Исследование упругих характеристик углепластика с 3D структурой

В.С. Жернаков, Ю.С. Первушин, П.В. Соловьев ORCID logo показать трудоустройства и электронную почту
Получена: 19 декабря 2018; Исправлена: 24 февраля 2019; Принята: 26 февраля 2019
Цитирование: В.С. Жернаков, Ю.С. Первушин, П.В. Соловьев. Исследование упругих характеристик углепластика с 3D структурой. Письма о материалах. 2019. Т.9. №2. С.185-190
BibTex   https://doi.org/10.22226/2410-3535-2019-2-185-190

Аннотация

На рисунке показана модифицированная матрица с прошивочными нитями, на основе которой формируется 3D структура.Композиционные материалы в настоящее время широко используются в авиастроении, ракетостроении, кораблестроении, нефтяной и химической промышленности. Многослойные композиты являются наиболее перспективными с точки зрения управления их физико-механическими свойствами в зависимости от направления внешних силовых воздействий в процессе эксплуатации. Изменяя многослойную структуру композита (число слоев, углы и последовательность их укладки, физико-механические свойства компонент композита), можно управлять их физико-механическими характеристиками в нужном направлении. В статье приведены результаты аналитического, экспериментального и конечно-элементного исследования влияния пространственного армирования однонаправленного углепластика с поперечной прошивкой на его коэффициенты упругой податливости и прочностные характеристики. Приведен обзор литературных источников, посвященных методам определения упругих характеристик композиционных материалов (КМ) с 3D (пространственными) структурами. В основе приведенных в литературе методов определения упругих характеристик пространственно-армированных композитов лежит принцип разбиения их на слои, в которых за основу принимается однонаправленный слой, характеризующийся девятью упругими параметрами: тремя модулями упругости вдоль главных осей упругой симметрии E1, E2, E3, тремя модулями сдвига G12, G23, G13 и тремя коэффициентами Пуассона ν12, ν23, ν13. Из анализа литературных источников установлено, что при определении коэффициентов податливости пространственно-армированных композиционных материалов учитывается только объемное содержание и упругие характеристики армирующего материала. Исследования напряженно-деформированного состояния матрицы, модифицированной прошивочной нитью, показали, что на ее упругие характеристики кроме объемного содержания прошивочной нити оказывают влияние геометрические параметры прошивки, упругие характеристики пропитанной матричным материалом прошивочной нити, концентрация напряжений на ее границе. Это влияние имеет место при всех способах создания пространственных структур, образованных системой трех нитей. В статье также представлены результаты экспериментального определения упругих характеристик пространственно-армированных КМ и проведено их сравнение с теоретическими полученными компонентами тензора упругой податливости однонаправленно-армированного КМ.

Ссылки (17)

1. A. K. Malmeyster, V. P. Tamuzh, G. A. Teters. Soprotivleniye zhestkikh polimernykh materialov. Riga, Zinatne (1972) 500 p. (in Russian) [А. К. Малмейстер, В. П. Тамуж, Г. А. Тетерс. Сопротивление жестких полимерных материалов. Рига, Зинатне (1972) 500 с.].
2. I. G. Zhigun, V. A. Polyakov. Svoystva prostranstvenno-armirovannykh plastikov . Ed. by Y. M. Tarnopolskiy. Riga, Zinatne (1978) 215 p. (in Russian) [И. Г. Жигун, В. А. Поляков. Свойства пространственно-армированных пластиков. Под ред. Ю. М. Тарнопольского. Рига, Зинатне (1978) 215 c.].
3. Y. M. Tarnopolskiy, I. G. Zhigun, V. A. Polyakov. Prostranstvenno-armirovannyye kompozitsionnyye materialy. Spravochnik. Moscow, Mashinostroyeniye (1987) 224 p. (in Russian) [Ю. М. Тарнопольский, И. Г. Жигун, В. А. Поляков. Пространственно-армированные композиционные материалы. Справочник. Москва, Машиностроение (1987) 224 с.].
4. S. G. Lekhnitskiy. Teoriya uprugosti anizotropnogo tela. 2nd edition. Moscow, Nauka (1977) 416 p. (in Russian) [С. Г. Лехницкий. Теория упругости анизотропного тела. Изд. 2-е. Москва, Наука (1977) 416 с.].
5. Y. M. Tarnopolskiy, T. Y. Kintsis. Metody staticheskikh ispytaniy armirovannykh plastikov. 3rd edition. Moscow, Khimiya (1981) 270 p. (in Russian) [Ю. М. Тарнопольский, Т. Я. Кинцис. Методы статических испытаний армированных пластиков. Изд. 3-е. Москва, Химия (1981) 270 с.].
6. B. A. Lyukshin. Kompozitsionnyye materialy. Tomsk, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics (2012) 101 p. (in Russian) [Б. А. Люкшин. Композиционные материалы. Томск, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (2012) 101 с.].
7. D. S. Abolinsh. Mekhanika polimerov. 4, 47 (1965) (in Russian) [Д. С. Аболиньш. Механика полимеров, 4, 47 (1965).].
8. A. M. Skudra, F. Y. Bulavs, K. A. Rotsens. Polzuchest i staticheskaya ustalost armirovannykh plastikov. Riga, Zinatne (1971) 238 p. (in Russian) [А. М. Скудра, Ф. Я. Булавс, К. А. Роценс. Ползучесть и статическая усталость армированных пластиков. Рига, Зинатне (1971) 238 с.].
9. L. Brautman, R. Krok. Kompozitsionnyye materialy. Tom 5. Razrusheniye i ustalost’. Translated and edited by G. P. Cherepanova. Moscow, Mir (1978) 488 p. (in Russian) [Л. Браутман, Р. Крок. Композиционные материалы. Том 5. Разрушение и усталость. Перевод с англ. под ред. Г. П. Черепанова. Москва, Мир (1978) 488 с.].
10. G. A. Molodtsov, V. Y. Bitkin, V. F. Silyonov, F. F. Urmanov. Formostabilnyye i intellektualnyye konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov. Moscow, Mashinostroyeniye (2000) 352 p. (in Russian) [Г. А. Молодцов, В. Е. Биткин, В. Ф. Сильонов, Ф. Ф. Урманов. Формостабильные и интеллектуальные конструкции из композиционных материалов. Москва, Машиностроение (2000) 352 с.].
11. V. S. Ivanova, I. M. Kopyev, L. R. Botvina, T. D. Shermergor. Uprochneniye metallov voloknami. Moscow, Nauka (1973) 206 p. (in Russian) [В. С. Иванова, И. М. Копьев, Л. Р. Ботвина, Т. Д. Шермергор. Упрочнение металлов волокнами. Москва, Наука (1973) 206 с.].
12. V. S. Zhernakov, Y. S. Pervushin, P. V. Solovyev. Vestnik UGATU. 21 (3), 19 (2017) (in Russian) [В. С. Жернаков, Ю. С. Первушин, П. В. Соловьев. Вестник УГАТУ. 21 (3), 19 (2017).].
13. G. A. Van Fo Fy. Osnovy teorii polimernykh tel s oriyentirovannoy strukturoy. Abstract of doc. diss. Kiev (1965) 10 p. (in Russian) [Г. А. Ван Фо Фы. Основы теории полимерных тел с ориентированной структурой. Автореферат докт. дисс. Киев (1965) 10c.].
14. V. V. Bolotin. Mekhanika polimerov. 2, 27 (1965) (in Russian) [В. В. Болотин. Механика полимеров. 2, 27 (1965).].
15. S. W. Tsai. Structural behavior of composite materials. NASA CR-71 (1964).
16. W. Voigt. Lehrbuch der Kristallphysik. Berlin-Liepzig, Teubner-Verlag (1910).
17. R. G. Hill. J. Mech. Phys. Solids. 13 (4), 213 (1965). Crossref

Другие статьи на эту тему

Финансирование

1. Российский фонд фундаментальных исследований - в рамках научного проекта № 17‑48‑020978 р_а. 
2. Правительства Республики Башкортостан - в рамках научного проекта № 17‑48‑020978 р_а.