Введение к работе
Актуальность работы. Основой создания новых композиционных материалов на основе металлических сплавов и неорганических соединений является теоретическое и экспериментальное исследование в широком диапазоне свойств .создаваемых материалов, важнейшими из которых являются прочность и долговечность при различных схемах действующей нагрузки, отражающие реальные условия эксплуатации изделий. Разработка методов прогнозирования характера разрушения и срока службы конструкций с учетом технологических и структурных факторов является в настоящее время важнейшей задачей механики композиционных материалов и технологической науки, решение которой позволит с минимальной трудоемкостью проектировать и создавать конструкции с оптимальными прочностными свойствами.
Использование металлов, их сплавов и неорганических соединений в качестве матричной основы предполагает формирование различных типов композиционных материалов: с пластичной и хрупкой матрицей; с армирующими элементами в виде волокон с различными свойствами, конфигурацией и взаимным расположением, а также в виде пор, которые при моделировании разрушения рассматриваются как включения с нулевой прочностью или нулевым модулем упругости. При таком структурном разнообразии и существенных различиях степени неоднородности разработка единого математического аппарата для описания разрушения данных композиционных систем не представляется возможной. Выбор метода описания процессов разрушения зависит от поведения композитов, которые могут вести себя как хрупкие материалы, как материалы, обладающие сложной текучестью, и как пластичные материалы. Другим важным фактором, предопределяющим выбор модели разрушения, является фактор времени: если пластическое длительное разрушение композитов предполагает время основополагающим параметром при моделировании, то для хрупких материалов, прочность которых не зависит от длительности действия нагрузки, введение временного параметра в модель не предусматривается, что приводит к существенной смене методов описания -процессов накопления повреядений. В этих условиях весьма актуальны;,! является установление соответствия между классификационными признаками композиционных материалов, характером и методами описания их разрушения как структурно-неоднородных.систем при произвольных схемах нагружения и условиях эксплуатации.
Наименее исследованной областью механики разрушения композиционных материалов является расчет на прочность и долговечность конструкций на их основе при различных схемах нагружения и условиях эксплуатации. Одновременность создания конструкций или элементов конструкций и самого композиционного материала приводит к резкому возрастанию значимости технологических факторов для определения прочности и долговечности конструкции в целом. При этом следует учитывать, что создание нового материала требует как правило принципиальной смены технологии, а, следовательно, изменения структурних параметров и физико-химического взаимодействия на поверхности раздела, что нередко приводит к необходимости не только большого объема дополнительных экспериментальных исследований, но и к необходимости существенных изменений моделей разрушения.
Таким образом, проблемы создания новых композиционных материалов и конструкций неразрывно связаны с исследованием закономерностей влияний структурных и технологических факторов и условий на грашще'раздела на процессы их разрушения, а также с разработкой и совершенствованием методов достоверного прогнозирования прочности и долговечности конструкций, которые с кавдым годом становятся все более актуальными.
Для решения поставленной задачи в качестве объекта исследования были выбраны композиционные материалы на основе сплавов и соединений титана, характеризующиеся различными механизмами разрушения и в то асе время обладающие достаточной общностью для оценки прочности широко используемых на практике групп композиционных материалов.
Цель -работы. Теоретическое и экспериментальное исследование, сравнительный анализ и конкретизация применительно к вновь создаваемым композиционным материалам и конструкциям на титановой основе методов прогнозирования разрушения при различных условиях нагружения с учетом технологических, структурных факторов, взаимодействия на границе раздела компонентов и условий энсшг/атации.
Научная новизна.. Установлены закономерности и получены количественные оценки влияния технологических, структурных факторов, состояния поверхности раздела компонентов и условий эксплуатации на упругие, прочностные свойства, долговечность и характер разрушения композиционных материалов и конструкций на основе сплавов и соединений титана при различных схемах нагружения.
Показана возможность использования обобщенного интегрального критерия длительной прочности для прогнозирования времени разруше-
ния композиционных материалов на основе сплавов титана. Установлен критерий сравнения различных теорий накопления повреждений по величине скорректированной повреждаемости. Разработан метод практической реализации критериев длительной прочности, основанный на минимизации среднеквадратического отклонения от единицы скорректированной повреждаемости в момент разрушения и позволяющий учесть возможные отклонения механизма накопления повреждаемостей при нестационарном нагружении по сравнению со случаем постоянно действующей нагрузки.
Получено критериальное уравнение для определения долговечности цилиндрических оболочек из волокнистых титановых композиций, армированных в кольцевом направлении, в условиях двухосного импульсного нагружения с учетом прочностных свойств компонентов и условий связи на границе раздела, показано согласие расчета с экспериментом.
Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов разрушения конструкций, представляющих собой регулярные решетчатые структуры на основе диоксида титана, армированные стекловолокном. Для прогнозирования эффективных упругих и прочностных характеристик, а также моделирования возможного характера развития зон разрушения решетчатого каркаса использовался структурно-феноменологический подход микромеханики неоднородных сред, реализованный на основе метода локального приближения и метода конечных элементов. Приведены экспериментальные результаты по исследованию разрушения и определению эффективных прочностных характеристик решетчатых конструкций, подтверждающих теоретические расчеты.
Практическая ценность и результаты внедрения. Исследование влияния технологических, структурных параметров и степени межбазно-го взаимодействия на прочность, долговечность, деформацию ползучести и характер разрушения композиционных материалов позволило рекомендовать режимы эксплуатации конструкций и научно обоснованно разрабатывать технологические процессы, обеспечивающие необходимую прочность и долговечность при заданной схеме действующей нагрузки.
Полученные результаты по исследованию длительной прочности позволяют значительно облегчить практическую реализацию критериев накопления поврелщаемостей и их сравнительный анализ, повысить точность прогнозирования разрушения конструкций при сложных схемах нагружения, а также целенаправленно разрабатывать композиционные материалы и конструкции на их основе с требуемыми характеристиками прочности и долговечности.
В результате исследования разрушения конструкций из волокнистого композиционного материала на основе титана получено критериальное уравнение для определения долговечности цилиндрической оболочки, нагруженной внутренним давлением, произвольно изменяющимся во времени. Экспериментально подтверждена возможность использования полученного уравнения. При условии равионапряженности цилиндрической ободочки расчеты и эксперименты показали, что цилиндрическая оболочка из волокнистого композиционного материала ВТІ-0-Мо с объемным содержанием армирующей фазы 25Й оказывается на 15% легче, чем оболочка из наиболее технологичного титанового сплава 0Т4 при одинаковом разрушающем давлении и одинаковых схемах действующей нагрузки.
Исследование разрушения решетчатых конструкций с периодической структурой позволило комплексно решить вопросы получения сотовых конструкций, включая разработку методики расчета несущей способности перфорированных формообразующих инструментов, а также моделирование разрушения решетчатых конструкций при различных условиях на-гружения. Полученные численные результати по прогнозированию свойств конструкций решетчатой структуры были использованы для изготовления блочных катализаторов, предназначенных для очистки газовых выбросов.
Результаты исследований наши применение в теоретических и прикладных работах РЙТЦ Ш г.Пермь, ИГ СО РАН г.Новосибирск, ЙТХ УрО РАН г.Пермь, НПО "Композит" г.Калининград МО, НПО "Молния" г.Москва, НПО "ГШХ" г.С.-Петербург. По 13.10 Инновационной программе НИ "Трансфертные технологии, комплексы и оборудование" в 1992 - 1994 г.г. изготовлено продукции на сумму I млн. 100 тыс.руб.
Экономический эффект от внедрения разработки в 1991 - 1992 г.г.- составил 4 млн. 300 тыс. руб.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на III Всесоюзном симпозиуме "Механика конструкций из композиционных материалов" /Ереван, I960/; Всесоюзной научно-технической конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" /Запорожье, 1980/; на Научно-техническом семинаре "Применение, спеченных и композиционных материалов в машиностроении". /Пермь, 1981/; на Пятом Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике /Алма-Ата, 1981/; на . У Всесоюзной конференции по композиционным материалам /Москва, 1981/ на IX Международной конференции по высокоэнергетическому воздействия на материалы /Новосибирск, 1986/; на научно-технической конференции "Композиционные материалы на металлической и неметаллической основе,
пути эффективного применения их в изделиях военной и гражданской продукции" /Москва, 1993/; на 4-ой Европейской конференция-выставке по новым материалам и технологиям /С.-Петербург, 1993/; на 1-й международной Зимней школе по механике сплошных сред /Пермь, 1995/; на 2-й международной Зимней школе по механике сплошных сред /Пермь, 1997/.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 2 монографиях, в 35 печатных работах и I авторском свидетельстве.
Структура и объем -работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 217 наименований, и приложения со сведениями о практической реализации работы. Диссертация изложена на 283 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков и 34 таблицы.