Диссертация (Разработка методов и совершенствование технических средств оценки работоспособности эластомерных клеевых соединений конструкций летательных аппаратов), страница 5

Способность материала сохранять своюцелостность и не разделяться на части в процессе воздействия внешнейнагрузки определяется его прочностными характеристиками, для оценкикоторых используют количественные критериальные величины (прочность,долговечность, энергия активации и т.д.).При оценке прочностных характеристик различных конструкционныхматериалов (металлов, керамики, полимерно-композиционных материалов) вкачестве критериальных величин используют критические (или предельные)значенияпараметровнагружения(напряжение,деформацияидр.),соответствующих моменту разрушения. При этом разрушение материаларассматривается как одномоментный акт, наступающий при достижениидействующего напряжения установленного предельного критериальногозначения. И, напротив, при значениях воздействующего фактора нижепредельного значения критериальной величины предполагается, что материалне разрушается и может сохранять свою целостность сколь угодно долго.Подобные теории носят название «теорий предельного состояния», к нимотносятся: теория Галилея–Лейбница–Ренкина, использующая в качествекритериальной величины значение нормального напряжения (первая теория30прочности);теорияМариотта–Сен-Венана,использующаяпредельноезначение линейных деформаций (вторая теория прочности); теория Кулона–Мора, использующая предельное значение касательного напряжения (третьятеория прочности) и теория Бельтрами–Губера–Генки, в которой в качествекритериальной величины используется предельное значение энергии упругойдеформации (четвертая теория прочности).Теории прочности, появившиеся позднее (теории Гриффитса, Ирвина иОрована) подразумевают некоторую модификацию критериальных величинтеорий предельного состояния и позволяют учитывать дефекты (поры,трещины и др.) содержащиеся в материале [125-127].Однако результаты многочисленных экспериментальных исследованийполимерных материалов, а также металлов при повышенных температурахпоказывают [128-130], что установленные в вышеописанных теорияхкритериальные величины не стабильны и существенно зависят от временивоздействия, температуры, характера и уровня внешней нагрузки.

При этомсамо разрушение является кинетическим процессом, протекающим во временииускоряющимсятемпературыприувеличениинагрузкии(или)повышении[131-133].Как уже отмечалось, временная зависимость прочностных характеристикэластомерныхматериалов,обусловленнаяособенностямиихфизико-механического строения, не позволяет использовать критерии вышеописанныхтеорийдляоценкиработоспособностиконструкций,включающихэластомерные элементы.В настоящее время для оценки прочностных характеристик полимерныхматериаловиспользуютсястатистический,четыреосновныхтермодинамическийиподхода:подход,представлениях кинетической концепции прочности.энергетический,основанныйнаВ Таблице 1.1,первоначально приведенной в [68], а после систематизированной и31доработанной, приведены основные критерии разрушения, используемые дляпрогнозирования прочностных характеристик полимерных материалов.Таблица 1.1.Основные критерии прочности полимерных материаловКритерийПараметрыПримечаниеЭнергетический подход*–удельнаяповерхностная энергияразрушения;W – упругая энергия;S – площадь трещиныW*SJ  J крl  a(J – контурный интегралl – приращение длиныW)Sтрещины за один циклвоздействия;а – эмпирическаяконстанта – кинетическийпараметр сплошностиматериала;t – время;  a ( max ) btЭнергетическаяустойчивость трещиныпри хрупком разрушенииЭнергетическаяустойчивость трещиныпри нагруженииупругопластических телУравнение роста трещиныпри циклическомнагруженииУравнениераспространения трещинпри статическомнагружении max – максимальноеd10 (t*   ) l0m1[ э ( )]  m  1t*напряжение;b – эмпирическаяконстантаt* – время до разрушения; э ( ) – функцияизменения напряжения;Уравнениераспространения трещин сучетом историинагруженияСтатистический подход *    a lgV  bP( )  1  exp[ n( )dV ]σ* – критическоезначение напряжения;σ – среднее значениенапряжения;V – объем телаP(σ) – вероятность;n(σ) – функция ВейбуллаСтатистическоепрогнозированиевероятного значениякритического напряженияв зависимости от объемателаВероятность хрупкогоразрушения принапряжениях ниже σ32Таблица 1.1 (продолжение)ПримечаниеКритерийПараметрыP( )  1  exp[ n( )dV ]P(σ) – вероятность;n(σ) – функция Вейбуллаd( m ) d m 1]d m N ( m ) k  [0τk – ожидаемый срокслужбы; m – максимальноенапряжение цикла;N(  m ) – число циклов,соответствующееразрушению при m =const;Σ(  m ) – среднее числопревышенийнапряжением уровня  mв единицу времениВероятность хрупкогоразрушения принапряжениях ниже σПрогнозирование срокаслужбы при усталостномнагруженииТермодинамический подходt* ( Aф U д )dt  Aкр0*U *  U крt* p (t )dt  pкр p00M n  f ( Pi , j , T )  cnt*dt t *[ (t ), T (t )]  10Прогнозированиеразрушения приA ф – работадостижении энергиейформоизменения;формоизмененияU д – рассеянная энергия критического значения сучетом диссипацииПрогнозированиеU кр – плотностьразрушения придостижении внутреннейвнутренней энергииэнергии критическогозначенияПрогнозированиеp– скорость приращения разрушения материала приповрежденностидостиженииматериала;поврежденностьюкритического значения сp 0 – начальнаяучетом потенциальнойповрежденностьэнергии деформацииПрогнозированиеM n – мераразрушения материала приповрежденности;достижении абсолютнойPi , j – тензормерой поврежденностиповреждений;критического значенияcn – эмпирическиепостоянные;Прогнозированиеt* – время доразрушения материала приразрушения;  ( ), T (t ) –достижении критическогофункции напряжения изначения поврежденности,температуры;суммируемой линейно33КритерийПараметрыТаблица 1.1 (окончание)ПримечаниеПодход на основе кинетической концепции прочностиОпределениеt* – долговечность;долговечности твердого , T – напряжение итела (формулаt*   0 exp(U 0  )kTабсолютная температура;k – постояннаяБольцмана; 0 ,U 0 ,  – константыматериалаt* – долговечность; , T – напряжение иUt*  f ( ) exp( 0 )TkTабсолютная температура;k – постояннаяБольцмана;U 0 – константаматериалаt* – долговечность;U 0  bt* exp()(   0 )kTt*  b  a , T – напряжение иабсолютная температура;k – постояннаяБольцмана;b,U 0 ,  ,  ,  – константыматериалаt* – долговечность; – напряжение;a, b – константы материалаС.Н.Журкова)Определение зависимостидолговечности твердоготела от напряжения итемпературыОпределение зависимостидолговечности твердоготела от напряжения итемпературы с учетомразрывовмежмолекулярных связейОпределениедолговечностивысокоэластическихрезиноподобных иэластомерных материаловПроведенный литературный обзор [12, 17, 134-137] показывает, что дляоценкипрочностныххарактеристикэластомеровнаиболееуспешноиспользуются критерии, основанные на кинетической концепции прочности.Согласно данной концепции, разрушение материала происходит вследствиетепловыхфлуктуациймеждуатомами,энергияколебаниякоторыхсоизмерима с прочностью межатомных связей.

При этом приложеннаявнешняя нагрузка затрудняет процесс образования уже разорванных связейсоседних атомов, а увеличение температуры приводит к увеличению частоты34флуктуационных скачков и их энергии [57, 132]. Основополагающий вклад вразвитие кинетической концепции прочности материалов внесли такиеученые, какА.П. Александров, С.Н. Журков, В.Р. Регель, С.Я. Френкель,А.И. Слуцкер, В.Е. Гуль, Г.М. Бартенев, В.А. Берштейн, Э.Е. Томашевский,В.А.

Каргин, В.Н. Слонимский, А.А. Аскадский и другие.Такимобразом,выявленыосновныесовременныеметодыиметодические подходы к описанию механического поведения и разрушенияэластомерных материалов с учетом их способности к большим деформациям,проявлению вязкоупругого поведения, временной зависимости прочностныххарактеристик и других эффектов, обусловленных физическим строением.Рассмотренные выше методы и подходы применяются для определенияпрочности и оценки работоспособности различных эластомерных элементовконструкций, одним из которых является клеевое соединение на основеэластомерного материала, использующегося в качестве адгезива.1.2.

Клеевые соединения на основе эластомерных материаловКак отмечалось ранее, специфические физико-механические свойстваэластомерных материалов в совокупности с хорошими адгезионнымисвойствами к различным поверхностям послужили основанием для ихиспользования и активного внедрения в промышленности в качествеадгезионных материалов.Клеевыесоединениянаосновеэластомерныхматериалов(илиэластомерные клеевые соединения – далее ЭКС) нашли наиболее широкоеприменение в гражданском и автодорожном строительстве, нефтегазовомсекторе промышленности, медицине, приборостроении, авиационной иракетно-космической технике, где используются для соединения различныхконструкционных материалов и покрытий.Для исследований работоспособности ЭКС конструкций различных35отраслей необходимо далее привести общие сведения о клеевом соединении,как об отдельном элементе конструкции.1.2.1.