Проектирование композитов

Подход, принятый в этом обзоре, состоит в том, чтобы обсудить механизмы разрушения с точки зрения классической последовательности усталостных явлений упрочнения — разупрочнения, зарождения трещин и роста трещин. Преимущество данного подхода в том, что при его помощи внимание сосредоточивается на полезном сопоставлении поведения композитов с металлической матрицей и металлов при разрушении. Несмотря на то что неизбежны некоторые повторения, вопрос о поверхностях раздела и их роли в сопротивлении композитов усталостному разрушению вследствие своего уникального значения для композитов анализируется отдельно. В общих чертах изложены некоторые результаты воздействия окружающей среды, дана модель усталостного разрушения, сделан обзор критериев проектирования композитов для работы в условиях усталости и поставлены задачи для дальнейших исследований. [c.395]

Глава 7. ПРОЧНОСТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПОЗИТОВ [c.201]

ОСОБЕННОСТИ ПРОЧНОСТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПОЗИТОВ [c.201]

Необычная ситуация возникла перед конструкторами и технологами в связи с широким внедрением композиционных материалов практически во все отрасли машиностроения при создании новых конструкций разработчик должен начинать сюе творчество с проектирования композита. Это требует не только обоснованного выбора исходных материалов — армирующих волокон, связующих, наполнителей, но и оптимизированных по конечному результату структуры композита, технологии его изготовления и переработки в готовое изделие. [c.16]

НОЙ деформации, затухание динамических эффектов, зависимость диаграммы напряжение — деформация от скорости нагружения — вот некоторые примеры проявления вязкоупругих свойств материала. Для успешного проектирования полимерных композитов и их эффективного использования в промышленности требуется хорошее понимание явления вязкоупругости. [c.103]

Устойчивость — это другое условие надежности конструкции, которое в качественном смысле означает, что дополнительная деформация требует дополнительного нагружения [9, 10]. Рост нагрузки неизбежно вызовет расширение пластической области или увеличение скорости течения, или продолжит развитие процесса разрушения. Хотя необходимо всячески добиваться подобного устойчивого поведения материала или элемента конструкции, особенности свойств композитов не позволяют во всех случаях ожидать от этих материалов и конструкций на их основе устойчивого поведения. Поведение системы, состояш,ей из различных по свойствам компонентов, может быть, а может и не быть устойчивым, когда в ней на уровне компонентов начинаются процессы разрушения. Однако при проектировании и создании искусственного композиционного материала почти всегда есть возможность выбора таких компонентов, которые обеспечат необходимую степень устойчивости механического поведения. [c.17]

В прямом смысле устойчивость в малом является обычным требованием, невыполнение которого означает, что конструкция будет самопроизвольно отклоняться от своего равновесного состояния при фиксированной нагрузке. Кривые нагрузка — прогиб или а(е) при простом нагружении имеют положительный наклон. Устойчивость в малом для цикла и устойчивость в большом характерны для большинства пластичных конструкционных металлов и пластичных конструкций при рабочих нагрузках и умеренных перегрузках. Условия устойчивости материалов часто неявно подразумеваются в методиках и нормах проектирования, но нельзя предполагать, что эти условия имеют силу и для композитов, поскольку они не являются законами природы. [c.19]

Конечная цель проделанной работы н многих подобных ей работ состоит в создании инженерных методов проектирования элементов конструкций из композитов. Безусловная сложность поставленной задачи объясняет появление большого количества разных подходов к ее решению. Роль каждого из них в разработке критерия проектирования станет ясной по мере накопления экспериментальных результатов и их сравнения с расчетами. Несомненно одно, что весь спектр проблем, связанных с усталостью и разрушением композитов, не удастся решить при помощи одного универсального подхода. [c.101]

Разнообразие комбинаций материалов, составляющих композит, велико, широкие возможности существуют также и в выборе схемы армирования. Поэтому соображения экономики требуют точного определения деформационных и прочностных свойств материала в конструкции при заданных условиях нагружения из минимального количества экспериментов. Таким образом, в основу процесса проектирования слоистых конструкций из композитов должно быть положено теоретическое предсказание напряжений и деформаций при помощи методов, проверенных многочисленными экспериментами. [c.141]

Механика композитов основывается на двух различных, дополняющих друг друга гипотезах. Первый опыт конструкционного использования композитов позволил сделать вывод [1], что представительный объемный элемент композита есть бесконечно малый куб dx, dy, dz анизотропного материала, который для практических целей можно рассматривать как однородный. Поведение этого материала можно охарактеризовать таким же образом, как и поведение любого другого идеально анизотропного материала, не рассматривая его микроструктуру (например, металлов и древесины, особенностями микроструктуры которых пренебрегают при расчете конструкций). Предположение об однородности позволяет применять существующие методы анализа слоистых сред при проектировании многослойных стержней, балок, пластинок и элементов оболочек из композитов. [c.249]

СВОЙСТВ композитов, на сегодняшний день проектирование и анализ практически всех конструкций из этих материалов осуществляются именно с позиций представления слоя как однородного анизотропного материала. [c.251]

В данной книге предпринята попытка на основе последних научных достижений рассмотреть композиты в основном с точки зрения механики, обращая внимание на особенности их деформирования и разрущения. Эти сведения необходимы при проектировании и изготовлении деталей и конструкций. [c.7]

Можно отметить, что сейчас достигнут значительный прогресс не только в исследованиях механического поведения и прочности композитов, но и в методах получения исходных материалов, способах их обработки, разработке структуры композитов, в частности оптимальном проектировании, обеспечении надежности свойств и т. д. Это позволило разработать такие композиты, которые могут быть использованы для деталей, обеспечивающих требуемые жесткость и прочность. В практической деятельности необходимо проектировать такие композиты, в которых были бы реализованы не только указанные характеристики, но и такие характеристики, как минимальный вес, влагостойкость, стойкость к воздействиям реактивов и т. д. Чтобы иметь представление [c.22]

В последнее время композиты находят широкое применение в качестве конструкционных материалов. При проектировании важно иметь соответствующую информацию о прочности таких материалов. Поэтому оценка прочности композитов представляет собой важную задачу. [c.75]

Рис. 7.1. Приближенная схема проектирования элемента конструкции из композита, армированного волокном.

Рис. 14.2 иллюстрирует одно из таких явлений - возникновение диссипативных структур в полимерной матрице вокруг заключенных в ней волокон. При охлаждении расплава данного термопластичного полимера в зонах, удаленных от волокна, происходит кристаллообразование, причем морфология образующихся кристаллов (солнцеобразные сферолиты, растущие радиально из точек зародышеобразования) типична для многих полимеров. Кристаллообразование же вокруг волокна формирует оболочку нитевидных кристаллов. Такой частично кристаллический полимер можно рассматривать как композит, в котором упрочняющими элементами являются кристаллические области, а матрицей - области с меньшей упорядоченностью. Эти примеры показывают важность учета процессов самоорганизации и межфазных явлений при проектировании современных композитов. [c.169]

К перспективным следует отнести и композиционные жаропрочные материалы на основе керамики, а также "угле-род-углеродные" композиты. Реализация этих материалов в конструкции деталей ГТД требует разработки надежных способов защиты от окисления и специального проектирования лопаток, учитывающих резко выраженную анизотропию свойств этих материалов. [c.10]

Иное дело, когда предстоит работа с композиционными материалами. В этом случае регулирование механических, теплофизических и других характеристик, которые необходимы для эффективной реализации инженерных разработок, также является этапом проектирования и технологии. Существенным фактором при использовании композитов в качестве конструкционных материалов является временная зависимость механических свойств, обусловленная полимерной природой субстрата. [c.16]

Теоретические аппроксимации для расчета основных свойств композиционных материалов могут быть использованы для эскизного проектирования и получения представлений о поведении материала. Можно также найти корреляцию между теоретически рассчитанными и эмпирическими значениями. Табл. 16.13 [22] является типичной распечаткой ЭВМ, где представлены свойства композитов в зависимости от угла намотки а. Все четыре материала содержат 50 % волокна по объему. [c.229]

При проектировании в качестве параметра, характеризующего вязкость материала, легче пользоваться не величиной J, а коэффициентом интенсивности напряжений Ж. Поэтому при помощи величины /д, учитывающей нелинейные свойства материала, и формулы (4.20) можно рассчитать значение коэффициента Жп- Эти формулы представлены в виде, удобном для проектирования. Однако следует иметь в виду, что для них еще нет достаточно хорошего научного обоснования. По своей природе коэффициент Ж представляет величину, которая применяется для линейноупругого тела. Использование этой величины в нелинейной области является в определенной степени проблематичным. В настоящее время при проектировании композитов приходится сталкиваться с большим числом спорных моментов. Следует иметь в виду, что здесь предпринята попытка лишь частично рассмотреть эти проблемы. [c.93]

Разрушение композитов, армированных волокнами, представляет собой очень сложный процесс, при рассмотрении которого приходится принимать во внимание множество факторов, например разрыв волокон, вытягивание их и т.д. Бомон выделил основные факторы и определил их связь с особенностями разрушения композита. Здесь предпринята попытка в общих чертах ознакомить читателя с наиболее интересными аспектами процесса разрушения, а также исследованиями возможностей использования положения линейной механики разрушения при проектировании композитов, армированных волокном. [c.98]

Научную основу для понимания, описания, предсказания и контроля конструкционных свойств всего многообразия композиционных материалов, а также для технологии формования изделий из них дает механика композитов. Отличительная особенность механики композитов обусловлена необходимостью учета структуры материала на уровне армирующих элементов обстоятельство, не характертое для классической механики деформируемого твердого тела. На структурном уровне армирующих элементов формируются механические, и в первую очередь, прочностные, свойства композитов. В силу этого необходимость в изучении процессов разрушения возникает уже иа стадии проектирования композитов и при выборе и оптимизации технологических процессов их производства. [c.7]

Некоторые нежелательные динамические эффекты, такие, например, как увеличение напряжений при взаимодействии отраженных и преломленных волн, могут быть уменьшены при надлежащем проектировании структуры композита. Исследования в этом направлении относятся к теории оптимизации. Разумеется, следует иметь в виду, что исследо1вание динамики представляет собой лишь один аспект (возможно, второстепенный) при выборе структуры композита. В настоящее время известны некоторые результаты для слоистой среды. Установлено, в частности, что на уровень динамических напряжений существенное влияние оказывают такие параметры, как количество слоев, их толщины и свойства материалов. Если некоторые из этих параметров заданы, то остальные можно подобрать таким образом, чтобы для некоторых частных видов структуры и внешней нагрузки растягивающие напряжения были минимальными, [c.387]

Для описания разрушения анизотропных композитов можно приспособить теорию Сен-Венана, в которой используются максимальные относительные удлинения. Следует отметить, что теория Сен-Венана даже в ее нервоначальной формулировке плохо описывает текучесть изотропной среды и обычно не используется в практике проектирования металлических конструкций критерий Сен-Венана дает удовлетворительные результаты только в случае очень хрупких материалов. То обстоятельство, что некоторые композиты с полимерной матрицей являются очень хрупкими, приводит к возможности применения модифицированного критерия Сен-Венана к анизотропным композитам (Уэд-дупс [50]). Критерий Сен-Венана (критерий максимальной деформации) для изотропного материала можно записать через [c.416]

Теоретически предсказанные деформационные зависимости и предельные напряжения для различных слоистых композитов сравниваются с результатами испытаний этих материалов в условиях плоского напряженного состояния. Указаны преимущества и недостатки основных типов образцов и соответствующего оборудования, используемого для создания плоского напряженного состояния. При сравнении методов построения предельных поверхностей слоистых композитов особое внимание уделено областям их применения, удобству использования, требованиям к исходным параметрам и тонкостям описания этими методами прочностных свойств реальных композитов. Поскольку большинство методов ограничивается построением предельной поверхности и, следовательно, позволяет предсказать только условия, но не вид разрушения, в главе преобладает макроподход. Оказалось, что ни один из рассмотренных методов не обнаруживает хорошего соответствия с результатами экспериментов и, следовательно, не может быть рекомендован для использования при проектировании ответственных силовых конструкций из композитов, причина этого заключается, по-видимому, в малочисленности экспериментальных данных н несовершенстве существующих подходов в частности, ни один из подходов не учитывает влияние последовательности укладки слоев на напряженное состояние композита. До сих пор остается неисследованным механизм перераспределения нагрузок со слоев композита, в которых достигнуто предельное состояние, на остальные слои материала. [c.140]

Одним из таких руководств является предлагаемая книга Т. Фудзии и М. Дзако — учебное пособие, содержащее изложение ряда современных проблем механики композиционных материалов. Основное внимание уделено механике разрушения композитов при различных видах нагружения, подробно обсуждаются особенности разрушения при ударных нагрузках. Содержание книги достаточно полно отражено в предисловии авторов, и нет необходимости останавливаться на нем еще раз. Отметим только, что подготовительная часть книги — первые три главы — сокращена до минимума, а основной материал книги посвящен разнообразным аспектам механики разрушения композитов. Завершается книга небольшой главой, в которой затрагиваются вопросы проектирования элементов конструкций из композитов. [c.5]

Проблема длительной прочности элементов машин, приборов и аппаратов является традиционной, но за последние годы она расширилась и приобрела особое значение в связи с новыми задачами, которые ставят такие быстро развивающиеся отрасли техники, как энергетическое и химическое машиностроение, авиакосмическая техника и др. Долговечность конструкций приходится оценивать во многих случаях в условиях нестационарных силовых и температурных режимов нагружения, при этом могут протекать различные процессы длительного разрушения. К таким обычно относят статическую усталость, возникающую в результате выдержки конструкционных элементов во времени под действием усилий, мало- и многоцикловую усталость, связанную с циклическими сменами усилий безотносительно ко времени выдержки, а также процессы поверхностных разрушений при действии напряжений и агрессивных сред. При этом возможены еще и другие, комбинированные процессы. Длительному разрушению подвержены не только традиционые металлические, но и различные новые неметаллические материалы — полимеры, керамики, стекла и различные композиты, причем многие неметаллические материалы обнаруживают как циклическую, так и указанную статическую усталость практически в любых температурных условиях, ввиду чего проектирование изделий из этих материалов неизбежно наталкивается на необходимость их расчетов на длительную прочность. [c.3]

Диаграммы деформирования композита со структурой армирования ф = 45° (рис. 2.21, в) внешне похожи на диаграммы деформи- рования пластичных металлов и принципиально отличаются от диаграмм деформирования, например, материала с углами укладки слоев ф = 75° при растяжении в направлении оси у (см. рис 2.21, а). При этом композит, составленный из слоев, предельная деформация которых не превышает 0,6—3,5 % (в зависимости от направления нагружения), деформируются без разрушения до уровня 9—10 %. Высокая податливость не является только недостат- ком материалов этого типа. Эффекты псевдопластичности могут быть с успехом использованы при проектировании конструкций. [c.62]

Традиционно выбор материала и проектирование компонентов конструкции были отдельными задачами. Когда композиты стали вытеснять металлы и сплавы из таких областей, как самолете-, судо- и ав-то.чюбиЛестроение, промышленный дизайн и выбор материала соединились и стали просто различными аспектами одного процесса. [c.9]

Композиты являются неоднородными материалами, причем степень их неоднородности характеризуется двумя уровнями. Первый уровень (микронеоднородность) связан с наличием в материале двух фаз - матрицы и армирующих элементов различной природы. Второй уровень (макронеоднородность) связан со слоистой структурой материала, который может состоять из совокупности различно ориентированных моносяоев. При расчете и проектировании композитных элементов конструкций обычно используется макроструктурная феноменологическая модель, включающая некоторые средние (эффективные) упругие постоянные (см. п. [c.273]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...