Содержание к диссертации
Введение
1 Информационно-аналитическое иссле-дование проблем прогнозирования долговечности ПКМ 11
1.1 Связь механических свойств стержней из ПКМ с рецептурным составом 11
1.2 Длительная прочность и статическая выносливость изделий 13
1.3 Выносливость и усталостная прочность полимерных материалов 23
1.4 Проблемы испытания и прогнозирования статическая выносливость изделий 32
2 Объекты и методы исследований 35
2.1 Характеристика объектов исследования и испытаний 35
2.1.1 Объект и предметы исследований 35
2.1.2 Образцы для испытаний 36
2.1.3 Состав и структура стержней из ПКМ 37
2.1.4 Армирующие материалы для ПКМ 40
2.1.5 Полимерная матрица 40
2.1.6 Технология изготовления стержней из ПКМ 41
2.1.7 Применение, и основные свойства стержней из ПКМ 43
2.1.8 Общие свойства стержней, выпускаемых ООО «БЗС» 45
2.2. Основные методы испытаний 46
2.2.1 Особенности испытаний стержневых изделий круглого сечения 46
2.2.2 Определение механических характеристик по результатам испытаний стержней на продольный изгиб 48
2.2.3 Метод испытания длительной прочности стержней из ПКМ 52
2.2.4 Методика постановки эксперимента и построения силовых за висимостей статической выносливости 55
2.2.5 Метод исследования усталостной прочности стержней из ПКМ 61
3 Экспериментальное исследование зависи-мости прочности стержней из пкм от условий изготовления, применения и нагружения их при эксплуатации 65
3.1 Алгоритм прогнозирования долговечности стержней 65
3.2 Оценка прочностного потенциала стержней 65
3.3 Факторы, ведущие к деградации прочностного потенциала стержней 67
3.4 Теоретическое и экспериментальное исследование влияния условий изготовления и применения стержней на степень деградации прочностного потенциала ПКМ, поиск закономерностей и констант 68
3.4.1 Анализ результатов определения модуля упругости и показателей временной прочности стеклопластиковых стержней 68
3.4.2 Исследование масштабного эффекта 71
3.4.3 Исследование влияния на прочность стержней случайных колебаний в технологических параметрах режимов изготовления их 72
3.4.4 Исследование влияния температуры на прочность стержней из композитных материалов 72
3.4.5 Исследование прочности скрепления композитных стержней с наконечниками 74
3.4.6 Экспериментально-теоретическое исследование длительной прочности стеклопластиковых стержней 77
3.4.6.1 Теоретические основы исследования 77
3.4.6.2 Результаты испытаний статической выносливости стеклопластиковых стержней и их анализ 80
3.4.6.3 Трактовка физического смысла параметра у в формуле Журкова 90
3.4.7 Экспериментально-теоретическое исследование усталостной прочности стержней 93
3.4.7.1 Гипотеза о механофлуктуационном накоплении повреждений 93
3.4.7.2 Экспериментальное исследование усталостной прочности 100
4 Прогнозирование предельных допускаемых нагрузок с учетом условий эксплуатации стержней из ПКМ 117
4.1 Выражения для прогнозирования 117
4.2 Сравнение результатов расчета предельно допускаемых значений напряжений с результатами контрольных испытаний 121
4.3 Выводы по разделу 4 128
4.4 Заключительные замечания 129
Основные результаты работы 131
Список использованных источников 133
Приложения 155
- Проблемы испытания и прогнозирования статическая выносливость изделий
- Определение механических характеристик по результатам испытаний стержней на продольный изгиб
- Теоретическое и экспериментальное исследование влияния условий изготовления и применения стержней на степень деградации прочностного потенциала ПКМ, поиск закономерностей и констант
- Сравнение результатов расчета предельно допускаемых значений напряжений с результатами контрольных испытаний
Введение к работе
Актуальность исследования
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) получают все более широкое применение в различных отраслях техники. Об актуальности этого направления в развитии отечественной науки и техники свидетельствует Федеральная целевая программа «Национальная технологическая база» (направление «Технология новых материалов», проект «Разработка экологически безопасных ПКМ на основе жгутовых наполнителей»). Среди всего номенклатурного перечня изделий из ПКМ стержни занимают особое положение. Они обладают высокой прочностью в осевом направлении, низким коэффициентом теплопроводности, высокой электрической прочностью, низким удельным весом. Уникальное сочетание перечисленных и других свойств этого вида изделий открыло широкие возможности для применения их в различных отраслях техники в составе узлов и соединений, воспринимающих значительные эксплуатационные нагрузки.
Стержни из стекло наполненных ПКМ диаметром от 1 до 4 мм применяют в качестве силовых и армирующих элементов в оптико-волоконных кабелях. Здесь используется такое достоинство ПКМ, как сочетание высокой прочности с низкой (по сравнению с металлами) плотностью материала. Стекло- и базаль-топластиковые стержни диаметром от 4 до 7.5 мм в настоящее время широко используют в строительстве в качестве гибких связей утепленных трехслойных панелей и стен. В этих конструкциях в потребительских целях используется сочетание высокой прочности и коррозионной стойкости стержней из ПКМ с их низкой теплопроводностью. Благодаря своей высокой коррозионной стойкости и механической прочности композитные стержни диаметром от 4 до 30 и более мм в настоящее время начинают использовать в строительных бетонных и ар-мокаменньгх конструкциях в качестве силовой арматуры. Сочетание хорошей электроизолирующей способности, высокой механической прочности и коррозионной стойкости, а также низкой плотности сделало стеклопластиковые стержни диаметром от 10 до 50 и более миллиметров привлекательным мате-
риалом для изготовления полимерных изоляторов различного назначения. В последнее время в России ведется разработка насосных стеклопластиковых штанг для нефтедобывающей промышленности. Использование таких штанг уже хорошо зарекомендовало себя за рубежом. Это связано с уменьшением в 2-3 раза веса колонны штанг и хорошей стойкостью стеклопластика в агрессивных средах, сопутствующих нефтедобыче. В горном деле стеклопластиковые стержни круглого сечения используют в качестве силовой составляющей анкерной крепи.
Однако, отсутствие большого положительного опыта длительной эксплуатации этих изделий, не достаточная изученность прочности при длительном воздействии постоянных и изменяющихся во времени нагрузок, отсутствие отработанных методик исследования и прогнозирования прочности и долговечности стержней являются существенными сдерживающими факторами для более широкого производства и применения их.
В результатах исследований, направленных на разработку научно обоснованных методов прогнозирования долговечности изделий из ПКМ, заинтересованы как разработчики, так и потребители их.
Разработчику и изготовителю стержней для успешного сбыта своей продукции необходимо осваивать технологические приемы получения изделий с прогнозируемыми свойствами, а также предоставлять проектировщикам исчерпывающую и достоверную информацию об их свойствах. В этой информации должны быть приведены, не только данные о характеристиках материалов в момент завершения процесса его изготовления. Необходимо предоставить проектировщикам подтвержденные результатами испытаний прогнозы и предостережения об изменении характеристик материала (изделия) в зависимости от изменяющихся во время эксплуатации условий (нагрузок, температур, окружающей среды и др.). Сохранение передовых позиций на рынке изделий и материалов технического назначения с применением стержней из ПКМ не возможно без должного внимания к вопросам исследования, прогнозирования и направленного регулирования характеристик этих изделий.
7 В свою очередь, при проектировании конструкций с использованием
стержней из ПКМ, для обеспечения высокой надежности деталей и узлов конструкционного назначения необходимо уметь прогнозировать такие важнейшие характеристики, как длительная и усталостная прочность. Чем точнее проектировщик и конструктор изделия знают прочностные свойства материала, тем лучше (по габаритно-весовым и экономическим показателям) конструкцию они смогут создать при обеспечении заданной надежности. Необходимо умение наиболее точно прогнозировать предельные допускаемые нагрузки, которые могут быть приложены к изделию с учетом условий его эксплуатации.
Актуальность общей задачи, решаемой в диссертации, следует из приведенного выше анализа.
Алгоритм прогнозирования прочности стержневых изделий из ПКМ, который использован в диссертационной работе, включает следующие процедуры:
оценка прочностного потенциала стержней по механическим характеристикам компонентов, составляющих ПКМ;
определение номенклатурного перечня факторов, вызывающих деградацию прочностного потенциала ПКМ в стержнях и изделиях;
теоретическое и экспериментальное исследование влияния каждого существенного фактора на степень деградации прочностного потенциала ПКМ в стержнях, поиск закономерностей и констант.
вывод аналитических выражений, необходимых для проведения расчетов в практике прогнозирования.
Под прочностным потенциалом стержней подразумевается прочность таких стержней, предельная деформация которых равна предельной деформации армирующих волокон.
Термином деградация прочностного потенциала здесь обозначается необходимость снижать предельные допускаемые напряжения на стержни из ПКМ, вызванная неблагоприятным воздействием на них условий изготовления, применения и эксплуатации.
К деградации прочностного потенциала приводят:
8 - недостаточная предельная деформация полимерной матрицы (неоптимальная ее рецептура);
- случайные неблагоприятные колебания режимов технологического про
цесса изготовления стержней, приводящие к снижению предельной деформа
ции матрицы и адгезии ее к армирующим волокнам;
масштабные эффекты;
отклонения (в большую сторону) температур, при которых эксплуатируются изделия от температур, при которых определены расчетные характеристики компонентов ПКМ;
неблагоприятное распределение напряжений, возникающее в стержнях в местах соединения их с сопрягаемыми элементами конструкций (наконечниками);
длительность воздействия и характер изменения нагрузок при эксплуатации;
другие факторы.
Без должного количественного учета влияния всех перечисленных факторов на прочностной потенциал стержней не возможно успешное прогнозирование прочности и долговечности их. Наиболее сложными для прогнозирования и наименее изученными являются два последних упомянутых фактора, поэтому им в работе уделено особое внимание.
Актуальность и направленность составных частей проведенного в работе исследования определяется выбранным выше алгоритмом прогнозирования долговечности стержней и приведенным перечнем неблагоприятных факторов, влияющих на их прочность.
Работа проводилась в соответствии с комплексными программами ООО «Бийский завод стеклопластиков» по созданию и отработке новых марок изделий для коммерческой реализации их на отечественных и зарубежных рынках промышленных товаров.
9 Цель работы
Целью работы является разработка научно обоснованной методики инженерного прогнозирования предельных допускаемых нагрузок для стержней и стержневых изделий из ПКМ с учетом условий изготовления, конструктивных параметров и длительной эксплуатации их при различных температурах и режимах нагружения.
Для достижения цели сформулированы следующие задачи:
выбрать адаптированные для стержней методики испытания временной длительной и усталостной прочности;
разработать алгоритмы исследования длительной прочности и выносливости стержней, позволяющие получить корректные с точки зрения прогнозирования результаты;
провести экспериментальные и аналитические исследования;
-найти характерные для стержневых ПКМ закономерности, которые связывают разрушающие нагрузки с условиями изготовления стержней, с конструктивными особенностями узлов соединения, с температурой, с длительностью и периодичностью воздействия нагрузок;
- получить аналитические выражения, позволяющие осуществить процесс
прогнозирования.
Апробация работы
В работе обобщены результаты исследований [1-31] по различным аспектам проблем испытания и прогнозирования долговечности стержней из ПКМ, выполненных совместно с Блазновым А.Н., Волковым Ю.П., Киселевым Н.М., Луговым А.Н., Тихоновым В.Б. и другими сотрудниками конструкторско-технологического отдела ООО «БЗС». Результаты исследований докладывались на 47 научно-технических конференциях. Восемнадцать работ опубликованы в научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора
Личный вклад автора состоит: в формулировании основных научных идей и гипотез, изложенных в диссертации; в постановке задач и планировании исследо
10 ваний; в разработке методов испытаний, конструкций приборов и оснастки для испытаний; в создании теоретических моделей и методик расчета; в разработке основных алгоритмов для автоматизированных процессов управления испытаниями и обработки результатов; в руководстве сотрудниками лаборатории, занятыми выполнением работ по тематике прогнозирования долговечности стержней, выпускаемых ООО «Бийский завод стеклопластиков». При этом большая часть работ, связных с обработкой экспериментов, анализом и научной и практической реализацией результатов исследований выполнена автором.
Благодарности
Автор глубоко признателен своему научному руководителю д-ру хим. наук профессору БТИ Алт. ГТУ Верещагину Александру Леонидовичу за участие в творческом обсуждении результатов исследований и помощь в подготовке диссертации.
Выражаю свою признательность д-ру техн. наук профессору АГУ Старцеву Олегу Владимировичу, Д-ру. техн. наук Татаринцевой Ольге Сергеевне, д-ру. техн. наук профессору БТИ Алт. ГТУ Хмелеву Владимиру Николаевичу, к.т.н. профессору БТИ Алт. ГТУ Мамашеву Реву Гумировичу, к.т.н. профессору Алт. ГТУ Бердыченко Александру Анатольевичу за научно-техническую экспертизу работы и ценные советы по построению и оформлению диссертации.
Вальду Александру Викторовичу
Особую благодарность автор выражает руководителям и владельцам ООО «Бийский завод стеклопластиков»
Горпиничу Сергею Ивановичу, Поздееву Сергею Павловичу, Рудольфу Антону Яковлевичу, обеспечившим возможность проведения исследований соответствующей финансовой поддержкой и экспериментальной базой.
Проблемы испытания и прогнозирования статическая выносливость изделий
Основой для прогнозирования предельных допускаемых нагрузок в условиях длительного воздействия изделий служат закономерности, связывающие прочность изделия с длительностью эксплуатации. В настоящей работе в качестве одной из эксплуатационных характеристик, используемых для прогнозирования долговечности, рассматривается функциональная зависимость между статической выносливостью и длительной прочностью стержня в направлении, совпадающем с его осью.
Основным общепринятым [34, 46, 52, 76] в настоящее время методом испытания статической выносливости или длительной прочности, является длительная выдержка образцов при не изменяющейся (обычно растягивающей) нагрузке и фиксация времени, прошедшего с момента приложения нагрузки до момента разрушения.
Для испытаний из одной партии берут большую представительную выборку изделий — образцов. Выборку делят на несколько групп. Все образцы одной группы нагружают одинаковой нагрузкой, отличающейся по величине от нагрузок для других групп. По результатам испытаний определяют сначала средние значения статической выносливости внутри группы, а затем определяют вид и параметры силовой зависимости статической выносливости. При испытании по такой методике возникает проблема, состоящая в том, что статическая выносливость композиционных стержней даже внутри одной партии имеет большие статистические разбросы [34]. При испытаниях это приводит к тому, что два параллельных, то есть изготовленных в одной партии и одинаково нагруженных, образца могут разрушиться за времена, отличающиеся друг от друга на несколько десятичных порядков. При понижении нагрузки и соответствующем повышении выносливости образцов и росте разбросов создается ситуация, когда: с одной стороны, не возможно достаточно уверенно предсказать время, за которое разрушатся все нагруженные образцы и правильно спланировать длительность эксперимента; с другой стороны, при планировании распределения нагрузок по группам образцов нагрузку нельзя значительно понижать, так как это приведет к тому, что время ожидания того момента, когда разрушатся все наиболее прочные образцы из выборки, превысит время, отведенное на эксперимент.
По этой причине характер изменения статической выносливости композитных стержней в области пониженных нагрузок, составляющих 0,5... 0,7 от временной прочности, оказывается не досягаемым для изучения. Однако, именно этот участок представляет наибольший интерес с точки зрения прогноза. Дело в том, что по результатам некоторых работ [34, 135] статическая выносливость однонаправлено ориентированных композитов в зоне нагрузок, ниже 0,7 от предела прочности начинает резко возрастать и значительно отклоняться от характерной для обычных материалов закономерности, описываемой формулой Журкова [58].
Для каждого конкретного материала с точки зрения корректности прогнозов важно узнать, действительно ли это так. При этом длительность экспериментов не должна быть абсурдно высокой.
Таким образом, необходим относительно ускоренный метод исследования силовой зависимости статической выносливости, позволяющий корректно оценить ее характер при достаточно малых значениях нагрузки.
Обзор описанных в литературе ускоренных методов построения силовых зависимостей статической выносливости [196 — 199], показал следующее: все известные ускоренные методы определения статической выносливости основаны на использовании в них результатов исследований зависимости предела прочности образцов от скорости возрастания нагрузки; при обработке результатов в процессе поиска констант для зависимости статической выносливости от нагрузки используют принцип линейного суммирования парциальных времен (принцип Бейли); принимают, что вид функционала, описывающего силовую зависимость статической выносливости, известен, остается только найти численные значения констант.
Таким образом, результаты ускоренных испытаний заранее обусловлены теми гипотезами, которые принимаются при выборе процедур обработки их.
Но так как перед нами стоит задача определить не только значения констант в силовой зависимости статической выносливости, но и характер этой зависимости, то известные ускоренные методы испытаний не приемлемы. Требуется найти другой метод, совмещающий достоверность полученной кривой нагрузка - время до разрушения с разумной длительностью экспериментов.
Объектом исследований в работе является изменение прочностных показателей стекло- и базальтопластиковых стержней (далее стержней) в результате изменения компонентного состава (соотношения между армирующим материалом и полимерной матрицей), размеров и условий изготовления их, условий соединения стержней с сопрягаемыми элементами конструкции изделий, температур и условий нагружения при эксплуатации.
Предметом исследования являются закономерности, связывающие прочностные показатели стержней с показателями, характеризующими их компонентный состав, размеры, условия соединения, температуру, длительность и характер воздействия нагрузки при эксплуатации.
Сущность метода исследования заключается: в проведении экспериментов, определении аппроксимирующих выражений; в использовании этих выражений (моделей) для инженерного прогнозирования прочности; в экспериментальном подтверждении результатов прогнозирования.
В работе используются экспериментальные и аналитические методы исследований. Экспериментальные методы включают определение механических характеристик, испытание статической и усталостной выносливости образцов из натурных и модельных изделий в приемлемые для исследований сроки.
Аналитические методы заключаются в поиске (по результатам экспериментов) аппроксимирующих выражений, связывающих значения прочности со значениями параметров, характеризующих условия нагружения и использовании этих выражений для прогноза предельных допускаемых нагрузок на изделия или долговечности их.
Основной объем экспериментальных исследований проведен с использованием стеклопластиковых стержней диаметром от 2 до 46 мм с объемным содержанием армирующего волокна от 0,60 до 0,75. В качестве образцов для испытаний были отобраны стержни от серийно выпускаемых ООО «Бийский завод стеклопластиков» партий продукции [280, 282, 285, 307, 314], предназначенной для реализации потребителям, (рисунок 2.1).
Определение механических характеристик по результатам испытаний стержней на продольный изгиб
Для корректного определения механических характеристик стержней из ПКМ разработан специальный метод, основанный на продольном изгибе. Этапы разработки, отработки и применения этого метода приведены в работах [1, 3, 6, 9, - 14, 15, 16, 19, 23]. Результаты отработки метода обобщены в работе [194] Лугового А.Н. Некоторым важным аспектам исследования этого метода посвящена работа Арнаутова А.К. и Тарнопольского Ю.М [195]. Основные результаты экспериментальной части настоящей работы получены с применением этого метода. Ниже приведены основные преимущества, которые дает применение продольного изгиба при определении механических характеристик, а также коротко описано содержание метода. Достоинства метода 1. При продольном изгибе длинного стержня контактные нагрузки, приложенные к торцам образца и вызывающие его изгиб, малы по величине и сосредоточены у его торцов. Разрушение же происходит там, где развивается наи больший изгибающий момент, то есть вблизи середины образца, значительно удаленной от торцов. Это исключает влияние условий закрепления образца в испытательном оборудовании на результаты испытаний. 2. В качестве образца для испытаний по этому методу может быть исполь зован фрагмент натурного стержня.
При изготовлении образца обработка его сводится к отрезке от контролируемого стержня куска заданной длины. Меха ническую обработку производят только по торцам образца и не затрагивают его среднюю (рабочую) часть, в которой происходит разрушение. Поэтому ме ханическая обработка практически не может влиять на результаты испытаний. 3. При продольном изгибе, используя обработку диаграммы испытаний образца, можно без дополнительных измерительных приборов и дополнитель ных испытаний получить достаточно точную оценку широкого спектра меха нических параметров в направлении вдоль оси стержня: - модуля упругости для условий растяжения и сжатия; - значения пределов пропорциональности по напряжениям растяжения и сжатия; - пределов пропорциональности по относительной деформации растяжения и сжатия; - пределов прочности на растяжение и сжатие; - плотности энергии, которую способен поглотить стержень из ПКМ до момента его разрушения; - предельного значения энергии, накапливаемой материалом стержня к моменту разрушения. 4. Методом продольного изгиба на одной марке оборудования можно проводить испытания образцов с большим диапазоном варьирования геометрических и механических параметров испытываемых стержней.
Например, при испытании этим методом можно проводить испытания образцов стеклопластика диаметром от 2 до 15 мм на испытательной машине 2161 Р-5 (Р 05), с разрешающей способностью по нагрузке до 5 кН. Для этого производится соответствующий подбор типа датчика силы, длины образца и смена шарнирных опор с нужным диаметром опорного гнезда в устройстве для испытаний. Диапазон варьирования диаметра испытываемого стержня для той же испытательной машины может быть расширен до 26 мм за счет снабжения ее дополнительным рычажным устройством и установки датчика силы до 40 кН. Здесь уместно отметить, что, например, для испытания на разрыв стеклопластикового стержня с указанными выше механическими характеристиками и диаметром 26 мм требуется испытательная машина с развиваемым усилием до 1700 кН (170 тонн) и чрезвычайно сложные по конструкции и дорогие в изготовлении захваты для соединения образцов с нагружающими устройствами испытательной машины. 5 Испытания на продольный изгиб по длительности подготовки образца к испытаниям и длительности испытаний незначительно уступают высокопроиз водительному методу испытаний на поперечный изгиб, но значительно пре восходят его по корректности получаемых результатов. 6 Метод продольного изгиба, благодаря своей простоте, позволяет не только определять механические характеристики при кратковременных испы таниях, но и исследовать механические характеристики при длительном воз действии нагрузок и сред. Сущность метода Сущность метода определения механических характеристик по результатам испытаний на продольный изгиб заключается в следующем: - шарнирно опертый гибкий (имеющий отношение длины L к диаметру d не менее 36) образец-стержень за счет принудительного сближения его концов приводят в состояние потери устойчивости и при дальнейшем сближении его концов изгибают вплоть до разрушения; - усилие Р (продольную нагрузку), с которым стержень сопротивляется сближению шарнирных опор, расположенных на траверсах испытательной машины, регистрируют в сопоставлении со значением взаимного перемещения (сближения) концов образца А; - по результатам регистрации показаний измерительных приборов строят диаграмму или получают массив данных Р=Р(А) в графическом или табличном виде; - диаграмму или массив значений Р и А анализируют и обрабатывают с целью определения механических характеристик образца.
Теоретическое и экспериментальное исследование влияния условий изготовления и применения стержней на степень деградации прочностного потенциала ПКМ, поиск закономерностей и констант
Результаты приемо-сдаточных испытаний стеклопластиковых стержней различного диаметра, изготавливаемых ООО «БЗС» приведены на рисунке 3.1а в виде полученных при продольном изгибе диаграмм зависимости напряжений от деформации. Внешний вид диаграмм, а также высокие (равные или близкие к 1) значения коэффициента достоверности аппроксимации R свидетельствуют о практически линейной упругости испытанных стержней при деформировании их вплоть до появления явных признаков макроразрушений.
Проанализируем, насколько экспериментально определенные значения механических характеристик реальных стеклопластиковых стержней, приведенные в таблице 3.1, соответствуют расчетным значениям.
Из таблицы 3.1 видно, что выражение (3.1) можно без больших погрешностей использовать для оценки модуля упругости стеклопластиковых стержней рассматриваемого класса. Отклонение фактических значений его от расчётных (в большую сторону) в среднем не превышают 4,4 %. Из таблицы 3.1 и диаграмм, приведенных на рисунке 3.1а, видно, что модуль упругости стержней практически не зависит от их диаметра.
Фактические же значения прочности ов и предельной деформации єв более существенно отличаются от значений ав.п и евЛ, входящих в выражение (3.1). Они, как правило, ниже значений потенциала временной прочности и предельной деформации армирующих волокон. Более низкие, чем это следует из расчета, значения прочности стержней могут быть вызваны тем, что обеспечиваемая матрицей сплошность соединения волокон друг с другом и синхронность сопротивления их нагрузкам в реальном изделии нарушается до того, как достигается предельная деформация стеклянных волокон.
Высокие разбросы прочности могут быть обусловлены значительными колебаниями (от партии к партии стержней) предельной деформации матрицы и адгезии ее к волокнам. Разбросы механических характеристик армирующего материала, по-видимому, не могут приводить к значительным разбросам механических свойств стержней. Это обусловлено тем, что индивидуальные характеристики волокон при сборе их в стержень усредняются. Чем больше выборка усредняемых членов массива, тем более стабильно среднее значение. Например, при изготовлении стеклопластикового стержня диаметром 5,5 мм, он формируется из 35 параллельных паковок армирующего материала. При этом в процессе усреднения характеристик поперечного сечения армирующего материала участвует колоссальная по объему выборка, состоящая из 1,8-1015 параллельно расположенных стекловолокон. При такой объемной выборке колебания средних значений механических характеристик их не могут быть заметными.
Примечание. Для того, чтобы оценить, каков вклад в разбросы механических характеристик привносят погрешности методики измерения нагрузок и перемещений при испытаниях стержней, было проведено специальное исследование на одном и том же образце стеклопластикового стержня диаметром 5,5 мм. Испытания проводили без доведения образца до разрушения. Исследование показало, что коэффициент вариации значений модуля упругости и напряжений при одном и том же значении деформаций не превышает 0,8 %, что в 10 ...20 раз меньше коэффициентов вариации, характеризующих межпартийные разбросы прочности для серийно производимых стеклопластиковых стержней.
Итак, можно полагать, что различные случайные и систематические изменения в технологическом процессе изготовления стержней могут приводить к значительным изменениям механических и адгезионных характеристик, матрицы, особенно к колебаниям значения ее предельной деформации. В результате этого не до конца реализуется возможность одновременного и равномерного растяжение или сжатия всех нагружаемых армирующих волокон вплоть до предельных значений их деформации. Преждевременное разрушение связки или сцепления ее с волокнами приводит к тому, что волокна начинают сопротивляться нагрузке не одновременно и поэтому совокупный их прочностной потенциал реализуется лишь частично.
В процессе практического использования стержней при назначении предельных допускаемых нагрузок на стержни необходимо учитывать значительные разбросы значений их прочности, вызванные колебаниями в технологическом процессе изготовления. Опыт, накопленный в ходе приемо-сдаточных испытаний изделий в ООО «БЗС», показал, что для стеклопластиковых стержней, получаемых в условиях производства этого завода, значение єв.м может находиться в пределах от 0,58 до 0,96 от єв.д — предельной деформации волокна и зависит от технологии изготовления конкретного типа изделий и партий изделий.
Сравнение результатов расчета предельно допускаемых значений напряжений с результатами контрольных испытаний
Для того, чтобы наглядно оценить качество выражений (4.1) рассчитаем значения предельных допускаемых напряжений по этим выражениям и сравним их с имеющимися экспериментальными данными. Временная прочность стержней Рассчитанные значения предельных допускаемых напряжений при кратковременном нагружении стеклопластиковых стержней и результаты приемочного контроля их приведены на рисунке 4.1. Численные значения констант и исходных данных взяты из раздела 3. Из рисунка 4.1 видно, что экспериментальные значения временной прочности стержней находятся выше ПДН. Это значит, что при нагрузках ниже или равных ПДН, рассчитанным по выражению (4.1а) вероятность разрушения стержня минимальна. Временная прочность узлов соединения стержней с металлическими наконечниками Из рисунка 4.2 видно, что экспериментальные значения временной прочности узлов соединения находятся выше ПДН. Это значит что при нагрузках ниже или равных ПДН, рассчитанным по выражению (4.16) вероятность разрушения узлов соединения стержня с наконечником минимальна. зультаты расчета коэффициента Кт для сроков эксплуатации до ста лет. Из рисунка видно, что в диапазоне до ста лет значение коэффициента Кт изменяется не значительно. Поэтому, для упрощения последующих расчетов, можно принимать меньшее из значений, равное 0,547. Результаты расчета предельных допускаемых напряжений для длительной (до ста лет) постоянной по величине нагрузки на стеклопластиковые стержни приведены на рисунке 4.4а. Длительная прочность стеклопластиковых стержней В соответствии с выражением (4.2в) для сроков эксплуатации более одного года значения коэффициента условий работы для стеклопластиковых стерж-ней рассчитывается по выражению Кт=апр(т)=0,7-0,007-(1п(т)-17,7). На рисунке 4.3 показаны ре Из рисунка 4.4а видно, что экспериментальные значения длительной прочности стержней диаметром 5,5 мм, находятся выше ПДН, рассчитанных по выражению (4.1 в). Из рисунка 4.46 видно как (с учетом всех факторов, включая длительное действие нагрузок) деградирует прочностной потенциал стержней (на сколько снижаются ПДН на стержни по сравнению ав идеально изготовленных стержней)
Результаты расчета предельных допускаемых напряжений для длительной (от одного года до ста лет) постоянной по величине нагрузки на узлы соединения стержней с оконцевателями типа «СПА» приведены на рисунке 4.5а. Из рисунка 4.5а виден, характер изменения ПДН узлов соединения от диаметра стержней. Из рисунка 4.56 видно, на сколько (при длительном действии нагрузок) снижаются ПДН на узлы соединения стержней по сравнению с расчетной прочностью идеальных соединений Характер зависимости ПДА от количества циклов изменения нагрузки наиболее наглядно может быть представлен в виде графика, показывающего зависимость коэффициента условий работы KN от количества циклов изменения нагрузки.
Для длительного усталостного нагружения (iV 104 циклов) зависимость KN от N приведена на рисунке 4.6 Предельные допускаемые значения работы цикла (ПДА) при знакопостоянном циклическом нагружении рассчитаем по выражению (4.2д). На рисунке 4.7(a) приведено сравнение значений ПДА для iV=106 циклов с плотностью энергии разрушения образцов в режиме кратковременного нагружения до разрушения. На рисунке. 4.7(6) для стержней 0 5,5 мм. приведено сравнение ПДА с экспериментальными значениями. Для узлов соединения стеклопластиковых стержней с оконцевателями предельные допускаемые значения работы цикла (ПДА) при знакопостоянном циклическом нагружении рассчитаем по выражению (4.2е). Для того, чтобы на одном графике наглядно сравнивать результаты расчета ПДА с результатами экспериментов проведенных на образцах различного диаметра введем понятие приведенной работы цикла. За приведенную работу цикла примем величину Anp=A(N,d)/A(d). Для исследуемых стеклопластиковых стержней эмпирическое выражение для A(d) имеет вид A(d) d" . Зависимость Апр от диаметра стержня показана на рисунке 4.8. Здесь же для сравнения приведены экспериментальные значения. Видно, что экспериментальные значения находятся на уровне или выше приведенных значений ПДА. А это значит, что при работе цикла не выше рассчитанных по выражению (4.2е) прочность рассмотренных соединений стеклопластиковых стержней с оконцевателями обеспечивается. 1 Сформулирован методический подход к прогнозированию долговечности стержней из ПКМ, основанный на анализе процесса деградации прочностного потенциала стержней в результате воздействия неблагоприятных технологических факторов, а так же факторов, характеризующих условия применения и эксплуатации стержней и изделий на их основе. 2 Выведены выражения для расчета предельно допускаемых нагрузок (ПДН) на исследованные в работе стеклопластиковые стержни и узлы соединения их с наконечниками в зависимости от требуемых значений долговечности (статической и усталостной выносливости).
Они имеют вид: - для длительно действующей постоянной нагрузки: коэффициенты надежности, зависящие от степени достоверности найденных нижних оценок для учитываемых факторов (численные значения которых меньше 1 и стремятся к 1 при повышении надежности оценок для коэффициентов условий работы). 3 Сравнением расчетных значений ПДН и ПДА с экспериментальными значениями показано, что расчетные значения действительно соответствуют нижним оценкам прочности стержней и могут быть использованы при расчете надежных конструкций с применением стеклопластиковых стержней. Таким образом, подтверждена работоспособность предложенной методики прогнозирования долговечности стержней из ПКМ и изделий на их основе.
