Однородность композитов

Обобщенное плоское деформированное состояние 19 Обратимая нелинейность 185 Одномерная волка 389 Однородности условия 104 Однородность композитов 65 Онзагера принцип 108 [c.555]

Снижение несущей способности слоистого композита от введения кругового отверстия не соответствует величине теоретического коэффициента концентрации напряжений, подсчитанного по теории анизотропных пластин в предположении об однородности композита. Снижение предельных напряжений тем больше, чем больше радиус отверстия. Другими словами, коэффициент концентрации напряжений увеличивается с размером отверстия в бесконечной пластине. Это также не соответствует результатам, полученным для однородных анизотропных материалов. [c.52]

Согласно феноменологическому подходу, используемому в настоящей работе, композит типа ВКМ рассматривается как однородный анизотропный материал, обладающий симметрией строения, характеристики разрущения которого зависят от свойств компонентов. Это позволяет уменьшить число экспериментальных данных, необходимых для оценки остаточной прочности элементов конструкций с дефектами. Предположение об однородности композита определяет также минимальный размер трещиноподобного дефекта, влияние которого на несущую способность может быть описано с помощью подходов механики разрущения. Для волокнистых композитов размер дефекта должен значительно превосходить характерный размер структуры материала — диаметр волокна. [c.235]

Введем некоторые из упомянутых условий на примере физически однородного композита, все ИСЭ которого обладают одинаковыми физико-механическими характеристиками, поскольку содержат одни и те же исходные элементы (арматура и связующее) в одинаковых объемных долях (рп = р. пе 1,Л , см. также 1.2.4). Формальное выражение условия физической однородности композита имеет вид [c.43]

Общее аналитическое решение системы уравнений (1.99) построить невозможно, поэтому поступим подобно тому, как это было сделано в случае условий ортотропии. Используем условия физической однородности композита (1.81). Тогда вместо (1.99) получим систему 5 уравнений [c.48]

Примем условие физической однородности композита (1.81). Тогда в случае [c.52]

Трехмерная симметричная сбалансированная укладка. Примем условие физической однородности композита (1.81). Тогда условия ортотропии пространственно армированного композита (1.116) примут вид [c.55]

Примем далее условие физической однородности композита (1.81) и, кроме того, условия (1.88) и (1.118), т. е. [c.58]

В качестве примера проанализируем структуру армирования физически однородного композита, определяемую следующим набором параметров [c.60]

Не касаясь пока вопросов прочности, постараемся представить армированную структуру композита как сплошную и однородную среду с соответствующими упругими константами, позволяющими построить закон Гука в традиционной форме линейных зависимостей между компонентами напряженного и деформированного состояний. И обобщение в этом случае достаточно очевидно каждая компонента деформированного состояния зависит от каждой из компонент напряженного состояния. В итоге получаем следующие соотношения [c.337]

Следует отметить, что во многих главах отождествлены композиты с однородным анизотропным телом. В книгу следовало бы поместить обзорную главу по методам оптимизации. Именно композиты материализовали эту ветвь механики твердого тела, бурно развивающуюся в последнее время. [c.6]

В предыдущих разделах мы имели дело с задачами, в которых макроскопическое поле напряжений однородно. Это значит, что в реальном неоднородном материале напряжения, усредненные в представительном элементе объема, постоянны. В эквивалентном однородном материале, характеризуемом эффективными модулями неоднородного композита, напряженное состояние однородно. Однако во многих практически интересных задачах (см., например, [10, 12, 14]), встречаются довольно большие градиенты макроскопических напряжений. Поскольку определение эффективных модулей основано на макроскопически однородном состоянии, значимость этих результатов для неоднородных материалов неясна. Чтобы изучить этот вопрос, мы проведем приближенный анализ механического поведения волокнистого материала при линейно изменяющемся макроскопическом напряженном состоянии и сравним результаты с точным решением. [c.28]

Используемое здесь значение — то же, что и для бесконечной системы волокон с квадратной упаковкой. На графике показаны также значения, определенные из кривых работы [7], в которой представлено решение задачи теории упругости для одно-и трехрядного композита. Видно, что приближенные результаты. хорошо согласуются с результатами точного решения. Кривая, отмеченная надписью эффективный модуль , построена при помощи вычисления, основанного на обычном подходе, т. е. на предположении однородного анизотропного тела, характеризуемого эффективными модулями композита. Приближенные результаты быстро сходятся к этой величине для умеренных значений N и асимптотически приближаются к ней при больших N, поскольку [c.33]

Поскольку все материалы являются неоднородными, если их рассматривать в достаточно малом масштабе, понятие неоднородности композита требует уточнения. Чтобы пояснить, что имеют в виду, говоря о неоднородности композита, рассмотрим двухфазное тело. Для расстояний, соизмеримых с размером атома, фазы всегда неоднородны. При увеличении области исследования наступает момент, когда атомная структура теряет значимость и фазы можно рассматривать как однородные упругие тела. Это ограничивает снизу размер армирующих элементов. Для частиц, размеры которых окажутся меньше полученного предела, необходимо учитывать межатомные силы, что практически невозможно. К счастью, включения (волокна, слои и т.д.) достаточно велики, чтобы их можно было считать однородными. [c.65]

Хотя проведенные выше рассуждения показывают, каким образом композиционный материал можно одновременно считать и однородным, и неоднородным, они еще не дают критерия, по которому можно было бы судить, является ли тот или иной композит однородным. Такой критерий было бы удобно использовать для того, чтобы установить границы применимости различных теорий. В настоящее время были сделаны попытки установить подобный критерий. Обычно предполагалось (так делается и теперь), что неоднородный композит можно заменить эквивалентным однородным телом, свойства которого устанавливаются экспериментально. Затем теоретически определяются характеристики эквивалентного однородного тела на моделях, которые допускают аналитическое исследование, но не обязательно отражают структуру материала. Эти характеристики сравниваются с экспериментальными данными. Если результаты согласуются в разумных пределах, то модель считается приемлемой. Описание различных моделей, употребляемых для композитов, является темой настоящей главы. [c.65]

Предположим, что такой материал нагружен макроскопически однородным полем напряжений. Решения получающихся краевых задач теории упругости дают точные распределения напряжений и деформаций внутри композита. Это можно использовать для получения эффективных упругих модулей. Следует отметить, что это единственный метод, который позволяет найти действительные распределения напряжений внутри композита на микроскопическом уровне. [c.84]

При сравнении теоретических результатов с экспериментальными данными необходимо помнить основные предположения, при которых были получены те или иные оценки. Значения нижней и верхней границ были выведены для идеального композита, состоящего из однородных фаз как с одинаковыми, так и с различными упругими свойствами. Таким образом, все включения должны обладать одними и теми же физическими свойствами, и, кроме того, между включениями и матрицей должна существовать жесткая связь, [c.92]

Наконец, практически не исследовано поведение композитов под действием быстроменяющегося поля макроскопических напряжений. Так как большинство волокнистых композитов содержит сравнительно малое число волокон по толщине образца, можно ожидать, что поля макроскопических напряжений не будут однородными в представительном объеме, т. е. предположение, положенное в основу всех теорий, обсуждаемых в этой главе, может оказаться невыполненным. Исследование действия быстроменяющегося поля макроскопических напряжений помогло бы определить, верны ли результаты, основанные на концепции представительного объема. Кроме того, зная истинное распределение напряжений в композите под действием быстроменяющегося поля макроскопических напряжений, можно было бы понять некоторые странные явления в поведении композиционных материалов. [c.93]

Хотя модель коаксиальных цилиндров, подобно модели параллельных элементов, представляет собой очень грубую схематизацию действительного поведения композитов, она до сих пор все еще очень часто используется на практике. Последнее объясняется тем, что анализ такой модели сравнительно несложен и приводит к решению в замкнутой форме. Типичная модель представляет собой одиночное волокно с круговым поперечным сечением, расположенное внутри коаксиального с ним цилиндра из материала матрицы. Неточность данной схематизации обусловлена способом задания (в явной или неявной форме) граничных условий на поверхности внешнего цилиндра. В реальном композите взаимодействие соседних волокон приводит к сложному распределению напряжений в материале матрицы, в модели же принимается простейшее — однородное по оси и по окружности — распределение напряжений или перемещений. [c.211]

Для решения задачи был использован метод конечных элементов область, показанная на рис. 4,6, разбивалась на треугольные конечные элементы, внутри каждого из которых напряжения были постоянны. Наиболее ограничительным в идеализации граничных условий было предположение о плоском характере деформаций, т. е. предположение о бесконечной протяженности области вдоль оси л и об однородности материала по X. Таким образом, модель соответствует слоистому композиту, состоящему из одной разрезанной и двух сплошных плоских. [c.213]

Таким образом, Хуанг использовал так называемое самосогласованное приближение, основное допущение которого состоит в том, что отдельное волокно можно считать погруженным в некоторую эквивалентную однородную среду, свойства которой заранее неизвестны и подлежат определению. Эта процедура осредняет эффект взаимодействия отдельных волокон и соответственно приводит к средним результатам, а не к локальным значениям. Указанное выше предположение является весьма ограничительным и не позволяет применить соответствующую теорию к исследованию поведения композитов с плотной укладкой волокон и, следовательно, сильным их взаимодействием. [c.215]

На основе теорий, рассматривающих механическое поведение композита в целом, можно получить близкое к действительности описание связи напряжений с деформациями в композиционном материале в том случае, когда отношение наибольшего характерного размера структуры к наименьшему характерному размеру неоднородности деформации достаточно мало по сравнению с единицей. Самые элементарные сведения о механическом поведении композита в целом находятся путем осреднения перемещений, напряжений и деформаций по представительному объему. Простейшая теория для таких осредненных параметров связывает средние напряжения со средними деформациями при помощи так называемых эффективных упругих постоянных. В этой теории, которая называется теорией эффективных модулей , механические свойства композита отождествляются со свойствами некоторой однородной, но, вообще говоря, анизотропной среды, эффективные модули которой определяются через упругие модули компонентов композита и параметры, характеризующие его структуру. [c.355]

Преимущество теории эффективных модулей и ее современных аналогов состоит в том, что дискретный характер истинной структуры композита описывается в рамках однородного континуума. Таким образом, эта приближенная теория позволяет работать лишь с одной системой уравнений, описывающих поведение композиционной среды как единого целого, вместо того чтобы иметь дело с несколькими системами полевых уравнений (по системе для каждой неоднородности элемента). Для широкого класса условий нагружения теория эффективных модулей оказывается вполне удовлетворительной. Однако она становится малопригодной в таких задачах статики, в которых главное внимание обращается на вычисление локальных значений полевых переменных, как, например, при исследовании разрыва [c.355]

В теории эффективных модулей механическое поведение композита моделируется поведением некоторой однородной, но анизотропной среды. Детальное обсуждение положений этой теории, развитой в настоящее время до уровня количественного анализа, имеется во многих работах. Поэтому здесь мы ограничимся замечанием о том, что в данной теории осредненные по объему элемента неоднородности компоненты тензора напряжений (обозначаемые через fjj) связаны с осредненными тем же способом компонентами тензора деформаций (обозначаемыми через см. приложение Б) так же, как и в общей линейной теории анизотропных сред [c.358]

Очевидное преимущество использования моделирующей непрерывной однородной среды состоит в том, что оно сразу дает определяющие уравнения вместе с граничными и начальными условиями. Как только такая модель построена, ее можно применять к изготовленным из композита телам конечных размеров и произвольной формы. В то же время в подходах, использующих уравнения теории упругости для отдельных компонентов композита в сочетании с прямыми методами вариационного исчисления или асимптотическими разложениями, требуется разумный выбор множества базисных функций для каждого конкретного тела. [c.375]

В настоящей главе явление разрушения композитов исследуется на уровне, когда композиционный материал рассматривается как слоистая структура — объединение однородной матрицы и однородных волокон, трактуемая как некая анизотропная сплошная среда. Математическая модель (критерий разрушения) формулируется в рамках феноменологического подхода с тем, чтобы изучить влияние механических воздействий на начало разрушения. Получающийся в результате такого подхода критерий разрушения используется для планирования эксперимента, облегчения интерполяции и корреляции экспериментальных данных и их применения на практике, но не предназначается для объяснения механизма разрушения. [c.484]

Заметим, что аналогия между ДССУ и ТССУ распространяется и на случай гибридного композита, что легко обнаружить, если сравнить между собой способы решения систем уравнений (1.82) и (1.119). Отличие их заключается лишь в том, что первым двум уравнениям системы (1.82) удовлетворяет каждая пара типов ИСЭ, для которой выполняется (1.86), в то время как первым шести уравнениям системы (1.119) удовлетворяет любая четверка типов ИСЭ, определяемая соотношениями (1.120). Поэтому очевидно, что если в плоском случае условие физической однородности композита (1.81) можно ослабить до условия (1.97), то в пространственном случае аналогом (1.97) является условие вида [c.57]

Структура армирования, определяемая соотношениями (1.126), (1.127) и (1.129), при N = Ъ является простейшей нетривиальной трехмерной структурой армирования, обеспечивающей в случае физически однородного композита монотропию его деформатив-ных характеристик (рис. 1.9). Выпишем далее выражения для Л композита рассматриваемой структуры армирования [c.59]

До недавнего времени основное содержание работ по механике композиционных материалов состояло в сведении задачи неоднородной (чаще всего изотропной) теории упругости к задаче однородной анизотропной теории. Это достигалось введением так называемых эффективных модулей, которые либо вычислялись различными методами (как стохастическими, так и детерминированными), либо определялись экспериментально как средние модули материала в целом. В данной книге этому вопросу посиящены главы 1—3. Понятно, что описание поведения композиционных материалов при помощи эффективных модулей пригодно только для решения задач об упругих композитах, Б некоторых случаях принцип Вольтерры (или, как его еще называю г, принцип соответствия) позволяет распространить теорию эффективных модулей и на линейные вязкоупругие композиты (глава 4), В настоящее время в отечественной литературе появились работы, в которых неоднородная задача теории упругости (вязкоупругости) сведена к последовательности задач анизотропной однородной моментной теории упру- [c.6]

Описанный но.дход является строгим (Табаддор f20]), если удовлетворяются граничные условия (1) или (2), при которых макроскопические компоненты тензоров напряжений и деформаций однородны. Если эти компоненты переменны, то подход оказывается приближенным. Некоторые замечания о степени этого приближения, а также об использовании эффективных модулей при расчете слоистых композитов будут сделаны в разд. VI—VIII. [c.16]

Поскольку эффективные модули отражают свойства бесконечной среды, мы проанализировали возможности их применения к изучению слоистого композита, в котором различные слои имеют конечную толщину. В предположении макроскопически однородного напряженного состояния в каждом из слоев, содержащих несколько рядов волокон, ошибки в предсказании эффективных свойств слоистого композита, обусловленные использованием i7w, оказались пренебрежимо малыми. Использование для характеристики слоя, армированного одним рядом волокон, не является точным, но, по-видимому, такой подход совместим с инженерным уровнем точности и с наблюдаемым разбросом свойств композита. Впрочем, сведения, имеющиеся по этому вопросу в литературе, весьма скудны. [c.35]

Рассматривается композиционный материал, состоящий из произвольно расположенных однородных фаз произвольной формы. В случае анизотропных фаз предполагается, что оси анизотропии каждого компонента направлены одинаково. При заданном макроскопическом нагружении композита напряжения и деформации в нем являются сложными функциями объемных долей Vi, характера распределения, формы и упругих характеристик компонентов. В этом разделе предлагаются зависимости, связывающие эффективные модули упругости композита с характеристиками его составных частей для осредненного напряженного и деформированного состояния в пределах каждой фазы. Хотя все вычисления справедливы для произвольного числа компонентов, здесь они проводятся для двухфазного ком-пвзита. [c.68]

Используя грубую оценку Фойхта [84], будем считать деформацию композита однородной. Таким образом, приравнивая коэффициенты at и i единице, приводим первые из равенств (33) и (34) к виду [c.77]

Наконец, рассмотрим оценку, полученную для самосогласованной модели Хилла [87] композит представляется шаровой частицей, помещенной в однородную среду, которая обладает эффективными свойствами композита. После длительных вычислений можно получить [c.78]

Принципы соответствия применимы в случае нестационарного поля температур, но при условии, что это поле является однородным и что материал относится к термореологически простым или к некоторому частному виду термореологическн сложных материалов кроме того, задача должна быть квази-статической (т. е. членами pd UiJdt в уравнениях движения можно пренебречь). Эти принципы позволяю г выявить некоторые эффективные неизотермические характеристики композитов, как будет описано в разд. IV, В. [c.143]

Для большинства конструкционных материалов, включая те, которые представляют интерес как возможные компоненты композитов (см., например, рис. 1), связь напряжений с деформациями, представленная изображенной на рис. 2 двузвенной ломаной, не является достаточно точной. Это утверждение справедливо, в частности, в случае, когда материал находится в однородном напряженном сосюянии, так что во всей области одновременно достигается предел текучести. Принятая идеализация предсказывает в этом случае неограниченное пластическое течение, т. е. неограниченные деформации при постоянных напряжениях. Однако в том случае, когда нагрузка создает градиенты напряжений внутри материала, области с наибольшими значениями напряжений достигают состояния текучести первыми. Пластическое течение в этих зонах ограничено, поскольку вне их материал остается упругим. Такое явление называется стесненным пластическим течением око характерно для композитов, поскольку из-за различия в жесткостных свойствах матрицы и включений в композите обычно возникают высокие градиенты напряжений. Таким образом, несмотря на то что истинные кривые напряжение — деформация, представленные на рис. 1, лишь грубо аппроксимируются двузвенной ломаной вида. [c.206]

Теория, известная под названием теория эффективных жесткостей , по-видимому, впервые использовала континуальную модель слоистой среды и волокнистого композита, учитывающую такой типично динамический эффект как геометрическая дисперсия. Простейший вариант этой теории для волокнистого композита был предложен в статье Ахенбаха и Геррмана [4]. В данной работе мы дадим краткое описание более современной теории типа теории эффективных жесткостей, использующей непрерывную однородную модель волокнистого композита полностью и со всеми деталями она изложена в статье Ахенбаха и Сана [6]. [c.375]

Имея разложения (38) — (39), вычисляем энергию деформации и кинетическую энергию для каждой отдельной ячейки. Последующее осреднение по ячейке дает среднюю энергию, полностью определяемую своим значением в центре волокна. После этого осуществляется завершающий этап перехода от системы дискретных ячеек к однородной континуальной модели, который состоит во введении полей кинематических и динамических переменных, непрерывных по всем координатам. Значения этих переменных на средних линиях волокон совпадают со значениями соответствующих параметров, вычисленными для системы дискретных ячеек. Следовательно, кинетическую энергию и энергию деформации, подсчитываемые так, как это описано выше, можно интерпретировать как плотности энергий для вновь введенной непрерывной и однородной среды. Плотность энергии деформации содержит не только члены, зависящие от эффективных модулей, но и члены, зависящие от некоторых констант, включающих характеристики как физических, так и геометрических свойств компонентов композита (т. е. от эффективных жесткостей ). Этим и объясняется название теории — теория эффективных жесткостей . Определяющие уравнения этой теории были получены при помощи принципа Гамильтона в совокупности с условиями непрерывности и с использованием множителей Лагранжа. Аналогичная теория для композитов, армированных упорядоченной системой прямоугольных волокон, была разработана Бартоломью и Торвиком [11]. [c.377]

При феноменологическом подходе неоднородный композит рассматривается как сплошная среда, математическая модель которой строится на основе экспериментально полученных данных без объяснения механизмов, определяющих поведение композита. Если при построении модели уделяется должное внимание математическим требованиям, то феноменологический подход может быть использован для инженерного описания свойств материала, определяющих как локальное поведение, так и поведение материала в целом. В качестве примера описания в целом можно привести рассмотрение однонаправленных композитов как однородных анизотропных пластин (Хирмон [21], Лех-ницкий [28]). [c.402]

Одной из наиболее удобных конфигураций образца для исследования свойств анизотропного композита является тонкостенная трубка постоянной толщины. Определить напряженное состояние такого образца достаточно просто, условие однородности распределения напряжений выполняется с очень высокой точностью, усилия в захватах самоуравновешены и подчиняются принципу Сен-Венана свободные края, вызывающие возникновение высоких градиентов напряжений, отсутствуют путем приложения осевой растягивающей нагрузки, крутящего момента и внешнего или внутреннего давления в таком образце можно создать любой вид плоского напряженного состояния. Методика [c.462]

Напряжения в поперечной плоскости матрицы однонаправленного композита возникают по многим причинам (1) усадка матрицы при отверждении, (2) изменения температур и возникающие при этом различные тепловые расширения матрицы и включений, (3) осевое нагружение и возникающие при этом неравные поперечные деформации матрицы и включений, (4) поперечное нагружение. Первые три вида напряжений одинаковы по своей природе, поскольку они вызываются однородной поперечной деформацией, различной в матрице и во включениях. Для изучения распределений таких напряжений обычно изготавливается двумерная фотоупругая модель поперечного сечения [c.500]

В следующих испытаниях промежутки между стеклянными брусками были увеличены за счет применения пластмассовых брусков вдвое большей ширины. Последовательность фотоупру-гих интерференционных картин (рис. 41) показывает высокую концентрацию напряжений у конца распространяющейся трещины. Одной из важных характеристик, наблюдаемых на этих интерференционных картинах, является угол наклона петель, образованных полосами вблизи конца трещины. Здесь наблюдается угол наклона более 90", что заметно отличается от известных результатов для однородных материалов. Герберих[28] наблюдал углы 45 и 60° для медленно растущих внутренних и краевых трещин соответственно. Уэллс и Пост [67] приводят значения угла, достигающие 80° для бегущих трещин. Как показал Ирвин [38], угол наклона изохроматической петли 0ш, максимальный модуль радиуса-вектора этой петли Гт и порядок полосы (или, что эквивалентно, максимальное касательное напряжение Тщ) связаны с коэффициентом интенсивности напряжений К или силой растяжения трещины Т. Было установлено, что сила ST очень чувствительна к изменениям угла наклона, Наблюдаемое в данном опыте значение этого угла указывает на большое различие в величине силы ST между моделью композита и однородным материалом. [c.546]

Композит с -прочными поверхностями раздела и однородными свойствами волокон и матрицы будет разрушаться по плоскости, перпендикулярной направлению приложенных нап ряжений, и поверхность излома будет гладкой. Если волокна неоднородны по прочности из-за наличия слабых точек (дефектов) или разрывов, трещина будет распространяться так, чтобы связать слабые точки. Вследствие этого трещина либо пройдет лишний участок пути в матрице (п рочная поверхность раздела), либо будет распро-ст ранять ся по поверхности раздела. Как показано выше, максимальная длина вытягиваемой части волокна определяется критической длиной. С другой стороны, матрица разрушится в первую очередь, если деформация разрушения для нее меньше, чем для волокон. На рис. 1 схематически показаны некоторые из этих типов разрушения. На рис. 1, а показан характер разрушения композита с малой деформацией разрушения матрицы согласно работе Джонса и Олстера [14], такое разрушение наблюдается в композитах алюминий — нержавеющая сталь. Рис. 1, б отвечает случаю,, когда мала деформация разрушения волокон (например, волокна бора). В этом случае предполагается, что прочность поверхности раздела высока, поскольку трещины соединяются путем сдвига матрицы. В случае рис. 1, в деформация разрушения волокна мала, но из-за малой прочности поверхности раздела трещина в матрице отклоняется слабо, поскольку волокна легко вытягиваются из матрицы. Такое поведение может быть ирисуще композиту алюминий — бор со слабой связью. Для этого типа разрушения предполагается, что деформация разрушения [c.142]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...