Введение к работе
Актуальность темы. Композиционные материалы (КМ) находят все более широкое применение в различных отраслях техники, что объясняется широким спектром свойств, выгодно отличающих их от традиционных материалов и сплавов: высокая удельная прочность, жаростойкость, усталостная и длительная прочность и т.д.
Данный факт объясняет необходимость исследований, направленных на создание новых конструкций из композитов. Методам механики деформируемого твердого тела в совокупности этих исследований принадлежит одно из главных мест. Действительно, три основных проблемы – механика собственно композита (определение физико-механических свойств и задачи синтеза); методы расчета конструкций и их элементов на прочность, устойчивость, долговечность и задачи оптимизации; технология создания композиционных материалов и конструкций из них – решаются преимущественно методами механики. Аналогичные задачи возникают и при создании инженерных сооружений из традиционных материалов, однако удельный вес и значимость решения задач механики деформирования в каждой из перечисленных проблем применительно к композитам существенно выше.
Работы по созданию методов исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) КМ и внедрению этих материалов в различные конструкции ведутся в настоящее время достаточно широко. Однако, вопросам анализа влияния анизотропии термомеханических свойств, остаточных температурных напряжений и деформаций неоднородных слоистых конструкций, предварительного натяжения армирующих волокон, асимметрии свойств структуры пакета композиционного материала по толщине и ряда других факторов на НДС композита не уделено должного внимания. В качестве примера отметим, что в реальных конструкциях из композиционных материалов «случайная» анизотропия материала, связанная с технологическими погрешностями и дефектами чередующихся слоёв, проявляется в условиях эксплуатации как отклонение от расчетной теоретической формы.
Таким образом, задача теоретических исследований заключается не только и не столько в том, чтобы определить механические свойства данного композиционного материала, а в том, чтобы на основе этих исследований сконструировать композит с наперед заданными деформационными и прочностными характеристиками. Сформулированная в таком виде задача является достаточно сложной и требует проведения дополнительных исследований и разработок в этой области.
Цель работы. Разработка метода анализа напряженно-деформированного состояния многослойных композиционных материалов и конструкций с учетом температурных, силовых и конструктивно-технологических факторов – угла разориентации слоев КМ, натяжения слоев препрега, степени армирования.
Достижение этой цели требует комплексного подхода, поскольку получение наивысших эксплуатационных характеристик конструкций, изготовленных из композиционных материалов, находится в прямой зависимости от технологии, конструктивных параметров и условий внешнего нагружения. В этой связи в диссертации решаются следующие основные задачи:
1) разработка математической модели процесса деформирования многослойных композиционных материалов и изготовленных из них конструкций, параметрический анализ конструктивно-технологических факторов;
2) анализ и синтез структуры композиционного материала конструкции с учётом технологических воздействий по критериям жесткости, прочности, размерной стабильности;
3) проведение экспериментальных исследований по определению величин механических характеристик и сравнение полученных результатов с теоретическими для проверки адекватности разработанного метода;
4) разработка рекомендаций по созданию формостабильных композитных конструкций.
Научная новизна работы. Создан метод анализа НДС многослойных композиционных материалов и конструкций на основе математической модели, позволяющей решать связанную задачу, не разделяя ее на плоскую и изгиб. Система дифференциальных уравнений сведена к одному уравнению восьмого порядка. Задача решается аналитически в рамках классической теории упругости пластин и оболочек. С помощью данной новой математической модели впервые определены коэффициенты линейного температурного расширения с целью получения однооснотермонейтральных структур, т.е. многослойных композиционных материалов, для которых выполняется условие x=0 или y=0 и при изменении температуры не происходит изменения линейных и угловых размеров либо вдоль оси x, либо вдоль оси y, а также напряженно-деформированное состояние многослойных панелей с несимметричной структурой пакета КМ по толщине, работающих в условиях силовых и температурных воздействий с учетом технологических погрешностей и при различных условиях закрепления краев.
На защиту выносятся:
- метод анализа НДС многослойных композиционных материалов и конструкций на основе математической модели, позволяющей учитывать влияние температурных, силовых и технологических воздействий, возникающих как в процессе эксплуатации конструкций, так и на начальном этапе изготовления;
- результаты анализа влияния угла разориентации слоев на термо-механические характеристики композита;
- результаты анализа влияния технологического натяжения волокон КМ на формоизменение композитных панелей в зависимости от изменения объемного содержания исходных компонентов в структуре КМ с учетом и без учета угла разориентации;
- результаты анализа влияния последовательности укладки слоев композита с одновременным изменением угла разориентации в первых трех слоях на формоизменение слоистых композитных панелей в зависимости от объемного содержания исходных компонентов в структуре КМ;
- результаты анализа влияния изменения процентного содержания волокна в первых двух слоях на формоизменение композитных панелей;
- результаты анализа влияния угла разориентации на формоизменение композитных панелей в зависимости от объемного содержания исходных компонентов в структуре КМ;
- результаты анализа влияния угла разориентации и степени армирования КМ на распределение технологических остаточных напряжений в слоистых тонкостенных композитных панелях;
- результаты анализа влияния технологического натяжения, режима отверждения и свойств материала на распределение технологических остаточных напряжений в слоистых тонкостенных композитных панелях;
- экспериментальные результаты определения величины формоизменения слоистых пластин в зависимости от изменения угла ориентации и натяжения волокон и сравнение их с полученными теоретическими результатами;
- экспериментальные результаты определения величины механических характеристик слоистых пластин – продольного и поперечного модулей упругостей – в зависимости от изменения угла ориентации и сравнение их с полученными теоретическими результатами.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Разработанный алгоритм и компьютерная программа позволяют проводить параметрический анализ начального напряженно-деформированного состояния многослойных панелей из волокнистых материалов, формирующегося при их изготовлении, и определять величины технологических остаточных деформаций и напряжений, которые могут, в отдельных случаях приводить к разрушению слоев еще в процессе изготовления без приложения какого-либо нагружения. Разработанный метод позволяет решать проблему интегральной оценки технологических остаточных деформаций и напряжений в композитных конструкциях. А именно, предложенный метод анализа напряженно-деформированного состояния композитов, формирующегося при их изготовлении, позволяет определять суммарные остаточные деформации и напряжения и, кроме того начальное напряженно-деформированное состояние в композите, образующееся под воздействием таких основных технологических факторов как уровень натяжения препрега, степень армирования и т.д. Использование данного метода позволяет не только оценивать величину вышеупомянутых деформаций и напряжений, но и направленно регулировать это технологическими методами, в зависимости от вида внешнего нагружения, а также, определять термо-механические характеристики композита в зависимости от степени армирования и величины угла разориентации слоев композиционного материала.
Исследование влияния объемного содержание волокна и матрицы в КМ с целью получения оптимальных физико-механических характеристик монослоя и параметрический анализ углов укладки слоев в пакете для проектирования оптимальной структуры композита были выполнены на ОАО «Пластик» (г. Сызрань) в рамках международной программы «Спектр – Радиоастрон» как часть работы по теме: «Отработка конструктивно-технологических решений для создания центрального зеркала для космического радиотелескопа КРТ».
Результаты влияния углов разориентации в слоях композита на величину коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР) и оценка технологических остаточных напряжений и деформаций фрагментов панелей, которые вызываются анизотропией механических и теплофизических свойств материала, неоднородностью структуры, взаимодействием с формующей технологической оснасткой позволили провести сравнительный анализ технологичности различных вариантов конструкции в рамках выполнения работы на ОАО «Пластик» (г. Сызрань) по теме: «Изготовление образцов оребренных и вафельных панелей из композиционных материалов».
Апробация диссертации. Основные положения работы доложены и обсуждены на XXV и XXVIII Самарских областных студенческих научных конференциях (г. Самара, 1999, 2002); V Всероссийской студенческой конференции "Королевские чтения" (Самара, 1999); XXIII Международной конференции и выставке «Композиционные материалы в промышленности» (г. Ялта, 2003); XXIV Международной конференции и выставке «Композиционные материалы в промышленности» (г. Ялта, 2004); XXVIII Международной конференции и выставке «Композиционные материалы в промышленности» (г. Ялта, 2008); XXV Международной конференции и выставке «Композиционные материалы в промышленности» (г. Ялта, 2005); V Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2008); Отраслевой научно-технической конференции, посвященной 25-летию Ульяновского научно-технологического центра филиал ФГУП ВИАМ (г. Ульяновск, 2008); Научном семинаре кафедры «Механика» ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (руководитель, д.т.н., профессор Клебанов Я.М.), 2009; Научном семинаре «Механика и прикладная математика» кафедры «Прикладная математика и информатика» ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (руководитель, д.ф.-м.н., профессор Радченко В.П.), 2009.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, список которых приведён в конце автореферата, в том числе одна научная работа в издании, входящем в перечень журналов рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 162 страницах, содержит 5 таблиц, 77 рисунков. Состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложения.
