Диссертация (Стержневые и полупространственные модели деформирования слоистых закрученных изделий в поле стационарных и нестационарных нагрузок), страница 6

Точно также те математические модели, которыеприняты для описания поведения компонентов композиционных материалов примеханических и температурных воздействиях, определяют модели деформирования композиционных материалов в целом. В связи с этим ниже описаны свойстваструктурных элементов и аналитические модели их деформирования.Материал волокна определяет высокие характеристики прочности и жесткости будущих композиционных материалов, особенно, в направлении армирования. Кроме того, присутствие армирующих элементов обеспечивает повышенныехарактеристики вязкости разрушения составного материала.

Армирующие элементы входят в состав КМ непосредственно в виде дискретных и непрерывныхволокон, нитей, а также в форме изготовленных из них жгутов, ленты и тканейразличного переплетения, войлока, матов и т.д. В любом случае нагруженный внаправлении волокна и по боковой поверхности композиционный материал вовлекает армирующий элемент в общее сопротивление.

В большинстве случаевпрактического применения, как правило, армирующие элементы деформируютсялинейно вплоть до разрушения. Это позволяет установить связь между напряжениями и деформациями в наиболее общем случае описывать соотношениями закона Гука [1-3].Исследованию кручения слоистых стержней посвящена многочисленная литература [1]-[4]. Главной особенностью этих исследований является то, что материал стержня представляется в виде однородного анизотропного тела с "эффективными” по всему поперечному сечению механическими характеристиками. Приэтом, не достаточно полно учитывается слоистость структуры материала стерж-28ней, в частности, не позволяет оценить влияние месторасположения слоя с темиили иными свойствами на кручение стержня.Этот недостаток используемых подходов не позволяет сформулировать задачу о выборе оптимальной структуры сечения стержня, обеспечивающей, например, ему наибольшую жесткость на кручение.

Кроме того при использовании однородной модели анизотропного материала совершенно игнорируется возможноепри кручении относительное движение компонентов композиции.Композиционные материалы представляют собой волокнистую, конструктивно анизотропную среду и имеют ярко выраженную слоистую структуру.Сложная конфигурация армирующих слоев, составляющих криволинейныестержни, делает упругие свойства конструкции переменными по высоте и хордепрофиля. Определение упругих свойств таких конструкций экспериментальнымиметодами требует большой серии экспериментов на образцах с идентичной укладкой, что часто оказывается трудно реализуемым технически.Другой подход исследования деформированного состояния деталей из КМ структурный.

Он предполагает рассмотрение композиции как неоднородной дискретно-армированной среды. Такой подход позволяет учесть основные особенности композиционных материалов, их неоднородности, конструктивный характеранизотропии. Решение задачи по этому методу приводит к большому числу дифференциальных и конечно-разностных уравнений [5]-[7]. Реальная картина работы подобных моделей КМ в стержнях отличается исключительной сложностью.Поэтому задача о выборе аппроксимирующей модели многослойных армированных конструкций, которая, с одной стороны, допускала бы возможность практической реализации расчетов на НДС тела, а с другой - позволяла бы учесть особенности свойств и структуры КМ является актуальной. Среди таких подходовнаибольшее распространение в настоящее время получила теория армированныхсред, разработанная В.В.

Болотиным [5], [6], [8]. Согласно этой теории дискретнаямодель материала заменяется квазиоднородной анизотропной средой, упругие постоянные которой выражаются через упругие постоянные компонентов. Эта операция становится возможной вследствие большого количества армирующих эле-29ментов и упорядоченности их свойств в композиции. Действительно, особенностистроения слоистых материалов таковы, что их можно рассматривать как дискретную регулярную среду, составленную из большого числа чередующихся "жестких" слоев арматуры и "мягких" прослоек матрицы.В основу теории армированных сред положены макроструктурные особенности рассматриваемых материалов: жесткость волокон существенно превышаетжесткость податливой матрицы, толщина армирующих элементов и расстояниемежду соседними элементами малы по сравнению с характерными размерами тела. Эти особенности позволяют выразить НДС ее компонентов.

Тем самым, удается представить неоднородный материал в виде однородного анизотропного материала с упругими константами, выраженными через упругие константы его составляющих. Точность предельного перехода к теории армированных сред возрастает с ростом числа армирующих элементов. Исследования показали, что ужепри десяти и большем числе слоев погрешность становится незначительной (~5%) [7], [9]. Следовательно, для большинства реальных конструкций описанныйпуть замены дискретной среды квазиоднородной вполне допустим.Слой полимерного связующего или металлической матрицы, армированнойоднонаправленными волокнами, является основным элементом КМ. Поэтому,прежде всего, при исследовании слоистых материалов, армированных непрерывными волокнами, необходимо определить характеристики составного материала соднонаправленными волокнами через свойства отдельных слоев, входящих в егосостав (см. 1.1).1.1.

Требования к материалам, использующимся в стержневых деталях илопатках компрессораКонструкция рабочих лопаток и используемый для них материал должныобеспечивать высокую прочность и жесткость, так как лопатки компрессора работают при высокой нагрузке в движущемся нестационарном газовом потоке к температура которого изменяется от 20°С на первых ступенях до 600°С на послед-30них. Кроме того, воздушный поток несет собой различные твердые частицы и капли, которые на больших скоростях сталкиваются с лопатками, подвергая их износу.Таким образом, основные требования к материалам рабочих лопаток компрессора ГГД сводятся к следующим: высокая удельная прочность и жесткостьпри сложном напряженном состоянии, сохраняющиеся при повышенных температурах; высокая усталостная прочность; стойкость к эрозии, коррозии и к ударным нагрузкам; высокая чистота поверхности; технологичность их переработки.Опыт показывает, что описанные требования могут быть удовлетворены прииспользовании композиционных армированных материалов, которые обладаютбольшой удельной прочностью и жесткостью, чем лучшие сплавы, применяемыев авиадвигателестроении.Композиционные материалы - это слоистые материалы, которые представляют собой объемное сочетание химически разнородных компонентов с четковыраженной границей раздела.

В первую очередь, это материалы волокнистогостроения. В качестве армирующих наполнителей применяется многофазные поликристаллические волокна и нитевидные монокристаллы углерода, бора, стекла,бериллия, а также различных соединений: окислов, карбидов, нитридов, боридови других. Армирующие элементы в виде моноволокна и жгутов, нитей, лент, бумаг, холстов и других текстильных изделий сочетаются с металлическими и неметаллическими (полимерными, углеродными, керамическими и др.) матрицами.Функция волокон или нитевидных кристаллов в материале заключается,главным образом, в том, чтобы нести прилагаемую внешнюю нагрузку. Главнаяроль матрицы состоит в том, чтобы связывать волокна воедино, распределяя поотдельным элементам, действующие нагрузи.Многие технологические факторы, влияющие на прочность армированныхматериалов, мало изучены.

Важнейшими из них являются механическое и химическое повреждение волокон в процессе армирования. Механическое повреждение связано с повреждением поверхности волокон или их разрушением в процессе изготовления материала. Химическое повреждение обусловлено физико-31химическими процессами на границе раздела разнородных материалов, приводящими к растворению волокон или образованию хрупких интерметаллидных соединений.

Последние резко снижают прочность связи по границе раздела и, какследствие, прочность материала. Эти трудности могут быть преодолены либоподборам соответствующих материалов волокна и матрицы, либо специальнымпокрытиями волокон. В таблице 1.1. приведены свойства некоторых рядов волокон и усов [9]-[11].Таблица 1.1 Свойства волокон и усов.ВолокнаСтек-СВWНитевидние кристаллыMоBеAl2O3BеO BеCSiCSi3N4C3,92.82,53,23,18l.64,2-2513,314 14-42 4,9-14лоρ, г/см32,5σ 10-3, МПа4,51,2-2,6 2,8-4 4,12,2E 10-3,МПа 0,881,7-4.2 3,85 4,13,6 2,45 4,2-10,5 | 3,51,4-22,6 19,3 10,2 1,821,3204,9 4,9-I0 2,8-3,8 7,1Хотя прочность нитевидных кристаллов в несколько раз выше прочности непрерывных волокон, разработка композиционных материалов на основе последних продвинулась значительно дальше, поскольку для эффективного использования высокой прочности нитевидных кристаллов предстоит ещѐ решить ряд проблем по методам их переработки (фракционированию, ориентированию, получению полуфабрикатов и др.).При условии совместимости волокон с матрицей уровеньфизико-механических характеристик КМ, в основном, определяется - свойствами упрочняющих волокон, их размерами, ориентацией и содержанием в композиции.Характеристика композиций монотонно увеличивается по мере повышенияпрочности и жесткости армирующих волокон.В настоящее время разработаны КМ на металлической матрице.

Это сплавына алюминиевой основе, армированные волокнами бора (BKA-I) и графита (АВУI). Первый из них имеет предел прочности на разрыв 1100-1500 МПа, модуль упругости 2,3-10 МПа и предел прочности 500-700 МПа при плотности 2,65 г/см3[12]. Перечисленные характеристики алюминиевого КМ в 2-3 раза выше указан-32ных свойств применоющихся алюминиевых сплавов, а по модулю упругости в двараза выше, чем у титановых сплавов. Характеристики прочности композиционного слоистого материала на основе бороалюминия и титанового сплава (ВКТ-4),соответственно равны 800-900 Мпа и 2,5 105 МПа при плотности 3,32 г/см3 [13].Основная особенность КМ заключается в существенной ортотропии их механических свойств. Наибольшие показатели прочности и модуля упругости достигаются при растяжении вдоль направлении армирования. Отношения продольныххарактеристик к характеристикам межслоевого сдвига или к поперечным характеристикам достигают при этом величин, равных 50-100.Высокое сопротивление усталостному разрушению КМ обусловлено повышением энергии зарождения и энергии распространения трещин в матрицах, армированных высокопрочными волокнами [13] .Слоистая структура КМ позволяет регулировать их свойства в плоскостилиста посредством изменения угла расположения волокон по отношению к линиинагружения.