автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Совершенствование методик испытаний несущих композитных конструкций машин

На правах рукописи /

004604032

АЛЕКСЕЕВА Ольга Давидовна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИК ИСПЫТАНИЙ НЕСУЩИХ КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ МАШИН

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Ростов - на - Дону, 2010 г.

1 о ИЮН 2010

004604032

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент

Флек Михаил Бенсионович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор

Кохановский Вадим Алексеевич

кандидат технических наук Акопьян Владимир Акопович

Ведущая организация

ОАО «Роствертол», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится 11 июня 2010 года в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.06 при Донском государственном техническом университете (ДГТУ) по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО ДГТУ. Отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим выслать в диссертационный совет по адресу университета.

Автореферат разослан -//мая 2010

г.

Учёный секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

А.Т. Рыбак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Необходимым условием создания новых технологий композиционных и керамических материалов, а также новых поколений ракетно-космической и авиационной техники, что входит в Перечень критических технологий Российской Федерации, утвержденный Президентом РФ, является разработка методов испытаний машин и их элементов, выполненных из таких материалов. Эти задачи конкретизированы в мероприятиях "Перспективная авиационная техника" ФЦП "Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 годы и на период до 2015 года", а также в "Стратегии развития авиационной промышленности на период до 2015 года", утвержденной Минпромом РФ, включающих формирование научного задела по проблемам проектирования и создания конструкций из новых материалов, снижения коэффициента вариации свойств этих материалов в 2 - 2,5 раза.

В последние годы большинство отечественных и крупнейших зарубежных производителей транспортной и авиационной техники (АТ) переходят на использование в конструкции несущих деталей высокопрочных композиционных материалов на основе стекло- и углепластиков и термореактивных связующих. Однако использование новых композиционных материалов предъявляет ряд новых требований к методологии конструирования таких деталей. В частности, проблема расчета динамики такой сложной композитной конструкции, как лопасть вертолета, состоит в том, что композиционный материал в отличие от стали и сплавов алюминия анизотропен, т.е. характеризуется значительно большим числом упругих механических параметров (в конструкционных сплавах их всего два); и этот чрезвычайно сложный и трудоемкий динамический расчет не может быть выполнен без знания полного набора механических характеристик композиционного материала. Как известно, упругие модули композитов чрезвычайно чувствительны к схеме намотки (укладки) слоев, составу компонентов и режимам формования. Известные попытки создания теоретических методов предсказания упругих характеристик ортотропных композитов пока не позволяют использовать эти методы в конструктивных расчетах элементов АТ. Поэтому проблема экспериментального определения полного набора упругих характеристик и параметров ползучести композиционного материала готового изделия имеет исключительно важное практическое значение. Наиболее надежную информацию об механических свойствах композиционных материалов можно получить только на образцах, вырезаемых из готовых изделий или их технологических припусков, т.к. невозможно обеспечить полное

соответствие схемы намотки, состава армирующих и связующих компонентов, температурно-силовых режимов формования натурного изделия и пластин, специально изготовленных для вырезки образцов.

До настоящего времени отечественные государственные стандарты на механические испытания анизотропных композиционных материалов отсутствуют. Это обстоятельство послужило причиной принятия Федерального закона №385-ФЭ.от 30.12.2009 "О внесении изменений в Федеральный закон "О техническом регулировании"", где сформулированы условия и порядок использования общеевропейских и мировых стандартов при отсутствии их отечественных аналогов. Однако даже в зарубежных стандартах, принятых всеми мировыми производителями АТ, прямо указывается на ограниченность методов определения ряда упругих характеристик ортотропных композитов, в частности, сдвиговых модулей. Поэтому работа направлена на создание и апробацию в условиях авиационного предприятия комплекса теоретико-экспериментальных методик определения полного набора механических свойств полимерных композитов, позволяющих обоснованно выполнить необходимые конструктивные расчеты и гарантировать качество изготовления ответственных несущих конструкций.

Цель работы.

Целью работы является совершенствование методов испытаний полного набора механических свойств особо ответственных деталей объектов мащиностроениея из анизотропных полимеркомпозиционных материалов на примере лонжерона лопасти несущего винта вертолета.

Выполнение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Исследование источников погрешности результатов механических испытаний при вырезке образцов из готовых деталей;

2. Выявление источников погрешностей и повышение точности определения комплекса механических свойств полимерных композитов с использованием метода конечных элементов (МКЭ);

3. Разработка усовершенствованных методик, последовательности, экспериментального оборудования и методов математической обработки результатов испытаний;

: 4,, Отработка. . созданных методов, математических моделей, алгоритмов, экспериментального оснащения в условиях испытательной лаборатории промышленного предприятия;

5. Разработка рекомендаций по проведению испытаний механических свойств особо ответственных деталей из полимерных композиционных материалов.

Научная новизна.

1. Впервые выявлены/ научно • обоснованы и сформулированы ограничения на форму и размеры образцов для механических испытаний, вырезаемых из композитных конструкций. .....

2. Предложена новая схема испытаний деталей из высокопрочных ортотропных композиционных материалов на модуль сдвига в плоскости и итерационный метод получения уточненных результатов измерений с использованием метода конечных элементов.

3. Выявлены геометрические ограничения на форму образцов, вырезаемых из композитных деталей, для испытаний на межслойный сдвиг и предложена расчетная схема для его определения.

4. Разработана усовершенствованная методика испытаний материала объектов машиностроения из полимерных композитов на ползучесть, позволяющая определить влияние климатического воздействия на деформативность и стабильность формы особо ответственных деталей несущих конструкций.

Практическая значимость.

1. Использование разработанных конечноэлементных моделей, имитирующих условия испытаний позволило обоснованно назначать размеры, форму образцов применительно к конструкции исследуемых деталей, и разрабатывать конструкцию специализированной испытательной оснастки.

2. Предложены методы испытаний, обработки их результатов, позволившие впервые определить комплект сдвиговых модулей композита с необходимой для конструирования точностью, что дает возможность выполнения уточненного динамического расчета высоконагруженных деталей машиностроительных конструкций.

3. Разработана методика испытаний полимерного композиционного материала несущих деталей на ползучесть, позволившая обоснованно прогнозировать их поведение в условиях климатических воздействий.

4. Методы и результаты исследований, полученные в работе, прошли апробацию и использованы в практике испытательной лаборатории высокотехнологичного машиностроительного предприятия.

Реализация результатов работы.

Диссертационная работа выполнена в рамках следующих научных программ и проектов:

Программа совместных НИОКР ОАО "Роствертол" и Южного научного центра РАН (ЮНЦ РАН) на 2005-2008 г.г. «Научно-методическое и кадровое обеспечение уровня технологических разработок при освоении выпуска нового поколения боевых вертолетов МИ», проекты РФФИ: 05-01-0б90а - " Теоретическое и экспериментальное исследование интеллектуальных пьезокомпозитных конструкций применительно к несущим элементам летательных аппаратов ", 06-01-08041- "Разработка экспериментально-аналитических методов определения полного набора упругих констант и прогноза динамических характеристик несущих элементов конструкций из композиционных материалов", 07-08-13589

офиц - "Развитие методов моделирования, промышленной реализации технологий производства активных полимеркомпозитных конструкций с интеллектуальным управлением и на этой основе создание и испытание уменьшенной модели активной лопасти вертолета", Госконтракт Федерального агентства по науке и инновациям № 02.442.11.7240 "Исследование и разработка технологий изготовления интеллектуальных полимеркомпозитных авиационных конструкций, использующих силовые пьезоэлементы"; хозяйственных договоров с ОАО "Роствертол": №462 от 1.06.2004 "Разработка методики и проведение сравнительных испытаний механических и прочностных характеристик композиционного материала лонжеронов несущего винта вертолета МИ-28 в зонах локального отбеливания", №100/437 от 1.07.2007 "Разработка • методики и проведение кратковременных и длительных испытаний механических свойств полимеркомпозитных материалов лопастей несущих и рулевых винтов при воздействии климатических факторов", № 579 от 30.08.2009 "Разработка методик входного и технологического контроля связующих, технических предложений и рекомендаций по их внедрению в ЦЗЛ и ЛЗ с целью повышения характеристик размерной стабильности и длительной прочности лонжеронов ЛНВ вертолета МИ-28Н",

Апробация результатов исследований.

Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях: "Авиакосмические технологии АКТ-2006", г. Воронеж; "Materials, Methods and Technology", Burgas, Bulgaria, 2006; "From Scientific Computing to Computational Engineering" 2nd IC-SCCE, Athens, Greece, 2006; ICNPAA- 2006, Mathematical Problems in Engineering and Aerospace Sciences, Budapest, Hungary; «Моделирование. Теория, методы и средства» и "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2006-2008; "Инновационные технологии в проектировании", Пенза, ПГУ, 2006; "Physics and Control -PhysCon 2007", Potsdam, Germany; "Динамика технологических систем ДТС-2007", ДГТУ, Ростов-на-Дону; молодежной конференции посвященной 100-летию академика С.П. Королёва, Самара, СГАУ, 2007; «Решетневские чтения», Красноярск, СибГАУ, 2008; "Новые материалы и технологии, НМТ-2008", Москва, МАТИ.

Публикации,

По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 1 статья в журнале Перечня ВАК РФ, 3 доклада на зарубежных профильных научных конференциях.

Структура и объём диссертации.

Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, библиографический список из 112 наименований и приложения; состоит из 125 страниц машинописного текста, имеет 83 рисунка и 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована научная и прикладная актуальность разработки методов испытаний, позволяющих определить важнейшие механические характеристики деталей из ортотропных полимерных композитов на образцах, вырезанных из готового изделия. Дано описание структуры и основных направлений исследования.

В первой главе представлено место испытаний механических свойств деталей в системе обеспечения качества изделий машиностроения как на стадии проектирования, так и при изготовлении. Рассмотрены проблемы, возникающие при испытании механических свойств деталей из ортотропных полимерных композитов.

Проведен анализ действующих отечественных и зарубежных стандартов на их соответствие следующим признакам:

- Определение типа анизотропии материала и ориентации ее главных осей в системе координат конструкции;

- Применимость стандарта для испытания конструкций из анизотропных композитов;

- Определение конкретного упругого модуля или характеристики ползучести композита, обладающего конструкционной анизотропией;

- Наличие рекомендаций по выбору формы, размеров, по отбору и количеству испытуемых образцов; по выбору схемы и режимов нагружения; по расчету испытуемого модуля и статистической обработке результатов испытания.

Показано, что российские государственные стандарты, определяя порядок испытания композитов для нахождения модулей Юнга, оставляют открытыми вопросы нахождения остальных модулей, влияния схемы вырезки, точности изготовления образцов и их нагружения на погрешность результатов. Приводится сравнение со стандартами ASTM. Рассмотрены методические ошибки в некоторых действующих стандартах и методах испытаний, рекомендуемых в технических справочниках. Обсуждены инструктивные материалы профессиональных обществ (SACMA, AGATE), уточняющие стандарты ASTM и указывая на ограниченность применения некоторых стандартов.

На основании изложенного сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены типы анизотропии полимерных композитов в связи с эксплуатационными требованиями к схеме нагружения и конструктивной прочности изделия. На основе анализа уравнений трехмерной теории упругости для ортотропного материала установлены возможные границы изменения коэффициентов Пуассона.

Показано, что измерение всех упругих характеристик ортотропного композита может быть выполнено не менее чем в шести независимых испытаниях, в которых создают однородные деформации растяжения и сдвига. При этом измерение упругого модуля и соответствующего коэффициента Пуассона должно производиться в одном испытании. На основе анализа структуры материала, создаваемой в процессе изготовления изделия, сформулирована проблема нахождения главных направлений анизотропии в конструкции изделия, определяющих схему вырезки образцов.

В разделе, посвященном количественному анализу структуры и определению главных направлений анизотропии - композиционного материала, приведена методика оцифровки и программной обработки изображений сечения композита, армированного стекловолокном, и статистическую обработку, позволяющую установить распределения расстояний между моноволокнами и соотношения армирующих и связующих компонентов. Эти результаты сделали возможным предварительную оценку методом смесей продольного и поперечных упругих модулей, знание которых необходимо для уточненного анализа результатов испытаний с использованием МКЭ.

Далее представлены результаты исследования влияния размеров и схемы приложения нагрузки к образцам на растяжение с уменьшенными размерами рабочей шейки и специальными отверстиями для приложения растягивающей нагрузки. Необходимость данного исследования была продиктована невозможностью вырезки длинных образцов для измерения поперечного модуля из испытуемого изделия и исключением проскальзывания образцов в захватах. Моделирование, проводимое МКЭ в рамках трехмерной анизотропной теории упругости на основе оценочных данных о материале, полученных методом смесей, позволило определить минимальные длину и ширину рабочей шейки, при которых возможно создание однородного напряженного состояния растяжения на длине, равной базе экстензометра.

Для двух представленных на рис.1 типов образцов результаты расчета продольных деформаций и смещений даны на рис.2. Они показывают, что для обоих типов образцов при ширине 10 мм длина шеек (без галтелей) 25 мм позволяет определить деформацию с помощью экстензометра с точностью не хуже 3%. Дальнейшее укорочение рабочей шейки требует ее сужения; возможность такого сужения исследовалась в экспериментальной части работы.

Рис. 1. Распределение нормальных растягивающих напряжений в образцах различной формы для испытаний на растяжение

0 301 со: 00] 00. 004 004 оОт 091 ' 001 0(1 6 01 004 00! 004 40) ООО

Длина х. М Д|)44НО X, м

Рис.2. Распределение деформаций растяжения по длине образцов без отверстий (слева) и с отверстиями (справа)

Для стандартного (АБТМ 05379-93) метода испытаний материала деталей на модуль сдвига в плоскости по методу Иосипеску (см. рис.3) с использованием конечноэлементного анализа проведено исследование влияния погрешностей изготовления образцов и их крепления в испытательном приспособлении на точность измерения модуля сдвига.

Согласно стандарту при деформации чистого сдвига, которая должна быть реализована в зоне между разрезами образца, испытуемого по схеме (рис.3), модуль сдвига определяется только величиной деформации ухг и создающими ее касательными напряжениями тХ1.

р

| Вертикальные 1 ~]1|ППр1ШЛЯ(ОЩИе

Рис.3. Схема (а) и образец (б) для испытания на сдвиг в плоскости (А5ТМ 05379-93)

Однако в эксперименте по показаниям датчиков в направлениях ±45° (на рис.3 расположение тензорозетки отмечено крестиком) определяется не деформация уХ2 в точке М, а средняя сдвиговая деформация в рабочей зоне образца:

^ ~ £45° ~ 45° (1)

Из вычисленного значения деформации и среднего приложенного напряжения сдвига т = Р/ А (отношение приложенной силы к площади

сечения рабочей области между разрезами) вычисляется эффективный модуль сдвига в плоскости хг.

Сх,=т/г. (2)

Т.к. г не является точным значением напряжения в области, где размещены датчики, найденный эффективный модуль должен быть умножен на корректирующий коэффициент С

СXI ~ ССхг, (3)

равный

С-г0/?»

— \rclV,

(4)

где интегрирование распространяется на объем \/0 под площадкой, покрываемой датчиками. Значение корректирующего множителя С определяли на основе МКЭ анализа напряженно-деформированного состояния образца в окрестности зоны установки датчиков. Для выполнения этого анализа используются значения всех упругих модулей, в том числе, и

исследуемого модуля сдвига. Получение оценочных значений продольных модулей предложено производить метод смесей или по результатам испытаний на растяжение-сжатие, а сдвиговых модулей - предварительными экспериментами на изгиб или кручение по трех- и четырехточечным схемам. Приведенный анализ точности таких методов показал их пригодность только на стадии предварительной оценки модулей сдвига.

Для исключения приложенной к траверсе испытательной машины боковой реакции, приводящей к погрешности силоизмерителя, была предложена модифицированная схема испытания и оснащение для симметричного нагружения образцов (рис, 4).

Для выяснения влияния погрешностей изготовления и закрепления образцов была проведена серия численных экспериментов с моделями образцов для испытаний по схеме рис.4 с различным направлением главных осей ортотропной анизотропии. Рассматривалась статическая задача теории упругости в рамках плоско-напряженного состояния (плоскость кг).

Рис.4. Схема испытательной установки для измерения модуля сдвига в плоскости композитной пластины

В численных экспериментах изучались распределения смещений их, и2 и напряжений сгхх,<угг,сгхг в зоне образца между разрезами. На основе полученных смещений моделировали показания тензодатчиков, по формуле (2) вычисляли значение модуля сдвига с55 и относительную погрешность (в процентах) его определения

<Нг55-с„|/с55х100%. (5)

Результаты моделирования позволили определить максимальные размеры датчиков АххАг~4x5 мм, обеспечивающие допустимую

погрешность 1,5-2% результатов испытания при идеальной форме образцов. Показано, что увеличение размеров датчиков на 20% приводит к погрешности определения модуля сдвига более 15%.

Исследование влияния радиусов скругления вершин вырезов на точность измерения показало что радиус скругления 0,7 мм приводит к завышенному значению модуля сдвига (погрешность 8 =8.8%; С=0.919) за счет снижения сдвиговых напряжений в центре образца (см. рис. 5).

Показано, что относительное горизонтальное смещение вершин вырезов также приводит к завышению значения модуля сдвига. При смещении вершин на 0,5 мм завышение модуля сдвига составляет ~11%.

Результаты выполненных численных экспериментов показали, что инструментальные погрешности, обусловленные допускаемыми стандартом отклонениями геометрии образцов и неидеальностью их крепления, на порядок меньше, чем погрешности метода в результате использования для расчета сдвигового модуля грубого приближения для напряжений в центральной точке образца х = Р/ А .

Рис.5. Результаты МКЭ - расчета напряжения <тХ7 внутри рабочей

области образца (а) и по высоте поперечного сечения (б) 1 - идеальные вырезы; 2 - вырезы скруглены радиусом 0,7 мм

Из этого следует вывод о необходимости дополняющего физический эксперимент численного определения напряжений сдвига в центральной точке образца даже при обеспечении идеальных условий испытания.

Для реальных условий испытаний, когда присутствуют геометрические погрешности формы и закрепления образцов, а остальные модули определены предварительно с помощью независимых экспериментов, предложена итерационная схема уточнения и определения интервала значений модулей сдвига на основе численного эксперимента в рамках МКЭ. Исходными данными для запуска итерационного процесса являются Р - сдвигающее усилие и уехр -

измеренная деформация сдвига, используя которые определяют Э55 по

<ух-, МПа

4 ' б 8 10 12 14 16 мм

б)

формуле (2). Далее используются результаты МКЭ - моделирования по схеме:

Расчеты, проведенные по предложенной схеме для тестового ортотропного материала, показали ее быструю сходимость:

с§) = с55 =1.166 ГПа , =1.019 ГПа , =1.0275 ГПа, что отличается

от точного значения менее чем на 0.05%. Схема предложена для использования при отсутствии точной информации о характере геометрических отклонений рабочей части образцов. Варьируя величину этих отклонений в пределах допуска на изготовление, с использованием только компьютерного моделирования производится построение поля рассеяния и доверительного интервала для модуля сдвига по результатам одного испытания.

В работе выполнено обоснование метода определения модуля межслойного сдвига испытанием на кручение призматических образцов. Рассмотрен также метод предварительной экспериментальной оценки этого модуля (ошибочно называемый некоторыми авторами методом измерения) испытанием короткобалочным трехточечным изгибом. Методика использует испытание на кручение группы призматических образцов прямоугольного сечения (2ах2Ь) с разным отношением

ширины к толщине. Когда координатные плоскости ортотропного стержня служат плоскостями его симметрии, задача о кручении вдоль оси г приводится к уравнению Пуассона для функции напряжений

где в - погонный угол закручивания; сдвиговые модули ^1=Е131з, Уг=^2323/ координатные плоскости, обозначенные х-*1, у->2, г-^З, связаны с новыми координатами £/7 аффинным преобразованием

0. /»О, МКЭг(0)=стЛ2(л-«..г«);

1./ = 1, «?» = г(0)/',/сч) -> МКЭ га>^стх2(х1)Гут). (б) 2.1 = 2,4.<)=Л;'«Ч> МКЭ 2' = ахг(хтОт); И Т.Д.

а2г/а#2 +д2г/дп2=-4в№2/Ь'\ +/'2)

(7)

£ =Х1+ /'2 )/2//2 ; 7 = *2 -У/С"! + /'2 )/2/' 1 >

(8)

Решением уравнения (7) является ряд

где

а

2п +1 тс 2 а

Это решение позволяет выразить связь между погонным углом закручивания в и крутящим моментом М

где к] зависит только от отношения Х = Р/сс = Ь/а ^[¡и^/^ м выражается в виде ряда

к =1 _ £ /фЯ + 1)г//2] (12)

Я- дг я=0

(2л +1)5

Исследование возможности использования соотношения (12) для определения модуля сдвига в испытаниях на кручение производилось с помощью МКЭ, где моделировались реальные размеры и механические свойства композитного материала (рис. б). Нагружение производили четырьмя различными моментами. По графикам изменения угла закручивания вдоль оси образца (рис.7) определяли величину угла между точками х1г х2, удаленными на 50 мм от концов образца, и для каждого момента находили величину

М^[{2а)\2Ь)\^к1(ь/а^//11}^ .в,, / = 1,2,3,4

(13)

после чего по точкам строили .регрессионное уравнение прямой (рис.8), угловой коэффициент С, которой представлял собой к1(ь/ал1^2///|)•//[.

Рис.6. МКЭ моделирование испытаний образца на кручение

Рис.8. Определение величины

с\ ¡Иг = (ь/а -у//'2 / ¿'1 )• /'1 из Рис.7. Изменение угла закручивания регрессионной зависимости вдоль оси образца приведенного крутящего

момента от погонного угла закручивания

После этого численно решали уравнение

где £ = Ь/а ; ?7 = ///, (рис.9).

Из найденного значения п° и определенного из независимого эксперимента р2 определяется модуль сдвига р^МгСП0)2-

! '110 --

С1 — .................!.................... ...........!............. ........1 .......

........ ....... ... // ;......1...... .............,[,.........I................

1 -о-:-

Рис.9. Графическое решение уравнения (14)

Исследование разработанной методики показало, что вычисленная величина модуля ¡^ существенно зависела от соотношения сторон сечения образца. При увеличении длины стороны сечения результат

рассчитываемого модуля сдвига (относящегося к короткой стороне) приближается к значению модуля сдвига, относящегося к более длинной стороне. Наоборот, при выравнивании длин сторон рассчитанное значение модуля менее чем на 1% отклоняется от истинного. Полученный результат был объяснен в результате анализа напряженного состояния материала в сечении образца. Напряжения сдвига, определяемые модулем сдвига в плоскости ху, занимают существенно большую площадь и имеют большую величину, чем напряжения, определяемые модулем сдвига в плоскости, отвечающей толщине стержня. Показано, что наименьшая погрешность результатов испытания достигается при использовании образцов квадратного сечения. В связи с тем, что изделия из ортотропных композитов являются, как правило, тонкостенными, это составляет геометрическое ограничение метода на форму используемых образцов.

В третьей главе представлена разработка методики испытаний характеристик ползучести деталей из полимерных композитов на основе вязкоупругой модели Бюргерса

\

~- а +

Е

м

1 +

Пм ЕМ

а + ^а = Г]Кё+Ек£. (15)

Чм

где а -приложенное напряжение, а £■(/)- развивающаяся во времени

деформация, предложено использовать в качестве характеристик ползучести полимерного композиционного материала четыре параметра Ек ,г)к, Ем, уравнения (15). Как следует из графика на рис.10, параметры модели выражаются через величины, надежно регистрируемые в эксперименте. Так, параметр Ем определяется через

деформацию в начальный момент испытания, параметры цм и Ек-через угловой коэффициент и точку пересечения асимптоты с осью деформаций; параметр >]к - через начальную скорость деформации. Эти

характеристики отклика не подвержены влиянию шумов и локальных флуктуаций, поэтому обеспечивают высокую надежность идентификации параметров модели.

При проведении испытаний на ползучесть в производственных условиях необходимо иметь минимальное количество параметров, исчерпывающим образом характеризующих свойства материала без дальнейшего использования этих параметров в теоретических расчетах. Для этих целей предложена аппроксимация временных диаграмм ползучести наиболее простой функцией, описывающей этапы первичной и стационарной ползучести

*«■(<)= Ч -0 - ехр{-[¡та.))+ ¿, •/. (16)

Рис.10. Выражение параметров модели Бюргерса через характеристики отклика при испытании на ползучесть

где: £сг{{) ~ текущая деформация ползучести, £-0 - характерный масштаб и тсг - постоянная времени деформации нестационарной ползучести, ¿( - скорость установившейся ползучести,

При использовании результатов испытания на ползучесть для конструктивных расчетов предложено использование наследственной формы уравнения ползучести, где параметры ядра ползучести

4()=УЕм +ф1м +1 /Ек [1 -ехр{-Ек/пк)} (17)

определяются по результатам испытаний по методике (см. рис. 10).

В четвёртой главе приведены результаты испытаний согласно разработанным методикам и факты, уточняющие теоретические положения работы. Комплекс экспериментальных исследований был выполнен на образцах, вырезанных из лонжерона лопасти несущего винта вертолета МИ-28.

Микрофотографии структуры композита (см. рис.11) использовались для количественного анализа распределений армирующих и связующих компонентов (см. рис.12), а также для определения ориентации главных осей анизотропии в системе координат изделия. Это позволило получить полуколичественные оценки продольного и поперечных модулей упругости для расчетов по МКЭ, и назначить правила вырезки образцов.

-то-,,; --------

•Р»*»^««^«^»»^^............................

Рис. 11. Микрофотографии поперечного среза

(перпендикулярно направлению укладки ленты в композиционном материале) лонжерона

ШЩ

13- ¡.456 мкм)

0.3

|Т~= 2 975 мкм!

тШ!^

радиус моноволокга, мкм

а)

расстошше между моковолокнами <1, мкм б)

Рис. 12. Распределение диаметров и расстояний между моноволокнами Представлены методики и результаты испытаний механических свойств армирующих волокон и образцов полимеризованного связующего на прецизионной испытательной машине.

В результате испытаний продольного и поперечного модулей упругости армированного композита показано, что использование образцов для растяжения с шириной рабочей шейки, меньше 20 мм, приводит к занижению величины измеренного модуля упругости, что обусловлено "концевым эффектом" армирующих нитей. Впервые корректно измеренная величина коэффициента Пуассона V// составила 0.78.. 1.06, что в 4 раза отличается от данных разработчика материала, не имевшего в распоряжении современных методик испытаний.

Испытания на сдвиг в плоскости пластины, выполненные по усовершенствованной схеме (рис. 4, 13), позволили впервые определить величину этого упругого модуля.

и, мВ

Рис.13. Приспособление для испытания композита на сдвиг в плоскости и временные диаграммы напряжений датчиков при нагружении

Исследованиями методов оценки модуля межслойного сдвига испытаниями на кручение квадратной пластины и короткобалочным изгибом установлен порядок точности, даваемый этими методами, что позволило обосновать использование их результатов в предварительном МКЭ анализе испытаний на- кручение призматических образцов. Показано, что данный метод может быть использован только при наличии данных о величине модуля сдвига в плоскости пластины, полученных независимым экспериментом, а также установлена зависимость получаемого результата испытаний от соотношения сторон прямоугольного сечения образца. Приведены примеры использования полученных теоретических соотношений и МКЭ моделей для уточнения и получения оценки погрешности, зависящей от формы сечения.

При испытаниях на ползучесть использовалась система поддержания постоянства нагрузки, а также схема крепления образцов, исключающая проскальзывание, интерпретируемое измерительной системой как элементарный акт ползучести. Временные реализации процесса ползучести сохранялись в текстовом файле с шагом дискретизации по времени 0.01 сек, разрешением по деформации 0.5 мкм и по усилию 1 Н. Пример диаграммы ползучести, снятой при испытаниях, и результат ее приближения моделью (16) дан на рис.14.

Результаты показали высокую надежность, воспроизводимость и чувствительность разработанной методики расчета параметров диаграмм к технологическим условиям изготовления композитной конструкции и к климатическому воздействию на нее. Разработанная методика испытаний обеспечила возможность количественной оценки характеристик длительной прочности, стабильности формы несущих деталей из высокопрочных полимерных композитов, а также совершенствования методов расчета и проектирования.

0 0015

I 0 001

к

I

3

о. -J

3

° й № 200 300 400 500 600 ш 800 900 1000 1100 Ш0 1300 И00 1500 1600 1700 1800 1900 2000

Время, с

Рис. 14. Диаграммы ползучести: эксперимент и численная модель

& пятой главе обобщены результаты выполненных исследований и апробации разработанных методик в условиях испытательной

лаборатории высокотехнологичного производственного предприятия. Разработанные рекомендации в форме утвержденных методик приняты для использования в Центральной заводской лаборатории ОАО "Роствертол". Результаты испытаний механических свойств композиционных материалов использовались при выполнении проектов РФФИ, Минобрнауки РФ и РАН в качестве исходных данных для разработки усовершенствованных методик динамического расчета конструкций на основе синтеза CAD/CAE вычислительных технологий.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана и программно реализована с помощью компьютерного анализа изображений методика количественного анализа структуры композита, позволившая создать способ предварительной оценки продольного и поперечных упругих модулей, необходимых для конечноэлементного анализа поведения материала образцов при испытаниях, установить ортотропный характер, главные направления анизотропии и обосновать схему вырезки образцов для испытаний.

2. Предложен алгоритм определения упругих параметров ортотропного композиционного материала, включающий группу вспомогательных оценочных методов испытаний композита, механических характеристик армирующих волокон и полимеризованного связующего.

3. Определены геометрические ограничения на форму вырезаемых из готовой детали образцов для определения продольного и поперечных модулей. Выявлен эффект кажущегося снижения модуля упругости, обусловленный укорочением армирующих нитей.

4. Разработана методика и программное обеспечение для конечноэлеметного моделирования механических испытаний образцов различной формы, вырезанных из готового изделия.

5. Предложена усовершенствованная методика, модифицированная схема испытания материала композитных деталей на сдвиг в плоскости, итерационная техника уточнения значений измеренного модуля и оценки влияния погрешностей изготовления образцов на точность замеров, полученных в испытаниях.

6. Теоретически обоснована и экспериментально апробирована усовершенствованная методика определения модуля межслойного сдвига при кручении призматических образцов из ортотропного композиционного материала, включающая рекомендации по выбору формы образцов, использования результатов предварительных испытаний и обработки результатов, что позволило уменьшить погрешность определения данного модуля до 5-7%.

7. На основе использования вязкоупругой модели Бюргерса предложена и экспериментально реализована методика испытаний полимерного композита на ползучесть, позволяющая повысить надежность, воспроизводимость результатов испытаний, тем самым, создав условия для прогноза точности формы деталей из полимерных композитов, эксплуатируемых в условиях климатических воздействий.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах;

Статья в издании, входящем в Перечень ВАК ведущих рецензируемых научных журналов:

1. Определение упругих характеристик полимеркомпозитных материалов на основе модифицированых методик. Теоретический и численный анализ/ О.Д. Паханьян, А. А Бычков [и др.] // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2006. - Т. 6, № 2 (29). - С. 89-102.

Статьи в других научных изданиях:

2. Finite element modeling for interpretation of orthotropic polymeric composites mechanical tests results / О. Д. Паханьян [и др.] // Technomat & Infotel - 2006: Proceedings of Intern. Science Conf., June. - Burgas, Bulgaria, 2006. - P. 42-56.

3. Шевцов С. H. Biomechanical Analogies in Wing Apparatus of Flying Insects Applying to Design Problem of Helicopter Rotor Blade / С. H. Шевцов, A. H. Соловьев, О. Д. Паханьян // ICNPAA - 2006: Abstract 6 th International Conference on Mathematical Problems in Engineering and Aerospace Sciences, June 21-23. - Budapest, 2006. - P. 56.

4. Шевцов С. H. Polymeric Composite Shear Elastic Constants Determination on the Basis of Modified Technique / С. H. Шевцов, A. H. Соловьев, О. Д. Паханьян // From Scientific Computing to Computational Engineering: Proceedings 2 nd International Conference, 5-8 July. - Athens, Greece, 2006. - P. 76-77.

5. Компьютерное моделирование технологии формования композитных деталей / В. Н. Аксенов, О.Д. Алексеева [и др.] // Надежность и качество: тр. Междунар. симп. - Пенза, 2006. - Т. I. - С. 159-161.

6. Совершенствование технологии формования крупногабаритных композитных деталей с использованием компьютерного моделирования / С. Н. Шевцов Ю.Б.Рубцов, Н.Г.Снежина, О.Д. Алексеева// Моделирование. Теория, методы и средства: материалы VI Междунар. науч. - практ. конф., 7 апр. / ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск, 2006. - Ч. 4. -С. 50-53.

7. Алексеева О. Д. Стандартизация методов испытания механических свойств материала композитных авиационных конструкций / О. Д.

Алексеева // IX Королевские чтения: материалы Всерос. молодеж. науч. конф. с междунар. участием, 1-3 окт. - Самара, 2007. - С. 127.

8. Алексеева О. Д. Испытания механических свойств полимерных композиционных материалов лонжеронов лопастей вертолетов / О. Д. Алексеева, А. А. Клименко // Новые материалы и технологии НМТ - 2008: материалы Всерос. науч.- техн. конф., 11-12. нояб. - М., 2008. - Т. 2. -С. 106-107.

9. Алексеева О. Д. К определению модуля межслойного сдвига ортотропного полимерного композита в испытаниях на кручение призматических образцов / О. Д. Алексеева, Г. Н. Тоискин, В. Н. Аксенов // Труды VIII Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем / ДГТУ. - Ростов н/Д, 2007. - Т. III. - С. 202-211.

10. Исследование точности измерения модуля межслойного сдвига ортотропных композитов в испытаниях на кручение / С. Н. Шевцов Соловьев А.Н., Алексеева О.Д. // Теория, методы и средства измерений и диагностики: материалы VIII Междунар. науч. - практ. конф. -Новочеркасск, 2007. - С. 45-49.

11. Методика и результаты идентификации ядра ползучести полимерных композитов / С. Н. Шевцов, Алексеева О.Д. [и др.] // Теория, методы и средства измерений и диагностики: материалы VIII Междунар. науч. - практ. конф. - Новочеркасск, 2007. - С. 45-49.

12. Экспериментальное определение комплекса механических свойств полимеркомпозитных материалов авиационных конструкций / С. Н. Шевцов Л.В.Чинчян, Алексеева О.Д., А.А.Клименко// Решетневские чтения: материалы XII Междунар. науч. конф., посвящ. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева, 10-12 нояб. - Красноярск, 2008. - С. 34-35.

В набор 05.05.08. В печать 06.05.10

Объем 1,5 усл.п.л., 1,35 уч.-изд.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ №<З^Гираж 100

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина, 1.

Введение

1. Испытания механических свойств несущих конструкций и g деталей машин из высокопрочных полимерных композитов. Роль в достижении качества проектных решений, эффективности технологий производства, эксплуатационных свойств. Проблемы обеспечения полноты информации, точности, надежности и воспроизводимости результатов испытаний.

1.1. Важнейшие типы деталей машин из высокопрочных g полимерных композитов: Особенности работы, технологии производства и конструктивных расчетов

1.2. Место и роль испытаний механических свойств деталей из армированных полимерных композитов в системе "проектирование - производство - эксплуатация"

1.3. Методы и системы стандартов испытаний механических свойств ] 9 деталей из высокопрочных полимерных композитов

1.4. Выводы

1.5. Цель и задачи исследований

Разработка усовершенствованных методов испытаний для определения упругих характеристик ортотропных полимеркомпозитных материалов несущих деталей и конструкций

2.1. Уравнения механики анизотропных сред и полный набор 29 упругих модулей ортотропных композитов

2.2. Исследование точности результатов одноосных 36 деформационных испытаний

2.3. Разработка усовершенствованной методики испытаний для 41 определения модуля сдвига в плоскости

2.4. Исследование метода определения модуля межслойного сдвига в 56 испытаниях на кручение

2.5. Выводы

Модель и параметры ползучести для характеристики поведения 7 \ высокопрочных полимерных композитов при длительных испытаниях

3.1. Модель ползучести Бюргерса: уравнения, параметры и методы 73 их расчета по данным испытания

3.2. Разработка инженерной методики обработки данных испытания 78 на ползучесть

3.3. Выводы

4. Экспериментальное исследование методик испытаний механических свойств конструкций из армированного полимерного композита (на примере лонжерона лопасти вертолета)

4.1. Определение типа и главных направлений конструкционной 83 анизотропии материала в системе координат детали

4.2. Количественные оценки продольного и поперечного упругих 88 модулей и коэффициентов Пуассона

4.3. Определение продольного и поперечного упругих модулей и 94 коэффициентов Пуассона в одноосных деформационных испытаниях

4.4. Количественные оценки модулей сдвига по результатам ЮЗ испытаний на короткобалочный изгиб и кручение квадратной пластины

4.5. Испытания на сдвиг в плоскости по модифицированной Ю7 методике

4.6. Испытания на межслойный сдвиг кручением группы образцов \\

АЛ. Определение параметров ползучести в длительных испытаниях

4.8. Выводы

5 Разработка рекомендаций по использованию результатов работы \22 в практике испытательной лаборатории

Необходимым условием создания новых технологий композиционных и керамических материалов, а также новых поколений ракетно-космической и авиационной техники, что входит в Перечень критических технологий Российской Федерации, утвержденный Президентом РФ, является разработка методов испытаний машин и их элементов, выполненных из таких материалов. Эти задачи конкретизированы в мероприятиях "Перспективная авиационная техника" ФЦП "Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 годы и на период до 2015 года", а также в "Стратегии развития авиационной промышленности на период до 2015 года", утвержденной Минпромом РФ, включающих формирование научного задела по проблемам проектирования и создания конструкций из новых материалов, снижения коэффициента вариации свойств этих материалов в 2 - 2,5 раза.

В последние годы большинство отечественных и крупнейших зарубежных производителей транспортной и авиационной техники (AT) переходят на использование в конструкции несущих деталей высокопрочных композиционных материалов на основе стекло- и углепластиков и термореактивных связующих. Однако использование новых композиционных материалов предъявляет ряд новых требований к методологии конструирования таких деталей. В частности, проблема расчета динамики такой сложной композитной конструкции, как лопасть вертолета, состоит в том, что композиционный материал в отличие от стали и сплавов алюминия анизотропен, т.е. характеризуется значительно большим числом упругих механических параметров (в конструкционных сплавах их всего два); и этот чрезвычайно сложный и трудоемкий динамический расчет не может быть выполнен без знания полного набора механических характеристик композиционного материала. Как известно, упругие модули композитов чрезвычайно чувствительны к схеме намотки (укладки) слоев, составу компонентов и режимам формования. Известные попытки создания теоретических методов предсказания упругих характеристик ортотропных композитов пока не позволяют использовать эти методы в конструктивных расчетах элементов AT. Поэтому проблема экспериментального определения полного набора упругих характеристик и параметров ползучести композиционного материала готового изделия имеет исключительно важное практическое значение. Наиболее надежную информацию об механических свойствах композиционных материалов можно получить только на образцах, вырезаемых из готовых изделий или их технологических припусков, т.к. невозможно обеспечить полное соответствие схемы намотки, состава армирующих и связующих компонентов, температурносиловых режимов формования натурного изделия и пластин, специально изготовленных для вырезки образцов.

До настоящего времени отечественные государственные стандарты на механические испытания анизотропных композиционных материалов отсутствуют. Это обстоятельство послужило причиной принятия Федерального закона №385-Ф3 от 30.12.2009 "О внесении изменений в Федеральный закон "О техническом регулировании"", где сформулированы условия и порядок использования общеевропейских и мировых стандартов при отсутствии их отечественных аналогов. Однако даже в зарубежных стандартах, принятых всеми мировыми производителями AT, прямо указывается на ограниченность методов определения ряда упругих характеристик ортотропных композитов, в частности, сдвиговых модулей. Поэтому работа направлена на создание и апробацию в условиях авиационного предприятия комплекса теоретико-экспериментальных методик определения полного набора механических свойств полимерных композитов, позволяющих обоснованно выполнить необходимые конструктивные расчеты и гарантировать качество изготовления ответственных несущих конструкций.

В работе получены следующие научные результаты.

1. Впервые выявлены, научно обоснованы и сформулированы ограничения на форму и размеры образцов для механических испытаний, вырезаемых из композитных конструкций.

2. Предложена новая схема испытаний деталей из высокопрочных ортотропных композиционных материалов на модуль сдвига в плоскости и итерационный метод получения уточненных результатов измерений с использованием метода конечных элементов.

3. Выявлены геометрические ограничения на форму образцов, вырезаемых из композитных деталей, для испытаний на межслойный сдвиг и предложена расчетная схема для его определения.

4. Разработана усовершенствованная методика испытаний материала объектов машиностроения из полимерных композитов на ползучесть, позволяющая определить влияние климатического воздействия на деформативность и стабильность формы особо ответственных деталей несущих конструкций.

В работе получены результаты, имеющие непосредственный выход в практику испытаний деталей машин из высокопрочных композиционных материалов.

1. Использование разработанных конечноэлементных моделей, имитирующих условия испытаний позволило обоснованно назначать размеры, форму образцов применительно к конструкции исследуемых деталей, и разрабатывать конструкцию специализированной испытательной оснастки.

2. Предложены методы испытаний, обработки их результатов, позволившие впервые определить комплект сдвиговых модулей композита с необходимой для конструирования точностью, что дает возможность выполнения уточненного динамического расчета высоконагруженных деталей машиностроительных конструкций.

3. Разработана методика испытаний полимерного композиционного материала несущих деталей на ползучесть, позволившая обоснованно прогнозировать их поведение в условиях климатических воздействий.

4. Методы и результаты исследований, полученные в работе, прошли апробацию и использованы в практике испытательной лаборатории высокотехнологичного машиностроительного предприятия.

Диссертационная работа выполнена в рамках следующих научных программ и проектов:

Программа совместных НИОКР ОАО "Роствертол" и Южного научного центра РАН (ЮНЦ РАН) на 2005-2008 г.г. «Научно-методическое и кадровое обеспечение уровня технологических разработок при освоении выпуска нового поколения боевых вертолетов МИ», проекты РФФИ: 05-01-0690а -" Теоретическое и экспериментальное исследование интеллектуальных пьезокомпозитных конструкций применительно к несущим элементам летательных аппаратов 06-01-08041- 'Разработка экспериментально-аналитических методов определения полного набора упругих констант и прогноза динамических характеристик несущих элементов конструкций из композиционных материалов", 07-08-13589 офиц - "Развитие методов моделирования, промышленной реализации технологий производства активных полимеркомпозитных конструкций с интеллектуальным управлением и на этой основе создание и испытание уменьшенной модели активной лопасти вертолета",

Госконтракт Федерального агентства по науке и инновациям № 02.442.11.7240 "Исследование и разработка технологий изготовления интеллектуальных полимеркомпозитных авиационных конструкций, использующих силовые пьезоэлементы"; хозяйственных договоров с ОАО "Росгвертол": №462 от 1.06.2004 "Разработка методики и проведение сравнительных испытаний механических и прочностных характеристик композиционного материала лонжеронов несущего винта вертолета МИ-28 в зонах локального отбеливания", №100/437 от 1.07.2007 "Разработка методики и проведение кратковременных и длительных испытаний механических свойств полимеркомпозитных материалов лопастей несущих и рулевых винтов при воздействии климатических факторов", № 579 от 30.08.2009 'Разработка методик входного и технологического контроля связующих, технических предложений и рекомендаций по их внедрению в ЦЗЛ и J13 с целью повышения характеристик размерной стабильности и длительной прочности лонжеронов J1HB вертолета МИ-28Н".

Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях: "Авиакосмические технологии АКТ-2006", г. Воронеж; "Materials, Methods and Technology", Burgas, Bulgaria, 2006; "From Scientific Computing to Computational Engineering" 2nd IC-SCCE, Athens, Greece, 2006; ICNPAA- 2006, Mathematical Problems in Engineering and Aerospace Sciences, Budapest, Hungaiy; «Моделирование. Теория, методы и средства» и "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2006-2008; "Инновационные технологии в проектировании", Пенза, 111 У, 2006; "Physics and Control - PhysCon 2007", Potsdam, Germany; "Динамика технологических систем ДГС-2007", ДГТУ, Ростов-на-Дону; молодежной конференции посвященной 100-летию академика С.П. Королёва, Самара, СГАУ, 2007; «Решетневские чтения», Красноярск, СибГАУ, 2008; "Новые материалы и технологии, НМГ-2008", Москва, МАШ.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н. МБ.Флеку, а также коллективам лаборатории "Машиностроение" Южного научного центра РАН, кафедры "Авиастроение" ДГТУ, НИИ механики и прикладной математики ЮФУ, Центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ) ОАО 'Росгвертол" и лично профессорам СНШевцову, А.Н.Соловьеву, ведущему специалисту ЦЗЛ ЛВ.Чинчяну за проявленное внимание к исследованию, творческие дискуссии и помощь в выполнении наиболее сложных экспериментов.

6. Общие выводы по работе

1. Разработана и программно реализована с помощью компьютерного анализа изображений методика количественного анализа структуры композита, позволившая создать способ предварительной оценки продольного и поперечных упругих модулей, необходимых для конечноэлементного анализа поведения материала образцов при испытаниях, установить ортотропный характер, главные направления анизотропии и обосновать схему вырезки образцов для испытаний.

2. Предложен алгоритм определения упругих параметров ортотропного композиционного материала, включающий группу вспомогательных оценочных методов испытаний композита, механических характеристик армирующих волокон и полимеризованного связующего.

3. Определены геометрические ограничения на форму вырезаемых из готовой детали образцов для определения продольного и поперечных модулей. Выявлен эффект кажущегося снижения модуля упругости, обусловленный укорочением армирующих нитей.

4. Разработана методика и программное обеспечение для конечноэлеметного моделирования механических испытаний образцов различной формы, вырезанных из готового изделия.

5. Предложена усовершенствованная методика, модифицированная схема испытания материала композитных деталей на сдвиг в плоскости, итерационная техника уточнения значений измеренного модуля и оценки влияния погрешностей изготовления образцов на точность замеров, полученных в испытаниях.

6. Теоретически обоснована и экспериментально апробирована усовершенствованная методика определения модуля межслойного сдвига при кручении призматических образцов из ортотропного композиционного материала, включающая рекомендации по выбору формы образцов, использования результатов предварительных испытаний и обработки результатов, что позволило уменьшить погрешность определения данного модуля до 5-7%.

7. На основе использования вязкоупругой модели Бюргерса предложена и экспериментально реализована методика испытаний полимерного композита на ползучесть, позволяющая повысить надежность, воспроизводимость результатов испытаний, тем самым, создав условия для прогноза точности формы деталей из полимерных композитов, эксплуатируемых в условиях климатических воздействий.

1. Авиационные правила, часть 21. Процедуры сертификации авиационной техники. ОАО "Авиаиздат". 1999

2. Алексеева О.Д., Клименко А.А. Испытания механических свойств полимерных композиционных материалов лонжеронов лопастей вертолетов // Всероссийская научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии", НМТ-2008/МАТИ. -Москва, 2008

3. Ашкенази Е.К., Ганов Э.В. Анизотропия конструкционных материалов. Справочник // Л.: Машиностроение, 1980, 247 с.

4. Браутман Л., Крок Р., Применение композиционных материалов в технике. М.: Машиностроение, 1978-Т.З, 511 с.

5. ГОСТ 25.601-80 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах

6. ГОСТ 25.602-80—Расчёты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытаний на сжатие при нормальной, повышенной и пониженной температурах. Госстандарт СССР

7. ГОСТ 25.604-82—Расчёты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытаний на изгиб при нормальной, повышенной и пониженной температурах. Госстандарт СССР

8. ГОСТ 9.707-81 Материалы полимерные. Методы ускоренных испытаний на климатическое старение. Госстандарт СССР

9. ГОСТ 9.715-86 Материалы полимерные. Методы испытаний на стойкость к воздействию температуры. Госстандарт СССР

10. ГОСТ 9.719-94 Материалы полимерные. Методы испытаний на старение при воздействии влажного тепла, водяного и соляного тумана. Госстандарт СССР

11. Грооп Д. Методы идентификации систем // М.Мир. 1979, 302 с.

12. Далин В.Н., Михеев С.В. Конструкция вертолетов: Учебник. М.: Изд-во МАИ, 2001. -352с.

13. Джонсон У. Теория вертолета. Т. 1,2, М., Мир, 1983, 1024 с.

14. Закон Российской Федерации "О техническом регулировании" от27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ

15. Коваленко А.А. Влияние температуры и влаги на анизотропию жесткости листовых композитов // Дис. К.т.н., Алтайский ГТУ, 2000, 150 с.

16. Композиционные материалы. Под ред. Д.М.Карпиноса. К., Наукова думка, 1985, 592 с.

17. Кониок Д.А. и др. Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона // Механика композиционных материалов и конструкций, 2004, Т. 10, №1, с. 70-79

18. Крысин В.Н., Крысин М.В. Технологические процессы формования, намотки и склеивания конструкций, М.: «Машиностроение» 1989, 235с.

19. Латищенко В.А. Диагностика жесткости и прочности материалов // Рига, Зинатне, 1968, 310с.

20. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение // М.: Машиностроение, 1980, 492 с.

21. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М.: Наука, 1977, 415 с.

22. Лехницкий С.Г. Кручение анизотропных стержней. М.: Наука, 1971, 240 с.

23. Миль М.Л.и др. Вертолеты. Расчет и проектирование. Т.2. Колебания и динамическая прочность. М., Машиностроение, 1967, 420 с.

24. Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетере Г.А. Сопротивление жестких полимерных материалов // Рига, Зинатне, 1972, 498 с.

25. Москвитин В.В. Циклические нагружения элементов конструкций // М.: Наука, 1981, 344 с.

26. Мэтыоз Ф., Роллингс Р. Композиционные материалы. Механика и технология. М: Техносфера, 2004. 406 с.

27. Неупругие свойства композиционных материалов. Под ред. К. Терскевич. Мир, Москва, 1978, 274 с.

28. Новацкий В. Теория упругости // М.:Мир, 1975.-750 с.

29. Пальмов В.В. Колебания упруго-пластических тел // М.: Наука, 1976, 328 с.

30. Паханьян О.Д., Бычков А.А., Соловьев А.Н.,Фомин А.В.,Шевцов С.Н. Определение упругих характеристик полимеркомпозитных материалов на основе модифицированных методик. Теоретический и численный анализ // Вестник ДГТУ.-2006,- Т.6.-№2(29)

31. Писаренко Г.С., Можаровский Н.С. Уравнения и краевые задачи теории пластичности и ползучести // Киев, Наукова думка, 1981, 493 с.

32. Пластики конструкционного назначения (реактопласты)» (под ред. Е.Б. Тростянской). М.: «Химия», 1974, 304с.

33. Практические вопросы испытания металлов. Пер с нем. под ред. О.П.Елютина // М.: Металлургия, 1979, 276 сю

34. Работнов 10. Н. Механика деформируемого твердого тела//М., Наука, 1975, 750с.

35. Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций // М.: Наука, 1966, 752 с.

36. Разрушение. Справочник под ред. Г. Либовиц, Т.1. Разрушение неметаллов и композиционных материалов // М.: Мир, 1976, 634 с.

37. Ржаницын А.Р. Теория ползучести // М.: Стройиздат, 1967, 405 с.

38. Структура и свойства композиционных материалов / К.И.Портной и др. // М.: Машиностроение, 1979,255 с.

39. Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков // М.: Химия, 1981, 272 с.

40. Тернер С. Механические испытания пластмасс/Пер. с англ. В. И. Участкина; под ред. С.Б. Ратнера. М.: Машиностроение, 1979. - 175с.

41. Тимошенко С.П., Гере Дж. Механика материалов. М.: Мир, 1976. - 669 с.

42. Тимошенко С.П. Прочность и колебания элементов конструкций // М.: Наука, 1975, 705 с.

43. Фильчаков П.Ф. Численные и графические методы прикладной математики // К.: Наукова думка, 1970, 790 с.

44. Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композитных материалов // М.: Мир, 1982, 282 с.

45. Alekseeva О., Fomin A., Shevtsova В., Shevtsova М.Finite element modeling for interpretation of orthotropic polymeric composites mechanical test results // Technomat & Infotel-2006.- Proc. of International Science conference.-Burgas, Bulgaria

46. ASTM D5379-93. Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-notched Beam Method, American Society for Testing and Materials, Philadelphia.

47. ASTM D 3039-95. Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, American Society for Testing and Materials, Philadelphia

48. ASTM D 3410-94. Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading, ASTM, Philadelphia, 1995

49. ASTM D 5467-93. Test Method for Compressive Properties of Unidirectional Polymer Matrix Composites Using a Sandwich Beam, ASTM, Philadelphia, 1995

50. ASTM D 2344-84 (Reapproved 1989). Test Method for Apparent Interlaminar Shear Strength of Parallel Fiber Composites by Short Beam Method, ASTM, Philadelphia, 1995

51. ASTM D 790-92. Test Method for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials, ASTM, Philadelphia, 1995

52. ASTM D 3518-94. Practice for In-Plane Shear Stress-Strain Response of Unidirectional Polymer Matrix Composite Materials, ASTM, Philadelphia, 1995

53. ASTM D 4255-83 (Reapproved 1994). Guide for Testing In-Plane Shear Properties of

54. Composite Laminates, ASTM, Philadelphia, 1995

55. ASTM D 3846-94. Test Method for In-Plane Shear Strength of Reinforced Plastics, ASTM, Philadelphia, 1995

56. ASTM С 393-94. Test Method for Shear Properties of Composite Materials by V-Notched Beam Method, ASTM, Philadelphia, 1995

57. ASTM С 393-94. Test Method for Flexural Properties of Flat Sandwich Constructions, ASME, Philadelphia, 1995

58. ASTM D 3171-90. Fiber Content of Resin Matrix Composites by Matrix Digestion, ASTM, Philadelphia, 1991

59. ASTM E 1434-93. Development of Standard Data Records for Computerization of Mechanical Test Data for High-Modulus Fiber-Reinforced Composite Materials, ASTM, Philadelphia, 1994

60. ASTM E 1309-92. Identification of Composite Materials in Computerized Material Property Databases, ASTM, Philadelphia, 1994

61. Barnes J.A., Kumosa M. and Hull D. Theoretical and Experimental Evaluation of the Iosipescu Shear Test // Composites Science and Technology, 1987, No. 28, pp 251-268

62. Bauchau O.A. and Liu S.P.: Finite Element Based Modal Analysis of Helicopter Rotor Blades //Vertica, Vol. 13, No. 2, 1989

63. Brandel B. and Lakes R. S. Negative Poisson's ratio polyethylene foams Hi. Materials Science, 2001, No. 36, pp.5885-5893

64. Chen C. P., and Lakes R. S. Micromechanical analysis of dynamic behavior of conventional and negative Poisson's ratio foams // J. Engineering Materials and Technology, 1996, No. 118, pp.285-288

65. Chin, W., Lui, H., Lee, Y. Effects of fiber length and orientation distribution on the elastic modulus of short fiber reinforced thermoplastics// Polym. Сотр., 1988, No.9/1, pp. 27-35

66. Christensen, R. M. Mechanics of Composite Materials. John Wiley and Sons, New York, 1979,534 р.

67. Couche D.E. Determination of the Poisson's ratio of filled epoxy and composite materials// Proc. SPIE, 1990, Vol. 1212, p. 315-324

68. Craig P.D. and Summerscales J. Poisson's ratios in glass fibre reinforced plastics// Composite Structures, 9(3), pp. 173 -188

69. Encyclopedia of Composite Materials and Components. Ed. M.Grayson, John Wiley & Sons, 1983, N.Y., 1161 p.

70. FAR Part 29 AIRWORTHINESS STANDARDS: TRANSPORT CATEGORY ROTORCRAFT//FAA, USA.-2000, pp.159

71. Fereshteh-Saniee F., Majzoobi G.H., Bahrami M. An experimental study on the behavior of glass-epoxy composite at low strain rates//Journal of Materials Processing Technology. -2005,-No. 162-163.- p.39-45

72. Hine, P. J., Duckett, R. A, Ward, I. M. Modelling the elastic properties of fibre-reinforced composites: II Theoretical predictions // Сотр. Sci. Technol., 1993, No. 49 pp. 13-21

73. Hodges D. Nonlinear composite beam theory//AIAA edition. Progress in Aeronautics and Astronautics Serie, V. 213, 2006, 355 p.

74. Hoskin B.C., Baker A.A. Composite materials for aircraft structures. American Institute of Aeronautics and Astronautics, New York, 1986, 237 p.

75. Hurley D. C., Tewary V. K. and Richards A. J. Surface acoustic wave methods to determine the anisotropic elastic properties of thin films // Meas. Sci. Technol., 2001, No.12, pp. 1486

76. Iosipescu, N. New Accurate Procedure for Single Shear Testing of Metals// Journal of Materials, 1967, 2(3), pp. 537-566

77. Jao Jules E.et al. EFFECT OF FIBRES LENGTH AND FIBRES ORIENTATION ON THE PREDICTED ELASTIC PROPERTIES OF LONG FIBRE COMPOSITES // http://vvww.rntm.kuleuven.ac.be/Research/C2/poly, 10 p.

78. Jenkins C.H. Manual on Experimental Methods for Mechanical Testing of Composites. Ed. Society for Experimental Mechanics. The Fairmont Press Inc., Indiana, 2003, 248 p.

79. JIANMEI HE, MARTIN Y.M. CHIANG, DONALD L. HUNSTON AND CHARLES C. HAN Application of the V-Notch Shear Test for Unidirectional Hybrid Composites // Journal of COMPOSITE MATERIALS, 2002, Vol. 36, No. 23, pp. 2653-2666

80. Kosmatka J.B. Structural Dynamic Modeling of Advanced Composite Propellers by the Finite Element Method, Ph.D. Dissertation, University of California, Los Angeles, 1986

81. Kriz R.D., Farkas D., Batra R.C., Levensalor R.T., Parikh S.D. Combined Research and Curriculum Development of Web-based Educational Modules on Mechanical Behavior of Materials//Journal of Materials Education.- 2002.-Vol. 24 (1-3) p. 41-52

82. Leishman J.G. Principles of Helicopter Aerodynamics. Cambridge University Press, 2003, 496 P

83. Lempriure B.M. Poisson's ratio in orthotropic materials // AIAA Journal, 1968, 6(11), pp.2226-2227

84. Masters J.E. and Portanova M.A. Standard Test Methods for Textile Composites // NASA Contractors Report 4751, Lockheed Martin Engineering & Sciences Company, Hampton, Virginia, 1997, 82 p.

85. MIL-HDBK-17-1E Military Handbook for Polymer Matrix Composites // Department of Defence Handbook, USA.- VI, 2003, 579 p.; V2, 2003, 617 p.; V3, 2003, 567 p.

86. Morton J., Ho H., Tsai M.Y. and Farley G.L. An Evaluation of the Iosipescu Specimen for Composite Materials Shear Property Measurement // Journal of Composite Materials, 1992, No. 26(5), pp. 708-750

87. Nixon M.W. Aeroelastic Response and Stability of Tiltrotors with Elastically Coupled Composite Rotor Blades // Ph.D. Dissertation, University of Maryland, 1993, 424 p.

88. O'Brien Т.К., Krueger R. Analysis of Flexure Tests for Transverse Tensile Strength Characterization of Unidirectional Composites // Journal of Composites Technology and Research, 2003, V.8, No. 1, 19 p.

89. Ozes C., Demirsoy M. Stress analysis of pin-loaded woven-glass fiber reinforced epoxy laminate conveying chain components // Composite Structures, 2005, No. 69, pp. 470-481

90. Peel L.D. Investigation of High and Negative Poisson's Ratio Laminates // Proc. Society for the Advancement of Material and Process Engineering, 2006, p. 14

91. Peter K.L. Mechanics of Composite Structures // Cambridge University Press, 2003, 472 p.

92. Pierron F. and Vautrin A. Measurement of the In-Plane Shear Strength of Unidirectional Composites with the Iosipescu Test // Composite Science and Technology, 1997, No. 57, pp. 1653-1660

93. Sapuan S.M. et al. Mechanical properties of woven banana fibre reinforced epoxy composites

94. Materials and Design, 2005, No.48, pp. 1506-1511

95. Sherwood J. et al. Finite Element Modeling of Co-mingled Glass/Thermoplastic Textiles for Low-Cost/High-Volume Composites Manufacturing // Proc. on the NSF Workshop, 2001, pp.210-221

96. Smith E.C. and Chopra I. Formulation and Evaluation of an Analytical Model for Composite Box-Beams // Journal of the American Helicopter Society, Vol. 36, No. 3, 1990, pp. 22-35

97. Sunil K. Sinha Combined Torsional-Bending-Axial Dynamics of a Twisted Rotating Cantilever Timoshcnko Beam With Contact-Impact Loads at the Free End // Journal of Applied Mechanics, 2007, V. 74, Issue 3, pp. 505-522

98. Swanson S.R., Messick M. and Toombes G.R. Comparison of Torsion Tube and Iosipescu In-Plane Shear Test Results for a Carbon Fiber-Reinforced Epoxy Composite // Composites, 1985, No. 16, pp. 220-224

99. Theocaris P. S., Stavroulakis G. E. The homogenization method for the study of variation of Poisson's ratio in fiber composites // Archive of Applied Mechanics, 1998, No. 68, pp.281-295

100. Tomblin J.S., Yeow C. Ng, and K. Suresh Raju MATERIAL QUALIFICATION AND EQUIVALENCY FOR POLYMER MATRIX COMPOSITE MATERIAL SYSTEMS // U.S. Department of Transportation, Federal Aviation Administration Technical Report DOT/FAA/AR-OO/47, 2001, 120 p.

101. Zachmann G. CHARACTERIZATION OF FINITE LENGTH COMPOSITES: PART 111. STUDIES ON THIN SECTIONS EXTRACTED FROM MOLDINGS (WAFERS) // Pure &App/. Chem. 1997, Vol. 69, No. 8, pp. 1725-1740

102. УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

103. ЮЖНЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РАН (ЮНЦ РАН)^ 344006 г.Ростов-на-Дону пр.Чехова, 41 Тел"18631 г66-64-26

104. Тел./фвкс (863. 266-56-77 Е mail: ssc-rasSmmbi krinc.ru

105. ОГРН 1036168007105 ИНН/КПП 6168053099/6,16301001от № 17 9001. Нз №1. УТВЕРЖДАЮ»Ы

106. Главный ученый секретарь ЮНЦ РАН Доктор геологических наук С.В.Бердников1. АКТиспользования результатов диссертационной работы . аспирантки Донского государственного технического университета (ДГТУ)

107. Алексеевой Ольги Давидовны «Совершенствование методик испытаний несущих композитных конструкций машин», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

108. Проект РФФИ: 05-01-0690а " Теоретическое и экспериментальное исследование интеллектуальных пьезокомпозитных конструкций применительно к несущим элементам летательных аппаратов " (2005 - 2007 г.г.);

109. При выполнении перечисленных работ использовались результаты и методы исследований, изложенные в работах О.Д.Алексеевой (Паханьян):

110. Определение упругих характеристик полимеркомпозитных материалов на основе модифицированых методик. Теоретический и численный анализ/ ОД. Паханьян, А. А Бычков и др. // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. 2006. - Т. 6, № 2 (29). - С. 89-102.

111. Finite element modeling for interpretation of orthotopic polymeric composites^ltnecliankal tests results / О. Д. Паханьян и др. // Technomat & Infotel 2006: Proceedings of Intern. Science Conf., June. - Burgas, Bulgaria, 2006. - P. 42-56

112. Методика и результаты идентификации ядра ползучести полимерных композитов / С. Н. Шевцов, Алексеева О.Д. и др. // Теория, методы и средства измерений и диагностики: материалы VIII Междунар. науч. практ. конф. - Новочеркасск, 2007. - С.

113. В частности, использованы:

114. Алгоритм определения упругих параметров ортотропного композиционного материала, включающий группу вспомогательных оценочных методов испытаний, механических характеристик армирующих волокон и полимеризованного связующего.

115. Итерационная техника уточнения значений измеренного модуля сдвига в плоскости и оценки влияния погрешностей изготовления образцов на точность замеров, полученных в испытаниях.

116. Методика определения модуля межслойного сдвига при кручении призматических образцов из ортотропного композиционного материала с использованием аналитических и конечноэлементных моделей.

117. Перечисленные методы позволили снизить погрешность и разброс результатов испытаний до 2%.5% против 20% 35% до внедрения разработанных методик.45.49.1. От ЮНЦ РАН:1. От ДГТУ:1. Заведующий отделом,д-р физ.-мат. наук, профессор1. Канд. техн. наук, доцент