СПЕЦИФИКА РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ ВАЛОПРОВОДОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, С УЧЕТОМ НАПРАВЛЕНИЯ АРМИРОВАНИЯ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДИФИКАТОРОВ МАТРИЦЫ
Аннотация
В статье рассмотрен новый трехуровневый подход к моделированию и расчету параметров напряженно-деформированного состояния элементов конструкции из полимерных композиционных материалов, обладающих явно выраженной анизотропией физико-механических свойств. Данные конструкции из полимерных композиционных материалов в виде тел вращения (валопроводы, оболочки, сосуды под давлением и т. д.) находят широкое применение в судостроении. У подобных композиционных материалов имеются существенные преимущества по сравнению с традиционно используемыми для этих целей сплавами металлов, поскольку они обладают меньшим весом, нечувствительны к локальным дефектам, а самое главное - более долговечны и для отдельных конструкций технологичны. При решении инженерных задач необходимо достаточно точно оценивать параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкционного композиционного материала, а также возможности их регулирования. На каждом уровне расчета производится оценка собственных зависимостей, которые в итоге определяют функцию итогового напряженно-деформированного состояния композиционного материала в рассматриваемой конструкции: уровень 1 - общий подход оценки НДС в зависимости от главных осей, уровень 2 подразумевает учет адгезионных характеристик матрицы и армирующего волокна, на уровне 3 оценивается влияние наполнителей и модификаторов в матрице. В статье изложены результаты, которые показывают, что в разных плоскостях (0º, 45º, 90º), в зависимости от условной оси симметрии укладки волокна при намотке, существенно меняются постоянные упругости, причем они могут иметь несколько экстремальных значений в зависимости от сочетания величин модулей упругости и коэффициентов поперечной деформации. Приведены зависимости и отдельные результаты расчетов, а также построенные на их основе эпюры, например по оси ОХ, подтверждающие анизотропию свойств основных физико-механических характеристик композиционного материала. В целом предложенная теория после дополнительных экспериментальных исследований может быть адаптирована не только для расчета тел вращения, полученных методом намотки, но и для других конструктивных исполнений, например методом прессования.
Ключевые слова
композиционные материалы, моделирование, расчет напряжений, тела вращения, угольное волокно, механическое разрушение, граничные условия, модификатор, адгезия, весовые коэффициенты
Читать полный текст статьи: PDF
Список литературы
Баженов С. Л. Полимерные композиционные материалы. Прочность и технологии / С. Л. Баженов, А. А. Берлин, А. А. Кульков, В. Г. Ошмян. - М.: Интеллект, 2009. - 352 с.
Справочник по композиционным материалам / под ред. Дж. Любина; пер. с англ. под ред. А. Б. Геллера, М. М. Гельмонта, Б. Э. Геллера. - М.: Машиностроение, 1988. - 448 с.
Росато Д. В. Намотка стеклонитью / Д. В. Росато, К. С. Грове. - М.: Машиностроение, 1969. - 310 с.
Белецкий Е. Н. Учет физико-механических характеристик композиционных углепластиков, влияющих на процессы разрушения при реализации технологического процесса механической обработки и экстремальных условий эксплуатации / Е. Н. Белецкий, В. М. Петров, С. Н. Безпальчук // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2014. - № 2 (24). - С. 66-73.
Белецкий Е. Н. Различные уровни моделирования сложных конструкций судовых энергетических установок, отдельные элементы которых выполнены из композиционных полимерных материалов / Е. Н. Белецкий // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2016. - № 1 (35). - C. 138-144. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-8-1-138-144.
Ашкенази Е. К. Анизотропия конструкционных материалов: справочник / Е. К. Ашкенази, Э. В. Ганов. - Л.: Машиностроение, 1980. - 247 с.
Глухих В. Н. Плоская задача теории упругости для цилиндрически анизотропного тела / В. Н. Глухих // Известия СПбЛТА. - 1998. - № 6 (164). - С. 141-145.
Глухих В. Н. Определение постоянных упругости с учетом анизотропии свойств композиционных материалов, используемых для намотки ответственных оболочек и стержневых конструкций в судостроении и портовой инфраструктуре / В. Н. Глухих, В. М. Петров, Н. Ю. Сойту // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2016. - № 2 (36). - C. 137-142. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-8-2-137-142.
Петроченков Р. Г. Композиты на минеральных заполнителях: в 2 т. / Р. Г. Петроченков. - М.: Изд-во МГГУ, 2005. - Т. 2. - 351 с.
Вержбовский Г. Б. Прогнозирование характеристик композитных материалов на основе свойств составляющих их частей / Г. Б. Вержбовский // Научное обозрение. - 2014. - № 7-3. - С. 909-913.
Об авторах
Белецкий Евгений Николаевич - кандидат технических наук, главный технолог
ОАО «Концерн «НПО» Аврора»
