Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1 Условия испытаний автомобилей при столкновении для оценки пассивной безопасности 7
1.2 Типы деформируемых препятствий и их характеристики 11
1.2.1 Требования к ДП для испытаний боковым ударом 11
1.2.2 Требования к ДП для испытаний фронтальным ударом 17
1.2.3 Деформируемые сотовые структуры для калибровки манекенов...21
1.3 Сотовые заполнители, материалы для изготовления сот и технология изготовления сотовых заполнителей 22
1.3.1 Материалы, применяемые для изготовления сотовых заполнителей 23
1.3.2 Характеристики сотовых заполнителей 23
1.3.3 Анализ существующих технологий изготовления сотовых заполнителей 25
1.4 Постановка задач настоящей работы и этапы их выполнения 28
Глава 2. Используемые материалы, методы испытаний и исследований ...29
2.1 Материалы и их характеристика 29
2.2 Методы испытаний и оборудование для исследования материалов и деформируемых препятствий 31
2.2.1 Методы испытаний и оборудование для исследования материаловЗ 1
2.2.2 Методы статических испытаний и оборудование для исследования материалов, сотовой структуры и элементов ДП на фронтальное столкновение 31
2.2.3 Методы динамических испытаний и оборудование для исследования ДП для бокового удара 35
2.2.4 Методы испытаний и оборудование для исследования материалов и сотовых структур для калибровки манекенов 37
2.3 Методы планирования эксперимента и статистической обработки результатов 39
Глава 3. Разработка методов управления сопротивлением деформации сотового заполнителя 40
3.1 Исследование процесса деформирования сотового заполнителя и оценка влияния конструкционных и технологических параметров на прочностные характеристики 40
3.2 Исследование процесса термической обработки алюминиевого сотового заполнителя и его влияние на сопротивление деформации 52
3.3 Отработка технологии размерного химического травления фольги в сотовом заполнителе 61
3.4 Исследование способов повышения прочности сотового заполнителя и выбор материалов и технологии упрочнения 71
3.5 Отработка технологии нанесения эпоксидного компаунда на поверхность фольги сотового заполнителя и оптимизация параметров технологического процесса 78
Глава 4. Исследование и разработка технологии изготовления и обработки деформируемых препятствий с учетом конструкционных особенностей .88
4.1 Исследование и разработка процесса приклеивания листов облицовки к сотовому заполнителю 88
4.2 Исследование процесса склеивания элементов сотового заполнителя и его влияние на сопротивление деформации 97
4.3 Особенности изготовления и обработки деформируемого препятствия для испытаний автомобиля методом фронтального столкновения 111
4.4 Особенности изготовления и обработки деформируемого препятствия для испытания автомобилей методом бокового удара 113
Глава 5. Исследование динамических характеристик деформируемых препятствий и разработка технических условий на все виды ДП 122
5.1 Анализ результатов стендовых испытаний подвижных деформируемых препятствий для испытания автомобиля методом бокового удара 122
5.2 Исследование деформируемых препятствий с сотовыми заполнителями для тарировки датчиков шеи и позвоночника манекенов... 134
Заключение 141
Приложении 145
Список иллюстраций 149
Список таблиц 153
Литература 154
- Требования к ДП для испытаний фронтальным ударом
- Методы испытаний и оборудование для исследования материалов и деформируемых препятствий
- Исследование процесса термической обработки алюминиевого сотового заполнителя и его влияние на сопротивление деформации
- Исследование процесса склеивания элементов сотового заполнителя и его влияние на сопротивление деформации
Введение к работе
В последние годы во всем мире значительно вырос уровень требований к пассивной безопасности автомобилей, направленной на минимизацию травмирования человека при дорожно-транспортных происшествиях (ДТП). Усилия в этой области направлены на разработку новых материалов и поиск эффективных решений их применения[1, 2, 3].
В конструкции автомобилей применяются подушки безопасности, как для водителя, так и для пассажира, все чаще устанавливаются боковые подушки и надувные шторки, автомобили комплектуются устройствами предварительного натяжения ремней безопасности и ограничителями усилий, оптимизируется каркас кузова, совершенствуются сидения и подголовники, улучшается качество панели приборов и внутренних обивок, внедряются специальные материалы [4, 5, 6].
Развитие экспериментальной техники и технологий испытаний, коренное изменение процесса проектирования (широкое применение высокопроизводительной вычислительной техники и мощного специализированного программного обеспечения) позволили в середине 1990-х годов поднять работы по обеспечению безопасности водителей и пассажиров в процессе ДТП на качественно новый уровень [7].
Безопасность автомобиля, как комплекс технических решений, стала оцениваться по достаточно прямым травматическим воздействиям, получаемым водителем и пассажирами при испытаниях в нормируемых стендовых условиях имитирующих ДТП [8].
Этому также способствовало появление антропометрических манекенов человека, биомеханических критериев травмирования и полномасштабных моделей, имитирующих ударо-прочностные свойства автомобиля.
Российская Федерация является участницей Женевского Соглашения, подписанного в рамках Комитета по внутреннему транспорту (КВТ) ЕЭК ООН.
Разрабатываемые в КВТ Правила ЕЭК ООН, представляют собой международные нормативные документы, которые устанавливают требования к безопасности конструкции автотранспортных средств, а также методы их испытаний.
Госстандартом России с 1 июля 2000 г. в качестве государственных стандартов введены все Правила ЕЭК ООН, заявленные Россией к применению с целью совершенствование конструктивной безопасности и приведению показателей отечественной техники к европейским нормам, а также повышению ее конкурентоспособности на международном рынке [9].
Федеральным законом «О безопасности дорожного движения» установлено, что автотранспортные средства, изготавливаемые в Российской Федерации или ввозимые из-за рубежа, подлежат обязательной сертификации -«Одобрению типа транспортного средства» (ОТТС), выдаваемого в соответствии с правилами Системы сертификации механических транспортных.
Принятие ЕЭК ООН в 1998 г совершенно новых законодательных требований, как в отношении фронтального удара (Правила ЕЭК ООН № 94 и Директива 96/79ЕС), так и в отношении удара в бок (Правила ЕЭК ООН № 95 и Директива 96/27ЕС) [10,11] продиктовало необходимость принятия в России аналогичных нормирующих стандартов ГОСТ Р 41.94-99 и ГОСТ Р 41.95-99 действие которых распространяется на вновь проектируемые транспортные средства и поставленные на производство после 1 октября 2003 г. Кроме того, по программе EURONCAP (Европейская программа оценки новых автомобилей) проводятся ударные испытания автомобилей по аналогичным методикам, но на большей скорости [8].
Отличительной особенностью этих требований является то, что автомобиль с манекенами сталкивается с деформируемым препятствием (ДП), с заданными параметрами деформации, имитирующем жесткость другого автомобиля и изготовленным из алюминиевого сотоблока [12]. Применение антропо-
метрических манекенов в этих испытаниях также требует их периодической калибровки с использованием алюминиевых сотовых элементов [13]!
Освоение вновь введенных требований на Волжском автомобильном заводе потребовало дополнительного оснащения испытательным оборудованием, в том числе ДП и сотовыми элементами производства западных фирм ("AFL'^OpaiirHM, "CELLBOND", Англия). Потребность в ДП и сотовых элементах оказалась достаточно большой, так как только при доводке автомобиля одной модификации до уровня вновь введенных требований требуется проведение не менее 5-10 полномасштабных испытаний.
Закупка сертифицированных ДП у западных фирм приводит к значительному удорожанию проекта разработки автомобиля. При этом барьеры одноразового использования. Необходимость проведения контрольных испытаний серийного производства также приводит к увеличению себестоимости автомобиля.
Актуальность темы диссертационного исследования обусловлена необходимостью создания отечественных деформируемых препятствий для испытаний и сертификации автомобилей, производимых Волжским автомобильным заводом на соответствие вновь введенным Правилам ЕЭК ООН и ГОСТам касающихся ударных испытаний, и получении, российского «Одобрения типа транспортного средства».
Целью настоящей работы является создание отечественных деформируемых препятствий с композиционным сотовым заполнителем для испытаний автомобилей на удар.
Требования к ДП для испытаний фронтальным ударом
Деформируемое препятствие для испытаний автомобилей методом фронтального столкновения представляет собой основной блок в виде параллелепипеда из алюминиевого сотового заполнителя, окантованного листовым алюминием, к которому приклеен бамперный элемент из более мелкого сотового заполнителя. Размеры препятствия указаны на рисунке (Рисунок 1.13).
Размеры отдельных узлов препятствия и их характеристики представлены в таблице (Таблица 1.3). Для склеивания узлов используется двухкомпонентныи полиуретановыЙ клей (например, смола Ciba-Gejgy ХВ5090/1 с отвердителем ХВ5304 или их эквивалент). Прочностные характеристики бамперного элемента имеют более высокие показатели, чем у основного блока, что соответствует геометрии расположения бампера и силовых элементов на кузове автомобиля.
Исходя из изложенных нормативных требований предъявляемых к ДП, можно сформулировать условия их работы при испытаниях и требования к ним по свойствам и материалам.
ДП для испытаний боковым ударом должно имитировать прочностные характеристики передней части автомобиля, иметь четкие геометрические размеры и обеспечивать заданные деформационные характеристики как по соотношению сила - смещение так и по поглощению энергии в процессе испытаний.
ДП для испытаний фронтальным ударом также должно иметь четкие геометрические размеры и обеспечивать заданные прочностные характеристики по пределу прочности на сжатие по основному блоку и бамперному элементу. Данным требованиям наиболее полно удовлетворяет сотовый заполнитель из алюминиевых сплавов. 1.2.3 Деформируемые сотовые структуры для калибровки манекенов
Антропометрические манекены, инструментированные датчиками измерений, по сути, являются сложными измерительными устройствами, требующими периодической калибровки для подтверждения паспортных параметров.
В соответствии с методиками изложенными в американском стандарте CFR 49 (часть 572) и ГОСТ Р 41.95-99 калибровку шейного узла и поясничного отдела испытательных манекенов «Гибрид-3» и «Евросид-1» необходимо проводить на специальном маятниковом стенде воспроизводящим заданные законы замедления.
Требуемый закон замедления на стенде достигается в результате торможения рычага маятника, с закрепленным на нем тарируемым узлом манекена, в нижней точке вращения каким либо устройством. Таким устройством торможения могут быть пневмо-гидроцилиндры различной конструкции, а также всевозможные деформируемые структуры.
В настоящее время практически все лаборатории используют в качестве тормозящего устройства деформируемую сотовую структуру, устанавливаемую на опорной площадке в нижней точке вращения маятника. Заданный закон замедления при гашении энергии вращения маятника формируется за счет деформации ячеек сотовой структуры и подбирается методом вариации количества ячеек.
Для достижения заданных законов замедления за рубежом используется сотовый заполнитель из алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм с размерами ячейки 19 мм. 1.3 Сотовые заполнители, материалы для изготовления сот и технология изготовления сотовых заполнителей
В России сотовые конструкции с различным заполнителем применяются в строительстве, машиностроении, судостроении и особенно широко применяется сотовый заполнитель в самолетостроении [14]. Конструкции с заполнителем можно укрупнено классифицировать следующим образом: - по типу конструкции: панели, оболочки; - по типу заполнителя: сплошной заполнитель, сотовая структура; - по материалу заполнителя: металлические, неметаллические, композиционные; - по технологии изготовления: клееные, паяные, сварные.
Рисунок 1.17 Сотовый заполнитель: а- с шестигранно» ячейкой; 6-е квадратной ячейкой; в - с квадратной рифтованиой ячейкой; г, д - с прямоугольной яченкоіі; е- с крестообразной ячейкой; ж - с шестигранной вытянутой формы; з - с ячейкой «слоистый гофр»; и - с шестигранной усиленной
Сотовые заполнители и конструкции с их применением изготавливают из различных материалов [15, 16, 17, 18]. Наиболее распространенные материалы, применяемые для изготовления заполнителей и обшивок, приведены в таблице (Таблица 1.4).
Пенопласты, пробкаБумага или хлопчатобумажная тканьСтеклоткань Т, Т-13, Э, ЭСТБАлюминиевые сплавы А5Т, АМг2-Н, М-40 и др.,из зарубежных - 3003Нержавеющая сталь СН-3, ЭП-35, ВНС-17, и др.Титановые сплавы ОТ4, ВТ1-10, ВТб-4 и др. ФанераПолимерные композиционные материалыСтеклопластики КАСТ-В, КАСТ-АН-3, СТП-6Алюминиевые сплавы Д16АТ6, АК4, Амгб-Н и др.,из зарубежных- 5251 и 5052Нержавеющая сталь СН-2, ЭП-35, ВНС-2, и др.Титановые сплавы ОТ4, ВТ1, ВТ15 и др.
Для соединения несущих слоев с заполнителем в зависимости от технологии сборки применяются клеи различных марок БФ-2, ВК-3 и др., пайка или сварка [19, 20].
В сотовых конструкциях применяют заполнители с ячейками шестигранной, ромбической, квадратной, синусоидальной, шестигранной усиленной и шестигранной смещенной форм. Наибольшее распространение получили сотовые заполнители с ячейками, формы которых показаны на рисунке (Рисунок 1.18).
В России величину сотовой ячейки принято определять по размеру стороны многогранника в мм с соответствующим округлением значений до целых чисел, например до 4, 5, 6 и т. д. В США, Англии и Франции размеры сотовых ячеек определяют по диаметрам вписанной окружности D=a7 3, где а - сторона равностороннего шестигранника (Рисунок 1.19).
При размерах стороны шестигранника 1,8, 2,7, 3,6, 5,5 мм и т. д. размеры ячеек будут соответственно 3,17, 3,76, 6,35, 9,52 мм и т. д.
Сотовые заполнители с ячейками шестигранной формы обеспечивают высокую устойчивость конструкции и сравнительно просты в изготовлении. Это явилось причиной их наиболее широкого применения в промышленности [21].
Одной из характеристик заполнителя является его плотность. Плотность заполнителя определяется массой материала заполнителя и объемом, который занимает заполнитель между несущими слоями, В зависимости от конструкции заполнителя плотность его будет разная. Плотность заполнителя влияет на массу трехслойной конструкции, на величину прочности и жесткости самого заполнителя. Плотность сотового заполнителя, в частности металлического, зависит от формы ячейки, ширины стенки и ее толщины, плотности материала, из которого изготовлен заполнитель, и метода изготовления заполнителя [22]
Методы испытаний и оборудование для исследования материалов и деформируемых препятствий
Для определения и изучения связи между структурой применяемых материалов и их свойствами применялись структурные и физические методы испытаний [23]. Для изучения структуры материалов использовался как макроскопический, так и микроскопический анализ [24, 25]. Изучение микроструктуры образцов сотового заполнителя проводилось на металлографическом микроскопе "NEOPHOT 32" позволяющем делать снимки с увеличением до 2000 раз.
Для определения механических свойств алюминиевых сплавов применяемых в обшивке ДП и в сотовых заполнителях применялись стандартные методики, оговоренные в ГОСТ 1497-84 [26, 27]. При этом определялось временное сопротивление на разрыв ав, относительное удлинение после разрыва 55 по ГОСТ 11701-84 с использованием разрывной машины TIRAtest 2300 и твердость HRT 15 по ГОСТ 22975-78 на приборе ТРС 2143. Определение механических характеристик сотовых заполнителей (соотношение сила - смещение, подсчет энергии поглощения, предел прочности на сжатие) проводилось по специальным методам, изложенным в нормативных документах по деформируемым препятствиям [28, 29, 30].
Деформируемое препятствие считается соответствующим нормативным требованиям Правила R 94 и ГОСТ Р 41.94-99, если оно изготовлено из алюминиевой сотовой структуры прошедшей сертификацию. Ниже дано краткое описание процедуры сертификации материалов препятствия, используемого для проведения испытания на лобовое столкновение, предел прочности которых на сжатие составляет 0,342 МПа для основного блока и 1,711 МПа для бамперного элемента.
Для обеспечения равного предела прочности на сжатие по всей поверхности препятствия следует взять восемь образцов из четырех точек ячеистого блока, равномерно распределенных по его структуре. Блок проходит сертификацию, если семь из этих восьми образцов отвечают изложенным ниже требованиям относительно предела прочности на сжатие.
Расположение образцов зависит от размера ячеистого блока. Первые четыре образца, каждый размером 300 х 300 х 50 мм следует вырезать из поверхностного слоя блока. Положение этих секций ячеистого блока определяется по схеме представленной на рисунке (Рисунок 2.1).
Каждый из этих образцов следует нарезать на более мелкие образцы для сертифкационного испытания (150 х 150 х 50 мм). В рамках сертификации проводится испытание двух образцов, взятых из каждой из четырех точек блока. Два других образца должны представляться по требованию. Для испытания используются образцы следующих размеров: длина, ширина-(150 ± 6) мм, тол-щина-(50 ± 2) мм. Стенки неполных ячеек по краям образца следует обрезать следующим образом: В направлении W длина крайних полос должна составлять не более 1,8 мм, а в направлении L соединяющие стенки ячейки (в направлении полосы) должны иметь половину своей длины с обеих сторон образца (Рисунок 2.2).
Длина образца измеряется в трех точках, расположенных на расстоянии 12,7 мм от каждого края образца и в его середине, и регистрируется как LI, L2 и L3, ширина измеряется и регистрируется аналогичным образом как Wl, W2 и W3 (Рисунок 2.2).
Скорость сжатия образца должна находиться в пределах от 5,1 до 7,6 мм/мин. Минимальная глубина сжатия должна составлять 16,5 мм. Данные о величине усилия и соответствующем смещении по каждому испытываемому образцу следует собирать либо в аналоговом, либо в цифровом виде. Если осуществляется сбор аналоговых данных, то необходимо предусмотреть способ их перевода в цифровые данные. Сбор всех цифровых данных должен проводиться со скоростью не менее 5 Гц (5 точек в секунду).
Образец сотовой структуры проходит описываемую сертификацию, если выполняются следующие условия: 0,308 МПа Sn 0,342 МПа - для материала основного блока; 1,540 МГТа Sn 1,711 МПа - для материала бамперного элемента; где п = 1,2,3. При сертификации блока, используемого для определения предела прочности на сжатие, испытание проводится на восьми образцах, взятых из четырех точек блока, равномерно распределенных по его структуре. Блок проходит сер 35 тификацию, если семь из восьми образцов соответствуют спецификации относительного предела прочности на сжатие, изложенной в разделе 1.2.2.
Испытания сотового заполнителя проводились в лаборатории НИИМТД с использованием разрывной машины СД-4.
Плиту с датчиками нагрузки устанавливают на бетонном блоке или подобной жесткой конструкции. Если используется бетонный блок, его масса должна быть более 70 тонн. На плите с датчиками нагрузки должно использоваться шесть участков нагрузки, которые должны быть совмещены с шестью блоками на передней части ДП. Датчики нагрузки должны отвечать требованиям, изложенным в ISO 6487: 1987.
Скорость удара должна составлять 35±2 км/ч которую измеряют на последних 0,5 м перемещения до контакта со стенкой. Погрешность измерения скорости не должна превышать 1%. Для всех испытаний используется частота выборки 10 кГц (или 20 кГц, если невозможно обеспечить частоту 10 кГц).
Сбор данных выполняют при 250 мс с преждевременным срабатыванием 50 мс, т.е. от thorns до t2ooms. Измерительные приборы должны отвечать требованиям, изложенным в ISO 6487: 1987.
Деформационные характеристики барьера определяют на основании данных с акселерометров и стенки с датчиками нагрузки. Индивидуальные характеристики каждого блока должны соответствовать требованиям и заноситься в протокол. Пригодность типа деформируемого препятствия считается подтвержденной, если сигналы, зарегистрированные каждым из шести динамометрических элементов, соответствуют требованиям, изложенным в разделе 1.2.1.
Исследование процесса термической обработки алюминиевого сотового заполнителя и его влияние на сопротивление деформации
Прочностные характеристики сотового заполнителя определяются свойствами фольги, из которой изготовлен сотовый заполнитель, ее толщиной, размерами ячейки, адгезионными свойствами клеевой пленки, используемой при склеивании сотового заполнителя, шириной и толщиной клеевой пленки [46].
Кроме структурных составляющих сотового заполнителя на его прочностные характеристики оказывают существенное влияние целый ряд технологических факторов: - наличие дефектов на поверхности фольги; - качество обезжиривания; - характеристики текучести клея; - температурно-временные параметры процесса склеивания сотового заполнителя; - параметры процесса сборки и растяжки пакета.
Однако на большинство из этих факторов невозможно повлиять после изготовления пакета сотового заполнителя. Наиболее очевидным способом изменения прочности характеристик готового сотового заполнителя является изменение свойств алюминиевой фольги и клеевой пленки за счет термообработки [47, 48, 49].
Сплав АМг2-Н относится к деформируемым сплавам системы Al-Mg. Сплавы этой системы термически неупрочняемые и имеют невысокие прочностные характеристики [50, 51, 52]. Сотовый заполнитель изготавливается из на-гартованной алюминиевой фольги, так как при этом более стабильными становятся размеры ячейки после растяжки пакета и сотовый заполнитель более технологичен при раскрое.
Нагартовка повышает предел текучести материала, но снижает пластичность. Так временное сопротивление в отожженном состоянии АМг2 находится в пределах 165 МПа при относительном удлинении 16%, а в нагартованном состоянии на уровне 265 МПа при относительном удлинении 3% [53, 54].
Полуфабрикаты из сплавов системы Al-Mg подвергаются только одному виду термообработки-отжигу с целью повышения их пластичности [55, 56]. Обычно этот процесс проводят при температурах 310—335С в течении 1—2 часов с охлаждением на воздухе. Однако отжиг даже при более низких температурах (при 90С в течении 10 часов) позволяет несколько восстановить технологические свойства материала и повысить пластичность до 12% при этом прочность материала уменьшается незначительно (на 3-5%) [5 7, 58]. Вторым возможным фактором изменения прочностных свойств сотового заполнителя являются адегез ионные характеристики клеевой пленки ВК—25, используемой при изготовлении сотового заполнителя. Температура длительной эксплуатации клея ВК-25 не превышает 200С [59]. При температурах более 220С начинается деструкция клеевой пленки с резким снижением прочности клеевого соединения.
Предварительные исследования возможности снижения прочностных характеристик сотового заполнителя производилась на образцах сотового заполнителя с ячейкой 5мм и исходным сопротивлением деформированию 0,45 МПа.
Термообработка сотового заполнителя в печи при температуре 180С в течении одного часа с охлаждением на воздухе практически не изменила сопротивление деформации (0,45 МПа), а при охлаждении вместе с печью (скорость охлаждения не более 1,0 С/мин) снизила прочностные показатели на 12%(S=0,41MTIa).
Термообработка при 200С снизила сопротивление деформации сотового заполнителя до 0,43 МПа при охлаждении на воздухе и до 0,39 МПа при охлаждении вместе с печью. Повышение температуры термообработки до 240С и времени выдержки до 2 часов увеличило разброс значений сопротивления деформации, однако существенно не снизило уровень прочностных свойств сотового заполнителя [60, 61]. Увеличение температуры термообработки до 280С приводит к появлению на поверхности фольги в гранях на склейке вспучиваний, возникающих от газовыделения при деструкции клеевой пленки ВК-25, причем количество и интенсивность вспучивания в массе сотового заполнителя существенно неоднородно по ширине блока сотового заполнителя и достаточно однородно по длине блока. Это объясняется зависимостью интенсивности газовыделения от количества нанесенного клея при прохождении фольги фильеры (Рисунок 3.16).
Увеличенное по сравнению с соседними полосами содержание клея приводит к ускоренному газовыделению при деструкции клея и быстрому разрушению склейки по этим граням ячеек сотового заполнителя, что значительно увеличивает разброс свойств по полотну сотового заполнителя. При выдержке образцов сотового заполнителя при температурах боле 300С наблюдается нарушение целостности в местах склеек, что связано с полной потерей прочности клеевых полос.
Предварительные эксперименты по термообработке сотового заполнителя с ячейкой 2,5 мм показали, что до температуры 200С ощутимого изменения прочностных характеристик не обнаружено, а с ячейкой 15 мм снижение сопротивления деформирования составило 15-18% при охлаждении на воздухе, и 22-25% при охлаждении с печью. Для исследования процесса термической обработки сотового заполнителя воспользуемся методом планирования эксперимента. Для проведения исследования воспользуемся полным факторным экспериментом 23, с возможностыо, в случае необходимости, допостроения его в композиционный ортогональный центральный план [62, 63, 64].
Из анализа предварительных экспериментов в качестве исследуемых параметров были выбраны температура и время выдержки при tore., а также скорость охлаждения после термообработки. В качестве исследуемых уровней скорости охлаждения были выбраны охлаждение сотового заполнителя на воздухе (+1), охлаждение сотового заполнителя в печи с открытой дверью (0) и охлаждение вместе с печью (-1). В качестве функции отклика были рассмотрены сопротивление деформированию сотового заполнителя с ячейками 2,5, 5 и 15 мм, а также предел прочности алюминиевого сплава АМг2 определяемый на образцах фольги толщиной 30 мкм и 300 мкм. В таблице (Таблица 3.1) приведена матрица планирования, а в таблице (
Скорость охлаждения Хз Впечи В открытой печи На воздухе В таблице (Таблица 3.3) представлены результаты испытаний образцов сотового заполнителя на сжатие и фольги на растяжение. В девятом опыте приведены результаты испытаний сотового заполнителя и фольги после термообработки по основному уровню интервалов варьирования: температура 190С, время выдержки 3 часа, охлаждение в печи с открытой дверцей. В таблице также приведены исходные значения сопротивления деформирования сотового заполнителя и прочности фольги до термообработки.
Исследование процесса склеивания элементов сотового заполнителя и его влияние на сопротивление деформации
Для отработки технологии склеивания элементов сотового заполнителя между собой и оценки ее влияния на характер деформации была поставлена серия экспериментов. В связи с малой площадью контакта соты невозможно склеить без использования подслоя, причем подслой должен быть пористым и не вносить изменения в характер деформации сот при сжатии вдоль оси ячейки.
Применение стеклотканей и слоя алюминиевой фольги привело к герметизации ячеек отдельных элементов и повысило сопротивление деформации, особенно при динамических испытаниях. Наиболее полно отвечают условиям склеивания волокнистые нетканые материалы: синтепон минимальной толщины и волокнистая специальная бумага.
В качестве клея была использована модифицированная эпоксидная смола КДА с отвердителем холодного отверждения-полиэтиленполиамином, которые наносились на подслой через фильеру диаметром 1,5-2 мм полосками шириной 5-10 мм с общим расходом от 2 до 10 г/дм . Усилие прижима при склейке составляло 0,05-0,1 МПа. Глубина всех элементов сотового заполнителя была 50 мм.
Образец склеен из сотового заполнителя с прочностью 25 мм-0,22 МПа, 25 мм-0,38 МПа и подтравленным начальным участком 5 мм, и сотового заполнителя с прочностью 0,38 МПа без подготовки начального участка. Склейка через синтепон-4,3 г/дм , Фронт деформирования начался с участка минимальной прочности 0,18 МПа и равномерно распространялся по высоте первого элемента со ступенчатым ростом прочности. При достижении поверхности склейки наблюдается пик нагрузки в 25-30%, характерный для испытаний одинарных элементов сотового заполнителя. Затем нагрузка практически не меняется до полного смятия образца.
При склейке образцов сотового заполнителя с разницей прочности на 20-25% можно отметить отсутствие пика нагрузки при переходе фронта деформации через поверхность склейки. На рисунке (Рисунок 4.11) показана кривая испытания образца № 4 на сжатие склеенного из двух элементов через бумагу при расходе смолы 5 г/дм . Оба элементы нетравленые, неподмятые.
Использование в качестве подложки более плотной и тонкой бумаги приводит к смачиванию и растеканию смолы по всей поверхности бумаги, что с одной стороны делает поверхность склейки более прочной, с другой стороны появляется возможность герметизации ячеек сотового заполнителя и появлению в динамических испытаниях пневматической составляющей сопротивления деформации. Это требует ограничения расхода смолы при склейке сотовых элементов до 5-6 г/дм .
При исследовании процесса склейки сотового заполнителя с ячейкой 2,5мм через бумагу и синтепон было обнаружено, что уже при расходе смолы 3,4 г/дм наблюдалось протекание смолы на нижележащий элемент (примерно 1-3% площади). При увеличении расхода смолы до 6,9 г/дм2, количество ячеек в которые протекала смола увеличилось до 10-12%, а сопротивление деформации возросло в 1,3-1,4 раза.
При склейки сотового заполнителя с ячейкой 2,5 мм через синтепон с расходом от 3 г/дм до 7 г/дм протекание смолы в нижележащий элемент не наблюдалось. Возможно, это связано с тем, что более пористая структура синтепона при склейке мелкоячеистого заполнителя разделяет нанесенную смолу на небольшие капли, которые удерживаются пористым волокнистым синтепоном внутри ячейки. Применение более плотной и тонкой бумаги при склейке мелкоячеистого заполнителя, наоборот способствует перетеканию смолы по бумаге.
Из анализа приведенных испытаний можно сделать вывод, что сопротивление деформации образцов сотового заполнителя с ячейкой 5 мм склеенных из нескольких элементов снижается на 5-10% по сравнению с испытанием отдельных элементов за счет увеличения площади фронта деформации при его депланации. При склейке сотового заполнителя с ячейкой 15 мм с предварительным травлением и подмятием через синтепон и бумагу при расходе смолы от 2,5 до 6 г/дм разрушение происходит плавным распространением фронта деформации сверху вниз без образования пиков. При этом сопротивление деформации точно соответствовало прочности каждого из элементов и, протекания смолы в нижележащие элементы не было.
Перед склейкой элементы сотового заполнителя подминались на высоту 3-5 мм. Склейка проводилась через синтепон с нанесением клея эпоксидной модифицированной смолы с отвердителем в количестве 6,0 г/дм . При склейке образец нагружался с усилием 0,05 МПа.
На рисунке (Рисунок 4,13) представлена диаграмма сжатия образца. Деформация образца осуществлялась смятием сверху первого элемента при постоянной нагрузке с усилием соответствующему расчетному сопротивлению деформации. При достижении фронтом деформации склейки наблюдается пик нагрузки, соответствующей прочности 0,17 МПа, что связано с упрочнением начальных участков второго и третьего элемента за счет протекания смолы на поверхность сот.
После этого началось смятие третьего элемента с нагрузкой 0,13 МПа (сминался участок травления с прочностью 0,12 МПа) затем после его смятия началось деформирование второго участка с номинальной прочностью 0,09 104 0,11 МПа при сопротивлении деформации 0,12-13 МПа с местной потерей устойчивости. После смятия второго элемента началась деформация участка третьего элемента с номинальной прочностью 0,14 МПа при таком же сопротивлении деформации. Анализ результатов испытаний показывает наличие погрешностей в диаграмме деформации выходящих за пределы допустимого коридора за счет упрочнения сотового заполнителя из-за протекании смолы при склейке на соты. На этом же рисунке (Рисунок 4.13) представлены результаты испытания образца, склеенного из первого, второго и третьего элементов, аналогично предыдущему образцу, но с расходом смолы в количестве 4 г/дм2. Первый элемент глубиной 140 мм протравлен ступенчато: по высоте 10 мм до прочности 0,03 МПа, далее 40 мм до прочности 0,04 МПа, и 40 мм до прочности 0,055 МПа. При испытании образца была отмечена депланация места склейки первого и второго элементов, что привело к снижению нагрузки деформирования и местному выпаду из коридора допустимых значений.
