Критерии определения объемной составляющей связующего в полимерных композитных материалах и его учет в проектировании агрегатов
Содержание 4
Введение 6
ГЛАВА 1 Общие сведения о полимерно-композитных материалах и область их применения 8
1.1 Область применения и проблемы композитов в авиации 8
1.1.1 Обзор существующих решений 8
1.1.2 Общие проблемы при проектировании КМ деталей 9
1.2 Компоненты композитного материала… 13
1.2.1 Наполнитель 13
1.2.2 Связующее… 16
1.3 Вопросы проектирования КМ деталей… 18
1.3.1 Механические свойства КМ… 19
1.3.2 Методы производства КМ деталей 20
1.3.3 Виды соединений КМ деталей 23
1.4 Учет массы, роль компонентов в прочности 24
1.4.1 Контролирование массы 24
1.4.2 Контроль массы на этапе проектирования… 25
1.4.3 Ткань и связующее с точки зрения прочности 26
Глава 2. Анализ параметров монослоя. Нахождение критериев объема компонентов 31
2.1 Прочностной расчет тонкостенных конструкций, обзор алгоритмов методов расчета… 31
2.1.1 Общие положения о композитных конструкциях 31
2.1.2 Системы координат композитных конструкций 32
2.1.3 Аналитические методы 33
2.1.4 Численные методы 37
2.2 Критерии прочности КМ конструкции 39
2.2.1 Критерий прочности Цая-Хилла… 44
2.3 Получение характеристик монослоя 45
2.3.1 Аналитический метод 46
2.3.2 Численные методы на примере ANSYS 50
2.4 Получение механических характеристик монослоя методом конечных элементов. Определение оптимального объема связующего 55
2.4.1 Получение массовых характеристик монослоя из реальной ткани и связующего 55
2.4.2 Определение технических постоянных в ANSYS Material designer 61
2.4.3 Роль объема армирования с точки зрения коэффициента запаса прочности 67
3 Глава Проектировочный расчет кессона спортивного планера и проверка его в ANSYS Composites 80
3.1 Постановка задачи 80
3.2 Нормирование нагрузок. Прочностной и проектировочный расчет… 80
3.3 Проверка решения в ANSYS Composites 87
Заключение… 92
Приложение А 93
Список литературы 94
Композитные конструкции стали неотъемлемой частью в авиастроении. С их помощью летательные аппараты стали совершенней во всех направлениях.
Изделия из композитных материалов естественно сложнее, чем изделия из алюминиевых сплавов. И естественно, расчет композитных конструкций на начальных этапах стал так же сложнее, и имеет свои особенности. Механика композита стала уже давно понятна и благодаря трудам ученых и более доступна для всех [1, 2, 7, 11, 12, 15, 32, 36, 39]. Исследование композитных материалов с точки зрения их макромеханики дало возможность рассчитывать механические свойства таких материалов на основе изучения компонентов по отдельности и с учетом их взаимного влияния [13, 17, 18, 20, 21, 25].
При проектировании каких либо конструкций из изотропных материалов проектировщик совершенно просто может получить напряженно деформированное состояние конструкции, что гораздо сложнее сделать для композитных конструкций. Для того что бы хоть как то оценить НДС конструкции из ортотропных материалов требуется решить ряд вопросов касающихся количества слоев, обобщенных параметров модулей упругости и сдвига, которые получаются с учетом характеристик монослоя. Для расчета или получения таких характеристик монослоя проводятся эксперименты, или они могут быть рассчитаны с помощью математических макромоделей композитного монослоя. Существуют и конечно элементные методы для расчета таких характеристик монослоя, что существенно облегчает задачу проектировщику [13, 17, 20, 21]. Согласно различным методам расчета как будет рассмотрено в главе
2 требуется рассчитать технические постоянные зависящие от объемного содержания компонентов, а именно объема армирующего компонента и объема связующего. В свою очередь как задавать объем армирования и чем вообще оперировать при самом начале расчета, который предопределяют все остальные характеристики композитного пакета конкретных предложений нет, кроме проведения экспериментов и испытаний. Что естественно обосновано с точки
зрения поверочных расчетов, оптимизационных расчетов и тд. Но так как уже есть возможность вести различные проектировочные расчеты с более точным теоретическим определением технических постоянных, а особенно при ситуации, когда материал например на производстве новый, то нужно правильно учитывать объем армирования и как следствие объем связующего.
Цель работы: исследование методов определения механических свойств композитного монослоя. Нахождение критериев для определения объема армирования и связующего в монослое и учет его в проектировании.
Научная новизна: из-за всего большего количества доступности различных методов расчета полимерно-композитных конструкций, возникает совершенно справедливый вопрос к начальным стадиям расчетов. Так как не всегда есть возможность вести расчет с учетом экспериментов, то возникает проблема, исследование которой до сих пор актуально, а особенно с точки зрения простых зависимостей и их описания.
1. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М: Машино-строение, 1988.
2. Муйземнек А.Ю. Механика деформирования и разрушения полимерных слоистых композиционных материалов: учебное пособие / А.Ю. Муйземнек, Е.Д. Карташова. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2017. -77 с.
3. Лекции по теории оболочек и пластин. Учебное пособие / В.А. Костин. КНИТУ-КАИ.
4. Лекции по сопротивлению материалов. Учебное пособие / А.Ю. Одиноков. Под редакцией члена-корреспондента АН РТ В.Н. Паймушина. Казан.гос.тенх.ун-т. Казань, 2007. 164 с.
5. Идентификация механических характеристик армированных волокнами композитов. Р. А. Каюмов, С.А. Луканкин, В.Н. Паймушин, С.А. Холмогоров / Ученые записки Казанского университета том 157, кв 4. 2015, – 21 с.
6. Афанасьев А.В., Дудченко А.А., Рабинский Л.Н. Влияние тканых слоев на остаточное напряженно-деформированное состояние изделий из полимерных композиционных материалов. // Электр.журнал «Труды МАИ». 2010. – №37.
7. Михаил Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы.
– Москва: Изд-во НОТ. 2008. – 822 с.
8. Афанасьев А.В., Рабинский Л.Н., Шершак П.В. Экспериментальное определение деформационных и прочностных характеристик полимерных композиционных материалов. // Механика композиционных материалов и конструкций. 2010 –т. 16, №2. – с. 214-222.
9. Афанасьев А.В., Комков В.А., Рабинский Л.Н. Определение механических характеристик материалов, состоящих из различных типов КМ
// Материалы международной конференции “Математические модели физических процессов” Таганрог: НП «ЦРЛ» 2008 г. – с186.
10. Вишняков, Л.Р. Композиционные материалы: справочник / Л.Р. Виш-
няков, Т.В. Грудина, В.Х. Кадыров [и др.]. – Киев : Наукова думка, 1985. – 592 с.
11. Бартинев, Г.М. Физика и механика полимеров / Г.М. Бартинев, Ю.В. Зеленов. – М.: Высшая школа, 1983. – 391 с.
12. Нильсен, Л. Механические свойства полимеров и полимерных компо- зиций / Л. Нильсен ; пер. с англ. – М. : Химия, 1978. – 312 с.
13. Труевцев, Н.Н. Моделирование текстиля методом конечных элемен- тов / Н.Н. Труевцев // Технический текстиль, 2007, №15. – С.25-31.
14. Kelly, A., Tyson R. Fiber Strengthened Materials / A. Kelly, R. Tyson // Second International Materials Symp. – Univ.Calif, 1964.
15. Хилл, Р. Теория механических свойств волокнистых композиционных материалов. Упругое поведение. Механика / Р. Хилл ; сб. пер. – 1966. – Т. 96. – № 2
– С.317-349.
16. Тимошенко, С.П. Сопротивление материалов. Т.2 / С.П. Тимошенко. – М. : Наука, 1965. – 480 с.
17. Bogdanovich, A.E. Multi-scale modeling, stress and failure analyses of 3-D woven composites / A.E. Bogdanovich // Journal of Materials Science, 2006, Vol.41,
№20. – P.6547-6590.
18. Rudov-Clark, S. Geometric and mechanical modelling of 3D woven compo- sites / S. Rudov-Clark, S.V. Lomov, M.K. Bannister, A.P. Mouritz, I. Verpoest // Pro- ceedings of the 14th International Conference on Composite Materials, San Diego, USA.
14-18 July 2003.
19. Gibson, R.F. Prediction of fiber-matrix interphase effects on damping of composites using micromechanical strain energy. Finite element approach / R.F. Gibson,
S.J. Hwang // Composites Engineering, 1993, Vol. 3. – №10. – P.975-984.
20. Ломов, С.В. WiseTex – виртуальный мир и реальное прогнозирование структуры и свойств текстильных полимерных композитов / С.В. Ломов, И. Фер-
пуст // Технический текстиль, 2006. – №13.
21. Ломов, C.B. Прогнозирование строения и механических свойств техни- ческих тканей методами математического моделирования: дис. … докт. техн. наук.
05.19.02 / С.В. Ломов. – СПб.: СПГУТД, 1995. – 422 с.
22. Realff, M.L. A Micromechanical Model of the Tensile Behavior of Woven Fabric / M.L. Realff, M.C. Boyce, A. Backer // Text. Res. J., 1997, Vol. 67(№ 6). – P.445-459.
23. Сталевич, A.M. Деформирование ориентированных полимеров / А.М. Сталевич. – СПб. : СПГУТД, 2002. – 250 с.
24. Ли, X. Справочное руководство по эпоксидным смолам / X. Ли, К. Невилл ; пер. с англ. – М.: Энергияю, 1973. – С. 483.
25. Towne, M.K. Ткани из волокна, содержащих углерод, их свойства и об- ласти применения / M.K. Towne, M.B. Dowall // Textilia, 1977, №5. – P.53-58.
26. Чернин, И.З. Эпоксидные полимеры и композиции / И.З. Чернин, Ф.М. Смехов, Ю.В. Жердев. – М. : Химия, 1982. – 232 с.
27. Браутман, Л. Композиционные материалы. Т.6 : Поверхности раздела в полимерных композитах: пер. с англ. / под ред. А.А. Ильюшина. – М. : Мир, 1978.
– 296 с.
28. Армированные пластики. Справ. пособие / Под ред. Головкина Г.С. – М. : МАИ, 1997. – 404 с.
29. Армированные пластики – современные конструкционные материалы на их основе // Российский химический журнал, 2001, Т.10, №2. – 327 с.
30. Берлин, А.А. Принципы создания полимерных композиционных мате- риалов / А.А. Берлин, С.А. Вольфсон, В.Г. Ошмян, И.С. Ениколопов. – М. :Химия, 1990. – 296 с.
31. Трофимов, H.H. Основы создания полимерных композитов / H.H. Тро- фимов, М.З. Канович. – М. : Наука, 1999. – 538 с.
32. Gibson, R.F. Principles of composite material mechanics / R.F. Gibson. –
CRC press. Taylor and Francis Group, 2007. – 579 p.
33. Афанасьев А.В., Рабинский Л.Н. Учет влияния упруго- наследственных свойств полимерного композиционного материала на остаточное напряженное состояние после процесса формования. // Материалы II всероссийской научно-практической студенческой школы- семинара «Компьютерный инжиниринг в промышленности и ВУЗах». – Алушта: 2010. – с. 52.
34. Sutton, W.H. Development of composite structural materials for space vehi- cle applications/ W.H. Sutton // ARS Journal, 1962, Vol.32, №4. – P.593-600.
35. Браутман, Л. Композиционные материалы. Т.2 : Механика композици- онных материалов: пер. с англ. / под ред. А.А. Ильюшина. – М. : Мир, 1978. -564 с.
36. Кристенсен, Р. Введение в механику композитов: пер. с англ. / под ред. Ю.М. Тарнопольского. – М. : Мир, 1982. – 334с.
37. Бартенев, Г.М. Релаксационные свойства полимеров / Г.М. Бартенев, А.Г. Бартенева. – М. : Химия, 1992. – 383 с.
38. Аскадский, А.А. Химическое строение и физические свойства полиме- ров / А.А. Аскадский, Ю.И. Матвеев. – М. : Химия, 1983. – 112 с.
39. Малмейстер, А.К. Сопротивление полимерных и композитных матери- алов / А.К. Малмейстер, В.П. Тамуж, Г.А. Тетерс. – Рига : Зинатне, 1980. – 572 с.
40. Бадягин А.А., Егер С.М. и др. Проектирование самолетов. – М.: Маши- ностроение, 1972. 516с.
41. Кристенсен, Р. Введение в механику композитов: пер. с англ. / под ред. Ю.М. Тарнопольского. – М. : Мир, 1982. – 334с.
42.
43. Зайцев В.Н. Рудаков В.Л. Конструкция и прочность самолетов. – Киев: Вища школа, 1976. 400с.
44. Шульженко М.Н. Конструкция самолетов. – М.: Машиностроение, 1971.
45. Макаревский А.И., Корчемкин Н.Н., Француз Т.А., Чижов В.М. Проч- ность самолета. – М.: Машиностроение, 1975. 280с.
46. Одиноков Ю.Г. Расчет самолета на прочность. – М.: Машиностроение, 1973. 392с.
47. Heinz A.F. Schmidt. Flügzeuge aus aller Welt. V. 1 – 4. – Berlin: Transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, 1972 – 1973.
48. Jones R. Mechanics of Composite Materials. Taylor & Francis. pp. 109-112. 1999.
49. Браутман Л., Крок Р., Нотон Б. (ред.) Композиционные материалы. Том3: Применение композиционных материалов в технике. М., Машиностроение, 1978. 511с.
50. Alan Baker, Stuart Dutton, Donald Kelly. Composite Materials for Aircraft Structures. Published by American Institute of Aeronautics and Astronautics. VA 20191-4344.
51. Burk, R. C. Standard Failure Criteria Needed for Advanced Composites. AIAA. 1983, Vol. 21, pp. 58-62.
52. Cui, W. C., Wisnom, M. R., and Jones, M. A Comparison of Failure Criteria to Predict Delamination of Unidirectional Glass/Epoxy Specimens Waisted Through the Thickness // Composites. Vol. 23, No. 3, May1992, pp. 158-166.
53. Болсуновский А.Л. Расчет аэродинамических характеристик крыла большого удлинения на больших углах атаки при малых скоростях. “Моделирование в механике”, том 2, №6, Новосибирск, 1988.
54. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука, 1977.
55. Кристенсен Р. Введение в механику композитов. М.: Мир, 1982.
56. Ванин Г.А. Микромеханика композиционных материалов. Киев: Наук.думка, 1985.
57. Бахвалов Н.С., Панасенко Г.П. Осреднение процессов в периодических средах. М.: Наука, 1984.
58. Федотов А.Ф. // Механика композ. материалов и конструкций. 2011. Т. 17,
№ 1. С. 3.
59. Сендецки Дж. // Композиционные материалы. Механика композиционных материалов. Т. 2. М.: Мир, 1978. С. 61—101.
60. Campbell F.C. Manufacturing processes for advanced composites. Elsevier Science. 2004. 532 р.
61. Labronici М., Ishida Н. Effect of degree of cure and fibercontent on the mechanical and dynamic mechanical properties ofcarbon fiber reinforced PMR-15 polyimide composites // Polymer Composites. 1999. Vol. 20. N 4. P. 515—523.
62. Щербаков В.П., Скуланова Н.С. Основы теории деформирования и прочности текстильных материалов: Монография. – М., 2008.
63. Zhang B., Yu X., Gu B. Micromechanical modeling of large deformation in sepiolite reinforced rubber sealing composites under transversetension. Polym. Compos., 2015. doi: 10.1002/pc.23596
64. Ge Qi, Luo X., Iversen C.B., Nejad H.B., Mather P.T., Dunn M.L., Qi
H.J. A finite deformation thermomechanical constitutive model for triple shape polymeric composites based on dual thermal transitions. Int. J. Solids and Struct., 2014, vol. 51, pp. 2777–2790.
65. Зорин В.А. Опыт применения композиционных материалов в изделиях авиационной и ракетно-космической техники (Обзор). Конструкции из композиционных материалов, 2011, № 4, с. 44–59.
66. Зорин В.А. Методология проектирования оболочечных конструкций из композиционных материалов. Конструкции из композиционных материалов, 2012, № 3, с. 3–10.
67. Крысин В.Н., Крысин М.В. Технологические процессы формования, намотки и склеивания конструкции. Москва, Машиностроение, 1989, 240 с.
68. Токарева М.И., Ширяев М.И. Проблемы применения композиционных материалов при разработке ферменных конструкций двигательных установок. Инженерный журнал: наука и инновации, 2019, вып.1.
69. Токарева М.И., Ширяев М.И. Проблемы применения композиционных материалов при разработке ферменных конструкций двигательных установок. Инженерный журнал: наука и инновации, 2019, вып. 1.
70. Малмейстер, А.К. Сопротивление полимерных и композитных матери- алов / А.К. Малмейстер, В.П. Тамуж, Г.А. Тетерс. – Рига : Зинатне, 1980. – 572 с.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (105 отзывов)
4.8 (40 отзывов)
5 (22 отзыва)
4.9 (826 отзывов)
4.9 (20 отзывов)
4.8 (373 отзыва)
4.9 (298 отзывов)
4.9 (66 отзывов)
4.9 (343 отзыва)
