авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

РАЗРАБОТКА МЕТОДА АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННО – ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ ТЕМПЕРАТУРНЫХ, СИЛОВЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Биткина Елена Владимировна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННО ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ ТЕМПЕРАТУРНЫХ, СИЛОВЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 01.02.04 Механика деформируемого твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара - 2009

Работа выполнена на кафедре «Механика» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Клебанов Яков Мордухович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Сеницкий Юрий Эдуардович

кандидат технических наук,

доцент

Мехеда Виллий Андреевич

Ведущая организация: ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара)

Защита диссертации состоится « 16 » декабря 2009 года в 16 – 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: 443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141, ауд. 28.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.02; факс: (846) 278-44-00.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18)

Автореферат разослан « 10 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.217.02.

д.т.н., профессор Денисенко А.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Композиционные материалы (КМ) находят все более широкое применение в различных отраслях техники, что объясняется широким спектром свойств, выгодно отличающих их от традиционных материалов и сплавов: высокая удельная прочность, жаростойкость, усталостная и длительная прочность и т.д.

Данный факт объясняет необходимость исследований, направленных на создание новых конструкций из композитов. Методам механики деформируемого твердого тела в совокупности этих исследований принадлежит одно из главных мест. Действительно, три основных проблемы – механика собственно композита (определение физико-механических свойств и задачи синтеза); методы расчета конструкций и их элементов на прочность, устойчивость, долговечность и задачи оптимизации; технология создания композиционных материалов и конструкций из них – решаются преимущественно методами механики. Аналогичные задачи возникают и при создании инженерных сооружений из традиционных материалов, однако удельный вес и значимость решения задач механики деформирования в каждой из перечисленных проблем применительно к композитам существенно выше.

Работы по созданию методов исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) КМ и внедрению этих материалов в различные конструкции ведутся в настоящее время достаточно широко. Однако, вопросам анализа влияния анизотропии термомеханических свойств, остаточных температурных напряжений и деформаций неоднородных слоистых конструкций, предварительного натяжения армирующих волокон, асимметрии свойств структуры пакета композиционного материала по толщине и ряда других факторов на НДС композита не уделено должного внимания. В качестве примера отметим, что в реальных конструкциях из композиционных материалов «случайная» анизотропия материала, связанная с технологическими погрешностями и дефектами чередующихся слоёв, проявляется в условиях эксплуатации как отклонение от расчетной теоретической формы.





Таким образом, задача теоретических исследований заключается не только и не столько в том, чтобы определить механические свойства данного композиционного материала, а в том, чтобы на основе этих исследований сконструировать композит с наперед заданными деформационными и прочностными характеристиками. Сформулированная в таком виде задача является достаточно сложной и требует проведения дополнительных исследований и разработок в этой области.

Цель работы. Разработка метода анализа напряженно-деформированного состояния многослойных композиционных материалов и конструкций с учетом температурных, силовых и конструктивно-технологических факторов – угла разориентации слоев КМ, натяжения слоев препрега, степени армирования.

Достижение этой цели требует комплексного подхода, поскольку получение наивысших эксплуатационных характеристик конструкций, изготовленных из композиционных материалов, находится в прямой зависимости от технологии, конструктивных параметров и условий внешнего нагружения. В этой связи в диссертации решаются следующие основные задачи:

1) разработка математической модели процесса деформирования многослойных композиционных материалов и изготовленных из них конструкций, параметрический анализ конструктивно-технологических факторов;

2) анализ и синтез структуры композиционного материала конструкции с учётом технологических воздействий по критериям жесткости, прочности, размерной стабильности;

3) проведение экспериментальных исследований по определению величин механических характеристик и сравнение полученных результатов с теоретическими для проверки адекватности разработанного метода;

4) разработка рекомендаций по созданию формостабильных композитных конструкций.

Научная новизна работы. Создан метод анализа НДС многослойных композиционных материалов и конструкций на основе математической модели, позволяющей решать связанную задачу, не разделяя ее на плоскую и изгиб. Система дифференциальных уравнений сведена к одному уравнению восьмого порядка. Задача решается аналитически в рамках классической теории упругости пластин и оболочек. С помощью данной новой математической модели впервые определены коэффициенты линейного температурного расширения с целью получения однооснотермонейтральных структур, т.е. многослойных композиционных материалов, для которых выполняется условие x=0 или y=0 и при изменении температуры не происходит изменения линейных и угловых размеров либо вдоль оси x, либо вдоль оси y, а также напряженно-деформированное состояние многослойных панелей с несимметричной структурой пакета КМ по толщине, работающих в условиях силовых и температурных воздействий с учетом технологических погрешностей и при различных условиях закрепления краев.

На защиту выносятся:

- метод анализа НДС многослойных композиционных материалов и конструкций на основе математической модели, позволяющей учитывать влияние температурных, силовых и технологических воздействий, возникающих как в процессе эксплуатации конструкций, так и на начальном этапе изготовления;

- результаты анализа влияния угла разориентации слоев на термо-механические характеристики композита;

- результаты анализа влияния технологического натяжения волокон КМ на формоизменение композитных панелей в зависимости от изменения объемного содержания исходных компонентов в структуре КМ с учетом и без учета угла разориентации;

- результаты анализа влияния последовательности укладки слоев композита с одновременным изменением угла разориентации в первых трех слоях на формоизменение слоистых композитных панелей в зависимости от объемного содержания исходных компонентов в структуре КМ;

- результаты анализа влияния изменения процентного содержания волокна в первых двух слоях на формоизменение композитных панелей;

- результаты анализа влияния угла разориентации на формоизменение композитных панелей в зависимости от объемного содержания исходных компонентов в структуре КМ;

- результаты анализа влияния угла разориентации и степени армирования КМ на распределение технологических остаточных напряжений в слоистых тонкостенных композитных панелях;

- результаты анализа влияния технологического натяжения, режима отверждения и свойств материала на распределение технологических остаточных напряжений в слоистых тонкостенных композитных панелях;

- экспериментальные результаты определения величины формоизменения слоистых пластин в зависимости от изменения угла ориентации и натяжения волокон и сравнение их с полученными теоретическими результатами;

- экспериментальные результаты определения величины механических характеристик слоистых пластин – продольного и поперечного модулей упругостей – в зависимости от изменения угла ориентации и сравнение их с полученными теоретическими результатами.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Разработанный алгоритм и компьютерная программа позволяют проводить параметрический анализ начального напряженно-деформированного состояния многослойных панелей из волокнистых материалов, формирующегося при их изготовлении, и определять величины технологических остаточных деформаций и напряжений, которые могут, в отдельных случаях приводить к разрушению слоев еще в процессе изготовления без приложения какого-либо нагружения. Разработанный метод позволяет решать проблему интегральной оценки технологических остаточных деформаций и напряжений в композитных конструкциях. А именно, предложенный метод анализа напряженно-деформированного состояния композитов, формирующегося при их изготовлении, позволяет определять суммарные остаточные деформации и напряжения и, кроме того начальное напряженно-деформированное состояние в композите, образующееся под воздействием таких основных технологических факторов как уровень натяжения препрега, степень армирования и т.д. Использование данного метода позволяет не только оценивать величину вышеупомянутых деформаций и напряжений, но и направленно регулировать это технологическими методами, в зависимости от вида внешнего нагружения, а также, определять термо-механические характеристики композита в зависимости от степени армирования и величины угла разориентации слоев композиционного материала.

Исследование влияния объемного содержание волокна и матрицы в КМ с целью получения оптимальных физико-механических характеристик монослоя и параметрический анализ углов укладки слоев в пакете для проектирования оптимальной структуры композита были выполнены на ОАО «Пластик» (г. Сызрань) в рамках международной программы «Спектр – Радиоастрон» как часть работы по теме: «Отработка конструктивно-технологических решений для создания центрального зеркала для космического радиотелескопа КРТ».

Результаты влияния углов разориентации в слоях композита на величину коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР) и оценка технологических остаточных напряжений и деформаций фрагментов панелей, которые вызываются анизотропией механических и теплофизических свойств материала, неоднородностью структуры, взаимодействием с формующей технологической оснасткой позволили провести сравнительный анализ технологичности различных вариантов конструкции в рамках выполнения работы на ОАО «Пластик» (г. Сызрань) по теме: «Изготовление образцов оребренных и вафельных панелей из композиционных материалов».

Апробация диссертации. Основные положения работы доложены и обсуждены на XXV и XXVIII Самарских областных студенческих научных конференциях (г. Самара, 1999, 2002); V Всероссийской студенческой конференции "Королевские чтения" (Самара, 1999); XXIII Международной конференции и выставке «Композиционные материалы в промышленности» (г. Ялта, 2003); XXIV Международной конференции и выставке «Композиционные материалы в промышленности» (г. Ялта, 2004); XXVIII Международной конференции и выставке «Композиционные материалы в промышленности» (г. Ялта, 2008); XXV Международной конференции и выставке «Композиционные материалы в промышленности» (г. Ялта, 2005); V Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2008); Отраслевой научно-технической конференции, посвященной 25-летию Ульяновского научно-технологического центра филиал ФГУП ВИАМ (г. Ульяновск, 2008); Научном семинаре кафедры «Механика» ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (руководитель, д.т.н., профессор Клебанов Я.М.), 2009; Научном семинаре «Механика и прикладная математика» кафедры «Прикладная математика и информатика» ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (руководитель, д.ф.-м.н., профессор Радченко В.П.), 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, список которых приведён в конце автореферата, в том числе одна научная работа в издании, входящем в перечень журналов рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 162 страницах, содержит 5 таблиц, 77 рисунков. Состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении выполнен анализ состояния вопроса, даны краткое обоснование актуальности работы, ее общая характеристика, сформулированы цель и задачи исследований.

Глава 1 содержит литературный обзор, в котором приведен анализ работ по существующим вариантам теории слоистых пластин и оболочек, методы решения и исследования пластин и оболочек из композиционных материалов, рассматривается влияние технологических остаточных напряжений на несущую способность композитных конструкций.

Глава 2 посвящена разработке метода анализа НДС многослойных композиционных материалов и конструкций на основе математической модели, позволяющей учитывать влияние температурных, силовых и технологических воздействий, возникающих как в процессе эксплуатации конструкций, так и на начальном этапе изготовления. В рамках анизотропной модели, пользуясь технической теорией тонких пластинок, рассмотрен расчет многослойной панели, обладающей анизотропией вследствие асимметрии свойств структуры пакета по толщине и находящейся под действием произвольного поперечного давления q(x,y), температурного поля Т и технологического натяжения KНВ. Препреги предварительно натянуты, после отверждения натяжение снято. Так как структура слоистого элемента несимметрична, при последующей реализации гипотез о нормальном элементе в расчетной схеме теряется смысл срединной поверхности. Расчетная модель слоистого композитного элемента основывается на решении граничной задачи в перемещениях с использованием гипотезы Кирхгофа, когда растяжение и изгиб слоистого элемента не разделяются. Система дифференциальных уравнений равновесия в операторной форме имеет вид:

;

; (1)

;

где U0, V0 и W – функции перемещений в плоскости приведения; Lij (i,j =1, 2, 3) – линейные дифференциальные операторы.

(2)

- деформации в плоскости приведения; - кривизны панели.

Компоненты деформированного состояния нейтральной оси (срединной поверхности) , под воздействием силовых температурных факторов и силовых факторов, связанных с натяжением волокон, определяются из уравнения:

(3)

где , , - обобщенные матрицы жесткости многослойной панели с учетом температуры и натяжения волокон; , - «температурные» усилия и моменты; , - усилия и моменты от натяжения волокон.

Матрицы жесткости слоистого элемента представляются выражениями:

(4)

где F(k), S(k) и J(k) – соответственно погонная площадь, статический момент и момент инерции k-го слоя соответственно; - жесткость k-го слоя; - коэффициент температурного расширения k-го слоя; - деформация натяжения k-го слоя; - изменение температуры.

В свою очередь, компоненты матрицы жесткости k-го слоя определяются через технические константы упругости:

(5)

где Е1 – модуль упругости в направлении слоя, Е2 – модуль упругости перпендикулярно слою; , - коэффициенты Пуассона, - модуль сдвига, – коэффициенты взаимного влияния.

Система (1) сводится к одному неоднородному линейному дифференциальному уравнению в частных производных восьмого порядка относительно некоторой потенциальной функции Ф(x, y), через которую выражаются все расчетные параметры проектирования:

(6)

где - обобщенная функция перемещений восьмого порядка в операторном виде; (i,j = 0, 1…8) – коэффициенты, определяемые через обобщенные жесткости; a8-i (i = 0, 1…8) – длина панели; bj (j = 0, 1…8) – ширина панели, q – поперечное давление.

Решение уравнения (6) ищется при граничных условиях для y = 0 и y = 1:

(7)

в виде тригонометрического ряда

(8)

где подлежит определению.

С учетом технологических воздействий (температуры отверждения, натяжения препрегов, степени армирования слоя и др.) и вида функции Ф(x, y) внутренние силовые факторы , от воздействия температуры и технологического натяжения определяются выражениями:

(9)

При формулировании математической модели гипотеза Кирхгофа распространена на все тело анизотропной среды в рамках связанных плоской задачи и изгиба пластин. Разрешающим уравнением является линейное дифференциальное уравнение восьмого порядка в частных производных относительно обобщенной функции перемещений, в котором пропадают коэффициенты, стоящие при нечетных производных, если структура композиционного материала ортотропна. Задача решена в перемещениях методом одинарных тригонометрических рядов.

Таким образом, построена математическая модель НДС слоистой композитной панели и получено в общем виде решение для расчёта её НДС под воздействием равномерно-распределённой поперечной нагрузки с учётом воздействия температурных, силовых и технологических факторов с различными симметричными условиями закрепления краёв пластинки.

Для оценки прочности многослойной панели из композиционного материала определяются относительные эквивалентные напряжения, для расчета которых использовался критерий прочности в форме Гольденблата-Копнова.



Pages:   || 2 | 3 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.