ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы От редактора перевода из "Неупругие свойства композиционных материалов " При использовании полимерных композиционных материалов в ответственных конструкциях приходится сталкиваться с необходимостью учета неупругих свойств, особенно в задачах о прогнозировании разрушения. Сравнительно недавно на специальном заседании Американского общества инженеров-механиков (ASME), Хьюстон, США, ноябрь 1975 г., была предпринята попытка дать обзор полученных результатов, указать области дальнейших исследований неупругих свойств композитов и методы их учета при решении конкретных задач. Семь обзорных докладов известных американских специалистов по механике композитов и составили единый по тематике сборник, перевод которого предлагается советскому читателю. [c.5] Все главы книги посвящены анализу неупругих свойств в задачах деформирования и разрущения композитов. Последовательно рассмотрены общие вопросы построения композитов, природа их прочности и пластичности, механизм разрушения и усталости материалов с разной укладкой арматуры дан анализ разрушения слоистых композитов в условиях одноосного и двухосного нагружений с обзором критериев предельных состояний для анизотропных материалов осуществлен учет вязкоупругости в задачах деформирования и разрущения очерчены области применения линейной механики разрушения для композитов наконец, рассмотрены напряжения, возникающие вблизи волокон в процессе отверждения полимерной матрицы. [c.5] Практически во всех главах описание ведется не только на макро-, но и на микроуровне, т. е. на уровне однонаправленно армированного слоя. Для анализа методами микромеханики используются простые, причем иногда, например в последней главе, заведомо неточные модели. При их выборе преследовалась только одна цель — лучше понять качественную картину явлений, происходящих в элементарном слое. Даже в этих условиях удалось значительно точнее описать механизм разрушения слоистых композитов. [c.6] Основу книги составляют обзорные доклады, цель которых скорее очертить контуры изучаемых проблем и сформулировать возникающие задачи, чем дать исчерпывающее их решение. С этим связано и то, что разные главы написаны с разной степенью подробности, а иногда и убедительности. К сожалению, в книге слабо отражены успехи, достигнутые при изучении неупругих свойств композитов в СССР, хотя именно советские работы сыграли большую роль в развитии механики композитов в США. [c.6] Авторам и редактору книги в основном удалось выдержать единство стиля, достичь краткости изложения и практически избежать повторов, частых для книг такого рода. Однако они не смогли преодолеть трудностей, связанных с отсутствием единой терминологии, и нередки случаи, когда S оригинале одним и тем же термином обозначаются разные понятия. Это потребовало значительных усилий при переводе. [c.6] В целом следует отметить, что небольшой объем книги буквально насыщен информацией и многочисленными экспериментальными данными, заимствованными из источников, трудно доступных советскому читателю. Полезно и указание областей, наиболее перспективных для исследования. От лучшего и, возможно, более полного понимания природы прочности композитов зависит дальнейший прогресс этих несомненно перспективных материалов. Все сказанное позволяет надеяться, что эта книга представит большой интерес для советских читателей. [c.6] Со времени появления в начале шестидесятых годов так называемых современных типов композитов связанные с этими материалами области науки и техники значительно расширились. Это объясняется в основном стремлением применить новые высокопрочные и высокомодульные, но легкие материалы в конструкциях летательных аппаратов. Надо сказать, что методы исследования и предсказания упругих свойств современных композитов достаточно хорошо изучены, однако при оценке неупругого поведения этих материалов инженеры столкнулись с некоторыми весьма сложными проблемами. При этом особенно трудным оказалось предсказание разрушения конструкций из композита. [c.7] Целью сборника является обзор состояния проблемы и современных методов описания неупругого поведения композитов. Можно надеяться, что информация, приведенная в сборнике, даст исследователям, работающим в этой области, исчерпывающее представление о достигнутом прогрессе и укажет области, требующие дополнительного исследования. [c.7] Доклады, объединенные в сборник, были прочитаны на Ежегодном зимнем симпозиуме ASME, проходившем с 30 ноября по 4 декабря 1975 г. в Хьюстоне, штат Техас. В них с позиций макро- и микромеханики рассмотрены проблемы пластичности, течения и разрушения композитов, включая аналитическое исследование, численные решения и результаты экспериментов. [c.7] Сделана попытка показать на ряде примеров многообразную картину не-упругого поведения, присущего композитам. Главное внпмаппе уделено чрезвычайной простоте характера квазистатического устойчивого течения и разрушения составных материалов, сочетающейся с крайне сложным распределением напряжений, деформаций и перемещений в компонентах материала. Показано, что при описании упругого, вязкого и пластического поведения композитов применение общих теорем и объединяющих концепций как на уровне структурных элементов материала,так и для материала в целом позволяет объяснить множество аспектов механического поведения, в том числе макроповедение (непрерывное, по терминологии автора) и поведение, связанное с возникновением разрывов волокон, прорастанием трещин, раскрытием пустот и разделением волокон и матрицы (дискреТ ное, по терминологии автора). [c.9] Цель автора — обрисовать в общих чертах при помощи простых средств основные принципы, необходимые для понимания инженерами-проектировщиками сущности композиционных материалов. Можно полагать, что представленные концепции применимы к конструкциям или элементам конструкций из пластиков, армированных непрерывными или короткими стеклянными или угольными волокнами из бетона, армированного волокнами или стержнями из металлов, армированных керамическими волокнами или частицами, металлической проволокой или лентой. Схемы армирования композитов могут быть одно-, двух- или трехмерными некоторые из них уже применяются, другие находятся в стадии разработки. [c.9] Абстрактные требования выполнения или невыполнения принципов нормальности ) и выпуклости, сформулированных в пространстве напряжений и деформаций (или нагрузок и перемещений), связаны с более привычными методами описания поведения материалов и конструкций. Основное внимание сосредоточено на обсуждении вопросов устойчивости и неустойчивости поведения материала и конструкции на микро- и макроуровнях. Показано, как устойчивое поведение конструкций или их элементов на макроуровне может скрывать протекание процесса разрущения на микроуровне (рост трещин и раскрытие ny TOi). Рассмотрена и противоположная ситуация, когда такие процессы, как потеря устойчивости волокна или слоя, неустойчивое разрущение на микро-уровне, изменение свойств в результате протекания химических реакций, неблагоприятно сказываются на поведении конструкции. [c.10] Некоторое внимание уделено необходимости поиска компромиссного сочетания компонентов, одни из которых позволяют создать высокопрочный, но хрупкий композит, другие — материал с меньшей прочностью, но обладающий высокой вязкостью разрушения. [c.10] Однако для конкретной конструкции или образца диаграмму нагрузка — перемещение можно исследовать и феноменологически классифицировать заключенную в ней информацию без глубокого понимания явлений, происходящих на более низком масштабном уровне. Именно так и поступают в механике материалов и при проектировании конструкций из обычных конструкционных металлических сплавов. Все это хорошо до тех пор, пока условия изготовления или условия внешней среды таковы, что основные механические свойства материала остаются неизменными. [c.11] Если при испытании стальных образцов, вырезанных из различных мест изделия, обнаруживается практическая идентичность диаграмм деформирования в упругой области и в начале пластической, то, безусловно, допустимо и следует анализировать и проектировать конструкцию из этой стали на основе предположения о ее однородности и изотропии или начальной изотропии. Сложная композиционная структура горячекатаной углеродистой конструкционной стали (состоит из выраженно анизотропных кристаллов феррита и перлита с частицами цементита) может полностью игнорироваться в макроскопической упругой области и в начале пластической, и материал на этом уровне может рассматриваться как изотропный и однородный. [c.11] Как композит из анизотропных элементов может быть изотропным на более высоком масштабном уровне, так и материал, составленный из изотропных компонентов, может быть и в большинстве случаев является анизотропным. Та же сталь в виде проволоки, помещенной в резиновую матрицу, образует материал, обладающий анизотропией свойств. Железобетонная балка является примером армированного анизотропного материала, а хаотически ориентированные короткие стальные волокна в бетоне на масштабном уровне, существенно большем по размеру длины волокна, представляют пример квазиизотропного материала. [c.11] В примере, рассмотренном ранее, и, возможно, во всех других примерах успешного использования макроскопически хрупких композитов при действии высоких напряжений можно обнаружить две важнейшие особенности, связанные с проявлением пластичности на микроуровне. Первая заключается в том, что разброс результатов стандартных испытаний на растяжение умеренный и немного выше разброса при эксперименте на изгиб. Вторая — в том, что предельное растягивающее напряжение (Мс//), найденное из испытания на изгиб, примерно в полтора раза выше, чем определенное из испытания на растяжение. [c.13] В изгибаемой балке объем материала в области действия максимальных напряжений меньше, чем в образце на растяжение. Этот масштабный эффект зависит для идеально хрупкого материала от размеров соответствующих образцов и не обязательно приводит к отношению прочностей 1 0,5. Это отношение получается при обработке данных испытания на изгиб балки из идеально пластического материала, неправильно предполагаемого линейно упругим. [c.14] Вернуться к основной статье