Читайте также:
|
Вместе с тем при достоверном определении нагрузок и соответствующем подборе конструктивно-силовой схемы и структуры КМ достаточно уверенно можно реализовать их преимущества. Например, в ферменных конструкциях стержни работают только на сжатие или растяжение и преимущество КМ очевидно.
6. Проблема соединения деталей из армированных материалов, особенно высоконагруженных. В силу своих специфических свойств КМ слабо приспособлены для соединения традиционными способами (с помощью болтов, винтов, заклепок и т.п.). Основным несущим элементом в КМ являются волокна и, естественно, в зоне соединения идеальным решением было бы соединение волокон одной детали с волокнами другой (по аналогии с соединением железобетонных конструкций, когда арматура сваривается, а стык заливается бетоном), но для КМ это нереально. Кроме того, в зоне любого соединения в деталях имеет место сильное искажение поля напряжения (концентрации), что вызывает необходимость внесения существенных изменений в структуру КМ путем увеличения толщины, ширины и т.п.
7. Любой слоистый КМ с переменным армированием по толщине при изменении температуры ведет себя как обыкновенная биметаллическая пластина, используемая для измерения температуры в духовках бытовых газовых плит, т.е. искривляется (из-за различия коэффициентов линейного температурного расширения металлов), что вызывает в районе краев дополнительные напряжения. Аналогичное явление возникает из-за разности коэффициентов Пуассона слоев КМ. Таким образом, во всех конструкциях из сложноармированных КМ имеет место значительный краевой эффект, который необходимо принимать во внимание.
Указанные выше основные факторы, а также некоторые другие (для конкретных КМ) легко учитывать при проектировании и конструировании ряда типовых элементов, для которых характерно более-менее определенное нагружение.
К таким элементам, причем не только для авиа- и ракетостроения, а для любой отрасли машиностроения, относятся стержни, балки, пластины и панели, а также оболочки (конструктивно- ΐ осесимметричные или неосесимметричные при осесимметричном или не- осесимметричном нагружении).
Для любого из этих элементов общим, кроме своих собственных параметров, является необходимость выбора (проектирования) структуры КМ. Разумным анализом всего окружающего (техники, мебели и т.п.) читатель может убедиться в том, что из таких типовых элементов состоит любое изделие, т.е. они являются как бы базовыми «кирпичиками», из которых можно сложить любой сложности конструкцию при наличии, естественно, надежных КТР соединений.
Основой проектирования любой конструкции является обеспечение ее прочности, т.е. сохранение ее целостности на весь заданный период эксплуатации. В более общем смысле необходимо обеспечить требуемую несущую способность, включающую в себя как собственно прочность, так и устойчивость, долговечность и многое другое.
Но в любом случае все начинается с расчета на прочность, т.е. со сравнения значений действующих напряжений с их предельно допустимыми величинами для данного материала. Имеющийся научный и инженерный опыт по применению металлов и их сплавов позволяет в целом достаточно достоверно прогнозировать прочность конструкций в разнообразных условиях эксплуатации, к тому же имеется большая справочная база данных, которая для КМ только начинает создаваться. Трудности формирования экспериментального обеспечения расчета КМ на прочность связаны, с одной стороны, с бурным быстрым развитием материаловедения волокон и связующих, а с другой – с зависимостью физико- механических свойств от технологии формования конструкции.
Принципиально расчет на прочность – это прогнозирование коэффициента запаса прочности, проводимое на основе какого-либо критерия прочности. Для изотропных материалов критериями служат хорошо известные теории прочности, с прямого приложения которых начинался расчет КМ. Но со временем оказалось, что в силу отмеченных выше особенностей КМ и конструкций из них теории прочности металлов неудовлетворительно согласовываются с экспериментальными данными. Это послужило началом развития нового научного направления - расчета КМ на прочность. К настоящему времени разработано множество критериев прочности КМ, которые вследствие положенного в их основу физического явления подразделяют на два класса – механические и феноменологические.
Механические критерии прочности представляют собой прямое применение известных теорий прочности для металлов с учетом особенностей физико-механических свойств анизотропных материалов, таких, например, как критерий максимальных напряжений и максимальных деформаций.
К феноменологическим критериям прочности относятся тензорные критерии, связанные со свойствами инвариантов тензоров напряжений или деформаций, и энергетические, основанные на оценке количества энергии деформации, накапливаемой в единице объема.
В справочной литературе и нормативной документации на КМ приводятся экспериментальные величины модулей упругости, коэффициентов Пуассона и линейного температурного расширения и пределов прочности однонаправленного КМ вдоль волокон (по основе ткани), поперек волокон (по утку) и на сдвиг, а иногда можно встретить свойства КМ с армированием ±45°.
Таким образом, имея адекватный критерий прочности, всегда можно оценить прочность детали из однонаправленного КМ, но в инженерной практике такие случаи достаточно редки из-за сложного напряженного состояния элементов конструкций и связанной с ним необходимостью применения более сложных схем армирования. Для таких материалов отсутствуют экспериментальные данные об их физико-технических свойствах.
В связи с вышеуказанным в настоящее время нашли применение два способа оценки прочности КМ:
Первый способ основан на определении напряженно-деформированного состояния каждого слоя в пакете и последующей оценке прочности с помощью какого-либо критерия прочности.
Второй способ заключается в применении критериев прочности к сложноармированному пакету слоев КМ в целом. Так как в этом случае отсутствуют необходимые экспериментальные данные, то этот способ находит применение на этапе расчета на прочность, т.е. после того как конструкция и структура КМ спроектированы, ставят соответствующие эксперимент и оценивают запас прочности.
Основы механики разрушения КМ позволяют построить методику прогнозирования прочностных свойств сложноармированных КМ на основе выполнения критерия прочности для каждого слоя пакета. Такая методика позволяет, во-первых, рассчитать теоретические пределы прочности по различным моделям разрушения (начало разрыва волокон или разрушение связующего какого-либо слоя, накопление предельного количества энергии в единице объема слоя и т.п.), а во-вторых, оценить остаточную прочность по мере разрушения отдельных слоев, что сделать экспериментально почти невозможно. Но, все-таки, это – теория, а инженеру необходимо надежно гарантировать несущую способность разрабатываемой конструкции, поэтому поверочный расчет на прочность проводят по экспериментально определимым прочностным свойствам спроектированного пакета слоев КМ.
Вся лекция по «Проектированию деталей и агркгатов из КМ» Я. С. Карпова
Дата добавления: 2015-04-20; просмотров: 75 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |