Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время трехслойные панели с сотовым заполнителем и композитными обшивками широко используются в строительстве в качестве ограждающих и несущих конструкций, в машиностроении (грузовые шнгейнеры, рефрижераторы, вагоны и др.), в химической промышленности [резервуары для обработки отходов химических производств, трубопроводы для этвода газов, элеваторы я др.), в судостроении (корпуса малых судов, элементы интерьера, перекрытия), в авиации в качестве силовых и несиловых элементов планера и других отраслях промышленности. Наряду с известными преимуществами [хорошая звуке-, теплоизолирующая способность, лучшие характеристики выносливости и др.) по сравнению с традиционными стрингерными и монолитными панелями сотовые конструкции имеют ряд недостатков, одним из которых является слабое сопротивление случайным локальным ударным воздействиям (падение инструмента, удары камней со взлетно-посадочной полосы и т.п.). Такие воздействия вызывают различные повреждения (вмятины, расслоения, прорывы обшивки и т.д.), которые могут заметно снизить прочность конструкции.
Множественность механизмов разрушения, анизотропия материалов, многопараметричность конструкций трехслойных сотовых панелей с композитными обшивками, а так же слабая освещенность в литературе, приводит к необходимости дорогостоящего экспериментального определения их ударопрочное!» на этапе доводки конструкции.
Цель диссертации состоит в разработке расчетных моделей деформирования и разрушения тонкостенных композитных обшивок трехслойных сотовых панелей (в дальнейшем трехслойные панели), испытывающих локальный поперечный (по нормали к поверхности) низкоскоростной удар твердым телом и оценке прочности обшивки с дефектом при растяжении.
Научная новизна теоретических и экспериментальных результатов, полученных в данной диссертации, заключается в том, что впервые
- экспериментальным путем обнаружена независимость кривых локального контактного деформирования (функции усилия на инденторе от прогиба обшивки в месте контакта) от радиуса сферического основания индентора для тонких анизотропных обшивок панелей с сотовым заполнителем. В проведенных экспериментах обшивки были выполнены из слоистых органо-, углепластиков и гибридов на их основе, а заполнители - из стеклосотопласта, полимерсотопласта и алюминиевой фольги с размером ячейки 2,5 мм; радиус сферического основания иняентова
изменялся в диапазоне 2...15 мм, что превышает толщину обшивки панели в 3... раз. Сочетание материалов обшивки и заполнителя, изученное в данной рабо перекрывает большинство существующих сейчас случаев использозаг трехслойных панелей в химическом машиностроении, стршггельстве и авиации.
получено теоретическое описание экспериментальных кривых контактне деформирования с помощью разработанной в диссертации аналитической моде контактного деформирования, при нагружении панели сосредоточенной силой использованием упругих констант материала обшивки и нового параметра напряжения квазитекучести при закритическом сжатии сотового заполнителя вде граней сот.
разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать нагруз: соответствующую прорыву обшивки из армированного волокнами пластика сотов панели, и размер этого прорыва при квазистатнческом контактном деформирован нцдентором со сферическим основанием, учитывающая прочностные свойст заполнителя и армирующих волокон в каждом слое обшивки и способ укладки эт волокон по толщине.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанні модели позволяют производить на стадии проектирования сравнение различи; конструкций по ударопрочностн и находить рациональную укладку о6шие трехслойных сотовых панелей, обеспечивающую более высокие значение, нагруз прорыва обшивки и остаточную прочность, т. е. прочность элемента конструкции п палички в ней дефекта.
Типовые технологические процессы изготовления трехслойных сотов! панелей, даже те, в которых осуществляется автоматическое регулирован температуры и давления прессоватш, в раде случаев может привести к существенн вариации объемной доли волокон в композите и соответственно к вариации мю нических свойств материала обшивки (модули упругости, пределы прочности) и толщины. Теоретический анализ» полученных зависимостей ("усилие со сторої иидевтора - прогиб обшивки'*, а также "усилие прорыва обшивки - ради сферического основания индекторі") пашал, что для обшивки из армирование высокомодульными, высокопрочными волокнами пластика такая вариация объемн доли волокон не оказывает влияния на вид этих зависимостей. Вид этих зависимой определяется только количеством волокон в способом кх укладка по толщине. Эт факт позволяет вывести из рассмотрения случайное изменение технологическ параметров при производстве сотовых панелей. 4
Замена реального дефекта на эквивалентный концентратор типа острого дреза с длиной, определяемой по разработанным моделям, позволяет существенно іростить опенку остаточной прочности элемента конструкции.
Проведенное экспериментальное исследование показывает возможность ншененне теории Герца для оценки динамических характеристик ударного їздействия (продолжительность удара, максимальное контактное усилие, йеличины югиба и т.д.) с использованием квазистатических диаграмм контактного формирования.
Применительно к оценке прочности при случайном ударном нагружснии гговых конструкций .самолета бетонной іфошкой со взлетно-посадочной полосы :спериментально показана возможность замены гравия фракции 10...20 мм с :роятностью 0,90 на сферический индентор диаметром 8... 16 мм.
Предложенный комплекс моделей и методов позволяет на стадии проек-фоззкня решать прямую задачу, а именно, обеспечение прочности при заданном дерном воздействии, а на.стадни эксплуатации - обратную задачу, т.е. нормировать зздействие на конструкцию с позиции предельного 'допустимого снижения ггаточной прочности
Общая методика исследований. Для решети поставленных в работе задач ьшн использованы методы теневого муара, электро- и вибротензометрин, методы ;ории вероятности и математической статистики, метод конечных элементов, метод ыстрого преобразования Фурье при фильтрации шумов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ре-дататы исследований доложены и обсузкдены: на 7-й межотраслевой научно-ишической конференции "Проблемы создашія конструкций из композиционных атериалоз и тс внедрение в практику совершенствования образцов новой техники"' Чиасс, 1992г.); в работе 3-й Российской школы по проблемам проектирования неодородных конструкций (ТЛиасс, 1995г.); на 'научно-технической конференции Расчетные методы механики деформируемого твердого тела" (Новосибирск, 1995г.); а научно-технической конференции Челябинского государственного технического ниверснтега (Челябинск,- 1995г.); на научном семинаре кафедры "Сопротивление атериалов, динамики и прочности машин" Челябинского государственного гхнического университета (Челябинск, 1995г.); на расширенном научном семинаре афедры "Прикладная механика, динамики и прочности машин" Челябинского госу-арственлсготехшгеескогоутшераггета (Челябинск, 1996г.).
Публикации. Основное содержание диссертации и результаты исследований опубликованы в 3 статьях, в 3 тезисах доклада и 1 авторском свидетельстве на изобпегсние.'
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложения. Работа изложена на 156 страницах, включая 54 рисунка и 7 таблиц, список литературы из 13 наименований. Приложение на 12 страницах: в него вынесены вопросы связанные с идентификацией и верификацией разработанных моделей.
