Александр Николаевич Полилов
101000, Москва, Малый Харитоньевский переулок, д. 4
Анастасия Сергеевна Арутюнова
Anastasiya S. Arutyunova
31, Kashirskoe shosse, Moscow, 115409
Николай Алексеевич Татусь
129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26
Nikolay A. Tatus’
26, Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337
Прочность вдоль волокон однонаправленного композита — важнейшая характеристика для проектного расчета композитных изделий, но именно ее труднее всего корректно определить в эксперименте. Основная проблема связана с формой и способами закрепления образца, обеспечивающими минимальное влияние концентрации напряжений вблизи захватов на прочность. Невозможность непосредственного использования стандартных самозатягивающихся захватов из-за поперечного смятия образца привела к необходимости применения либо образцов с приклеенными накладками, либо специальных захватов с постоянным поперечным усилием. Для однонаправленно армированных пластиков нельзя использовать образцы с галтелями. На стандартизованных образцах в виде прямоугольных полосок, к боковой поверхности которых приложены меняющиеся касательные усилия, вызывающие значительную концентрацию растягивающих напряжений, получают неверные результаты. В данной работе проведены расчеты коэффициента концентрации напряжений вблизи захватов — по упрощенной модели сдвигового анализа и методом конечных элементов (МКЭ). Поскольку коэффициент снижения прочности всегда меньше, чем теоретический коэффициент концентрации напряжений, для оценки прочности необходимо введение феноменологического параметра материала с размерностью длины как размера зоны усреднения напряжений. Предложено три метода нахождения этого характерного размера по результатам испытаний образцов: 1) гладких с различными толщинами; 2) разной толщины — гладких и с отверстиями (разрушение происходит по отверстию, вдали от захватов); 3) с серией отверстий с убывающим радиусом (для нахождения того малого радиуса, влияние которого на снижение прочности эквивалентно влиянию захватов). На основе экспериментально определенного характерного размера рассчитаны зависимости прочности от толщины образца, отношения модулей Юнга и сдвига, длины захватов и рабочей части, степени сглаживания напряжений около кромок захватов. Предложенная расчетно-экспериментальная методика позволяет более точно оценивать «истинную» прочность композитов при растяжении, которая может быть примерно на 10 % выше определяемой на образцах большой толщины. Учет подобной поправки на влияние захватов дает возможность снизить коэффициент запаса, а следовательно, массу композитных конструкций.
Strength of a unidirectional composite along the fibers is the most important characteristic for the design calculation of composite products, being, however most difficult for correct determination in the experiment. The main problem is attributed to the shape and methods of fixing the specimen, providing the minimum impact of the stress concentration near the grips on the strength. The impossibility of direct use of standard self-tightening grips due to lateral crushing of the sample led to the necessity of using either samples with glued pads, or special grips with a constant transverse force. Specimens with fillets should not be used for unidirectionally reinforced plastics. When using standardized specimens in the form of rectangular strips with abruptly varying shear stresses applied to their lateral surface which results a significant concentration of tensile stresses, the incorrect result can be gained. We present the calculated values of the stress concentration factor (SCF) near the grips using a simplified model of shear analysis and the finite element method (FEM). Since the strength reduction factor is always less than the theoretical stress concentration factor, a phenomenological parameter of the material with the dimension of length, as a characteristic size of the stress averaging zone should be introduced to assess the strength value. Three methods are proposed to find this characteristic size according to the results of testing specimens of different kind: 1) smooth with various thicknesses; 2) smooth with various thicknesses and with holes in which the failure occurs at the hole, away from the grips; 3) with a series of holes with a decreasing radius, to find that small radius, the influence of which on the strength decrease is equivalent to the influence of grips. Proceeding from the experimentally determined characteristic size, the dependences of the strength on the specimen thickness, on the ratio of Young’s and shear modulus, on the length of the grips and the working zone, and on the degree of stress smoothing near the grip edges are calculated. The proposed calculation and experimental technique provided more accurate assess of the «true» tensile strength of the composites, which can be approximately 10 % higher than that determined on the specimens of large thickness. Taking this correction for the effect of grips into account, it appeared possible to reduce the safety factor, and, hence, to reduce the mass of composite structures.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.