Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные эффекты применения КМ в объектах машиностроения
1.1. Общая таблица эффектов и объектов. Банк знаний «Инженерная механика композитов»
1.2. Примеры применения КМ в различных отраслях
1.3. Упругие элементы из КМ: рессора, лук, торсион
Глава 2. Рациональное проектирование профилированных однодисювых рессор 28
2.1. Инженерный подход к расчету рессор 28
2.2. Степенные законы изменения геометрии 37
2.3 . Общин случай построения упругой линии 41
2.4. Общий коэффициент снижения массы 46
2.5. Влияние прямоугольных концевых участков на коэффициент формы
Глава 3. Учет влияния разориентащш волокон на упругие свойства профилированных рессор
3.1. Основы теории анизотропной упругости
3.2. Методы усреднения модуля упругости для разориентированных волокон
3.3. Расчет прогиба балки с переменным по длине модулем упругости. Сравнение с инженерным подходом
Глава 4. Механизмы и критерии разрушения волокнистых композитов при различных видах нагружения
4.1. Два критерия прочности для однонаправленного и ортогонально армированного композита. Оптимальный угол малой разориентации
4.2. Силовой критерий расслоения при изгибе
4.3. Силовой критерий расслоения при кручении 86
4.4. Энергетическое условие расслоения при изгибе 88
4.5. Энергетическое условие расслоения при кручении
4.6. Энергетическое условие расслоения при совместном действии изгиба и кручения 91
4.7. Схема проверки прочности рессоры по разным критериям 94
Глава 5. Экспериментально-технологические проблемы создания етеклопластиковых рессор
5.1. Длительная релаксация рессоры
5.2. Испытания на ползучесть
5.3.Технологня создания балки с постоянной площадью поперечного сечения
5.4. Оправка с изменяемой геометрией
5.5. Проблемы крепления композитных, деталей
Заключение
- Примеры применения КМ в различных отраслях
- . Общин случай построения упругой линии
- Расчет прогиба балки с переменным по длине модулем упругости. Сравнение с инженерным подходом
- Энергетическое условие расслоения при кручении
Введение к работе
Актуальность темы. Композиционные материалы (КМ) перестали быть материалами будущего - они настоящее. Нет ни одной области техники и не только техники (наравне с машиностроением композиты применяются также в строительстве, медицине, спортиндустрии, и т.д.), где не нашлось применения для КМ. Создание детали одновременно с материалом - одно из преимуществ волокнистых композитов (угле-, стекло-, боро-, органопластиков) перед традиционными конструкционными материалами (материал - под конструкцию, точнее материал-конструкция - как в живой природе). Пока это правило применимо только для изделий простой формы: композитные трубы, стержни, балки (в данной работе не рассматриваются панели и оболочки из композитов, а особое внимание уделено упругим элементам).
В каждой области находятся свои преимущества от замены традиционных конструкционных материалов на композитные: в частности, в автомобильной промышленности детали из полимеров и армированных пластиков с успехом заменяют металлические аналоги (рессора, торсион, кузовные панели, баллоны для сжатого газового топлива, бампер, элементы интерьера). В современных автомобилях применение композитов составляет 10-15% (в основном - детали интерьера, оперение), в некоторых и более. Высокие удельные прочность и жесткость, коррозионная стойкость, возможность запасать большую энергию -параметры, по которым можно судить об эффективности применения KM. Замена металлов на композиты в автомобилестроении позволяет решить ряд вопросов регулирования удельной материалоемкости деталей и сборочных единиц и главное даёт возможность «программирования» физико-механических свойств элементов конструкций.
Бесспорно преимущество волокнистых КМ перед традиционными материалами в упругих элементах транспортных средств, таких как рессора, пружина, торсион. По запасенной упругой энергии на единицу массы полимерные композиты в разы превосходят традиционные конструкционные материалы, а высокая коррозионная стойкость, нехрупкость, в том числе при низких температурах, циклическая прочность, не говоря о малом весе, -увеличивают эффективность применения КМ.
Объектом исследования эффективности замены металла на волокнистый композит была выбрана рессора, не обязательно автомобильная - рессоры как упругие элементы применяются и в самолетах, и в снегоходах, и в поездах.
Цель работы. Создание комплексной методики расчета упругих элементов транспортных средств на примере листовой рессоры из стеклопластика. Основное внимание уделено выбору формы, размеров, структуры армирования, учету разориентации волокон. Научная новизна.
1. Уточнён проектный, расчет стеклопластиковой однолистовой рессоры по условию заданной жесткости с учетом изменения модуля упругости материала в зависимости от угла разориентации волокон.
Предложен метод оценки эффективного модуля упругости для разориентированной укладки волокон.
Обоснован метод рационального проектирования рессоры с учетом различного распределения волокон по площади поперечного сечения.
Предложены технологические принципы создания оправок для изготовления балок с изменяемой геометрией.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением с аналитическими решениями и экспериментальными данными. Научная и практическая значимость работы определяется:
усовершенствованием подхода к расчету упругих элементов в условиях заданной жесткости,
рекомендациями по технологии изготовления равнопрочных композитных рессор,
предлагаемым комплексным подходом (технологическая механика) к проектированию силовых элементов конструкций, применённым в работе для рессоры, который может использоваться при проектировании других силовых композитных элементов,
разработкой и изготовлением технологического приспособления с изменяющейся геометрией,
результатами проведенных испытаний на длительную релаксацию,
применением результатов работы для совершенствования учебного процесса.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Секционные доклады на Международных Интернет-ориентрованных конференциях молодых учёных МИКМУС в 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 и 2009 годах (Москва, ИМАШ РАН).
Секционный доклад на Международном научном симпозиуме, посвященному 140-летию МГТУ «МАМИ», 2005 г.
Секционный доклад на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Российский автопром: теоретические и прикладные проблемы механики и машиностроения» (М., ИМАШ, 13-14 июня 2007 г.).
Выступления на Московском ежемесячном семинаре молодых ученых и студентов МЕСМУС (ИМАШ РАН) в 2006, 2007, 2008, 2009 и 2010 годах.
Секционный доклад на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород, 2006 г.
Секционный доклад на 19-й Всероссийской конференции по численным методам решения задач теории упругости и пластичности, Бийск-2005 г.
Секционный доклад на 4-й Московской Международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» 2006 г.
Секционный доклад на международной конференции по экспериментальной механике (Греция, 1-6 июля 2007 г.).
Публикации. Основные результаты работы изложены в 22-х научных публикациях, 3 работы опубликовано в рецензируемых журналах. Структура диссертации. Настоящая работа (табл.1) состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 95 наименований, и 3-х приложений. Содержит 132 страницы основного текста, в которые входят 11 таблиц и 56 рисунков.
Основные
эффекты
применения
км f
Эффекты И объешгы
Примеры
применения
Упругие элементы
Рациональное
проектирование
профилированных
рессор
Инженерный подход
Изменение геометрии
Общие случаи расчета
Общий коэффициент снижения массы
Влияние концов
Влияние разориентации
волокон на
упругие свойства
Анизотропная теория упругости
Методы усреднения модуля упругости
Прогиб с переменным модулем
Критерии прочности
Механизмы разрушения
Критерии прочности для
однонаправленных и
ортогонально
армированных КМ
Энергетические и силовые критерии разрушения рессор
Таблица 1
Экспериментально-технологические проблемы создания рессор из КМ I
Длительная релаксация
Ползучесть
Оправка с изменяемой геометрией
Проблемы крепления
Примеры применения КМ в различных отраслях
В массовых отраслях гражданского машиностроения основным эффектом от применения волокнистых композитов типа стекло-, угле-, органопластиков оказывается не снижение веса, как, например, в авиации, а возможность решить некую принципиальную техническую задачу: упрощение конструкции, снижение габаритов упругого элемента, нехрупкость изделия и т.п.
Полимерные композитные материалы (ПКМ), армированные углеродными, стеклянными, арамидными и др. волокнами, широко и эффективно применяются в авиационной промышленности и в авиакосмической технике, благодаря своим уникально высоким удельным (отнесенным к удельному весу) прочности и жесткости. Для отраслей гражданского машиностроения (а также строительства, медицины, спорта) критерии эффективности оказываются совершенно другими, чем для авиации. Экономический эффект достигается за счет решения технической задачи, нереализуемой с помощью традиционных конструкционных материалов. По-прежнему [21, 26, 37, 54, 64] существует ряд причин, затрудняющих внедрение новых материалов, причем эти причины составляют некий «порочный круг проблем» (рис.2): одни порождают другие и так по кругу. К этим проблемам относятся: низкий объем производства, узкий круг разработанных изделий из КМ, низкий уровень специальной подготовки инженеров, отсутствие справочной и учебно-методической литературы, высокая цена материалов при низком объеме производства, недостаточно обоснованные экспериментальные данные по свойствам, неотработанность промышленных технологий, отсутствие надежных «методов расчета и проектирования и др. Этот порочный круг может быть разорван, если удастся найти объекты гражданского машиностроения (и строительства), для которых применение композитов наиболее эффективно и окупает затраты на первые малые серии.
«Порочный круг проблем», сдерживающий применение КМ Особое место среди отраслей машиностроения (таблица 1), в которых целесообразно расширять применение композитов, занимает автомобилестроение [53, 60]. Это связано с массовостью отрасли и с разнообразными требованиями, предъявляемыми к различным транспортным средствам (гоночные автомобили - малый вес и борьба с вибрациями, легковые автомобили - дизайн, вездеходы - высокая нагруженность при большом ходе подвески, грузовой транспорт - легкие контейнеры и т.д.). Важна также мобильность отрасли, быстрая смена моделей, восприимчивость к новым техническим решениям и к новым материалам. Проблема вездеходов с повышенной (уникальной) проходимостью настоятельно возникает в связи с необходимостью освоения безграничных, труднодоступных территорий Сибири и Крайнего Севера. И для таких уникальных объектов применение материалов с низким удельным весом, не подверженных коррозии, ремонтопригодных в условиях отсутствия сварки, нехрупких при низких температурах, обладающих прекрасными упруго-прочностными свойствами для изготовления упругих элементов подвески -представляется чрезвычайно перспективным.
В таблице 1 приведены эффекты от применения КМ в различных отраслях машиностроения, из которой видно, что в автомобилестроении эффективность применения КМ достаточно высока. Поэтому цель предварительного анализа состоит в выборе объектов, в которых наиболее явно могут быть реализованы положительные эффекты от применения КМ.
Эффекты от применения КМ в автомобилях следует подразделять на: 1) прямые эффекты, связанные с физико-механическими свойствами самих материалов (низкая плотность, высокая прочность, химическая стойкость, немагнитность, радиопрозрачность и т. д.); 2) технологические эффекты (безотходность, низкая энергоемкость производства, отсутствие необходимости в механической обработке и отделке, окраска в массе, простота создания изделий сложной формы); 3) конструкционные эффекты, связанные с возможностью оптимального проектирования [8, 15, 23, 30, 37] не только на уровне размеров и формы детали, но и на уровне структуры армирования материала (оптимизация схемы армирования, снижение числа деталей).
В идеале речь идет о проектировании материала-конструкции заданного назначения с применением безотходной и низко энергоемкой технологии.
Прямые эффекты (табл. 1). Снижение массы в автомобилестроении принципиально эффективно в тех случаях, когда вес оказывается основным лимитирующим фактором, например, с ростом скорости автомобилей. Трехслойные панели с сотовым заполнителем — прекрасный материал для грузовых контейнеров, и при этом из-за большого числа транспортно-погрузочных операций снижение веса контейнера в 2 раза оказывается экономически выгодно даже при заметном росте его стоимости. Известен пример принципиальной задачи снижения веса комбайна Дон просто за счет применения обшивок из сэндвичевых панелей [21], так как избыточный вес комбайна снижал его проходимость, приводил к частым поломкам, и вызывай недопустимое раздавливание (эрозию) плодородного слоя. Эффективно прямое снижение веса стеклопластикового кузова военных грузовиков, для которых жизненно важна возможность быстрого набора скорости после разгрузки (снарядов) на поле боя.
Коррозионная стойкость стеклопластиков делает их применение эффективным для деталей, контактирующих с влагой (кузовные) или с ГСМ (бензобак, топливные и тормозные магистрали).
Для машин, работающих при низких температурах (условия Крайнего Севера), решающую роль играет нехрупкость, практическая нечувствительность прочности КМ к низким температурам даже при наличии конструкционных или эксплуатационных концентраторов напряжений типа отверстий или трещин. Технологические эффекты. Композитные технологии позволяют существенно уменьшить число деталей, например, в элементах интерьера легковых автомобилей, переднего интегрального оперения грузовиков. Вообще, низкая энергоемкость производства и ремонта (не нужны высокие температуры и большие усилия формования) позволяют производить конструкции, например, в космосе (наматывать оболочечные конструкции), в труднодоступных областях, при отсутствии тяжелого оборудования и стационарных источников энергии. Для рессор лёгкая формуемость стеклопластика в процессе изготовления означает возможность создания профилированной (равнопрочной) формы рессоры с повышенной изгибной податливостью.
Конструкционные эффекты. Преимущества КМ могут быть особенно заметны в тех конструкциях, где наиболее полно используются свойства армирующих волокон. Прочность и жесткость композитов, отнесенные к плотности материала, зависят от схемы армирования и принимают максимальные значения для продольного направления однонаправленного материала. Поэтому наибольший эффект может быть достигнут в тех изделиях, где можно применять. почти однонаправленное армирование (рессора, стойка), или когда усилия направлены вдоль волокон (торсион, сосуды давления). Основная потеря эффективности, как правило, связана с местами крепления. Так как композит, по сути, не существует вне изделия (материал и конструкция создаются одновременно), задача состоит в выборе конструкции и способа крепления под волокнистый материал, а не только в подборе схемы армирования под известную деталь.
. Общин случай построения упругой линии
В настоящее время невозможно найти класс технических, транспортных, строительных конструкций, в котором не было бы примера использования композиционных материалов [1, 10, 12, 16, 18, 19, 26, 30, 53, 60, 64, 72, 75, 84, 86, 87]. Веское подтверждение такому прогрессирующему процессу — ежегодно увеличивающееся потребление стекловолокна в гражданском производстве.
Самое заметное свойство волокнистых композитов — малый вес — уже достаточно для применения этих материалов в авиакосмической технике. Из КМ делают элементы обшивки крыльев, фюзеляжа, оперения. Применение КМ в этой области полностью оправдано снижением веса конструкции: стоимость вывода на орбиту 1 кг полезной нагрузки находится в пределах 6000-8000 долларов.
С применением волокнистых композитов в конструкции искусственных спутников земли удалось решить принципиальную задачу тепловой деформации материала; сторона спутника, обращенная к Солнцу, нагревается до температуры более 100С, а противоположная сторона охлаждается до температуры ниже —200С, при рациональном проектировании конструкции из композитов можно добиться того, чтобы коэффициент теплового расширения материала был близок к нулю. Коррозионная стойкость, антимагнитные свойства и технологичность определили использование стеклопластиков в судостроении в производстве лодок и катеров, а также речных и морских судов, глубоководных аппаратов и минных тральщиков.
В химической, нефтяной и горнодобывающей отраслях нашли применение трубы и емкости из стеклопластиков для транспортировки и хранения агрессивных жидкостей.
Стеклопластик применяется в отраслях машиностроения, в особенности в автомобиле-, станко- и вагоностроении (крыши и сиденья автобусов и вагонов, кузова и детали автомашин, контейнеры и т.д.).
Стеклопластики также применяют для производства спортинвентаря и товаров народного потребления (кресла, цветочницы, шесты для прыжков, удочки, ограждения балконов, мотошлемы, и д.р.).
Одними из наиболее сложных и ответственных объектов применения являются мосты, эстакады, тоннели. Современные мосты и эстакады частично или полностью состоят из композиционных материалов. Освоено практически всё - опоры, силовые балки, настилы, ограждения, ливневые системы, кабельные каналы и прочее. Стеклопластики широко используются при реконструкции и ремонте мостов. В тоннелях — защитно-облицовочные плиты, панели, анкерные устройства для укрепления грунта в виде стержней, армирующих бетон решёток.
Другой областью применения стеклопластиков являются инженерные сооружения, требующие огромных затрат на содержание. Это перильные ограждения, столбы, линии электропередач, решетки и настилы производственных площадок, опоры и подвески воздушных силовых электросетей для электрифицированного железнодорожного и городского транспорта.
В дорожной инфраструктуре стеклопластики нашли применение в ограждающих конструкциях: всевозможных сетках, решётках, панелях и І8 анкерах, используемых для усиления откосов насыпей; трубах для проколов под автотрассами; столбах рекламных и информационных щитов.
Композиционные материалы используют при строительстве домов. Кроме широко распространенных оконных рам и дверей из стеклопластика, прочные и "теплые" профили позволяют быстро собирать несущие каркасы для малоэтажных домов и мобильных временных жилищ для геологов, нефтяников, малых посёлков при ликвидации последствий стихийных бедствий и катастроф. Кроме того в области домостроения используются всевозможные трубы из композиционных материалов для мусоропроводов, кабельных каналов, канализационных систем, водоснабжения и так далее.
Высокая коррозионная стойкость обеспечила применения стеклопластиков в конструкциях, работающих в непосредственном контакте с водой: в сваях, дамбах, отстойных системах, очистных сооружениях.
Приведенные выше сведения, отражающие внедрение композитов в различных отраслях промышленности, достаточны для того чтоб считать волокнистые композиты ТРАДИЦИОННЫМИ конструкционными материалами с более чем полувековой историей. 1.3 Упругие элементы из КМ Огромное преимущество волокнистых КМ перед металлами проявляется в упругих элементах. Первое громкое применение стеклопластика как нового накопителя упругой энергии произошло на XV Олимпийских играх в Хельсинки (Финляндия) 1952 году: «в прыжках с шестом Р.Матиас (США) впервые применил стеклопластиковый шест и, хотя результат оказался намного ниже тогдашнего рекорда мира, его прыжок стаи мощным толчком для применения стеклопластика в этом виде спорта. До этого момента спортсмены использовали бамбуковые (рекорд 4,77 м, 1942г.), алюминиевые (4,82 м, 1957г.) и стальные шесты (4,80 м, 1960г.), а успешное применение новой технологии привело к стремительному росту результатов (6,14 м, 1994г.)».
В живой природе, как у животных, так и у человека для запасения упругой энергии используются сухожилия. Если в технике, в частности, в автомобиле - это громоздкие и тяжелые металлические элементы (рессора, торсион, пружина), то сухожилия отличаются малым весом и большой удельной запасенной упругой энергией (вес обоих сухожилий ног человека не превышает полукилограмма) см. таблицу 2. Этим объясняется использование сухожилий животных при изготовлении одного из самых распространённых оружий человечества — лука.
Расчет прогиба балки с переменным по длине модулем упругости. Сравнение с инженерным подходом
Глава посвящена методам усреднения упругих характеристик в поперечных сечениях профилированной части рессоры, поскольку они зависят от угла укладки волокон (угол разориентации), который, в свою очередь, меняется из-за профилирования.
В главе изложены элементы механики анизотропного тела [3], предложены методы усреднения упругих характеристик, проведено сравнение уточнённого расчета (переменный модуль упругости в профилированной части) с «традиционным» инженерным подходом к расчету рессор при условии заданной жесткости.
Подробное изложение методов расчета композитных конструкций приведено, например в [3]. Основное отличие настоящей работы состоит в том, что учитывается изменение угла укладки волокон (и модуля упругости) вдоль координат композитного элемента, тогда как в [3, 4, 6, 8, 11, 14, 25 и др.] угол укладки волокон постоянен.
Для ясности используемого в работе метода усреднения модуля упругости следует повторить известные соотношения механики композитов [3, 25].
Компоненты тензора напряжений Напряженное состояние тела, находящегося в равновесии, характеризуется шестью компонентами тензора напряжений, которые действуют на трех взаимно-перпендикулярных площадках (рис. 22). Обобщенный закон Гука для упругого анизотропного тела имеет следующий вид: Компоненты матриц-столбцов напряжений и деформаций связаны с компонентами тензоров напряжений и деформаций следующим образом:
Явление, когда в материале существует 21 независимая константа, достаточно редкое, чаще наблюдается равенство свойств в некоторых направлениях и при правильном выборе системы координат число независимых коэффициентов уменьшается, следовательно, упрощается запись закона Гука. Ниже представлены наиболее распространённые случаи упругой симметрии в анизотропных телах. Плоскость упругой симметрии характеризуется двумя любыми направлениями, в которых упругие свойства, симметричны относительно этой плоскости. В этом случае число независимых компонент в матрице податливости [S] (3.3) (и, соответственно в [G]) уменьшается до 13.
При одноосном растяжении в направлении, перпендикулярном плоскости упругой симметрии из (3.4) следует, что главная ось напряженного состояния совпадает с главной осью деформированного и это направление — главное направление упругости. При таком нагружении материал претерпевает деформации сдвига только в плоскости симметрии (х\, х2) рис.22: ех = suo; , s2 = s2, 73, є3 = s,3«r3 У із = , Узі = Y\i = 363 Ортотропным считается тело, обладающее тремя взаимно перпендикулярными плоскостями упругой симметрии. Для таких тел число независимых компонент сократится до 9 [25]. И можно выразить коэффициенты податливости через технические константы: 1/Е, коэффициенты Пуассона, первый индекс - направление действующего напряжения, второй индекс деформации. направление возникающей Вследствие симметрии матрицы выполняются равенства А 21 =А 12 Уз2 = 3 23 Аз /13=А /31» откуда ЧгИзН гі згКз Для частного случая ортотропного тела, в котором упругие свойства одинаковы по всем трём главным осям упругости, число независимых коэффициентов в матрицах [ S] и [G] сокращается до трёх Но в отличие от изотропного тела, величины Е, G и V — могут быть независимы друг от друга.
Трансверсалъио изотропное тело характеризуется плоскостью, в которой упругие свойства во всех направлениях идентичны (плоскость изотропии). Число независимых упругих коэффициентов - 5 [3, 25]. Если совместить координатную плоскость (хх, х2) рис. 22, то матрица податливости:
В трансверсально изотропном теле главные оси деформированного состояния совпадают с главными осями напряженного, если одна из осей напряженного состояния перпендикулярна плоскости изотропии. Изотропным называется такое тело, в котором любое направление главное и любая плоскость есть плоскость упругой симметрии. Для изотропных тел остается 2 независимых компоненты:
Упругие характеристики однонаправленного композита [3] Рассматривается однонаправленный композитный материал в виде пластины, состоящей из чередующихся слоев, обладающих свойствами волокон или матрицы (рис.24.а). Допущение: связь волокон и связующего идеальна, волокно и матрица линейно упруги.
Модель однонаправленного композитного материала Волокна и матрица предполагаются изотропными, что может бать близко к реальности для стеклопластика (но не углепластика). Обозначения: ТХ, СГ,, Г,2 — средние напряжения в однонаправленном материале, равные отношению сил к суммарной площади поперечного сечения композита (рис.24,6),
Энергетическое условие расслоения при кручении
Как было сказано выше, одной из основных особенностей волокнистых композитов является одновременное изготовление материала и конструкции. Причем материал создаётся с «заданными» механическими свойствами, наиболее полно (рационально, оптимшіьно) удовлетворяющими» условиям работы создаваемой детали. Укладка волокон по линиям наибольших напряжений — основной принцип создания композитных конструкций. Для балок, работающих на изгиб — это практически однонаправленная укладки вдоль длины балки, для труб, работающих на кручение, — (± 45 ), для панелей, где нужны изотропные свойства — симметричное «звёздное» армирование через 36 , или (0 /±60 ), (0/±45 /90 ), для газовых баллонов — (±54 ) из условия равной апряженности нитей. Методы испытания таких конструкций должны отличаться от испытаний традиционных металлических, поскольку механические свойства образца отличаются от свойств изделия: для композитов очень важен масштабный фактор (scale effect) — зависимость прочностных свойств от абсолютных размеров.
Высокие требования к технологии изготовления композитных изделий важны, поскольку внутренние дефекты, а это чаще всего непроклеи, заметно снижают прочность изделий.
Данная глава посвящена разработке экспериментальных методов и проведению экспериментов на образцах из композитных рессор, а также предложены и реализованы в макетах принципы создания прессформ с изменяющейся геометрией для изготовления профилированных балок.
Длительная релаксация рессоры (испытания рессоры, простоявшей-17 лет при фиксированном прогибе)
Сохранение упругих свойств при длительном нагружении важно, например, для военной автомобильной техники, находящейся на длительном хранении. После снятия машины с длительного хранения она должна быть готова к эксплуатации в течение 1-2-х часов. Подготовка подразумевает заправку горюче-смазочными материалами и специальными жидкостями. Ремонтные работы, в том числе замена «просевших» упругих элементов — не предусмотрены. Стеклопластиковые рессоры показали очень низкую чувствительность к длительному нагружению.
Уникальный эксперимент был проведен в лаборатории безопасности и прочности композитных конструкций: заневоленная до прямолинейного положения рессора простояла под нагрузкой 17 лет (с 1990 по 2007). Испытания по определению жесткости показали её незначительное падение (рис.48). Снижение упругих свойств рессоры минимально - в пределах 5 %!
Экспериментальные данные для рессоры номинальной (1), простоявшей 500 часов под нагрузкой (2), и 17 лет (3) Проведенные испытания доказывают допустимость использования стеклопластиковых рессор в технике находящейся на длительном хранении.
В настоящем разделе излагается методика испытаний георешеток на ползучесть. Хотя решетки, используемые для армирования дорожных покрытий и откосов, не имеют прямого отношения к балочным упругим элементам, но проведенные соискателем эксперименты служат основой для прогнозирования длительной ползучести изделий из волокнистых композитов.
Геосинтетические материалы - это материалы, которые в соответствии с их названием используются для армирования грунтов. Они нашли широкое применение при строительстве дорог, железнодорожных насыпей, откосов, как наклонных, так и вертикальных; используются также и в других приложениях. Эти материалы в зависимости от области применения производятся в виде: текстильного материала, различного рода решеток, а также их комбинаций - геокомпозитов.
Разнообразие геосинтетических материалов огромно, а их выбор зависит от состава почвы (глина, песок, щебенка, камни и пр.), от угла наклона армирующего слоя (вертикальные стенки, пологие склоны, дороги и пр.), от глубины залегания армирующего слоя (в зависимости от глубины меняется состав грунта и условия его залегания), от температуры, влажности и многих других факторов. Прогнозирование изменения механических свойств георешеток со временем — важная исследовательская задача.
Так как геокомпозиты работают в непосредственном контакте с грунтом, то правильно испытывать эти материалы в условиях приближенных к "боевым", то есть в почве, в которой им предстоит находиться, но для этого нужны специальные приспособления (ванны с грунтом, нагружающие рамки, не говоря уже о том, что практически каждому образцу нужны оригинальные захваты). Такие испытания проводились в Германии, в России подобных экспериментов не было. В Институте машиноведения пошли более простым путем: образцы испытывались на "открытом воздухе" (рис. 50а), цель
Задача проведенных исследований состояла в отработке методики испытаний на ползучесть георешетки "БЕЛГЕОСОТ", изготовленной из полиэтилена и предназначенной для укрепления откосов земляных сооружений, армирования строительных конструкций и слабых оснований в транспортной, гидротехнической и других отраслях строительства.
Разработанные методики испытаний для данного типа георешеток позволяют получить экспериментальные кривые ползучести, по которым возможно прогнозирование поведения материала при реальных условиях эксплуатации.
Сущность метода заключается в испытании образца на растяжение под действием постоянной нагрузки. В экспериментах на ползучесть определяют: время приложения полной заданной нагрузки; величину деформации, т.е, удлинение образца, произошедшее за данное время.
Трудности в испытаниях как квазистатических, так и в испытаниях на ползучесть состояли в том, что, начиная с некоторого уровня деформации ( 6-8%) и соответствующего ему уровня напряжения в -10 кг/мм , начинает появляться шейка на образце, которая распространяется в обе стороны, далее образец постоянно утоняется, но разрыва можно достичь только при очень высокой величине деформации в несколько сотен процентов. Поскольку деформация в реальных конструкциях составляет порядка 2-3%, то за предельную величину была взята деформация в 5%.
Технология создания балки с постоянной площадью поперечного сечения При изучении проблем изготовления деталей из волокнистых КМ следует отметить принципиальное отличие всей технологической цепочки производства от традиционных «металлических» технологий, которые включают в себя энергоёмкие и вредные в экологическом отношении процессы: «добыча руды и кокса - выплавка чугуна и стали — отливка — прокатка — изготовление заготовок - механическая обработка - сборка -отделка - покраска». Наибольший эффект может быть достигнут, когда удаётся реализовать «композитную» низкоэнергоёмкую (низкие температуры полимеризации) безотходную технологическую цепочку: «производство компонентов (волокна, матрицы) - создание полуфабрикатов (ткани, ленты, ровинг, препреги) - создание готовых изделий (интегральных - без механической обработки и сборки, с окраской в массе).
Как известно, для получения наибольшей прочности детали из волокнистых КМ большая часть волокон должна располагаться по линиям наибольших напряжений. То есть при изготовлении стеклопластиковых балок (рессор) (рис.52), работающих на изгиб, наиболее предпочтительной является укладка волокон в направлении продольной координаты.
