Исследование механических характеристик композитных материалов (КМ). Проектирование пакета слоёв

Часть 1
Экспериментальное исследование механических характеристик КМ

ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ КМ
Традиционные конструкционные материалы (металлы) однородны и изотропны. Первое означает постоянство свойств по всему объёму, второе – постоянство свойств по всем направлениям.
Композиционные материалы, как правило, неоднородны и анизотропны.
Частный случай анизотропии – ортотропия, т.е. наличие трёх взаимно перпендикулярных выделенных направлений в материале, вдоль которых механические свойства отличаются.
СИСТЕМА КООРДИНАТ КМ
Анизотропия – различие свойств материала в различных напрявлениях.

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КМ. ИСПЫТАНИЯ
Исходными данными для проектирования композитных конструкций являются механические характеристики материала. Использование ряда известных критериев прочности показывает, что задание достоверных значений упругих и прочностных характеристик на начальном этапе разработки изделия оказывает существенное влияние на конечный результат проектирования.
Наиболее точным и надежным способом определения свойств материалов является эксперимент.
Испытание – опытное определение количественных и (или) качественных свойств предмета испытаний как результата воздействий на него, при его функционировании, при моделировании предмета и (или) воздействий
ГОСТ 16504-81

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КМ. ИСПЫТАНИЯ
Цель проведения испытаний: получения сведений, необходимых для принятия решения о соответствии объекта испытаний заданным требованиям.
Качество испытания определяется достоверностью полученных сведений. Чем выше достоверность, тем выше качество.
Для современного уровня развития достаточным является получение результатов испытаний, которые обеспечивают заданные требования с 90% вероятностью попадания в 95% доверительный интервал (B-базис).
А-базис - обеспечение заданных требований с 99% вероятностью попадания в 95% доверительный интервал.

ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ. ИСПЫТАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ
Испытания на прочность – испытания, проводимые для определения значений воздействующих факторов, вызывающих выход значений характеристик свойств объекта за установленные пределы или его разрушение.
по виду воздействия:
механические,
климатические,
термические,
радиационные,
электрические,
электромагнитные,
магнитные,
химические, и т. п.;
по назначению:
исследовательские,
контрольные,
сравнительные;
по условию и месту проведения испытаний:
лабораторные,
стендовые,
натурные,
эксплуатационные;
по результату воздействия:
неразрушающие,
разрушающие,
испытания на стойкость,
испытания на прочность,
испытания на устойчивость.
ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ

ИСПЫТАНИЯ. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ
Методика испытаний – документ, содержащий обобщённую информацию о методах испытаний и (или) измерений, условиях и средствах проведения испытаний, определяемых показателях и точности их измерения, оценке достоверности результатов.
Программа испытаний – документ, содержащий организационно-методическую информацию о проводимых исследованиях (общие требования к условиям, обеспечению и проведению испытаний, формах представления информации)
Опытный образец – образец продукции, изготовленный по вновь разработанной рабочей документации для проверки путем испытаний соответствия его заданным техническим требованиям с целью принятия решения о возможности постановки на производство и (или) использования по назначению.
Испытательное оборудование – средство испытаний, представляющее собой техническое устройство для воспроизведения условий испытаний.

ИСПЫТАНИЯ. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ
Точность результатов испытаний – свойство испытаний, характеризуемое близостью результатов испытаний к действительным значениям характеристик объекта, в определённых условиях испытаний.
Воспроизводимость результатов испытаний – характеристика результатов испытаний, определяемая близостью результатов повторных испытаний объекта.
Данные испытаний – регистрируемые при испытаниях значения характеристик свойств объекта и (или) условий испытаний, наработок, а также других параметров, являющихся исходными для последующей обработки.
Результат испытаний – оценка характеристик свойств объекта, установления соответствия объекта заданным требованиям по данным испытаний, результаты анализа качества функционирования объекта в процессе испытаний.
Протокол испытаний – документ, содержащий необходимые сведения об объекте испытаний, применяемых методах, средствах и условиях испытаний, результаты испытаний, а также заключение по результатам испытаний, оформленный в установленном порядке.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Механические свойства композитов складываются в результате взаимодействия компонентов. Податливая матрица, заполняющая межволоконное пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счёт собственной жёсткости и взаимодействия, существующего на границе раздела «матрица – волокно».
Следовательно, механические характеристики полимерных композитов, армированных волокнами, зависят главным образом от трёх факторов:
прочности и упругости волокна;
прочности и химической стабильности смолы;
прочности связи между смолой и волокном, от которой зависит эффективность передачи напряжения через поверхность раздела.
Каждый из перечисленных факторов может влиять на механические свойства композитов.
Для определения базового набора свойств КМ, необходимых и достаточных для проектирования, проводятся следующие виды испытаний: растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб + испытания на межслоевую прочность.

ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ
ASTM D 3039M
Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials
Определяемые величины:
Предельная деформация
Предельные напряжения σ11+, σ22+
Модуль упругости E11, E22
Коэффициент Пуассона ν12

ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

ИСПЫТАНИЯ НА СЖАТИЕ
ASTM D 3410M
Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials
Определяемые величины:
Предельная деформация
Предельные напряжения σ11-, σ22-
Коэффициент Пуассона ν12

ИСПЫТАНИЯ НА СЖАТИЕ. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

ИСПЫТАНИЯ НА ТРЕХТОЧЕЧНЫЙ ИЗГИБ
ASTM D 790M
Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials
Определяемые величины:
Предельная деформация
Предел изгибной прочности σf
Модуль упругости

ИСПЫТАНИЯ НА ИЗГИБ. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
z – прогиб образца (соответствует перемещению штока гидроцилиндра),
δ – толщина образца,
L – расстояние между опорами испытательной оснастки
F – сила, действующая на образец,
b – ширина образца.

ИСПЫТАНИЯ НА СДВИГ
ASTM D 7078M
Test Method for Shear Properties of Polymer Matrix Composite Materials
Определяемые величины:
Модуль сдвига в плоскости слоев G12
Предельные напряжения τ12
Предельные деформации ϒ12

ИСПЫТАНИЯ НА СДВИГ. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
ASTM D 7078

Часть 2
Проектирование конструкций из КМ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАКЕТА СЛОЕВ КМ
Под слоем композиционного материала понимается плоский или криволинейный набор однонаправленных волокон или ткани, расположенных в матрице.
Под ламинатом или пакетом слоёв композиционного материала понимается совокупность слоёв различной ориентации, объединенных между собой.
Пакет слоёв
в «разобранном» виде:
Направление
основы

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАКЕТА СЛОЕВ КМ
При проектировании конструкций из композиционных материалов необходимо располагать следующими данными:
1. Расчетными нагрузками, действующими на элемент конструкции в следующем виде:

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАКЕТА СЛОЕВ КМ
Зачастую на практике конструкции из композиционных материалов имеют повышенные значения коэффициента вариации, характеризующего нестабильность несущих свойств конструкции. Поэтому значения расчетных нагрузок необходимо увеличить на дополнительный коэффициент безопасности

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАКЕТА СЛОЕВ КМ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАКЕТА СЛОЕВ КМ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАКЕТА СЛОЕВ КМ