автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Остаточные напряжения в цилиндричских и плоских изделиях из полимерных композиционных материалов

«ё.1/9071а3

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕЛОВАТЕЛЬСКЙЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ '_"П Р О М ЕТ ЕЙ"._

Лля служебного пользования Экз. N На правах рукописи

ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ И ПЛОСКИХ ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ мл ТЕРИА ЛОВ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение

Автореферат диссертации ва соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург 1996

: Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте констругашоташ материалов "Прометей".

Научный руководитель: /доктор технических наук, профессор Екельчик В.С,

, . . Офшшальпые оппоненты; доктор технических наук, профессор Томашевский В.Т.

кааалд^т фааико-математических ваук,

старший научный сотрудник Демидова И.И.

Ведущая организация: ., Центральный научно-исследовательский институт академика. А.Н.Крылова

Зашита состоится " " марта 1997г. в 10 час. на заседашш диссертационного совета ОСЛ 130.09.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИ КМ "Прометей".

Г' ££

Автореферат разослал " '" 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета МалышевскиЙ В.А,

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Объем использования полимерных композиционных материалов (ПКМ) в.пластинах и оболочках, применяемых в различных отраслях техники, за последнее десятилетие непрерывно возрастает. Успешное использование ПКМ в качестве конструкционных материалов возможно лишь при надлежащем учете отличий этих материалов от традиционных. Существенная особенность ПКМ состоит в том, что они создаются одновременно с изготовлением конструкций и ато приводит к усилению роли технологических факторов в обеспечении их работоспособности.

При разработке новых ПКМ и технологических режимов изготовления конструкц11Й во мвогич случаях необходимо учитывать технологические температурные напряжения (Т'ГН) и деформации, возникающие на стадии изготовления. ТТН могут вызьтать расслоения в толстостенных оболочках при термообработке или приводить к заметному короблению в плоских пластинах с несимметричной относительно срединной поверхности структурой армирования.

Для выяснения причин возникновения ТТН и разработки способов их снижения в толстостенных изделиях с большими абсолютными толщинами необходимо учитывать характер распределения температуры по толщине изделия, зависимость физико-механических и теплофизических свойств ПКМ от температуры.

Необходимость исключения коробления тонкостенных ПКМ в процессе изготовления является одной из важнейших практических задач при изготовлении аэродинамических конструкций судов на воздушной подушке, экранопланов; в процессе монтажа ьлементов на печатные платы и т.д.

Пель работы: -

- теоретическое изучение температурных полей и ТТН в толстостенных цилиндрах из ПКМ с большими абсолютными толщи-

лами с целью поиска путей снижения опасных радиальных растягивающих напряжений;

- расчетное определение конфигурации пластин, изготовленных на основе тканых полимерных композиционных материалов, и развивающихся в них остаточных напряжений после окончания процесса термообработки. Исследование остаточных напряжений в пластинах из гибридных ПКМ со средним слоем из легковесного

лаполнителя;

- экспериментальные исследования кривизны и остаточных напряжений, развивающихся в пластинах с произвольной структурой армирования, в том числе гибридных, после окончания процесса термооораЬ'/гки и сопоставление их с прогнозируемыми величинами;

- определение физико-механических и теплофизических характеристик стеклопластиков горячего прессования на основе стеклотканей Т-53(ВМ)-78 и Т-10-80 с пелью сопоставления расчетных и экспериментальных данных по короблению.

Научная новизна работы:

1. Показано, что максимальные радиальные растягивающие напряжения, возникающие при охлаждении толстостенных цилиндров с большими абсолютными размерами (радиусами и толщинами), изменяются немонотонно, достигая максимума не в конце, а в процессе охлаждения. Немонотонный характер изменения ТТН обусловлен, главным образом, неоднородностью температурного поля, которую вызывают большие абсолютные размеры цилиндра. Рассмотрены пути снижения опасных растягивающих напряжений: создание начального неоднородного поля температур по толщине цилиндра; свшкение температуры стеклования связующего; применение оправки с низким коэффициентом теплопроводности.

-1 2. Показано, что модель мгновенного стеклования может быть применена для расчетного определения величины остаточных напряжений в случае неоднородного распределения температурного

. • - -3- Г-/.---.

поля па толщине толстостенных цилиндров. •• '

3. Определены конфигурация и остаточные напряжения, развивающиеся в пластинах на-основе тканых армирующих наполнителей после окончания процесса термообработки. Исследовало поведение пластин из гибридных ПКМГ наружные слои которых выполнены на основе ткапых наполнителей, внутренние - из легковесного заполнителя — стеклосферопластика. Проведено сопоставление расчетных и экспериментально полученных данных.

4. Показано, что конфигурация, которую приобретают после окончания процесса термообработки несимметричные относительно срединной поверхности ортогонально армированные пластины на основе тканых армирующих наполнителей, определяется размерами пластины.

Практическая ценность:

- результаты теоретического исследования температурных напряжений в толстостенных цилиндрах с большими абсолютными толщинами могут быть использованы для оценки монолитности цилиндрических изделий и выработки рациональных режимов термообработки с г целью снижения величины остаточных напряжений. Результаты исследований ТТН использованы при разработке РЛ 5.УЕИА,2760-83 "Расчет начальных технологических напряжений в толстостенных оболочках из Г1КМ с помощью ЭВМ. Методические указания."

- метод расчетного определения коробления и остаточных напряжений, возникающих в пластидах корпусных конструкций из ПКМ, работающих в условиях аэродинамического или гидроди- • намического потока, позволяет выбирать структуру армирования с рациональной анизотропией или ввести исходное отклонение по форме поверхности формующей оснастки.

:Апробация работы. Основные результааы диссертанионной работы докладывались и обсуждались па; Всесоюзной научно -технической конференции "Проблемы прочности и снижения мс-

таллоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений" (Ленинград, 1990г.); конференции "Проблемы прочности и технологии изготовления конструкций из композитных материалов" (г.Севастополь, 1990г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Композиционные материалы в конструкциях глубоководных технических средств" (г.Николаев, 1991г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Полимерные материалы и технологические процессы изготовления изделий из них" (Москва, 1991г.); научно-техническом семинаре "Механика и технология полимерных и композиционных материалов и конструкций" (г. Вологда, 1992г.); Всероссийской научно-технической конференции "Прочность и живучесть конструкций" (г.Вологда, 1993г.); 4 tli European East-West Conférence & Exhibition on Materials aad Process (С-Петербург, 1993г.); на семинарах "Механика и технология полимерных и композиционных материалов и конструкций" НТО судостроителей им. акад. А.Н.Крылова (С-Петербург, 1994-1996гг.).

: Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и оо ьем диссертационной работы. Диссертационная работа изложена ва 177 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 181 наименования и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дредставлеи литературный обзор, состоящий из двух частей.

В перкой части проведен обзор литературных данных по температурным полям и ТТН, возникающим в цилиндрических изделиях m ПКМ.

Теория возникновения остаточвьпс технологических напряжений предложена в работах В.В.- Болотина и К.С. Болотиной, В.Л. Бидермана с соавторами. В.В. Болотин и К.С. Болотина,

B.JI. Влагояадежии, И.И. Вугаков, Б.А. Розепберг, P.A. Турусов, В.Т. Томатевский, G.S. Springer я др. на основании теоретического и экспериментального анализа показали, что технологические напряжения возникают на всех стадиях изготовления конструкций из ПКМ методом намотки и зависят от условий силовой намотки, режима термообработки, фильтрации связующего, химической усадки, вязкоупругого поведения материала. Одной из основных причин возникновения технологических напряжений в ПКМ является анизотропия КЛТР в радиальном и окружном направлениях. Наибольшую опасность представляют радиальпые растягивающие напряжения из-за Яшкой траясверсальной прочности ПКМ. ТТН достигают максимальной величины па стадии охлаждения и сохраняются в изделиях, определяя их начальное напряженное состояние.

Для; снижения ТТН ряд приемов предложен в работах В.Л. Благопадежина, Б.А. , Розепберга, В.М. Тарнопольского, P.A. Турусова, В.Т. Томашевского, B.C. Яковлева и др.: программированная силовая намотка, послойное отверждение, применение оптимальных режимов.термообработки и т.д. В некоторых случаях эффективно прАаенение неоднородного температурного поля на стадии отверждения и охлаждения изделия. Возможности этого метода для Оболочек с большими абсолютными толщинами почти не исследованы.

Вторая часть литературного обзора посвящена анализу ТТН в пластинах из ПКМ. ,

> Разработкой вопросов теории многослойных пластзш запинались С.А. Амбарцумял, В.В. Болотин, П.А. Зиновьев, Ю.Н. Новичков, С.С. Chamis, Н.Т. НаЬп, M.W. Нуег, J.R., Vinson и др. 1

Остаточные напряжения в пласт!шах обычно анализируются с помощью линейной Teopiiii слоистых пластий, Пройденные вкс-нершдевтальпые и теорепгчесгаге 11Сследоваш1я нозвол11Л11 установить- ряд факторов, влияющих па величину остаточных напряже-

ний: структура армирования, объемное содержание волокнистого наполнителя, свойства полимерной матрицы.

Конфигурация, которую приобретают несимметричные относительно срединной поверхности пластины, определяется схемой армирования, физико-механическими и теплофизическими свойствами ПКМ, размерами пластин в плане.

Основной объем исследований выполнен для пластин, изготовленных на основе однонаправленных материалов. Конфигурация пластин на основе тканых наполнителей и развивающиеся в них остаточные напряжения практически не. исследовались.

На основании проведенного литературного обзора сформулированы цел?' и задачи исследования.

Во второй главе исследуются ТТН в цилиндрах из ПКМ, изготовленных методом намотки на металлическую оправку. Цилиндр имеет большую относительную толщину и большие абсолютные размеры. Предполагается, что к началу стадии охлаждения процесс отверждения связующего полностью закончен, внутренние источники тепла отсутствуют. Исследуется стадия охлаждения.

Задача решается в два этапа. На первом этапе рассматривается задача нестационарной теплопроводности для двух соосных цилиндров - оправки и оболочки из ПКМ.

Функция распределения температуры T(r,t) находится из решения осесимметричной задачи нестационарной теплопроводности для длинного полого цилиндра с граничными и начальными условиями, соответствующими стадии охлаждения в процессе термообработки:

1 д , дТi(r,t)4 dTj{r,t)

airш{т—дГ-> = —дГ- . {1)

Предполагаются условия теплового сопряжения

и конвективного теплообмена на внутренней поверхности оправки и наружной поверхности цилиндра:

г=г,. (3)

В формулах (1 )-(3 ¡: i = 1 - соответствует оправке; i = 2 - цилиндру; Ti{r,l) - функция распределения температуры но толшине оправки и цилиндра соответственно; Г] - паружпый радиус оправки; г2 - наружный радиус оболочки; a¡ - коэффициенты температуропроводности; Д, - коэффициенты теплопроводности в рал«.' льном направлении; - коэффициенты теплоотдачи; Q, - заданные функции изменения температуры окружающей среды.

Закон изменения температуры среды принимался п виде лилейной функции времени:

' Q,(t) = Q.o-b,1 0 < i < ik, = (Q¡0 - 20)/Ь,, (4)

где b],í>] - скорости охлаждения; Q¡0, Qio - начальные температуры среды внутри оправки и снаружи цилиндра; 20° С - конечная температура охлаждения.

Уравнение (1) интегрируется при заданных начальных условиях: Г,(г,0) -Тю(г), г0 < г <п; 7"Ь(г,0) = Т20(г), п < г < г».

Вычисления проводились для шзлиплиов с большими относительными толщинами ¿ — (гз — ?"])/''i-'

<5 = 0.50, Г! = <ШЗ м, »2 ~ 1.25 м;' i = 1.08, г, = 0.1225 м, г2 = 0.255 м;

В цилиндрах с большой относительной толщиной и неболы н -ми абсолютными размерами (<5 = 1.08) температура практик ::: ¡ линейно распределяется по толщине при различных начальных распределениях температуры и скоростях охлаждения. В цилиндрах с относительной толщиной £ -- 0.5 и большими абсолютным;; рГомерами температура по толщине цилиндра изменяется немопс ¡он-во; положение точки с максимальным значением температуры заг-и-сит от времени, скорости охлаждения и начального распределения

температуры. Наименьший перепад температуры по толщине соответствует неоднородному охлаждению (ttt ф ) от начального неоднородного распределения температур (£?ю ф Q20) по толщине. Квазиодвородное охлаждение приводит к максимальной неоднородности температурного поля.

На втором этапе для найденного температурного поля Ti(r,t) решалась осесимметричная задача термовязкоупругости для цилиндра из ПКМ. Разрешающее уравнение относительно искомых радиальных напряжений a(r,t) в случае плоского напряженного состояния имеет вид:

V>'Ä~ 4 3г1Г + (1 ~ + г - ти)]+

+£^-йг(Г7))(Г,-Гао) = 0, (5)

где Т%, Гао - функции распределения температуры; аг(Тг), а^ -КЛТР в радиальном и окружном направлениях; Ет, ¿'v- - интегральные операторы:

Ёт = ¿roll - э< (-Д.)], ЁР — - Л^ (-/3^)], (6)

здесь Его, - мгвоиенные модули упругости: а, Ar, А^, ßT, -параметры, характеризующие вязкоунругие свойства материала; -i (~ß)v ~ интегральный оператор Вольтерра с ядром в виде дробно-экспоненциальной функции.

На границе цилиндра приняты условия отсутствия напряжений, что при вычислении сгг лает ошибку в безопасную сторону:

<тг(г,0=0 г = гь г=г1. (7)

Решение уравнения (5) построено с использованием метода сеток по координате и времени.

Расчеты проведены для трех различных режимов охлаждения: квазиоднородного (t*, = и двух вариантов неоднородного

(tkx 'Ф iijV При атом предполагалось начальное однородное распределение-температур (Qio = Qjo) и начальное неоднородное.

Материал цилиндра принимался либо идеально упругим Лг = А^. = 0. либо наследственно упругим с отношением мгновенного модуля упругости Его к высокоэластическому Егх ралIIим 25, что соответствует реальным свойствам стеклопластиков па оспопе жестких эпоксидных смол.

На рис.1, приведены графики температурной зависимости максимальных радиальных напряжений <т™*х(Т). .

В цилиндрах с большими абсолютными размерами <тизменяются немонотонно, достигая максимума не в конце, а в процессе охлаждепия. Появление немонотонности в изменении с™ат ври охлаждении от начального однородного распределения температур (0„, = Qio) обусловлено, в основном, неоднородностью температурного поля, которая усиливается для цилиндров с большими абсолютными толщинами.

Снижение скорости охлаждения приводит к снижению напряжений в начале процесса охлаждения, однако, вызывает некоторый рост остаточных напряжений в конце. Такой способ снижения напряжений за счет удлинения стали» охлаждения удлиняет технологический процесс изготовления толстостенных цилиндров и мож«*г привести к трещинам (расслоениям) ввиду длительного действия растягивающих вапряжений при повышенных температуря;:.

К снижению вероятности пеявлепия расслоений на начальной стадии охлаждения приводит создание начального неоднородного распределения температур за счет независимого охлаждения двух различных сред, омывающих наружную и внутреннюю поверхности цилиндра. Использование указанного способа охлаждения приводит к перераспределению температуры по толщине. Такие "бла-; гоприятные'' перепады температур могут быть использованы при разработке новых технологических режимов термообработки с целью снижения вероятности появления расслоений и уменьшения не-

бтах, кг/сл?

га

12

\ \ 1

V \ \

\ \ л

V ч V ч / 1 г

\ V \ Г % с \ \ К

\ ] ' - —~ с л \

10й

т

Т'с

-14

-8

-/2

\ \

\ 3 Г

во \v \ N 3 \ по

1 ч \ \ \ ! А 1

1 У !

т;с

с

I .

го во

Рис.1. Кинетика максимальных радиальных напряжений: ----- _ г = о.5, -----Ь = 1.08; .

1 - = Рю = Рзо, Лг = Л^ = 0;

2 - = Рю = Рзо, Аг ^ А„ ^ 0;

3 - <1, Ф Рю ^ Рзо, Аг ф ^ 0; 4-«*, ^ <»,. Рю/Рго, =

стадионарных температурных технологических напряжений. Практическая реализация такого способа охлаждения требует специального оборудования для но дачи двух теплоносителей.

Снизить величину ТТН в начале стадии охлаждения можно за счет соответствующего подбора материала оправки. Использование оправки из материала с низким коэффициентом теплопроводности Л1 позволяет избежать быстрого охлаждения внутренней поверхности цилиндра, что приводит к снижению величины напряжений на начальной стадии охлаждения, когда прочность композита низка и велика вероятность возникновения расслоений.

В работе численно исследовано влияние реологических характеристик материала Аг, на величину ТТН. Анализ полученных результатов позволил а определенной степени оцепить влияние процесса пластификации связующего на величину сг™а1. Аналитическая аппроксимация для каждой кривой релаксационного модуля Е(1) получена с помощью представления ядра интегрального оператора Вольтерра одной дробно-экспоненциальной функцией Работнова с параметром дробности а = -0.6. Численные значения констант А,/? подбирались с использованием графоаналитического метода.

На рис.2 представлены кинетические кривые о™"1 для стеклопластика с различными температурами стеклования Тд эпоксидных смол. Пластификация св'язующего ведет к изменению кипетики и™"1: чем вшпе температура стеклования, тем выше величина остаточных напряжений (при Т = 20°С), то есть использование смолы с низкой Тд приводит к снижению остаточных напряжений в готовом изделии. Однако, следует считаться с тем, что понижение Тя повышает ползучесть, снижает теплостойкость, а следовательно может вызвать снижение работоспособности при повышенных температурах.'

Проведенные расчеты показали, что существенный вклад в величину ТТН вносит учет температурной зависимости КЛТР н ра-

Рис.2. Влз'яние пластификации спязуюшего на кинетику а™ах: 1 - 50°С,2 - С8°С.З - 89аС.

диальном направлении ог =: ,((Т}. Учет температурной зависимости а, = /(Т) при проведении расчетов ТТН пршюдит к смещению максимальных значений «г™01 к Тта1 и является необходимым при опенке технологической монолитности шгл1шдра.

В заключении второй главы рассмотрен один из возможных способов упроше>ля задачи расчета ТТН в вязкоупругих телах - использование модели мгновенного стеклования, предложенной И.И. Бугаковым.

Постановка и решение задачи теплопроводности сохраняется без изменения и соответствует приведенным в начале главы. Лля решения задачи о нахождении искомых радиальных напряжений строится упрощенное решение задачи термовязкоупругости с использованием модели мгновенного стеклования. При этом функция релаксации £(£) аппроксимируется ступенчатой Е.(£), испытывающей разрыв в некоторый момент При неоднородном распределении температур стеклование в разных точках тела происходит неодновременно. Перед фронтом стеклования материал находится в высокоэластичсском состоянии, за фронтом - в стеклообразном.

<5г^ах, кг Мм*

Ю

— т

/ у VI V, V

2 \

>Г Г \

ч 11 ) к \

1 1 ! ' ; И ; ! :

Рис.3. Применение модели мгновенного стеклования для расчета ТТН:

I-К = Л„ = 0;

. 2 - Лг ф Д^ ^ 0. модель мгновенного стеклования

Т'С

¿0

60 № № Показано (рис.3.1, что нсшльзоваш-.с мололи мп,овитого стеклования лает близки, результат,, к полученным на основа,лп, изотермической теории наследственной улругости » о„П могут оыть использованы для ивжолерны* расчетов ТТН при неоднородном распределении температуры по толщине.

З^яглава посвящена исследовашт формы поверхности анизотропной слоистой пластины с произвольным расположу.с« слоев по толщине „ развивающихся в лей ост^о-тш ТТН возникающих после окончашш гропесса термообработки. Рассматриваются тонкие пластины. Температурное поле по толщине считаете однородным, предполагается, что к началу стадии охлаждения процесс отверждения связующего полностью закопчен, внутренние источники тепла отсутствуют. Анализируется стад;« охлаждения Задача решалась с использовал основных' уравнений теории слоистых пластин. Определяющие соотношения имеют вид:

где {N} и {М} — внешние силовые воздействия, которые на стадии охлаждения процесса изготовления к пластине не прикладываются; еХ]1 = {е%, } - деформации срединной поверхности; кх„ = {а, 6, /} - кривизны пластины в начале координат; [Л) - матрица мембранных жесткостей; [¿fj - матрица смешанных жесткостей; [Dj - матрица гогибных жесткостей; {Л'}7" и {Ai - температурные усилия и моменты, обусловленные различием физ^Еко-механических свойств слоев но толщине и изменением температуры Л Т.

Предполагается справедливость гипотезы Кирхгофа. После определения кривизны пластины а, 6,/, угол поворота главных осей кривизны <р определялся по формуле: tg2ip = 2f/(a — b).

Jim щзояедения численных расчетов экспериментально определены физика-механические характеристики и КЛТР стеклопластиков горячего прессования на основе апоксшшого теплостойкого связующего ЭТ-2 и тканей Т-10-80 и Т-53(ВМ)-78.

Определены остаточные ТТН, возникающие после окончания процесса термообработки в симметричном относительно срединной поверхности гибридном ПКМ (наружные слои - стеклопластик; средний слой - легковесный заполнитель - стеклосферопластик). Напряжения поде штопались двумя способами: по зависимостям линейной теории слоистых пластин и по температурной деформации ДиДТ, вычисленной для несимметричной балки:

M+^fejT+B^) . d3+d2

(«а — «1 )ДТ = к----(9)

- модули упругости и толщины наружного и внутреннего слоев симметричной балки соответственно; к - кривизна несимметричной балки, определенная экспериментально.

Экспериментальные и теоретические значения остаточных ТТН, определенные с помощью двух подходов, дают близкие результаты; в среднем слое из легковесного заполнителя действуют

расттгива:оите напряжения, величина которых составляет 30 % прочности стеклосферопластика при растяжении.-

Показало, что измерение кривизны несимметричной балки может быть использовано для определения КЛТР. Рассчитанные значения КЛТР соответствуют КЛТР, полученным го испытаний образцов мономатериала стеклопластика на кварцеяом дилатометре (погрешность не превосходит 2 %).

Тонкие ортогонально армированные несимметричные пластины (¡0п/90„],п =1 — 3) после охлаждения имели цилиндрическую конфигурацию. По мере увеличения толщины иластипм, кривизна ее уменьшается. За счет перехода к многослойным ПКМ с использованием тонких (с малой удельной массой) армирующих стеклотканей, а также выбора рациональной структуры чередования слоен с различным направлением укладки, можно практически исключить коробление, подбирая оптимальные параметры па основапии расчетов.

Конфигурация пластш! со структурой армирования отличной от ортогональной (пластина из углепластика со структурой армирования ¡0/0/48)18), а также пестлметричиых пластин из гибридных ПКМ после око1гчания отверждения отлична от цилиндрической. Расчет кривизны осуществлялся численпо по замерам перемещений, измеренных в фиксированных точках отвержденной поверхности пластины.

Расчетное определение значений кривизны и остаточных ТТН осуществлялось с помощью разработанной программы для ПЭВМ. Лля указанных выше пластин погрешность расчетного определения кривизны не превосходит 6 %. Расчетные значения кривизны и предсказываемая конфигурация - параболоид для несимметричной пластины из гибридного ПКМ и гиперболический параболоид . (седлообразная конфигурация) для пластины из углепластика соответствовали полученным в эксперименте.

Для тонких несимметричных пластин характерны большие пе-

ремещенш? из плоскости после охлаждения. Подход, предложенный в работе МЛУ.Нуег для исследования конфигурации тонких пластин из существенно анизотропных материалов - однонаправленного углепластика, использовался для предсказания формы поверхности пластин на основе тканых материалов после окончания процесса термообработки.

В основу положен энергетический подход. Плотность энергии деформирования слоя:

».= \QucI + + 2д664 + -

- -+(¡„ау)&Т- £„(5,2^ + р2га»)ДГ, (10)

(¿^ - коэф<£ипиенты матрицы жесткости слоя; £х, ер, £1у - компоненты деформаций; ах, ау - КЛТР;

Предполагается справедливость гипотезы Кирхгофа. Деформации пластины определялись с учетом геометрической нелинейности, обусловленной большими перемещениями из плоскости.

Поле перемещений задавалось в вкде:

Г = +

< щ{х,у) = сх - - . (И)

; 1 - йу - £у3 -

Величины а, Ь, с, <1 определялись в процессе мишмизашш функционала энергии. Коэффициенты а, 6 описывывают конфигурацию пластины после окончания процесса термообработки.

Для численного анализа разработана программа для ПЭВМ по определению перемещений из плоскости го(х,у) и исследованию устойчивости конфигурац1Ш Несимметричной ортогонально.армл-ровашой пластины. Программа может быть также использована для выбора состава, структуры и режимов отверждения ПКМ, обеспечивающих получение конструкций с требуемой точностью формы.

V 3 ■й

-б'

0 X Ъо 50

СМ

Рис.4. Зависимость кривизны пластины С[0/90П от длины ее стороны; • - экспериментальные значения

Численные исследования проводились для слоистых квадратных пластин (Ь\ = Ьг) па основе ткапи Т-53(ВМ)-78, млеющих следующие структуры армирования ¡0/90], [0з/90з].

Взаимосвязь между размерами слоистой пластины и ее. конфигурацией представлена на рис.4. В решениях существует симметрия между а, Ь и размерами стороны пластины Ь. Если длина стороны пластины больше некоторого критического значения, то существуют три возможные конфигурации.

Исследование устойчивости возникающих конфигураций позволило установить: в том случае, если решение единственное, то конфигурация является седлообразной и устойчивой. В том случае, если полученных решений три, то устойчивыми являются обе цилиндрические конфигурации, а седлообразная - не устойчивая и наблюдаться не будет.

Летальные выводы по влиянию различных факторов на остаточные напряжения, возникающие в цилиндрических и плоских изделиях из ПКМ после окончания процесса термообработки, представлены в конце каждой главы. . . '

Основные результаты выполненных в работе исследований

- , состоят в следующей:

1. Да основалиирещения нестационарной задачи теплопроводности и терыовязкоупругости определены температурные поля и ТТН в цилиндрах из стеклопластика с оправкой, развив аюши-

■ , еся при охлаждении- Максимальные радиальные растягивающие напряжения, возникающие в толстостенных цилиндрах с бодьши-; ; ми относительными толщинами и большими абсолютными разменами, достигают максимума не в конде, а в процессе охлаждения.

. . ' Немонотонный характер изменения ТТН обусловлен неодвородно-, стью температурного поля, которую вызывают большие абсолютные, размеры цилиндра.

2.' По.ч<У>т» оптимальных режимов термообработки, обеспечивающих технитчгическую монолитность толстостенных цилиндров с большими относительными толщинами и большими абсолютными

' размерами, следует проводить с учетом температурной зависимости коэффипиента линейного теплового расширения в радиальном ! направлении.

3. Показано, что модель мгновенного стеклования может быть использована для определения температурных технологических на: пряжений в случае неоднородного распределения температур по : толщине цилиндров.

4. Анализ температурных полей и ТТН в толстостенных цилиндрах с большими абсолютными размерами позволил обосновать следующие способы снижения радаальт« ! растягивающих напряжений: ..

- создание начального неоднородного поля температур по тол-,шине при независимом охлаждении среды, омывающей наружную м внутреннюю поверхности цилиндра; . /,, -снижение температуры стеклования связующего;

; С • - снижение скорости охлаждения толстостенных цилиндров; ; - , • - применение овравки с низким коэффициентом теплопроводности. С '.и "

При выборе способа снижения радиальных напряжений следует учитывать условия работы цилиндра и предъявляемые к нему требования. Каждый из указанных способов имеет свои достоинства и недостатки. Например,-снижение скорости охлаждения удлиняет технологический процесс термообработки; применение связующего с низкой температурой стеклования может привести к снижению работоспособности за счет повышения ползучести и снижения теплостойкости. Применение оправки с низким коэффициентом теплопроводности не требует изменений технологических параметров режима термообработки и не вызывает затруднений при практическом использовании.

5. Решена задача об определении коробления и остаточных напряжений в пластинах с произвольной структурой армирования после окончания процесса термообработки. Установлено, что для топких нес:шметричных относительно срединной поверхности ортогонально армированных пласт пн из ПКМ конфигурация определяется размерами пластины. Существует критическое значение длины стороны пластины, определяющие наличие трех равновесных конфигураций: неустойчивой седлообразной и двух цилиндрических устойчивых конфигураций. Несимметричные гибридные ПКМ на основе стеклоткани и стсклосферонластика после окончания процесса термообработки приобретают форму параболоида, пластины из однонаправленного углепластика со структурой армирования отличной от ортогональной - седлообразную конфигурацию. Экспериментально изготовленные пластины имели конфигурацию и значения кривизны, предсказанные расчетным способом.

6. Для исключения короблегшя симметричных корпусных конструкций из гибридных ПКМ со средним слоем из легковесного заполнителя отверждение всего пакета должно осуществляться одновременно. В рассмотренных гибридных ПКМ на основе стеклоткани Т-10-80 и стеклосферопласткка в среднем слое из легковесного заполнителя действуют растягивающие напряжения, величи-

на которых составляет 30 % прочности стеклосферонластика при растяжении. Л.тя снижения величины остаточных напряжений рекомендуется увеличить толщину среднего слоя.

7. Разработаны алгоритмы и программы, позволяющие: . - определять температурные поля и температурные технологические напряжения, возникающие в цилиндрах на стадии охлаждения;

- определять кривизну пластин с произвольной структурой армирования, в том числе гибридных ПКМ, и развивающиеся в них остаточные напряжения после окончания процесса термообработки;

- ihiÖMpiXb рациональные составы и структуры ПКМ, обеспечивающие получение изделий заданной формы.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Екелъчик B.C., Коновалова Л.В., Рябов В.М. Упрощенный способ расчета начальных напряжений в судовых конструкциях // Тез. докл. ВНТК "Проблемы прочности и снижения металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плакучих сооружений. - Ленинград, 1990. - C.14S ... 149.

2. Екельчик B.C., Коновалова Л.В., Рябов В.М. Коробление я остаточные напряжений в несимметричных балках из ПКМ // Тез. докл. конф. "Проблемы прочности и технологии изготовления конструкций из композитных материалов." - г.Севастополь, 1990.

3. Екельчик B.C., Коновалова. Л.В., Рябов В.М. Кинетика технологических тегшературных напряжений в толстостенных оболочках из полимерных композиционных материалов // Тез. докл. межвузовской НТК "Композиционные материалы в конструкциях глубоководных технических средств. - Николаев, 1991. - С.80 ... 81.

4. Екельчик B.C.. Коновалова Л .В., Рябов В.М. Расчетная оценка технологических напряжений в толстостенных, шшшрах из по-

лимеряых кошюзшшониых материалов // Тез. дохл. ВНТК "Полимерные материалы и технологические процессы изготовления изделий из mix." - Москва, 1991.

5. Ехелъчих B.C., /Коновалова Л.В., Рябов В.М, Начальные тем-пературкые напряжет« в элементах хоиструкштй из ПКМ 1фи термообработке в однородном температурвом поле//Тез. докл. НТС "Механика и технология полимерных и композиционных материалов и конструкций." - г.Вологда, 1992.

6. £кеиъчик B.C., Коновалова Л.В., Рябое В.М. Расчет остаточных напряжений в толстостенных цилиндрических оболочках транспортных средств из полимерных композиционных материалов // Тез. докл. науч.-техпич, семинара "Конверсия в программе "Транспорт России". - Санкт-Петербург, 1993. - С.5.Ч,

7. Екглъчик B.C., Панфилов H.A., Коновалова Л.В., Рябое В.М. Технологическая монолитность толстостенных конструкций из полимерных композиционных материалов //'Ith European Eaat-Wost Conference and Exhibition on Materials and Processes. Symp.D: Materials under Extreme Conditions. - St.Petersburg, 1993. - P. 77.

8. Екельчик B.C., Коновалова Л.В., Ряйов В.М. Расчет температурных напряжений в вязхоупругих тепах при однородном охлаждении с помошью преобразования Лапласа // Механика композит. материалов. - 1993. - N5. - С.С02 ... 696.

9. Екелъчик B.C., Паршина Л.В., Рябов В.М. Расчетная опенка температурных технологических напряжений в толстостенных цилиндрах из полимерных композиционных материалов // "Вопросы материаловедения".-1995. - вып.З.- С.38 ... 47. ,.

Tup^ ¿¿so