Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. КМ и основные технологии, применяемые в технологическом процессе изготовления изделий 12
1.1. Обзор научных работ, посвященных проблематике неразрушающего контроля изделий из КМ 12
1.2. Основные характеристики КМ 15
1.3. Основные технологические процессы изготовления изделий из КМ 21
1.4. Классификация основных дефектов КМ 26
Глава 2. Методы контроля изделий из КМ 32
2.1. Обзор существующих методов НК 32
2.1.1. Оптические методы контроля 32
2.1.2. Акустические методы НК 34
2.1.3. Тепловые методы контроля 38
2.1.4. Радиоволновой метод неразрушающего контроля 42
2.1.5. Радиационные методы контроля 43
2.2. Преимущества и недостатки существующих методов НК 45
2.3. КРТ как современный метод НК изделий из КМ 48
Глава 3. Основные направления применения КРТ в качестве метода НК изделий из КМ 55
3.1. Контроль изготовленных изделий и агрегатов из КМ 55
3.2. НК технологических, элементарных и конструктивно-подобных образцов из КМ 61
Глава 4. Влияние дефектов внутренней структуры КМ, обнаруживаемых на этапе НК, на свойства изделия 67
4.1. Оценка изменения физико-механических свойств КМ при наличии
дефектов внутренней структуры материала вида «расслоение» 67
4.2. Построение математической модели повреждений армирующей структуры на примере образца из однонаправленного КМ 83
4.3. КЭ моделирование повреждений внутренней структуры изделий из КМ и верификация теоретических и экспериментальных данных на примере однонаправленных образцов из КМ 93
Глава 5. Применение КРТ для оптимизации процессов технологического изготовления изделий из КМ 99
5.1. Факторы влияния технологии на качество конструкций из КМ 99
5.2. 3D-картина внутренней структуры изделий из КМ как способ оценки качества технологических процессов изготовления 105
5.3. Разработка мероприятий по ремонту поврежденных конструкций по данным НК с помощью КРТ 111
Заключение 124
Список литературы и использованных источников 128
- Основные технологические процессы изготовления изделий из КМ
- Радиоволновой метод неразрушающего контроля
- НК технологических, элементарных и конструктивно-подобных образцов из КМ
- Построение математической модели повреждений армирующей структуры на примере образца из однонаправленного КМ
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время композиционные материалы (КМ) на полимерных матрицах широко применяются в различных отраслях промышленности, в том числе в авиа-, ракето- и приборостроении. Высокие удельные характеристики КМ, химическая и вибрационная стойкость, низкая плотность - все эти параметры позволяют использовать данный класс материалов в конструкциях различного назначения. Внедрение КМ позволяет снизить вес изделия, повысить ресурс и срок службы, уменьшить издержки, связанные с обслуживанием эксплуатируемых изделий. КМ являются конструктивно-анизотропными материалами, имеющими двух- или многофазную структуру, что обуславливает наличие у них неоднородности: микронеоднородность структуры отдельного слоя и макронеоднородность слоистого пакета в целом. Особенностью композитов является необходимость совмещения армирующей и матричной компонент материала, что обеспечивается использованием различных технологических процессов изготовления. На этапе технологического цикла формования КМ, а также в процессе эксплуатации конструкции, возможно образование дефектов и несовершенств внутренней структуры изделия, которые оказывают негативное влияние на прочностные, жесткостные и ресурсные характеристики. Своевременное выявление внутренних дефектов материала путем проведения неразрушающего контроля (НК) позволяет оптимизировать параметры технологического процесса изготовления КМ, контролировать состояние эксплуатируемых изделий, оценить изменение характеристик, а также разработать комплекс ремонтных мероприятий для композитных конструкций. В настоящее время для проведения НК применяются различные методы -акустические, тепловые, магнитные, оптические, радиоволновые. Данные методы позволяют выявить дефекты изделия, однако не дают возможность определить их положение в объеме объекта контроля (ОК). Получить трехмерное объемное изображение внутренней структуры изделия позволяет компьютерная рентгеновская томография (КРТ) - сравнительно новый высокоточный метод НК конструкций из КМ. Использование КРТ на различных этапах жизненного цикла позволяет оптимизировать технологические процессы формования, разрабатывать ремонтные мероприятия, оценивать уровень допустимых нагрузок для поврежденных эксплуатируемых конструкций. Для анализа и использования результатов НК необходимы соответствующие методы и способы оценки работоспособности конструкций из КМ, поэтому тема настоящей диссертационной работы является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка способов оценки работоспособности изделий из КМ с внутренними несовершенствами структуры с использованием данных НК с помощью КРТ. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи работы:
анализ эффективности применения КРТ в качестве метода НК на различных этапах жизненного цикла для таких изделий из КМ, как панели, лопасти вентиляторов, корпуса, узлы и агрегаты летательных аппаратов и т.д.
разработка критериев оценки работоспособности изделий из КМ с выявляемыми с помощью КРТ повреждениями и несовершенствами внутренней структуры;
разработка теоретических моделей влияния внутренних дефектов КМ вида "разрыв волокнистой структуры", "расслоение" и "порообразование" на физико-механические характеристики материала изделия с верификацией результатов экспериментов и конечно-элементного моделирования в среде специализированного программного обеспечения;
разработка рекомендаций по внедрению КРТ на этапе технологической отработки изделия и использования результатов, получаемых с помощью томографии, для совершенствования технологического процесса изготовления конструкций из КМ и повышения качества изделия;
анализ эффективности использования КРТ для разработки ремонтных мероприятий для композитных конструкций на примере изделий, выполненных из трансверсально-прошитых КМ и применяемых в агрегатах, подверженных низкоскоростному динамическому воздействию.
Научная новизна и теоретическая значимость диссертационной работы заключается в следующем.
-
Определены конкурентные преимущества КРТ в сравнении с другими методами НК, обосновано применение томографии для НК узлов и агрегатов из КМ в различных отраслях промышленности на различных этапах жизненного цикла изделий.
-
Получены закономерности и зависимости, дающие возможность оценить влияние различных видов дефектов внутренней структуры изделий из КМ на несущую способность, жесткостные и прочностные характеристики. Получены результаты влияния пористости матричной структуры на жесткость и прочность материала. Разработана методика оценки изменения свойств однонаправленного КМ при возникновении дефектов волокнистого наполнителя в зависимости от положения дефекта в структуре.
-
На основе проведенных исследований и полученных экспериментальных данных доказано, что наилучшие результаты НК по
выявлению дефектов внутренней структуры изделия из КМ достигаются с помощью компьютерной рентгеновской томографии.
-
Для новых и перспективных технологий: инфузии (RFI - Resin Film Infusion) и пропитки под давлением (RTM - Resin Transfer Moulding) проведена оценка влияния технологического процесса изготовления на появление внутренних повреждений КМ.
-
Предложены рекомендации по внедрению результатов КРТ для разработки ремонтных мероприятий для конструкций из КМ на примере изделий с прошивкой в направлении, перпендикулярном плоскости армирования, подвергающихся различным условиям нагружения, в том числе низкоскоростному ударному динамическому воздействию.
Практическое значение работы.
-
Данные, представленные в диссертационной работе, позволяют дать оценку изменений физико-механических свойств изделия из КМ, основываясь на результатах, полученных при проведении НК с помощью КРТ. Это позволяет снизить величину отказов техники, связанную с разрушением и появлением внутренних дефектов деталей, узлов и агрегатов из композитов, работающих в различных условиях нагружения.
-
Внедрение КРТ для анализа состояния конструкций из КМ после низкоскоростного динамического воздействия позволяет точно определять характер повреждений и разрабатывать рекомендации по ремонту, повышающие живучесть конструкции и минимизирующие весовые и габаритные параметры ремонтных накладок и др.
-
Внедрение КРТ на этапе технологической отработки позволяет своевременно определять влияние отклонений от заданных параметров техпроцесса, в частности, температурного режима f± = F(T), режима давления f2 = F(p), времени/з = F(t), при необходимости корректировать их, добиваясь высокого качества структуры материала.
-
Использование КРТ на этапе изготовления и испытания элементарных образцов для определения физико-механических свойств материала позволяет уменьшить разброс экспериментально определяемых характеристик за счет изъятия бракованных образцов из партии, что повышает достоверность результатов испытаний, точность расчетов и параметров конструирования изделий из КМ.
Достоверность и обоснованность научных положений и полученных результатов определяется строгостью используемых математических методов механики КМ; сертифицированным томографическим оборудованием для проведения НК образцов из КМ; сравнением теоретических и
экспериментальных результатов с данными, полученными в специализированном расчетном конечно-элементном программном комплексе MSC.Nastran/Patran, а также с результатами, приведенными в публикациях других авторов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 10-й международной конференции "Авиация и космонавтика - 2011" (Москва, МАИ, 8-10 ноября 2011г.), 9-м форуме Российского Вертолетного сообщества (Москва, МАИ, 14-15 апреля 2010г.), 10-м форуме Российского Вертолетного сообщества (Москва, МАИ, 28-29 ноября 2012г.), 11-й международной конференции "Авиация и космонавтика - 2012 (Москва, МАИ, 13 - 15 ноября 2012г.). Также результаты работы использовались при подготовке научно-технического отчета этапа №1 НИР "Разработка конструкции и изготовление конструктивно-подобных образцов панелей из ПКМ с повышенной ударостойкостью", выполненного ОАО "ММЭЗ-КТ" по договору №01д-2012 с ФГУП "ЦАГИ" в 2012г, что подтверждается соответствующим актом внедрения.
Основные результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для представления результатов диссертационного исследования на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и содержит 137 страниц, 60 рисунков и 17 таблиц, 2 приложения. Список использованной литературы и источников содержит 103 наименования.
Основные технологические процессы изготовления изделий из КМ
В настоящее время существует большое количество технологических процессов изготовления узлов, агрегатов и изделий из КМ. Выбор соответствующей технологии определяется требованиями, предъявляемыми к конструкции, перечнем материалов и компонентов, используемым оборудованием, требованиями экологичности и экономичности. Среди основных применяемых технологий изготовления конструкций из КМ выделим прессование, намотку, контактное, контактно-вакуумное и автоклавное формование, технологии пропитки под давлением. Изготовление изделий из КМ методом прессования Основными характеристиками процесса прессования являются давление прессования, температура отверждения, время выдержки. При использовании метода прессования для создания конструкций из КМ различают два вида давления – формования и отверждения.
Давлением формования считается давление, при котором слоистый КМ уплотняется и принимает форму и конфигурацию изделия в полости пресс-формы. Величина давления формования зависит от сложности поверхности изделия и характеристик выбранных материалов: вязкости связующего, содержания влаги, содержания летучих компонент растворимой части смолы.
Давлением отверждения является давление, которое необходимо в процессе отверждения отформованного КМ для недопущения раскрытия пресс-формы под действием выделяющихся летучих продуктов отверждения связующего, упругих и обратимых сил деформации Температура отверждения определяется, исходя из химических свойств связующего, и определяет эластичность материала, от которой зависит способность КМ к формованию и последующему отверждению. Время выдержки зависит от скорости полимеризации связующего, природы компонентов смолы - отвердителей и ускорителей, процентного содержания влаги и летучих компонентов смолы, температурного режима прессования, габаритов, формы и толщин изделия из КМ и др. Технологический процесс прессования состоит из следующих стадий: Подготовка компонентов материала и их объемного содержания; Предварительный подогрев материала для повышения эластичности при формовании. Укладка КМ в пресс-форму; Подпрессовка материала и выдержка его под давлением; Разъем пресс-формы и извлечение детали; Механообработка изделия и его НК, очистка пресс-формы для повторения цикла прессования изделия из КМ. На этапе подготовки компонентов КМ определяют основные технологические параметры материала - плотность, вязкость, объемное содержание влаги и летучих компонент, наличие инородных внедрений - проводится входной контроль компонент. Для армирующих наполнителей проводится оценка качества волокнистой структуры, осуществляется раскрой лент и тканей материала. Предварительный подогрев материала приводит к переходу связующего в вязкотекучее состояние, облегчающее формование КМ в пресс-форме. Выкладка слоёв материала в пресс-форму производится послойно с равномерным распределением по поверхности пресс-формы, при необходимости проводится частичное смыкание формы для уплотнения материала. Подпрессовку материала в пресс-форме проводят для удаления летучих компонентов связующего и иных газов и паров, что положительно сказывается на качестве изделия, повышаются физико -механические характеристики материала, уменьшается время выдержки КМ в пресс-форме. Выдержкой в пресс-форме называется временной отрезок нахождения материала с первого смыкания и до момента снятия давления для поднятия пуансона перед извлечением изделия формы. Для изделий из слоистых КМ время выдержки учитывает и этап охлаждения материала под давлением. После изготовления изделия из КМ методом прессования проводится съем изделия (выемка из пресс-формы), механообработка и контроль. В качестве наиболее распространенных повреждений внутренней структуры для технологического процесса прессования характерны повышенная пористость, наличие расслоений и областей непроклея, отклонения от номинальных углов армирования и иные дефекты, обнаруживаемые современными методами НК, в том числе КРТ. Изготовление изделий из КМ намоткой
Существует две разновидности технологического процесса намотки – «сухая» и «мокрая», имеющие различие в способе совмещения армирующей и матричной компонент. При «мокрой» намотке процессы пропитки и нанесения материала на оснастку совмещены, что позволяет применять данный метод для изготовления крупногабаритных оболочек вращения.
Технологический процесс намотки характеризуется варьированием параметров толщины монослоёв, точным объемным соотношением компонентов КМ, возможностью обеспечить широкий диапазон углов армирования материала. Существует несколько разновидностей намоточных процессов, среди которых выделяют прямую (окружную) намотку, спиральную (кольцевую, тангенциальную), спирально-перекрестную, косослойную и иные виды.
Одним из наиболее значимых технологических факторов процесса «мокрой» намотки является значение предварительного натяжения волокнистой структуры. Натяжение при намотке определяет начальное НДС конструкции, а также косвенно влияет на степень неоднородности структуры материала изделия, препятствуя перемещению связующего из внутренних слоёв в приповерхностную зону. Еще одним важным технологическим фактором является режим отверждения матричной компоненты, влияющий на структуру и дефектность готового изделия.
При использовании современных методов НК для конструкций, изготовленных методом намотки, определяются дефекты армирующей и матричной компоненты КМ. Применение ультразвуковых методов и КРТ дает возможность определять порывы волокнистой структуры материала, причиной которых может быть излишнее натяжение волокон при намотке на оправку. Значительная пористость и неоднородность распределения связующего по толщине конструкции свидетельствуют о необходимости изменения параметров технологического процесса. Таким образом, использование методов НК позволяет не только определять состояние внутренней структуры материала, но и давать необходимую информацию для оптимизации технологического процесса изготовления изделия из КМ.
Радиоволновой метод неразрушающего контроля
Радиоволновой метод НК использует в своей основе явление отражения и затухания радиоволн, связанное с наличием дефектов внутренней структуры материала. Выявление повреждений основано на измерении параметров отражения и затухания волны – диэлектрической проницаемости, коэффициента затухания, декремента затухания и др.
Радиоволновой метод контроля позволяет определять толщины деталей и узлов из КМ, выявлять микронеоднородности структуры, давать значение содержания влаги в материале, степени шероховатости, степени полимеризации связующего. При прохождении радиоволны через КМ изменяются её параметры, в частности амплитуда, направление поляризации, фаза. Изменение данных параметров связано с изменением одного, двух, а иногда и трех физических свойств изделия и может быть зафиксировано раздельно. В связи с этим значительно расширяются пределы применения радиоволнового метода НК.
Радиоволновой методе использует сверхвысокочастотный (СВЧ) диапазон электромагнитных волн – от 30 МГц до 3000 ГГц. При проведении НК изделий из КМ наибольшее распространение получили сантиметровые (с длиной волны 1-10 см и частотами 3 ГГц - 30ГГц) и миллиметровые (с длиной волны 1-10 мм и частотами 30ГГц - 300ГГц) микрорадиоволны. В качестве источников микрорадиоволн используют различные типы генераторов- клистроны, магнетроны, лампы обратной и бегущей волны.
Радиоволновые методы НК используют при контроле клееных конструкций из радиопрозрачных материалов, например стеклопластиков и органопла-стиков. При наличии в структуре материала непрозрачной для радиоволн компоненты – металлов, сплавов, угле- и боропластиков, а также КМ на металлических матрицах – контроль проводится только со стороны радиопрозрачного материала. При использовании радиоволновых методов НК определяются следующие дефекты внутренней структуры: трещины, расслоения, поры, инородные включения в матричную компоненту КМ.
С помощью радиоволнового метода контроля возможно выявление типовых расслоений и непроклеев с минимальной площадью 0,5см2, трещин с характерной длиной раскрытия 0,5 – 1,5мм.
Радиационные методы НК– рентгенография и томография (КРТ) - применяются для обнаружения внутренних дефектов в материалах и изделиях, в том числе структурно-многослойных, и основаны на эффекте различного поглощения излучения дефектными и бездефектными средами.
Радиационные методы контроля различаются по виду представления окончательной информации о состоянии внутренней структуры изделия. При радиографическом способе дефектность структуры представляется в виде фиксированного видимого изображения на рентгеновской пленке. При радиоскопиче-ском способе изображение дефектов и повреждений представляется на флуоресцирующем экране с помощью электронно-оптических преобразователей и оптических усилителей.
Рентгенографический метод может быть применен для определения картины распределения волокон в структуре армирующего компонента КМ, обнаружения узлов, спутанных краев и заломов, инородных включений.
Необходимым условием для радиографического контроля является возможность двустороннего подхода к ОК. С одной стороны объекта устанавливается источник излучения – рентгеновская трубка или другой источник радиационного излучения, а с другой – регистратор - пленка, заключенная в светонепроницаемый конверт.
Участки рентгеновской пленки с большими почернениями соответствуют области с меньшей толщиной и плотностью, чем основной контролируемый материал. Макродефекты внутренней структуры – раковины, трещины, газовые поры - на рентгеновских снимках выявляется в виде темных участков, повторяющих их размер и формы.
Рентгенография позволяет выявлять различные дефекты внутренней структуры: недопрессовки и расслоения, складки в системе армирования, инородные тела в связующем и т.д. Недостатками рентгенографии являются невысокая производительность, относительно высокая стоимость, обусловленная использованием серебросо-держащей пленки. Рентгенография как метод НК позволяет получить более точные результаты по сравнению с тепловыми и ультразвуковыми методами НК, однако в точности обнаружения дефектов внутренней структуры КМ значительно уступает КРТ.
Большое количество используемых методов НК, основанных на различных физических законах, позволяет расширить границы из применимости для обнаружения скрытых дефектов внутренней структуры материалов, в том числе слоистых пластиков на различных матрицах, трехслойных конструкций с заполнителем, радиопрозрачных изделий и т.д.На возможность применения того или иного метода НК влияют такие параметры, как габариты установки для контроля изделий, в том числе из КМ, производительность оборудования, наличие специфических требований – одно- или двусторонний подход к ОК, применение специальных реагентов и компонентов в процессе контроля, состояние поверхности ОК и т.д.
НК технологических, элементарных и конструктивно-подобных образцов из КМ
Сложная и неоднородная на микро- и макроуровне структура КМ, а также большой выбор технологических процессов изготовления изделий из КМ приводят к некоторому разбросу значений физико-механических характеристик готового материала. В процессе эксплуатации конструкция из КМ подвергается воздействию статических и динамических нагрузок, высокой относительной влажности, перепадов температурного режима, в том числе переходов через точку росы и точку замерзания воды. Действие внешних факторов может привести к ухудшению физико-механических характеристик КМ, что необходимо учитывать введением соответствующих коэффициентов безопасности по деградации свойств пластика.
Применение КРТ для проведения НК внутренней структуры элементарных образцов из КМ Элементарные образцы из КМ используются для определения характеристик готового материала по соответствующей выбранной технологии, оценки степени деградации физико-механических свойств КМ при климатическом воздействии. Нормативная база для проведения испытаний образцов волокнистых КМ на полимерных матрицах определена в соответствующих ГОСТах и зарубежных аналогах - напримерАБТМ. При испытании элементарных образцов при нормальных условиях определяют значение следующих механических характеристик КМ: Предел прочности на растяжение по основе о Предел прочности на растяжение по утку о% Предел прочности на сжатие по основе of Предел прочности на сжатие по утку о 62 Модуль упругости при растяжении по основе Ei Модуль упругости при растяжении по утку Е Модуль упругости при сжатии по основе Еї Модуль упругости при сжатии по утку Е2 Предел прочности на сдвиг в плоскости монослоят12 Модуль сдвига G12 При необходимости проводят испытания элементарных образцов на трехточечный и пятиточечный изгиб для определения следующих характеристик КМ: Модуль упругости на изгиб Еизг Предел прочности на изгиб анзг Особенности структуры и свойств элементарных образцов из КМ для проведения испытаний в соответствии с нормативной документацией заключаются в следующем: 1. Необходимость стабильности состояния внутренней структуры материала, отсутствие макродефектов в объеме изделия из КМ; 2. Сохранение указанных в нормативной документации геометрических размеров образцов для испытаний; 3. «Ожидаемое разрушение» элементарных образцов под действием соответствующей нагрузки: Растяжения; Сжатия; Сдвига; Изгиба. Для элементарных образцов характерно разрушение в определенной области образца - зоне разрушения. При разрушении образца в иной области, в т.ч. в зоне захватов, результаты испытания образца считаются недействительными и могут свидетельствовать об имеющихся дефектах в зоне разрушения, нерасчетной форме нагружения образца и т.д.
Влияние внешних климатических факторов на образование дефектов внутренней структуры КМ и снижение физико-механических характеристик материала Среди основных климатических факторов, оказывающих влияние на свойства готового КМ, выделяют воздействие ультрафиолетовых лучей, температурный режим и величину относительной влажности окружающей среды. Сочетание данных факторов может приводить к появлению внутренних повреждений, образованию и росту патогенной микрофлоры - грибков, микроорганизмов, плесени и др. Влияние внешних климатических воздействий на возникновение и развитие микро- и макроповреждений в объеме КМ обуславливается следующими действующими факторами: Образование внутренних температурных напряжений в структуре материала за счет различных в разных направлениях КЛТР в рамках единичного монослоя (аъ а2, а12) и слоистого пакета КМ (есх, а.у, аху); Растрескивание матрицы и появление микро- и макротрещин в структуре, рост трещин и появление дополнительных концентраторов напряжений в объеме материала; Возникновение пор и их объемный рост; Появление расслоений между слоями. Указанные факторы приводят к ухудшению физико -механических свойств связующего, нарушению монолитности КМ, снижению общей несущей способ 64 ности конструкции. Степень негативного воздействия внешних климатических факторов на армирующие компоненты КМ зависит от природы материала волокнистой структуры, степени поврежденности поверхности, структуры фила-ментов нитей и др. Для углеродных волокон, имеющих открытые поры, повреждения проявляются в виде частичных повреждений фибриллярной структуры, причиной которых может стать переход температуры через точку замерзания водяных паров, их конденсация, замерзание - расширение в объеме - и, как следствие, разрушение микрофибрилл. Пара- и метаарамидные волокна (арамиды, или органические волокна) при воздействии влагонасыщенной атмосферы частично теряют свои свойства из-за проникания жидкости в внутринитяные поры, а при комплексном циклическом воздействии атмосферы с высокой относительной влажностью и температуры 80С-100С может наблюдаться частичная деструкция ароматических колец -разрушение на химическом уровне. Стеклянные и базальтовые волокна проявляют тенденцию к некоторому снижению механических свойств под воздействием внешних климатических факторов, обусловленную наличием микроповреждений поверхности волокна, в т.ч. микротрещин. Снизить негативное влияние на армирующую структуру КМ на основе стеклянных волокон возможно путем использования химического травления поверхности. Для определения величины деградации механических характеристик КМ при воздействии внешних климатических факторов проводят испытания элементарных образцов последующим ГОСТ: 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»; ГОСТ 25.602-80 «Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на сжатие при нормальной, повышенной и пониженной температурах»; ГОСТ Р 50578-93 «Материалы композиционные полимерные. Метод испытания на сдвиг перекашиванием пластины»; ГОСТ 25.603-82 «Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на растяжение кольцевых образцов при нормальной, повышенной и пониженной температурах»; ГОСТ 25.604-82 «Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на изгиб при нормальной, повышенной и пониженной температурах». По данным, предоставленными фирмой Нехсеї–производителем широкой номенклатуры волокон, в том числе углеродных, разброс механических свойств КМ на основе углеродных волокон Т-650 и эпоксидного связующего RTM-6 с объемной долей волокон 66%составляет 6-14%, а снижение показателей прочности и жесткости при климатических испытаниях составляет 13-17%, что соответствует введению в прочностные расчеты конструкций из данного КМ коэффициентов безопасности по разбросу свойств материала = 1.14 и деградации свойств /2 = 1.17 в дополнение к общепринятому коэффициенту безопасности для КМ/= 1.5.
Таким образом, очевидно, что качество изготовленных образцов и состояние внутренней структуры изделия из КМ напрямую влияет на значения физико-механических характеристик изделия. Наличие некондиционных образцов, имеющих различные внутренние повреждения и дефекты, может привести к получению недостоверных результатов испытаний и введению ошибочных дополнительных коэффициентов безопасности для конструкции. В связи с этим большую актуальность представляет качественный анализ внутренней структуры элементарных образцов, предъявляемых на испытания. Использование современных методов НК на данном этапе позволяет выявлять элементарные образцы с внутренними дефектами, определять факторы, вызывающие появление повреждений, а также снижает разброс получаемых экспериментальных значений соответствующих физико-механических характеристик, что позволяет уточнить вводимые дополнительные коэффициенты безопасности по разбросу свойств КМ.
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 нагруз ки на оставшиеся. В результате действующие напряжения по сечению возрастают, что может привести к появлению дополнительных разрывов армирующей структуры и разрушению изделия в целом.
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 hmo7lo. Общее число слоёв в пакете составляет N.Обозначим ширину исследуемой пластины через &, а суммарную толщину пакета КМ вычислим по формуле: Геометрические характеристики неповрежденного сечения однонаправленного КМ запишутся в следующей форме: Н-Ъ2 где F - площадь сечения, Sx и Sv - 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 х0. Обозначим расстояние по оси у от центра дефекта до центра тяжести сечения пакета как Удеф- Функция для определения Удеф запишется в виде: 86 где щ - порядковый номер дефектного слоя в структуре пакета КМ. Подставляя выражение (4.9) и группируя, получим: Удеф — Ь ф 1тпоііо \fti (».-?-S- -o-.- - (4.12) Изменение максимальных напряжений в слоях запишется в виде: где утах - координата монослоя, максимально удаленного от оси компо зитного пакета с имеющимся дефектом, определяемая следующим образом: Рассмотрим зависимость изменения напряжений при образовании дефекта вида "разрыв волокна", имеющего координату центра, равную у0. Фиксируя величину длины дефекта Ь±, оценим изменение НДС при различном положении дефекта по оси х Отсчет координаты абсцисс X 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 х с учетом (4.24): Подставляя (4.10) и (4.25)в (4.26), получим: Изменение положения центра тяжести дефектного пакета по оси х: 90 Координата точки дефектного слоя, максимально удаленной от центральной оси пакета, с учетом (4.27), запишется в виде: Суммируя значения (4.22) и (4.29), получим: Изменение величины максимальных действующих напряжений в монослоях пакета КМ запишется в виде: Проиллюстрируем результаты исследований графически. На рис. 25 и 26 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.
Таким образом, изложенная методика позволяет сделать следующие аналитические предположения: 1) При возникновении дефектов армирующей структуры рост напряжений в зоне дефекта обусловлен возникновением изгибающих моментов в сечении образца; 2) Концентрация напряжений максимальна при максимальном удалении центра дефекта от положения центра тяжести неповрежденного пакета КМ по обеим линейным геометрическим координатам; 3) 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 примере однонаправленных образцов из КМ Постановка задачи на КЭ моделирование 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.
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)
