Исследование влияния масштабного фактора на прочностные свойства полимерных композиционных материалов

25.03.2019 2019 - №01 Материалы и ядерная энергетика

В.В. Кирюшина Ю.Ю. Ковалева П.А. Степанов П.В. Коваленко

https://doi.org/10.26583/npe.2019.1.09

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) широко используются и являются перспективными для применения в различных отраслях промышленности, в том числе и в атомной энергетике. Несмотря на различные методы и методики исследований механических характеристик ПКМ использование результатов механических испытаний лабораторных образцов для проектирования и моделирования крупногабаритных конструкций не всегда является полностью корректным и обоснованным. Одной из проблем является учет влияния параметра масштаба на прочностные и упругие характеристики ПКМ непосредственно в изделии.

Работа посвящена исследованию влияния масштабного фактора на механические характеристики стеклопластиков на основе фенолформальдегидного и кремнийорганического связующих и тканевого кварцевого наполнителя. Для оценки масштабного фактора проведены испытания на трехточечный изгиб образцов четырех различных типоразмеров в соответствии с ГОСТ 25604-82 и ГОСТ 4648-2014 на испытательной машине LFM-100. Толщины модельных образцов выбраны исходя из толщин стенок натурных изделий, находящихся в опытно-конструкторских разработках и серийном производстве, и особенностей испытательного оборудования, и варьировались в пределах 1,6 – 7,5 мм.

В результате испытаний выявлено снижение прочности при увеличении толщины образца от 3 мм и более как при комнатной, так и при повышенных температурах (200 – 500°С), которое может быть описано степенной зависимостью, вытекающей из статистической модели Вейбулла. Значения модуля Вейбулла, характеризующего степень масштабной зависимости прочности исследуемых материалов, составили 4,6 – 6,7. В диапазоне толщин образцов 3 мм и ниже средний предел прочности при изгибе или значимо не меняется, или проявляет тенденцию к незначительному возрастанию при увеличении толщины. Данный факт позволяет заключить, что для оценки допустимых напряжений в «тонкостенном» изделии необходимо использовать результаты испытаний образцов толщиной, соответствующей толщине стенки изделия, поскольку стандартные образцы могут давать завышенные значения допустимых напряжений и, соответственно, приводить к некорректным расчетам коэффициента запаса прочности.

Полученные результаты необходимо учитывать при установлении допустимых уровней работы натурных изделий и конструкций из полимерных композитов на основании данных по прочности лабораторных образцов, а также в оценке их надежности как одной из характеристик безотказной работы изделия.

Ссылки

1. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. – М.: Машиностроение, 1988. – 272 с.
2. Тарнопольский Ю.М., Скудра А.М. Конструкционная прочность и деформативность стеклопластиков. – Рига: Зинатне, 1966. – 260 с.
3. Болотин В.В., Новичков Ю.Н. Механика многослойных конструкций. – М.: Машиностроение, 1980. – 375 с.
4. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. – М.: Стройиздат, 1965. – 279 с.
5. Баринов С.М., Шевченко В.Я. Прочность технической керамики. – М.: Наука, 1996. – 159 с.
6. Левшанов В.С. и др. Влияние масштабного фактора на прочность стеклокерамического антенного обтекателя. // Механика композиционных материалов и конструкций, 2006. – Т. 12. – № 3. – С. 312-316.
7. Серенсен С.В., Стреляев В.С. Об эффекте абсолютных размеров при испытании на разрыв конструкционных стеклопластиков // Заводская лаборатория. – 1962. – Т. XXVIII. – № 4. – С. 483-485.
8. Серенсен С.В., Зайцев Г.П. Разрушение стеклопластиков при кратковременном нагружении. // Механика полимеров. – 1965. – № 2. – С. 93-103.
9. Ермоленко А.Ф. Масштабный эффект прочности при растяжении однонаправленных армирующих элементов. // Механика композитных материалов. – 1986. – № 1. – С. 38-43.
10. Аргон А. Статистические аспекты разрушения. Композиционные материалы: В 8 т. Т. 5 / Под ред. Л. Браутмана, Р. Крока. – М.: Мир, 1978. – С. 166-205.
11. Bullock R.E. Strength ratios of composite materials in flexure and tension // Journal of Composite Materials. – 1974. – No. 8. – PP. 200-206.
12. Hitchon J.W., Phillips D.C. The effect of specimen size on the strength of CFRP. // Composites. – 1978. – No. 9. – PP. 119-124.
13. Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов. – М: Мир, 1982. – 232 с.
14. Cui W., Wisnom M., Jones M. Effect of specimen size on interlaminar shear strength of unidirectional carbon fibre-epoxy. // Composites Engineering. – 1994. – Vol. 4. – No. 3. – PP. 299-307.
15. Bazant Z.P., Daniel I.M., Li Zhengzhi Size effect and fracture characteristics of composite laminates // ASME J. Eng. Mat. Tech. – 1996. – No. 118 (3). – PP. 317-324.
16. Русин М.Ю. и др. Композиционные материалы для радиопрозрачных обтекателей летательных аппаратов. // Новые огнеупоры, 2014. – № 10. – С. 8-13.
17. Гуртовник И.Г. и др. Радиопрозрачные изделия из стеклопластиков. / Под ред. В.И. Соколова. – М.: Мир, 2003. – 368 с.
18. Кирюшина В.В. и др. Оценка параметров распределения Вейбулла при анализе прочности керамических материалов для обтекателей. // Механика композиционных материалов и конструкций. – 2006. – Т. 12. – № 1. – С. 76-82.
19. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. / Пер. с англ. Е.Г. Коваленко. – М.: Мир, 1980. – 607 с.
20. Ивченко Г.И., Медведев Ю.И. Математическая статистика: учеб. пособие для втузов. – М.: Высшая школа, 1992. – 304 с.
21. Jajatilaka A., Trustrum K. Statistical approach to brittle fracture. // J. Materials Sciences. – 1977. – Vol. 12. – No. 8. – PP. 1426-1432.

полимерные композиционные материалы стеклопластики масштабный фактор прочность статистическая модель Вейбулла размерный эффект

Ссылка для цитирования статьи: Кирюшина В.В., Ковалева Ю.Ю., Степанов П.А., Коваленко П.В. Исследование влияния масштабного фактора на прочностные свойства полимерных композиционных материалов. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2019. – № 1. – С. 97-106. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2019.1.09 .