книги / Сфероволокнистые композиты с пространственной структурой
..pdfНГУЕН динь ДЫК
СФЕРОВОЛОКНИСТЫЕ
КОМПОЗИТЫ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ
СТРУКТУРОЙ
Эдиториал УРСС Москва • 2000
УДК 539.3
Нгуен Дннь Дык
Сфероволокнистые композиты с пространственной структурой
М.: Эдиториал УРСС, 2000. — 242 с.
ОДиуеп ШпЬ Бис ТНе ЗрЪегойЬге Сотрозке *кЬ 8расе 81гис1иге
Мояхпу: Ебкопа111К88, 2000. — 242 р.
18ВИ 5-8360-0048-4
В книге впервые рассматривается модель трехфазных композиционных матери алов, которая состоит из матрицы, волокон и сферических включений. С учетом взаимодействия между включениями и матрицей предложен алгоритм для определе ния характеристик сфероволокнистых композитов. В книге решены задачи выбора рациональной структуры композитов типа З Б т , 40га, а также задачи ползучести, термоупругости и адгезионного разрушения для них.
Для студентов, аспирантов, научных сотрудников, преподавателей вузов по спе циальностям “механика деформируемого твердого тела” и “механика композиционных материалов”, а также для исследователей и инженеров-конструкторов, занимающихся созданием и использованием композиционных-материалов.^
Рецензенты:
профессор, д.т. н. Ю. В. Суворова, академик Академии космонавтики, профессор, д. т. н. В. Г. Люпщау
Оригинал-макет представлен автором
Текст опубликован в авторской редакции
Издательство «Эдиториал УРСС*. 113208, г. Москва, ул. Чертановская, д. 2/11, к.п. Лицензия ЛР №064418 от 24.01.96 г. Гигиенический сертификат па выпуск книжной продукции № 77.ФЦ.8.953.П.270.3.99 от 30.03.99 1. Подписано к печати 21.04.2000 г. Формат 60 x 84/16. Тираж 1000 эхэ. Печ. л. 15. Зак. N$327.
Отпечатано в множительной лаборатории Кольчугинекого завода технических изделий. 601750, Владимирская обл., г. Кольчугино, ул. Добровольского, 2.
У Р С С |
181№ 5— 8360— 0048—4 |
научная и учебная литература |
|
© Нгуен Динь Дык, 2000
О Г Л А В Л Е Н И Е |
|
ОТ АВТОРА. |
.. 5 |
ПРЕДИСЛОВИЕ. |
7 |
ВВЕДЕНИЕ. |
.8 |
Глава 1. Исходные соотношения теории и модели пространственных сфероволокнистых
композитов. |
39 |
§1. Постановка задачи...... |
39 |
§2.Модель сфероволокнистых сред. Функции |
|
распределения геометрических параметров. |
. 43 |
§3.Преобразование компонентов напряжений и |
|
деформаций в эйлеровой системе координат........... 51 |
|
§4.Упрощающие гипотезы. |
|
Канонические составляющие состояния системы |
|
волокно-матрица.. |
.61 |
§5.Представление внутреннего поля в системе |
|
волокновключение - матрица |
66 |
Глава 2. Упругость сфероволокнистых |
|
композитов со структурой, близкой к |
|
регулярной |
77 |
§6.Соотношение теории усреднения полей |
77 |
§7.Упругость сферопластиков |
.83 |
§8.0 принципе Эшелби в механике композитов.......... 90
§9.Упругость пространственных волокнистых сред |
.94 |
§10.Упругостъ сфероволокнистых сред |
111 |
Глава 3. Определение рационального строения |
|
сфероволокнистых композитов |
...118 |
§11.Сдвиг сфероволокнистых ортогонально |
|
армированных композитов.. |
118 |
3
§12.Композиты со структурой ЗИ т |
131 |
§13.Композиты со структурой 4Ц>т |
140 |
§14.Сравнение данных опытов и теории |
151 |
Глава 4. Основы теории вязкоупругости |
|
сфероволокнистых пластиков |
159 |
§15.Ползучесть сферопластиков. |
159 |
§16.Ползучестъ при сдвиге ортогонально армированных
сфероволокнистых композитов.. |
171 |
§17.Ползучесть ортогонально армированных сферо |
|
волокнистых композитов |
.185 |
Глава 5. Термоупругое расширение и усадка |
|
сфероволокнистых композитов__ |
190 |
§18.Термоупругое расширение сфероволокнистых |
|
однонаправленных композитов |
190 |
§19.Тепловое расширение многонаправленных |
|
композитов |
197 |
§20.Усадка сфероволокнистых сред |
. .205 |
Глава б. К теории отслоения волокон в сферо
волокнистых пластиках |
. 207 |
§21.Постановка задачи и модели |
.207 |
§22.Продольный сдвиг системы волокно-матрица |
|
при несовершенном контакте |
. 209 |
§23.Продольные и поперечные состояния системы |
|
волокно-матрица. |
212 |
§24.Упругостъ пространственных волокнистых |
|
композитов с трещинами |
.215 |
ЛИТЕРАТУРА |
.224 |
ОТ АВТОРА:
В настоящее время композиционные материалы применяют почти во всех отраслях народного хозяйства. Благодаря высокой прочности и малому весу, а также другим преимуществам, связанным с возможностью их использования при различных сложных условиях эксплуатации, они применяются в строительстве, судостроении, металлургии, машиностроении, медицине, авиастроении и т.д. Именно поэтому композиционные материалы играют ключевую роль в индустриализации и являются материалами будущего. В особенности, это касается армированных композитов с пространственной структурой, из них изготавливаются многие детали летательных аппаратов (космических объектов, самолетов, ракет,...) и конструкций, испытанных при высоких температурах иуровнях нагрузки.
Книга является результатом исследований автора, проведенных в течение многих лет, по изучению и созданию композиционных материалов.
Сейчас во Вьетнаме начинается интенсивное развитие промышленного производства композиционных материалов, необходимых в различных отраслях народного хозяйства страны, в особенности, в строительстве, медицине, судостроении, в нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Надеюсь, эта книга послужит вкладом автора в индустриализацию и модернизацию
Вьетнама. |
|
|
|
|
Автор |
хотел |
бы |
выразил |
глубокую |
признательность профессору Г.А.Ванину за поддержку,
5
консультацию и замечания, а также благодарит коллектив научных сотрудников лаборатории механики
композиционных |
материалов |
Института |
машиноведения |
им А.А.Благонравова |
Российской |
академии наук за поддержку, профессора Ю.В.Суворову за редактирование и к,т.н. СЖ.Алексееву за помощь при оформлениирукописи книги.
Москва 20 апреля 2000 года НгуенДинь Дык
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
Применение композиционных материалов в новой технике привело к решению ряда задач по созданию прочных и легких конструкций, работающих в экстремальных условиях. Последние обстоятельство обеспечело перспективу использования композитов в других областях техники и гражданского строительства при заданном сочетении экономической эффективности и высоких показателей физико-механических свойств этих материалов.
В книге Нгуен Динь Дыка рассмотрены приближенные модели композитов с пространственным армированнием при наличии компонентов в виде включений и пор. Рассмотренные модели позволили изучать как эффективные свойства, так и напряжения в элементах структуры. Этим представленные результаты отличаются от большинства подобных исследований.
Использование композитов в условиях Вьетнама связано с проведением дополнительных исследований о влиянии солнечной радиации, влажности и температуры, а также биологически активных сред на свойства композитов. Монография дает представление о направлении исследований по механике композитов, так и о методах, созданных в нашей лаборатории и будет полезна тем, кто изучит и сможет применить эта методы на практике.
Заведующий лабораторией механики композиционных материалов Института машиноведения им.А.А. Благонравова РАН профессор, д.т.н. ГА.Ванин
7
ВВЕДЕНИЕ
В связи с широким применением композиционных материалов, во всем мире идет интенсивная работа по созданию высокопрочных и высокомодульных композитов. Накоплен определенный опыт создания, испытания и эксплуатации ответственных изделий из композитов. При традиционных схемах армирования, когда конструкции из композитов создаются путем последовательного “наслоения” армирующих волокон и слоев арматуры, характерен особый вид разрушения - расслоение по плоскостям низкой прочности и жесткости, что является следствием слабого сопротивления материалов межслойному сдвигу и поперечному отрыву. Поэтому в последние годы все большее внимание привлекают композиционные материалы с пространственным расположением арматуры. Введение пространственного каркаса не только ликвидирует вышесказанный недостаток слоистых композиционных материалов, но и локализует в пределах нескольких пространственных ячеек распространение трещин. Это резко повышает несущую способность материала в толстостенных конструкциях, особенно в зонах приложения сосредоточенных нагрузок, вырезов, ребер при нестационарных силовых и температурных воздействиях, характерных для современной техники [3,50,60, 84, 86,124,129,137,140].
В основу классификации композиционных материалов закладываются общие принципы: материаловедческий - по материалу арматуры или связующего и их свойстам [112]; конструкционный -по типу арматуры и ее расположению в матрице; технологический - по способу переработки в изделия.
8
Однако, способ переработки хотя и оказывает существенное влияние на свойства материала, но мало информирует об их особенностях. Некоторые сведения с точки зрения механических свойств композиционных материалов дает их классификация по виду матрицы и ее свойствам. Поэтому классификация по свойствам матрицы дает полезную информацию для выявления сущности расчетных моделей [64, 112]. Широко распространенными материалами для армирования современных конструкционных композиционных материалов являются стеклянные, борные, базальтовые, углеродные и органические волокна [38, 64, 65, 84, 124, 132, 135, 164]. На их основе разрабатываются также многокомпонентные материалы, в которых используется различная арматура, что осложняет классификацию по типу арматуры. Однако, тип арматуры и способ ее укладки дают нам большую информацию об особенностях свойств композицонного материала. Обусловлено это тем, что жесткостные свойства различных видов армирующих волокон существенно различаются, следовательно, различаются и жесткостные свойства композиционных материалов.
Свойства композиционных материалов зависят, в первую очередь, от свойств их составляющих, а также в большой степени от их объемных долей и геометрии внутренней структуры. Варьируя угол укладки арматуры, можно получить заданную степень анизотропии, а изменяя порядок укладки слоев и угол укладки их по толщине, можно эффективно управлять изгибными и крутильными жесткостями композиционного материала. Поэтому подробную классификацию целесообразно проводить на основе конструктивных принципов. Исходя
9
из них, все структуры можно разделить на две группы - слоистые и пространственно-армированные [137].
Слоистые структуры образуются последовательной укладкой пропитанных связующим однонаправленных монослоев в одной плоскости - плоскости укладки [5, 6, 47, 107, 128]. Изготавляют слоистые композиционные материалы двумя наиболее распространенными способами. Один из них основан на так называемый “мокрой” намотке волокон или лент, другой состоит в прессовании и отверждении предварительно пропитанных связующим монослоев волокнистой арматуры.
Высокие жесткость и прочность армирующих волокон, составляющие основу прочности и жесткости композиционных материалов, реализуются лишь в случае их определенного расположения по отношению к действующему полю напржений ( действующей нагрузке). Вследствие большого разнообразия нагрузок применяются различные схемы укладки арматуры. Варьируя направлением укладки слоев, можно получить слоистые материалы с различной ориентацией армирующих волокон, обладающие в плоскости укладки изотропными или анизотропными свойствами. Это дает дополнительные резервы в повышении надежности конструкций, снижении их массы и расширении области применения [3, 5, 6, 14, 38, 51, 55, 65, 86, 108]. В настоящее время в качестве арматуры для изготовления композиционных материалов часто используются высокомодульные волокна, это - волокна бора, углерода, карбида кремния, бериллия, модуль упругости которых в 5 раз и более превышает модуль упругости обычных стекловолокон [49,60,156].
10