Актуальность работы. В настоящее время в авиационной промышленности широкое распространение получили полимерные композиционные материалы (ПКМ). Их использование позволяет получить прочную и жесткую конструкцию, имеющую значительно меньшую массу, по сравнению с металлическим аналогом [32]. Кроме того, технология создания сложных изделий из ПКМ зачастую дешевле и практичнее из-за отсутствия многих промежуточных операций, что значительно снижает трудоемкость и расходы на производство.
Возможность изменения структуры ПКМ способствует максимальному использованию преимуществ таких материалов и оптимизации конструкции по массовым, жесткостным и прочностным параметрам. Структура полимерных композитов обладает рядом уникальных свойств, делающих их незаменимыми в конструкциях, подверженных повышенному влиянию радиации, электромагнитному излучению, действшо агрессивных сред и т. д.
Бурное развитие за последнее время получила и механика композиционных материалов, описывающая поведение композита, имеющего сложную структуру под действием физико-механических факторов. Результаты этого развития в контексте описания расчетных моделей и основных соотношений подробно изложены в работах [1,2,15, 18,19,27,28,29,31,32,36,37,40,41,46,47,56,62,63,70,73].
Однако, наряду с очевидными преимуществами использования ПКМ, есть ряд вопросов, ограничивающих их внедрение. Решение этих проблем позволяет повысить качество изготавливаемых деталей и/или снизить их конечную стоимость.
Одной из важнейших проблем производства изделий из ПКМ является возникновение остаточного напряженно-деформированного состояния. Оно возникает вследствие формования изделий при повышенных температурах, неоднородности структуры материала и изъянов технологических процессов.
Как следствие, при сборке конструкции могут возникать трудности с монтажом деформированных деталей, что, в конечном итоге, приведет к возникновению дополнительных монтажных напряжений и снижению несущих свойств конструкции либо к необходимости дополнительной механообработки и усложнению технологического процесса.
Кроме того, к некоторым видам конструкций предъявляются высокие требования точности изготовления. Так, например, отклонения от требуемой точности могут привести к искажению принимаемого/передающего сигнала для композитного радиолокационного обтекателя антенны, или к изменению аэродинамических свойств панелей обшивок ЛА.
Для определения остаточного напряженно-деформированного состояния используются методы термоупругости, подробно описанные в [19, 43].
Основным фактором, приводящим к возникновению остаточного НДС, является анизотропия свойств ПКМ. Как известно, жесткостные и температурные свойства однонаправленного слоя вдоль и поперек волокон значительно отличаются [18]. Примером анизотропии свойств может являться коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР). Для слоистого композита он почти равен нулю вдоль волокон и близок к значению КЛТР матрицы в направлении поперек волокон. Это принципиально важно для изготовления крупногабаритных авиационных конструкций. Так температура полимеризации большинства смол, применяемых в силовых авиационных конструкциях, составляет около 170 °C. Процесс полимеризации сопровождается переходом связующего в вязкоупругое состояние, после чего происходит его отверждение при температуре порядка 140 °C. Затем происходит выдержка и охлаждение изделия до примерно комнатной температуры, а это значит, что изменение температуры в этом случае равно -120°С. В процессе охлаждения происходит усадка полимерного связующего, приводя к появлению деформации сжатия ориентированных по-разному слоев ПКМ. б.
В зависимости от структуры пакета и характеристик компонентов монослоя (волокна и связующего) линейные деформации слоев могут вызывать искривление панели (изгиб, крутку) и появление остаточных температурных напряжений. Процесс коробления наблюдается в случаях применения несимметричной структуры ПКМ. На практике стремятся использовать пакеты с симметричной укладкой, однако в некоторых случаях добиться симметрии пакета бывает затруднительно и, как правило, связано с особенностью технологии производства данного изделия. В этом случае, необходимо использовать комплекс мер, направленных на снижение коробления изготавливаемых деталей.
Подробный анализ влияния расположения, ориентации волокон слоев и их соотношение в пакете на деформированную форму панелей из композитов приведен в работах [43,44,64,65,67,69]. На величину кривизны панелей-влияют следующие факторы:
— толщина панели (при увеличении толщины, повышается изгибная жесткость панели, приводя к снижению ее кривизны);
— объемное содержание связующего (большее содержание связующего приводит к большей его усадке, а, следовательно, и увеличению линейных деформаций и кривизны) — температура стеклования связующего (низкая температура стеклования приводит к меньшему перепаду температур, снижая усадку связующего);
— последовательность укладки слоев (от местоположения слоев в пакете зависят величины мембранных, смешанных и изгибных жесткостей пакета).
Параметрическое исследование описанных выше факторов и их влияние на остаточное НДС приведено в работах [43, 59, 65, 67, 69].
В некоторых случаях величина остаточных напряжений может значительно ухудшить прочностные свойства конструкции, существенно снизить ее ресурс или, достигнув предела прочности, привести к появлению трещин и расслоению. Наибольшему негативному действию остаточных 7 напряжений подвержены однонаправленные слои в поперечном направлении. Остаточные температурные напряжения в этом направлении могут достигать предела прочности и приводить к появлению трещин в связующем. Процесс растрескивания трансверсального слоя и его влияние на интегральную прочность описан в работах [17,66].
Однако в некоторых случаях остаточные напряжения могут разгрузить конструкцию. Экспериментально при растяжении образцов установлено упрочняющее действие остаточных напряжений сжатия, разупрочняющееостаточных напряжений растяжения и повреждающее — в зоне материала, где остаточные напряжения меняют знак. [21,22] Подробно о влиянии остаточных температурных напряжений на прочностные свойства композита изложено в работах [4,20,21,22,24,25,42,43,56,64,67].
Экспериментальное определение величин остаточных напряжений сводится к испытанию элементарных образцов на растяжение, сжатие и т. д. и сопоставлению полученных результатов с результатами, полученными на образцах, не подверженных действию внутренних напряжений. Тем не менее, существуют и другие способы определения остаточных напряжений, основанные на послойном удалении материала с одной из боковых сторон образца и замере его прогиба, описанные в [21].
Как правило, уровень остаточных напряжений, реализуемый в изделиях из композитов, несколько ниже, чем получается при определении его методами термоупругости композиционных материалов, и зачастую зависит от технологии изготовления. В данном случае можно говорить о влиянии упруго-наследственных свойств материала на его остаточное напряженнодеформированное состояние, то есть имеет место проявление эффектов ползучести и релаксация напряжений. Вопросы механики систем, деформирующихся во времени описаны в работах Ржаницына А. Р. [50,51].
Учет влияния вязкоупругого поведения композита затруднен, в первую очередь, определением временной зависимости его механических характеристик. Эта зависимость определяется в основном действующей 8 температурой и внутренними напряжениями, поэтому для ее нахождения необходимо проводить испытания образцов в широком диапазоне температур и нагрузок в течение продолжительного периода. В некоторых случаях длительность испытаний может составлять несколько лет. Однако на практике испытания проводят при повышенных температурах и нагрузках, когда скорость релаксационных процессов значительно выше и требуется меньше времени для получения результатов, и затем, пользуясь принципами температурно-временной и напряженно-временной аналогии, получают зависимость свойств композита для требуемых величин температуры и напряжений. Методика определения этих зависимостей, а также описание поведения материала в условиях длительного нагружения приведены в работах [5,14,26,38,39,45,52,54,55,57,58,71,72].
Среди современных технических теорий ползучести наиболее важное значение имеют теории упрочнения и наследственные теории, существенный вклад в которые сделал Работнов Ю. Н. [48,49]. Для описания упруго-наследственных свойств композита используют теорию наследственности [16,38,45,57].
На остаточное НДС также влияет конструктивная особенность изделий, к которым относятся подкрепленные, многозамкнутые статически неопределимые конструкции. Некоторые их элементы могут стеснять деформации, приводя к появлению дополнительной кривизны, а в области стыка таких элементов реализуются большие значения напряжений. Кроме того, при монтаже композитных панелей, подверженных короблению, в составе конструкции будут возникать дополнительные (монтажные) напряжения, которые будут зависеть от способа крепления и величины ухода панели от заданного положения. В данном случае необходимо решать задачу термоупругости с учетом краевых эффектов. Исследование влияния краевых эффектов на остаточные напряжения описаны в работах [3,43,68].
Помимо структуры материала, на остаточное НДС также влияет технология изготовления. Необходимо тщательно анализировать факторы, способные повлиять на конечный результат, в противном случае изъяны технологического процесса способны не только свести к нулю грамотно спроектированную структуру ПКМ, но и сделать остаточные температурные напряжениям деформации непрогнозируемыми. Так, например, необходимо исключить влияние оснастки на изготавливаемую деталь, то есть коэффициенты линейного температурного расширения материалов оснастки и детали должны быть близки. На практике применяют оснастки из стали, инвара или композита. Попытка использования материалов: с высоким КЛТР (например, алюминия) для оснастки приводит к появлению дополнительных сжимающих нагрузок, действующих на формуемую деталь. Это особенно актуально для деталей, изготавливаемых по технологии РТМ (пропитки под давлением). Композиционныйматериал при действии этих нагрузок и повышенных температур проявляет свойства ползучести, приводя к появлению дополнительных, порой непрогнозируемых, остаточных напряжений и деформаций.
В^процессе формования оснастка должна жестко фиксировать слои, не допуская нарушения спроектированной структуры композиционного материала. Температура в процессе нагрева и охлаждения должна быть распределена равномерно по длине, ширине и толщине изготавливаемой панели. Это уменьшит величину дополнительных прогибов, вызванных неравномерностью распределения температуры, и повысит точность изготавливаемой детали. Кроме того, неравномерность прогрева провоцирует неравномерность процесса отверждения связующего, что также приведет к появлению дополнительных непрогнозируемых прогибов.
На практике применяют различные методы по снижению влияния коробления на точность изделий. Так, например, применяют дополнительные «жертвенные» слои, которые подвергаются обработке после формованияДанный метод имеет существенный недостаток, связанный с увеличением трудоемкости производстваСнижение коробления панелей достигается применением: компенсирующих слоев, ориентация и месторасположение. 10' ' которых выбирается, исходя из имеющейся укладки. Для снижения остаточной кривизны и напряжений панелей из ПКМ также применяют их нагрев выше температуры стеклования с последующим приложением нагрузки, выдержкой и охлаждением [35]. Снятие нагрузки происходит при температуре меньше температуры стеклования. Таким образом, проявляя свойства ползучести, происходит «заморозка» деформаций, которые остаются в охлажденном состоянии. Для снижения остаточных напряжений применяют также метод термоциклирования — основанный на циклическом нагреве-охлаждении детали. При этом происходит изменение структуры полимера, влияющее на его механические свойства.
В конечном итоге, умение правильно прогнозировать остаточное НДС и управлять им позволяет, заранее изменив геометрию оснастки, создавать изделия, принимающие окончательную форму после формования и изъятия их из нее. Такой подход к проектированию и изготовлению изделий из ПКМ позволит значительно снизить объем дополнительных технологических операций, уменьшить количество брака и повысить качество изготовляемых изделий.
Целью работы является разработка методики оценки влияния внутренней структуры ПКМ на остаточные напряжения и деформации, составление рекомендаций по ее оптимальному проектированию, анализ различных технологических факторов, влияющих на остаточное НДС.
Согласно поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Разработать методику для исследования влияния физико-механических факторов на остаточные напряжения и деформации панелей из полимерных композиционных материалов.
2. Разработать алгоритм анализа реологии свойств композита, а также исследовать остаточное напряженно-деформированное состояние с учетом вязкоупругого поведения свойств композита.
3. Исследовать влияние внутренней структуры композита на остаточные напряжения и деформации, составление рекомендаций по созданию оптимальной структуры ГГКМ.
4. Исследовать влияние технологических факторов (начального натяжения волокон, технологических несовершенств) на остаточные напряжения и деформации.
5. Провести комплекс испытаний по определению упругих, предельных и температурных характеристик композита, а также построить диаграммы ползучести полимерного связующего.
Научная новизна состоит в выполнении полного цикла работ по исследованию остаточного НДС, разработке методики определения остаточного напряженно-деформированного состояния панелей из ПКМ с учетом реологии свойств.
Новые научные результаты данной работы состоят в следующем:
1. На основе классической механики композитов создана методика определения остаточного напряженно-деформированного состояния свободной от закрепления плоской панели из ПКМ.
2. Разработан алгоритм, позволяющий учитывать реологию упругих свойств композита, и рассматривать процесс охлаждения во времени.
3. Разработан и внедрен в использование программный комплекс, основанный на предложенных методиках, позволяющий в кратчайшее время проводить анализ влияния физико-механических факторов на остаточные напряжения и деформации, а также их влияние на общее НДС в процессе эксплуатации.
4. Составлен на основании проведенных исследований список рекомендаций по проектированию оптимальной структуры ПКМ.
5. Исследовано влияние особенностей технологического процесса на-остаточное НДС.
6. Исследовано влияние упруго-наследственных свойств композита на остаточное НДС.
Достоверностьполученныхрезультатов обеспечивается использованием математической модели, не противоречащей основным положениям механики композиционных материалов и теории упругости, применением классических математических методов и апробированных подходов, а также результатами проведенных экспериментов.
Практическая ценность и применение результатов. Проведенное в диссертационной работе исследование позволило:
— выработать основные правила оптимального, с точки зрения остаточного НДС, формирования структуры композита и применения однонаправленных и тканых слоев;
— оценить эффективность использования технологических приемов по повышению точности изготовления и качества изделий;
— оценить влияние несовершенств технологического процесса на остаточное НДС;
— оценить влияние упруго-наследственных свойств полимерного связующего на снижение остаточных напряжений в процессе охлаждения изделия.
Полученные в ходе экспериментальной работы механические и температурные характеристики композита могут быть использованы для анализа поведения конструкции из этого материала под воздействием различных физико-механических факторов.
Результаты диссертационной работы были внедрены:
— при анализе остаточного НДС панелей обшивки крыла и центроплана? перспективного пассажирского авиалайнера;
— при оптимизации укладки и анализе НДС образца подкрепленной обшивки на сжатие;
— при выполнении работ по грантам РФФИ (код проекта 08−01−290а), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» ГК № 02.740.11.0504.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано восемь научных работ [10−12], из них три работы опубликованы в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов кандидатских диссертаций [13,8,9].
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из списка сокращений, введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы.
Объем диссертации: 124 страницы. В диссертации 51 рисунок, 15 таблиц. Список используемой литературы включает 74 наименования.
В первом разделе диссертационной работы приведены основные соотношения механики композиционных материалов, выражения для определения жесткостных характеристик пакета, разработан алгоритм анализа остаточного напряженно-деформированного состояния с учетом начального натяжения волокон. Также разработана методика для учета влияния реологии свойств композита на остаточное НДС.
Во второй главе приведены результаты расчетных исследований влияния структуры полимерного композита на остаточное НДС, приведены сравнительные диаграммы распределения остаточных напряжений по слоям материала. Рассмотрено влияние начального натяжения волокон, а также несовершенств технологического процесса. Проведена оценка влияния реологии свойств на снижение остаточных напряжений плоских панелей из полимерного композиционного материала. В третьей главе представлены результаты экспериментальной работы. Приведены диаграммы деформирования при растяжении образцов из ПКМ, величины предельных напряжений межслоевого сдвига, зависимости коэффициентов линейного температурного расширения в продольном и поперечном направлениях от температуры, а также диаграмма ползучести полимерного связующего при различных температурах и сжимающих напряжений.
В заключении приведены основные выводы, сделанные по результатам проведенного в диссертационной работе исследования.
X РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ.
Для исследования вопроса влияния свойств материала, структуры, температуры и других факторов разработан алгоритм, позволяющий определить остаточное напряженно-деформированное состояние композиционного материала с учетом действующих физико-механических факторов.
Поскольку механическое сопротивление слоев композита в значительной мере зависит от времени, что в свою очередь обусловлено ярко выраженными вязкоупругими свойствами полимерного связующего, был разработан алгоритм, позволяющий определить остаточное напряженно-деформированное состояние с учетом временной зависимости свойств композита.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В данной работе разработана методика определения остаточных напряжений и деформаций плоских панелей из ПКМ, подверженных охлаждению. Проведен анализ влияния на остаточное НДС таких физико-механических факторов, как внутренняя структура полимерного композита, начальное натяжение его волокон, особенностей технологического процесса, приводящих к локальному изменению структуры ПКМ. По результатам этих исследований составлен список рекомендаций по рациональному проектированию структуры композита, а также методам борьбы с остаточными напряжениями и деформациями.
Также разработан метод анализа остаточного НДС с учетом упруго-наследственных свойств композиционного материала. Используя данную методику, было исследовано поведение композита при охлаждении в течение определенного промежутка времени, а также влияние вязкоупругого поведения свойств композита на релаксацию внутренних остаточных поперечных напряжений.
В ходе проведенных экспериментальных работ получены следующие свойства однонаправленного и тканого слоев композита: модули упругости в продольном и поперечном направлениях (Ец, Е22), коэффициенты Пуассона (у21, предел прочности при растяжении в продольном и поперечном направлениях {ои, о22), предельное напряжение при межслоевом сдвиге (т 13). Для ПКМ, сформированного однонаправленными слоями, построены зависимости коэффициентов линейного температурного расширения («у, а2) от температуры. Получена диаграмма ползучести полимерного связующего при повышенных температурах и различных уровнях напряжений сжатия, из этой диаграммы определены коэффициенты к, Н, Е для экспоненциальной аппроксимации закона релаксации модуля упругости. Полученные характеристики были использованы в качестве исходных данных.
