WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 8 | 9 || 11 | 12 |   ...   | 14 |

Способы оценки работоспособности изделий из композиционных материалов методом компьютерной томографии

-- [ Страница 10 ] --

4.2. Построение математической модели повреждений армирующей структуры на примере образца из однонаправленного КМ Современные методы НК позволяют определять повреждения армирующей структуры КМ, воспринимающей основные нагрузки в направлении выкладки волокон. Величина действующих напряжений в сечении зависит от количества волокон армирующего материала, обеспечивающих требуемую прочность. Появление дефектов, выраженных в повреждениях, утонениях и разрывах, приводит к выключению дефектных волокон и перераспределению нагрузки на оставшиеся. В результате действующие напряжения по сечению возрастают, что может привести к появлению дополнительных разрывов армирующей структуры и разрушению изделия в целом.

Для конструкций из КМ зачастую вводят т.н. дополнительные коэффициенты безопасности помимо основных, составляющих, в частности, в авиационной промышленности = 1,5. Для стыковочных узлов дополнительный коэффициент безопасности составляет = 1,15. Для силовых частей, узлов и агрегатов, если 100% конструкции из КМ подвергается послеоперационному НК различными методами, вводят дополнительный коэффициент безопасности, исходя из разброса несущих свойств конструкции. В табл. 14 представлены значения вводимого в зависимости от коэффициента вариации свойств.

Табл. 14. Зависимость от коэффициента вариации свойств.

Коэффициент вариации свойств 0,08 0,10 0,15 0,20 0, Проведем исследование изменения поля внутренних действующих напряжений конструкции из однонаправленного КМ, находящейся в состоянии одноосного растяжения-сжатия. Целью исследования является определение величины возрастания напряжений в зависимости от положения дефекта в структуре пакета КМ и его линейных размеров.

Система армирования представлена однонаправленными слоями с углом выкладки, равным = 0°.Пакет КМ можно представить в виде совокупности отдельных монослоёв, каждый из которых имеет толщину. Общее число слоёв в пакете составляет.Обозначим ширину исследуемой пластины через, а суммарную толщину пакета КМ вычислим по формуле:

Геометрические характеристики неповрежденного сечения однонаправленного КМ запишутся в следующей форме:

где - площадь сечения, и - статические отсеченные моменты.

Координаты центра тяжести сечения бездефектного (идеального) пакета определятся по следующим формулам:

Рассмотрим появление дефекта внутренней структуры КМ вида "разрыв волокна", имеющего координату центра, равную. Обозначим расстояние по оси от центра дефекта до центра тяжести сечения пакета как. Функция для определения запишется в виде:

где - порядковый номер дефектного слоя в структуре пакета КМ.

Подставляя выражение (4.9) и группируя, получим:

Статический отсеченный момент дефектной области материала:

где - длина поврежденной зоны, записываемая следующим образом:

- относительная длина дефектной области в сравнении с шириной композитного пакета - шириной образца.

Статический отсеченный момент пакета с дефектом:

Подставляя в (4.15) выражения (4.8) и (4.14), получим:

Подставив (4.14) и (4.12) в (4.16), получим формулу для определения статического момента пакета с дефектом:

Преобразуя выражение в квадратных скобках в (4.17), получим:

Координата центра тяжести сечения для пакета КМ с внутренним повреждением запишется в виде:

Изменение положения центра тяжести пакета КМ с дефектом:

Подставляя выражения (4.9) и в (4.20) и преобразовывая, получим:

Изменение максимальных напряжений в слоях запишется в виде:

где - координата монослоя, максимально удаленного от оси композитного пакета с имеющимся дефектом, определяемая следующим образом:

Рассмотрим зависимость изменения напряжений при образовании дефекта вида "разрыв волокна", имеющего координату центра, равную. Фиксируя величину длины дефекта, оценим изменение НДС при различном положении дефекта по оси.Отсчет координаты абсцисс положения дефекта ведется от его геометрического центра. Статический отсеченный момент дефектной зоны:

Статический отсеченный момент для пакета с дефектом с учетом (4.23):

Координата центра тяжести дефектного пакета по оси с учетом (4.24):

Изменение положения центра тяжести дефектного пакета по оси :

Подставляя и (4.25)в (4.26), получим:

Координата точки дефектного слоя, максимально удаленной от центральной оси пакета, с учетом (4.27), запишется в виде:

Изменение величины максимальных действующих напряжений в монослоях пакета КМ запишется в виде:

Суммируя значения (4.22) и (4.29), получим:

Проиллюстрируем результаты исследований графически. На рис. 25 и показаны графики зависимости концентрации напряжений при фиксированном размере дефекта, равном 0,1 ширины образца. Пакет КМ набран из 10 однонаправленных монослоёв с углом армирования 0° толщиной по 0,2 мм. Ширина образца составляет 20 мм в соответствии с ГОСТ 25.601-80. По горизонтальной оси указаны положения дефектного слоя относительно центральной оси пакета Y (мм), по оси ординат – процент увеличения напряжений.

Рис. 25. Рост напряжений при расположении центра дефекта на центральной оси Xв зависимости от положения дефектного слоя в пакете.

Рис. 26. Рост напряжений при расположении центра дефекта на центральной оси Yв зависимости от положения дефектного слоя в пакете.

Таким образом, изложенная методика позволяет сделать следующие аналитические предположения:

При возникновении дефектов армирующей структуры рост напряжений в зоне дефекта обусловлен возникновением изгибающих моментов в сечении образца;





Концентрация напряжений максимальна при максимальном удалении центра дефекта от положения центра тяжести неповрежденного пакета КМ по обеим линейным геометрическим координатам;

При длине единичного дефекта в отдельном монослое, равной 10% ширины образца, рост напряжений в сечении может составлять до 15%.

Отметим, что традиционные методы НК изделий из КМ, такие как ультразвуковые, импедансные, тепловые и др., не позволяют точно позиционировать дефект в структуре пакета и выявить его линейные размеры. В этой связи особенно актуальным становится применение нового метода НК- КРТ. При использовании томографии удается получить 2D и 3D изображения внутренней структуры КМ и выявить положение, размеры и ориентацию дефектов. Использование современных методов НК вкупе с аналитическими методиками оценки концентраций напряжений позволяет более точно предсказывать изменения НДС и несущей способности изделия, а также выдавать рекомендации по улучшению технологических процессов производства и ремонта конструкций.

4.3. КЭ моделирование повреждений внутренней структуры изделий из КМ и верификация теоретических и экспериментальных данных на Современные вычислительные средства позволяют моделировать состояние внутренней структуры изделий из КМ и их поведение под действием внешних статических, динамических и температурных нагрузок. Результаты КЭ моделирования могут быть использованы для верификации теоретических моделей работы конструкций из КМ с различными повреждениями внутренней структуры.

В рамках работы было проведено КЭ моделирование нагружения образца с дефектами армирующей структуры из однонаправленного КМ растягивающей силой для верификации теоретической модели, представленной в п.5.2.

В соответствии с ГОСТ 25.601-80 "Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах" в качестве образца для моделирования был выбран образец, представленный на рис.27.

Образец представляет собой лопаточку с двумя зонами под захваты и с регулярной зоной, в которой определяются требуемые свойства и проводится моделирование дефектов армирующей компоненты КМ.

Образец выполнен из однонаправленного углепластика на связующем RTM-6, использующегося в технологии RTM - пропитки под давлением, с применением волокон марки HTS-45 в качестве армирующего компонента. Физико-механические характеристики применяемого углепластика представлены в табл.15.

Табл. 15Характеристики углепластика HTS-45 на эпоксидном связующем Модуль упругости на растяжение по основе Модуль упругости на растяжение по утку Модуль упругости на сжатие по основе В качестве дефектов армирующей структуры моделировался разрыв волокон в единичном монослое, с шириной разрыва, равной 0,1 общей ширины образца. В области дефекта считается разрушенной волокнистая структура, соответственно для данной зоны характеристики жесткости по направлению армирования принимаются равными модулю упругости в направлении, перпендикулярном укладки углеродных нитей в монослое.

КЭ модель образца на растяжение была смоделирована в программном комплексе MSC. PATRAN/NASTRAN. В качестве препроцессора был использован MSC.PATRAN, а решение производилось с помощью решателя MSC.

NASTRAN. КЭ модель состоит из плоских четырехугольных Shell – элементов типа quad-4, образующих завершенную КЭ сетку. Общий вид КЭ модели представлен на рис.28.

Закрепление образца осуществлялось по всем степеням свободы с одного конца образца-лопатки, растягивающая нагрузка прикладывалась к другому концу образца в его плоскости - рис.29.

Рис.29.Закрепление и нагружение элементарного образца Толщина монослоя КМ составляет 0,2мм, число слоёв в образце 10, таким образом, итоговая толщина элементарного образца составляет 2мм.

Дефектная область моделируется в центральной части элементарного образца, центр дефектной области находится на продольной оси симметрии рассматриваемого образца.

На рис.30 показано типовое представление результатов КЭ анализа для области, содержащей дефект вида "разрыв армирующей структуры".

Рис.30.Цветное отображение концентрации напряжений в зоне дефекта волокнистой структуры (по критерию Мизеса-Хилла) Путем варьирования местоположения дефектной зоне по толщине были определены значения концентрации напряжений для рассматриваемой задачи, которые представлены в табл. 16.

Величина возрастания напряжений, % Результаты верификации данных теоретической модели и КЭ моделирования представлены в виде графиков на рис.31.

Рис. 31. Верификация теоретической и КЭ моделей для образца из однонаправленного углепластика с заданным дефектом армирующей компоненты КМ По оси абсцисс показано положение слоя с дефектом в общей системе армирования, по оси ординат указано значение увеличения напряжений по сечению элементарного образца в процентах.

Представленные результаты позволяют сделать вывод о хорошей корреляции результатов экспериментов, что позволяет применять предложенные теоретические зависимости для анализа изменения НДС однонаправленных пластиков с дефектами армирующей структуры КМ.

Предложенная методика и КЭ моделирование элементарных образцов в соответствии с ГОСТ 25.601-80, ГОСТ 25.602-80 и ГОСТ 25.604-82 были использованы в рамках научно-исследовательской работы по повышению ударной прочности и остаточной прочности КМ на сжатие после низкоскоростного динамического воздействия на углеродных волокнах и эпоксидной матрице, проводившейся в 2012 году на ОАО "ММЭЗ-композиционные технологии" в рамках государственного контракта с ФГУП "Центральный Аэрогидродинамический Институт имени профессора Н.Е. Жуковского".



Pages:     | 1 |   ...   | 8 | 9 || 11 | 12 |   ...   | 14 |
 









 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.