Диссертация (Разработка методов и совершенствование технических средств оценки работоспособности эластомерных клеевых соединений конструкций летательных аппаратов), страница 10

Разрушение ЭКС в результате действия предельного значениямеханического напряжения, приводящее к потере целостности и несущейспособности конструкции ЛА. Потеря работоспособности ЭКС по даннойпричине может быть спрогнозирована и предотвращена путем оценкикратковременной прочности ЭКС имеющимися и используемыми в настоящеевремя на практике методами.2. Развитие недопустимого значения деформации ЭКС в следствиевысокоэластичности эластомерного адгезива, приводящее к потери жесткостии несущей способности конструкции ЛА еще до момента разрушения ЭКС.Развитие недопустимых деформаций ЭКС является причиной жесткогоконтакта металлических элементов корпуса ЛА с хрупкими элементами егоконструкции (например, керамической оболочки), что приводит к разрушениюпоследних.

Для прогнозирования потери работоспособности ЭКС по даннойпричине необходима разработка методов и определяющих соотношений,позволяющих описывать механическое поведение эластомерного адгезива сучетом нелинейности при больших деформациях.В свою очередь, при продолжительном режиме эксплуатации возможнытакже два типа основных причин потери работоспособности ЭКС:1. Развитие недопустимого значения деформации ЭКС вследствиеползучести эластомерного адгезива, приводящее к тем же последствиям, что иприкратковременномрежиме.Однакодляпрогнозированияпотериработоспособности ЭКС по данной причине необходима разработка методов и63определяющих соотношений, позволяющих описывать развивающуюся вэластомере деформацию ползучести по заданным параметрам нагружения(уровню механической нагрузки, длительности воздействия и температуре).2.

Разрушение ЭКС в результате кинетики накопления микроразрушенийв эластомерном адгезиве, приводящее к потере целостности и несущейспособности конструкции ЛА, а также частичной или полной потеригерметичности его внутреннего объема. Для прогнозирования потериработоспособности ЭКС по данной причине необходима разработка методовоценки и критерия долговечности ЭКС, позволяющих прогнозироватьразрушение ЭКС по заданным параметрам теплосилового воздействия(значению механической нагрузки, времени его воздействия, температуры).Таким образом, для достижения поставленной цели диссертационнойработы необходима разработка новых теоретических методов и критерияоценки работоспособности ЭКС конструкций ЛА, эксплуатирующихся, как вкратковременном, так и продолжительном режимах.2.1.

Оценка работоспособности при кратковременных механическихнагрузкахПроведенныйконструкцийанализпричинпотериработоспособностиЛА(Рис.2.1)показывает,чтоработоспособностиЭКСприкратковременномдляЭКСпрогнозированиярежимеэксплуатациинеобходима разработка методологического подхода, позволяющего описыватьконечные деформации эластомерного адгезива с учетом их нелинейнойзависимости между создаваемым механическим напряжением и деформацией.Результаты проведенного литературного обзора показали, что дляописания механического поведения эластомерных материалов в условияхконченых деформаций применяются методы, основанные на использовании64потенциальной энергии деформации эластомера, при этом важным являетсязадача определения подходящего типа упругого потенциала.2.1.1.

Типы упругих потенциалов эластомерных материаловК настоящему времени разработано большое количество типов упругихпотенциалов [9, 10, 147, 148]. Условно их можно классифицировать поколичеству параметров, входящих в аналитическое соотношение, на триследующихкласса:однопараметрические,двухпараметрическиеимногопараметрические.Как правило, область применимости того или иного упругого потенциаларасширяется по мере увеличения количества входящих в него параметров. Вработе [149] показано, что однопараметрические упругие потенциалы сдостаточной точностью позволяют описывать деформации эластомерныхматериалов до значений 100÷130 %, двухпараметрические – до 130÷300%, анекоторые многопараметрические свыше 300%.К однопараметрическим относятся следующие упругие потенциалы:а) потенциал Трелоара1G (12  22  32  3),2где I1 – инвариант первой меры деформации; С1 – постоянная материала.W  C1 ( I1  3) ПотенциалТрелоараполученнаосноверезультатовизученияконструктивной модели резины как системы связных между собой длинныхцепных молекул с использованием гауссовской кинетической теориирезиноподобных материалов [80].

В настоящее время данный потенциалтрактуетсякакуравнениеклассическойстатистическойтеориивысокоэластичности Куна-Гута-Джеймса-Трелоара, а материал, который придеформированиинеогуковскимподчиняетсяматериалом.этомууравнению,ПотенциалР.С.РивлинТрелоараназвалпозволяетс65удовлетворительнойточностьюописыватьмеханическоеповедениеопределенного класса вулканизированных наполненных резин;б) потенциал Бартенева-Хазановича [9]W  A(1  2  3  3),где А – постоянная материала.Данныйупругийпотенциалимеетнекотороепреимуществопереднеогуковским в точности описания механического поведения эластомеров приразличных видах НДС [97] поскольку постоянная материала A не зависит отвида НДС, в то время как постоянные С1 и G, входящие в выражениепотенциала Трелоара этому условию не удовлетворяют.б) потенциал Валаниса-Ландела [11]W  u (1 )  u(2 )  u (3 ),где u(i )  2C  ln i , С – постоянная материала.Как отмечалось ранее, однопараметрические потенциалы, как правило,позволяютописыватьмеханическоеповедениеэластомеровприотносительных деформациях, не превышающих значений 100÷130%.

Придеформациях, превышающих пределы применимости однопараметрическихпотенциалов, используют двухпараметрические, область применения которыхможет расширяется до значений деформаций 250÷300%.К двухпараметрическим относятся следующие упругие потенциалы:а) потенциал Муни-Ривлина [98]W  C1 ( I1  3)  C2 ( I 2  3) 1G  [(1  f )(12  22  32  3)  (1  f )(12  2 2  32  3),4где С1, С2 и G, f – постоянные материала.Выражение для упругого потенциала Муни-Ривлина было получено врезультате экспериментальных работ по деформированию ненаполненных инаполненных эластомеров при простом сдвиге в достаточно широких66пределах.

В дальнейшем потенциал Муни-Ривлина был обобщен Саундерсоми приведен к следующему виду:W  C1 ( I1  3)  F ( I 2  3),где F – функция, определяемая типом исследуемого эластомера;б) потенциал ПриссаW  C1 (12  22  32  3)  C2 (11  21  31  3);в) потенциал ВолькенштейнаW  C1 (12  22  32  3)  C2 (1  2  3  3);г) потенциал ДемиреяW  C1 (e C2 ( 1 2 23 31 )  1);2 22 22 2д) потенциал Джента-ТомасаW  C1 (12  22  32  3)  C2  ln[(12 22  22 32  32 12 ) / 3];е) потенциал «линейного» материала [150]W1(  2 )  j12  2  j2 ;2ж) потенциал ОгденаW  (kkak)  [ak (1  2  3 )  3];з) потенциал К.Ф. Черных [9]W    [(1   )(1  2  3  3)  (1   )(11  21  31  3)].Во всех вышеуказанных двухпараметрических потенциалах параметрыС1, С2, μ, μk, ak и β являются постоянными материала.Приведенные выше одно- и двухпараметрические упругие потенциалыявляются в настоящее время наиболее используемыми для описаниямеханического поведения различных типов эластомерных материалов.Одними из самых универсальных и экспериментально обоснованных из нихявляютсяоднопараметрическиепотенциалыТрелоараиБартенева-67Хазановича, а также двухпараметрические потенциалы Муни-Ривлина иЧерных.

Для них получены данные о физических характеристиках широкогокласса материалов и установлены приемлемые границы применимости взависимости от величины достигаемых деформаций.Для описания деформаций, превышающих значения 300%, используютсямногопараметрические упругие потенциалы, к которым относятся:а) потенциал, предложенный Исихарой, Хашицуме и ТатибамойW  C1 ( I1  3)  B1 ( I1  3) 2  C2 ( I 2  3);где С1, С2, В1 – параметры материала;б) потенциал, предложенный Бидерманом [151]W  C1 ( I1  3)  B1 ( I1  3) 2  B2 ( I1  3)3  C2 ( I 2  3);где С1, С2, В1, В2 – параметры материала;в) пятиконстантный потенциал, предложенный Джеймсом, Грином иСимпсоном [6] для описания механического поведения наполненныхнатуральных резинW  C1 ( J1  3)  C2 ( J1  3)2  C3 ( J1  3)3  C4 ( J 2  3)  C5 ( J1  3)( J 2  3),где J1 = I1 – 3, J2 = I2 – 2I1 +3.г) потенциал Хатчинсона, Беккера и Лэндела, предложенный дляописания поведения силиконового каучукаW  C1 ( I1  3)  B1 ( I1  3) 2  B2 (1  e K1 ( I 2 3) )  B3 (1  e K2 ( I 2 3) ).д) потенциал, полученный Клоснером и Сегалом при описании большихдеформацийспомощьюдвухпараметрическогопотенциалаРивлина-Саундерсена, в котором вместо функции F ( I 2  3) подбирались различныеполиномиальныеаппроксимации.Приэтомнаилучшеесогласиеэкспериментальными данными получено для кубического полинома [8]W  C1 ( I1  3)  C2 ( I 2  3)  C3 ( I 2  3) 2  C4 ( I 2  3) 3 .е) потенциал, предложенный Грином и Симконом:с68W  C1 ( I1  3)  C2 ( I 2  3)  C3 ( I1  3)( I 2  3)  C4 ( I1  3) 2  C5 ( I 2  3) 2  C6 ( I1  3) 2 ( I 2  3)  C7 ( I1  3)( I 2  3) 2  C8 ( I1  3) 3  C9 ( I 2  3) 3 .ж) потенциалы, разработанные Тсоголем для описания механическогоповедения наполненного естественного вулканизированного каучукаW  C1 ( I1  3)  C2 ( I 2  3)  C3 ( I1  3)( I 2  3);и ненаполненного бутадиенстиренового каучукаW  C1 ( I1  3)  C2 ( I 2  3)  C3 ( I1  3) 2 ( I 2  3) 2 .Во всех вышеуказанных многопараметрических потенциалах параметрыСi, и Вi являются постоянными материала.Рассмотренныеупругиепотенциалыразработаныдляописаниямеханического поведения эластомеров, не изменяющих свой объем в процесседеформирования и называемых несжимаемыми эластомерами (коэффициентПуассона ν = 0,5 и I3 = 1).Для описания деформирования сжимаемых эластомеров используютсяследующие упругие потенциалы:а) простой вид упругого потенциала [152]111W   ( I1  3)2  [( I1  3)  ( I1  3) 2  ( I 2  3)],822где λ и μ – постоянные Ляме;б) упругий потенциал с квадратичной зависимостью компонентов тензоранапряженийоткомпонентовсоосногоснимтензораАльманаси,предложенный Синьорини [150, 153]:W11CCC[Cj2'  (    ) j2'2  (   )(1  j1' )  (   )].2222I3где С, λ и μ – постоянные материала.в) упругий потенциал, предложеный Мурнаганом [150], имеющий видряда по степеням инвариантов тензора деформации Коши с постояннымикоэффициентами:6911W   j1  (  2 ) j12  2 j2  (l  2m) j13  2mj1 j2  nj3  ...,23где α, l, m, n – постоянные материала;г) «гармонический» или полилинейный упругий потенциал [154]:1W  [ (1  2  3 ) 2  2 (12  22  32 )].2д) аппроксимация упругого потенциала трехконстантным выражением,предложенная Блейцем [150] на основании опытных данных по исследованиюспециальных сортов резин:11  2  2 11  2 2 W   [ I1 ( I 3  1)  3]   (1   )[ I 2 I 31 ( I 3  1)  3],22где ν – коэффициент Пуассона, β – постоянная материала;е) упругий потенциал, предложенный Пенгом и Ланделом:111W  G ( I1 I 3 3 )  B ( I 3  1) 2 ,22где G – модуль сдвига, B – модуль объемного сжатия.Более детально способы и подходы к описанию механического поведениянесжимаемых и сжимаемых эластомеров изложены в работах А.А.

Аскадского[58], В.Е. Гуля и В.Н. Кулезнева [64], А.Н. Гузя [152], А. Грина и Дж. Адкинса[6], А.И. Лурье [150], Дж. Одена [8], К.Ф.Черных [9], Л.Трелоара [80]. Вопросо степени применимости того или иного упругого потенциала в каждойконкретной задаче остается открытым, тем не менее методы описаниямеханического поведения эластомеров с использованием упругих потенциаловявляются общепризнанными.Механическиеиструктурныесвойствавысокоэластическихрезиноподобных материалов меняются в весьма широком спектре идостаточно чувствительны к химическому составу, технологии изготовления иособенностям режима эксплуатации. В связи с этим, механическое поведениевсех видов эластомеров не может быть описано одним конкретным упругим70потенциалом.