагружающих устройств и зажимов помещались в разрывную машину мощностью 5 т (рис. 11), затем сборка подвергалась статическим усилиям на растяжение-сжатие, показания которых фиксировались с помощью цифрового регистрирующего устройства разрывной машины и съемки на видеокамеру № 1.

Рис. 11. Установка полезной модели нагружающего устройства и зажим

Испытания образцов в форме кольца с заложенным технологическим дефектом проводились с определением в каждой серии средней критической силы до потери устойчивости - образования дефекта типа отслоение. Были сделаны фотографии образцов до и после эксперимента; процесс нагружения, деформации и разрушения фиксировался на видеокамеру №2 (рис. 12, 13). Основные результаты экспериментальных испытаний представлены в таблицах 1, 2, 3. Экспериментальные значения критической силы потери устойчивости образцов Рэксперим. приведены в таблице 4, там же для сравнения даются численные расчеты в системе ЛК8У8 - РЛК8У8*.

Рис. 12. Образец из стеклопластика с деформацией в нагружающем устройстве

Рис. 13. Образец из стеклопластика после эксперимента

Таблица 1

. Результаты эксперимента, проведенного на полезной модели

№ эксперим. № образца Кол-во слоев в пакете Кол-во слоев в дефекте типа отслоение Схема укладки препрега Материал Внешний диаметр образца, мм Дефект типа отслоение

выпучивание отслоения

1 1 10 1 90,0 Т-10 90 - -

2 2 10 1 90,0 Т-10 90 + 20,64

3 8 10 1 45,-45 Т-10 90 + 10

4 3 10 1 90,0 Т-10 90 + 17,88

5 4 10 1 45,-45 Т-10 90 + 12,2

Таблица 2

. Результаты эксперимента, проведенного на полезной модели

с. к э % № образца Кол-во слоев в пакете Кол-во слоев в дефекте типа отслоение Схема укладки препрега Материал Внешний диаметр образца, мм Дефект типа отслоение

выпучивание отслоения

6 17 5 1 45,-45 ПС-ИФ 50 - -

7 18 5 1 45,-45 ПС-ИФ 50 + 4,5

8 19 5 1 45,-45 ПС-ИФ 50 + 3,3

9 20 10 2 45,-45 ПС-ИФ 50 - -

10 2 5 1 45,-45 ПС-ИФ 50 - -

11 3 5 1 45,-45 ПС-ИФ 50 - -

12 4 5 1 90,0 ПС-ИФ 50 + 8,71

13 5 5 2 90,0 Т-10 50 - -

14 6 5 2 90,0 Т-10 50 - -

15 7 10 1 90,0 Т-10 50 + 20,3

16 8 10 1 90,0 Т-10 50 + 17,44

17 9 10 1 90,0 Т-10 50 - -

18 10 10 2 90,0 Т-10 50 - -

19 11 10 2 90,0 Т-10 50 - -

20 12 5 1 90,0 Т-10 50 - -

21 13 5 1 90,0 Т-10 50 - -

22 14 5 1 90,0 Т-10 50 - -

23 15 10 2 90,0 Т-10 50 - -

24 16 10 2 90,0 Т-10 50 - -

Таблица 3

Сводная таблица результатов эксперимента

.с к э % № образца Кол-во слоев в пакете Кол-во слоев в дефекте типа отслоение Схема укладки препрега Материал Внешний диаметр образца, мм Дефект типа отслоение

выпучивание отслоения

1 1 10 1 90,0 Т-10 90 - -

2 2 90,0 Т-10 + 20,64

3 8 45,-45 Т-10 + 10

4 3 90,0 Т-10 + 17,88

5 4 45,-45 Т-10 + 12,2

6 17 5 1 45,-45 ПС-ИФ 50 - -

7 18 45,-45 ПС-ИФ + 4,5

8 19 45,-45 ПС-ИФ + 3,3

9 2 45,-45 ПС-ИФ - -

10 3 45,-45 ПС-ИФ - -

11 4 90,0 ПС-ИФ + 8,71

12 12 90,0 Т-10 - -

13 13 90,0 Т-10 - -

14 14 90,0 Т-10 - -

15 5 5 2 90,0 Т-10 - -

16 6 90,0 Т-10 - -

17 7 10 1 90,0 Т-10 + 20,3

18 8 90,0 Т-10 + 17,44

19 9 90,0 Т-10 - -

20 15 90,0 Т-10 - -

21 16 90,0 Т-10

22 10 10 2 90,0 Т-10 - -

23 11 90,0 Т-10

24 20 45,-45 ПС-ИФ - -

Таблица 4

Результаты расчета и испытаний_________________________________

Кол-во слоев в пакете Кол-во слоев в дефекте типа отслоение Схема укладки препрега Внешний диаметр образца, мм Критическая сила потери устойчивости дефекта типа отслоение

P 1 экспер PANSYS*

10 1 90,0 90 20,64 19, 36

45,-45 12.2 9,72

5 1 45,-45 50 4,5 4,9

90,0 8,71 7,19

10 1 90,0 20,3 21, 69

* - для сравнения с экспериментальными данными равномерное давление, действующее на полукольцо при численном расчете, переведено в нагружающее усилие.

Результаты работы:

1. Разработана методика проведения эксперимента, осуществлена серия испытаний. Результаты экспериментальных работ представлены в виде таблиц.

2. Разработана методика моделирования элементов конструкций с дефектами, расположенными на разной глубине залегания в системе ANSYS.

3. Произведены численное моделирование и прочностной расчет методом конечных элементов в системе ANSYS. Результаты расчета представлены в виде таблицы; результаты, полученные в ходе эксперимента сопоставимы с численными расчетами - степень сходимости в пределах 1520%.

4. Исследовано влияние угла укладки препрегов в образцах на величину критического давления в 5- и 10-слойных образцах с одинаковыми характеристиками и заложенным технологическим дефектом на глубине одного слоя. При схеме армирования [45,-45]5 критическая сила дефекта типа отслоение меньше на 50%, чем в образцах при схеме армирования [0, 90]5 (табл. 1, 2).

5. Выявлено, что диаметры образцов не влияют на критическую силу потери устойчивости дефекта типа отслоение (таблица 3).

Литература

1. Бохоева Л. А., Пнев А.Г., Филиппова К. А. Исследование межслойных дефектов в сферических оболочках // Проблемы механики современных машин: Материалы междунар. науч. конф. - Улан-Удэ, 2009. - Т.1. - С. 59-64.

2. Бохоева Л.А. Особенности расчета на прочность элементов конструкции из изотропных и композиционных материалов с допустимыми дефектами. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2007.

3. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1988. -272 с.

4. Бохоева Л.А., Елаева Н.К., Агалов М.Ш. Исследование устойчивости кольца с отслоением // Проблемы механики современных машин // Материалы междунар. науч. конф. - Улан-Удэ, 2009. - Т.4. - С. 5-9.

Бохоева Любовь Александровна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Сопротивление материалов» Восточно-Сибирского государственного технологического университета.

Пнев Андрей Григорьевич, аспирант кафедры «Сопротивление материалов» Восточно-Сибирского государственного технологического университета.

Чермошенцева Анна Сергеевна, студент строительного факультета Восточно-Сибирского государственного технологического университета.

Bokhoeva Lubov Alexandrovna, doctor of technical sciences, professor, head of “Strength of Materials” department of East Siberian State University of Technology.

Pnev Andrey Grigorievich, postgraduate student of “Strength of Materials” department of East Siberian State University of Technology.

Chermoshentseva Anna Sergeevna, student of Civil Engineering Faculty of East Siberian State University of Technology.