Разработка методики идентификации свойств углепластиков с учетом нелинейности деформирования

Язык труда и переводы:
УДК:
539.4
Дата публикации:
19 января 2022, 00:50
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Аннотация:
Рассмотрено использование полимерных композиционных материалов и, особенно углепластиков, которое обусловлено возможностью проектирования материала для конструкции авиационно-космической и ракетной техники. Поскольку основой для проектирования элементов из углепластиков являются механические свойства однонаправленного слоя, обладающего сильной анизотропией и склонностью к накоплению рассеянных повреждений, необходима разработка модельных представлений, отражающих закономерности сопротивления деформированию и разрушению при переменных во времени нагрузках, в частности, при скоростном нагружении. Анализ экспериментальных данных показывает две основные тенденции в поведении образцов из однонаправленного углепластика, первая — наличие определенного упрочнения при растяжении в направлении армирования и, вторая — наличие механизма разупрочнения, вызванного внутрислойными сдвиговыми напряжениями, которые проявляются вследствие реологических эффектов, а также в виде актов микроразрушения на границе раздела фаз. В данной работе сделана попытка выявления закономерностей анизотропии физической нелинейности образцов из однонаправленного и косоугольно армированного углепластика.
Ключевые слова:
однонаправленный углепластик, анизотропия механических свойств, идентификация материала, внутрислойный сдвиг, косоугольно-армированный углепластик
Основной текст труда

 

Композиционные материалы постепенно заменяют традиционные, демонстрируя превосходное сочетание малого веса, высокой механической прочности и высокой жесткости, что весьма значимо для аэрокосмической промышленности. В авиационно-космической технике конструкции из углепластиков являются одними из наиболее перспективных, имеющими следующие преимущества по сравнению с классическими металлоконструкциями: высокая удельная прочность, удельный модуль упругости, превосходная усталостная прочность, хорошая стабильность размеров, достигаемая благодаря низкому коэффициенту термического расширения, и высокая термическая и химическая стойкости. Помимо вышеупомянутых областей углепластики активно используются в обрабатывающей, нефте- и газодобывающей промышленностях. В Boeing 787 и Airbus A350 50% общего веса составляют углепластики. В A380 центральный кессон крыла, хвостовой обтекатель, герметичная перегородка и вертикальное и горизонтальное хвостовое оперение и некоторые другие детали выполнены из композиционных материалов. Цилиндрический отсек фюзеляжа Boeing 787 Dreamliner также изготовлен из углепластика как единое целое и соединен встык [1].

Среди полимеров, армируемых углеродными волокнами, выделяют два класса: реактопластиные (эпоксидные, полиэфирные смолы, фенопласты, аминопласты и др.) и термопластичные (полиэфирэфиркетон, полиэфирсульфон, полиэфиримид и др.). В авиации наиболее распространены жесткие эпоксидные матрицы, так как эпоксидные смолы не образуют побочных продуктов реакции во время отверждения, а, следовательно, образование пустот сведено к минимуму, и усадка при отверждении низкая. В настоящее время все чаще стали использоваться термопластичных матриц. На это есть несколько причин. Во-первых, термопласты менее чем реактопласты склонны к растрескиванию. Во-вторых, их применение существенно сокращает время и трудоемкость формования [2].

Важным требованием к элементам конструкции из углепластиков является сведение к минимуму вероятности образования микротрещин, так как это напрямую влияет на физико-механические свойства материала и в дальнейшем приводит к снижению несущей способности и ресурса элемента.

В процессе эксплуатации конструкции из композиционных материалов испытывают динамические и циклические нагрузки, которые оказывают существенное влияние на кривые деформирования, способствуя проявлению реологических и нелинейных свойств. Большая вариативность и возможная деградация свойств препятствуют широкому внедрению углепластиков в промышленности.

Физическая нелинейность весьма важная характеристика, которая косвенно характеризует способность материала к энергопоглощению и трещиностойкости. А проявляемые релаксационные эффекты довольно полезны, так как они оттягивают момент катастрофического разрушения конструкции. Нелинейность также влияет на вибрационный режим и процесс гашения колебательных явлений. В исследовании [3] на основании экспериментальных данных обобщаются закономерности поведения образцов из углепластика с ростом скорости нагружения. Как правило, при увеличении скорости деформирования наблюдается увеличение прочности и жесткости. Стоит отметить, что зависимость значений предельных деформаций от скорости нагружения имеет более сложный характер.

Таким образом, для надежной работы элементов конструкции из углепластика необходимо в зависимости от условий эксплуатации сохранить стабильности физико-механических свойств и обеспечить предсказание деградации и возможные разрушительные эффекты.

Целью исследования является проверка гипотезы о причине возникновения физической нелинейности. За основу были взяты результаты анализа экспериментальных данных из работы [4]. По результатам анализа было определено, что в физическую нелинейность полимерных композиционных материалов основной вклад вносят механические свойства однонаправленного материала при внутрислойном сдвиге. В процессе исследования была проведена аппроксимация кривых деформирования, а также показано удовлетворительное согласие с экспериментом для случая нелинейного поведения однонаправленных и косоугольных образцов из углепластика. Дополнительно, на основании экспериментальных данных, была получена нелинейная зависимость модуля сдвига для однонаправленного слоя углепластика.

Поскольку, энергопоглощение и трещиностойкость напрямую влияет на ресурс и косвенно на массу конструкции, то повышение прогнозируемости свойств элементов конструкций с учетом нелинейного поведения представляет собой весьма важную задачу.

Литература
  1. Ozkan D., Gok M.S., Karaoglanli A.C. Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) Composite Materials, Their Characteristic Properties, Industrial Application Areas and Their Machinability // Engineering Design Applications III. Germany: Springer, 2020. Pp. 235–253. DOI: 10.1007/978-3-030-39062-4_20
  2. Muzzy J.D., Kaya A.O. Thermoplastic vs. thermosetting structural composites // Polymer Composites. 1984. № 3. Pp. 169–172. DOI: 10.1002/PC.750050302
  3. Kawai M., Masuko Y., Kawase Y., Negishi R. Micromechanical analysis of the off-axis rate-dependent inelastic behavior of unidirectional AS4/PEEK at high temperature // Int. Journal of Mechanical Sciences. 2001. № 9. Pp. 2069–2090. DOI: 10.1016/S0020-7403(01)00029-7
  4. Lagace P.A. Nonlinear Stress-Strain Behavior of Graphite/Epoxy Laminates // AIAA Journal. 1985. № 10. Pp. 1583–1589. DOI: 10.2514/3.9127
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.