Preview

Заводская лаборатория. Диагностика материалов

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Влияние концентрации напряжений вблизи захватов на прочность композитов при растяжении

https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-11-48-59

Полный текст:

Аннотация

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.

Об авторах

А. Н. Полилов
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова, РАН
Россия

Александр Николаевич Полилов

101000, Москва, Малый Харитоньевский переулок, д. 4



А. С. Арутюнова
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ
Россия

Анастасия Сергеевна Арутюнова

115409, Москва, Каширское шоссе, д. 31


Н. А. Татусь
Национальный исследовательский московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)
Россия

Николай Алексеевич Татусь

129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26



Список литературы

1. Тарнопольский Ю. М., Кинцис Т. Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. Изд. 3-е. — М.: Химия, 1981. — 271 с.

2. Алфутов Н. А., Зиновьев П. А., Попов Б. Г. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. — М.: Машиностроение, 1984. — 446 с.

3. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. — М.: Машиностроение, 1988. — 272 с.

4. Кербер М. Л. Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. — СПб.: Профессия, 2008. — 560 с.

5. Полилов А. Н. Экспериментальная механика композитов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 375 с.

6. Pagano F., Paulmier P., Kaminski M., Thionnet A. Numerical and experimental approach for improving quasi-static and fatigue testing of a unidirectional CFRP composite laminate / Procedia Engineering. 2018. Vol. 213. P. 804 – 815. DOI: 10.1016/j.proeng.2018.02.076.

7. Shokrieh M. M., Omidi M. J. Tension behavior of unidirectional glass/epoxy composites under different strain rates / Composite Structures. 2009. Vol. 88. Issue 4. May. P. 595 – 601.

8. Czél G., Jalalvand M., Wisnom M. R. Hybrid specimens eliminating stress concentrations in tensile and compressive testing of unidirectional composites / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2016. Vol. 91. P. 436 – 447. DOI: 10.1016/j.compositesa.2016.07.021.

9. Олейников А. И. Оценка статической прочности слоистых композитов / Ученые записки ЦАГИ. 2019. Т. 50. № 4. С. 53 – 66.

10. Мельников Д. А., Ильичев А. В., Вавилова М. И. Сравнение стандартов для проведения механических испытаний стеклопластиков на сжатие / Труды ВИАМ. 2017. № 3(51). С. 6.

11. Бабушкин А. В., Вильдеман В. Э., Лобанов Д. С. Испытания на растяжение однонаправленного высоконаполненного стеклопластика при нормальных и повышенных температурах / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. Т. 76. № 7. С. 57 – 59.

12. Тихонов В. Б., Блазнов А. Н., Савин В. Ф. Метод испытаний стеклопластиков на статическую долговечность / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. Т. 76. № 9. С. 63 – 67.

13. Lebrun G., Couture A., and Laperriиre L. Tensile and impregnation behavior of unidirectional hemp/paper/epoxy and flax/paper/epoxy composites / Composite Structures. 2013. Vol. 103. P. 151 – 160. DOI: 10.1016/j.compstruct.2013.04.028.

14. Смердов А. А., Таирова Л. П. Идентификация характеристик упругости и прочности однонаправленного слоя многослойных углепластиков — особенности реализации при исследовании влияния нанодобавок / Конструкции из композиционных материалов. 2015. № 2(138). С. 52 – 58.

15. Комаров В. А., Кишов Е. А., Чарквиани Р. В., Павлов А. А. Расчетно-экспериментальный анализ прочности изделий из тканевого эпоксидного углепластика / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королева (национального исследовательского университета). 2015. Т. 14. № 2. С. 106 – 112.

16. Кошелева Н. А., Шипунов Г. С., Воронков А. А., Меркушева Н. П., Тихонова А. А. Экспериментальные исследования по определению деформаций образцов из полимерного композиционного материала с применением волоконно-оптических датчиков / Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2017. № 50. С. 26 – 35.

17. Кирюшина В. В., Ковалева Ю. Ю., Степанов П. А., Коваленко П. В. Исследование влияния масштабного фактора на прочностные свойства полимерных композиционных материалов / Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2019. № 1. С. 97 – 106.

18. Kroupa T., Zemčík H., Zemčík R. Micromechanical analysis of fiber spatial distribution influence in unidirectional composite cross-section on overall response in terms of tensile curves / Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 12. P. 395 – 403. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.03.141.

19. Полилов А. Н. Механизмы снижения концентрации напряжений в волокнистых композитах / Прикладная механика и техническая физика. 2014. Т. 55. № 1. С. 187 – 197.

20. Полилов А. Н. Этюды по механике композитов. — М.: Физматлит, 2015. — 320 с.


Для цитирования:


Полилов А.Н., Арутюнова А.С., Татусь Н.А. Влияние концентрации напряжений вблизи захватов на прочность композитов при растяжении. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020;86(11):48-59. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-11-48-59

For citation:


Polilov A.N., Arutyunova A.S., Tatus’ N.A. Effect of stress concentration near grips on the tensile strength of composites. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2020;86(11):48-59. (In Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-11-48-59

Просмотров: 48


ISSN 1028-6861 (Print)
ISSN 2588-0187 (Online)