рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Определение прочности однонаправленных КМ

Определение прочности однонаправленных КМ - Лабораторная Работа, раздел Механика, Структурных и механических характеристик пенопластов С Непрерывными Волокнами В Направлении Армирования Исходными ...

с непрерывными волокнами в направлении армирования

Исходными данными для расчета являются (рис. 4.3):

1) диаграмма истинных напряжений s = f(e) волокна (1);

2) диаграмма истинных напряжений матрицы (2).

Диаграмма истинных напряжений КМ (3) подлежит определению. Она состоит из трех участков:

I – матрица и волокна деформируются упруго;

II – матрица переходит в упругопластическое состояние, волокна продолжают деформироваться упруго;

III – оба компонента системы находятся в состоянии пластической деформации.

 
 

Рис. 4.3. Исходные данные для расчета:

1 – диаграмма истинных напряжений волокна;

2 – диаграмма истинных напряжений матрицы;

3 – диаграмма истинных напряжений КМ

 

Примем, что прочность связи на границе раздела «волокно - матрица» достаточна для обеспечения совместной деформации вплоть до разрушения, т.е.

eм = eв = eк. (4.1)

Степени деформации матрицы (eм), волокна (eв) и композиции (eк) равны.

Тогда внешняя нагрузка, воспринимаемая композиционным материалом в направлении армирования Рхк, равна сумме нагрузок, приходящихся на матрицу Рхм и волокна Рхв:

Рхм + Рхв = Рхк (4.2)

(растяжение вдоль оси х). Воспользовавшись тем, что силу можно представить как произведение напряжения на площадь поперечного сечения, равенство (4.2) перепишем в виде

sхмFм + sхвFв = sхкFк, (4.3)

где sхм, sхв, sхк – растягивающие напряжения в матрице, волокне и всей композиции в направлении оси х; Fм, Fв, Fк – поперечное сечение матрицы, волокна и композиции соответственно.

Разделив обе части уравнения (4.3) на Fк, получим

sхмVм + sхвVв = sхк, (4.4)

где Vм = Fм/Fк; Vв = Fв/Fк – объемные доли матрицы и волокна в композиционном материале.

Удельная объемная доля волокна в композиционном материале,

равная отношению площади поперечного сечения волокна к площади поперечного сечения однонаправленного композиционного материала, называется степенью армирования КМ Vв = Fв/Fк. В том случае, если КМ армирован волокнами в различных направлениях, тканями или другими видами армирующих материалов, степень армирования определяется отношением объема армирующего материала к объему композиционного материала.

Учитывая, что Vм + Vв = Vк, уравнение (4.4) можно записать в следующем виде:

sхк = sхвVв + sхм(1-Vв). (4.5)

Переходя к предельным напряжениям, уравнение (4.5) можно записать так:

sв хк = sв хвVв + s¢хм(1-Vв). (4.6)

Здесь sв хв – среднее значение предела прочности волокна при растяжении; s¢хм – напряжение в матрице в момент разрыва волокон.

Следует уяснить, что s¢хм – это не предел прочности матрицы, а напряжение, соответствующее деформации, равной предельной деформации волокон до разрушения eв пред. Для определения s¢хм необходимо из точки с, соответствующей максимальной деформации волокон, опустить перпендикуляр на ось e. Ордината точки D и даст s¢хм.

На практике принятые допущения часто изменяются, так как волокна разрушаются не одновременно, а последовательно из-за наличия в них дефектов. Волокна с большими дефектами разрушаются при низких напряжениях, далеких от предела прочности, волокна с меньшими дефектами разрушаются при больших напряжениях, а в целом прочность композиции будет несколько ниже рассчитанной по формуле (4.5).

То же можно сказать в случае, когда матрица имеет недостаточный запас пластичности, что приводит к появлению трещин на границе раздела и в теле матрицы и к преждевременному разрушению КМ в целом.

Оптимальная объемная доля волокон

В соответствии с уравнением (4.5) прочность КМ должна повышаться пропорционально объемной концентрации волокон Vв.

Обычно при Vв > 0,7…0,75 (содержание матричного материала 30…25% и менее) матричный материал не полностью смачивает и склеивает между собой все волокна в единое целое. При этом КМ проявляют склонность к образованию трещин и расслоений, наблюдается неодновременное разрушение волокон и прочность КМ резко падает. Поэтому степень армирования Vв = 0,7…0,75 следует считать максимально возможной для большинства композиционных материалов.

С другой стороны, при очень малых Vв хрупкие волокна не смогут ограничить деформацию матрицы и разрушаются, а матрица еще будет иметь запас прочности и воспринимать нагрузку. В этом случае прочность КМ может быть ниже прочности неармированной матрицы, поскольку введение волокон равносильно введению в матрицу нитевидных пор. Если волокна практически не работают (sхвVв = 0), зависимость прочности композиции от объемной доли волокон (4.5) выразится формулой

sвк = sвм(1 – Vв), (4.7)

где sвм – предел прочности матрицы (волокна не работают и sвв®0).

 
 

Зависимость прочности КМ от концентрации волокон по уравнению (4.6) (прямая 1) и (4.7) (прямая 2) показана на рис. 4.4.

 

Рис. 4.4. График зависимости прочности КМ от степени армирования

 

Объемная доля волокон, соответствующая точке пересечения этих прямых, называется минимальной объемной концентрацией волокон. Ей соответствует минимальная прочность КМ. Значение минимальной объемной доли волокон можно найти, приравняв выражения (4.6) и (4.7) и решив полученное уравнение относительно Vmin:

sвв Vmin + s¢м(1-Vmin) = sвм(1-Vmin), (4.8)

. (4.9)

Из формулы (4.9) и рис. 4.6 следует, что существует такая объемная доля волокон (Vmin), при которой прочность КМ может быть меньше прочности неармированной матрицы. Рассчитывать эту величину нет необходимости.

Критической объемной долей волокон Vкр называют такую объемную долю, при которой прочность КМ становится равной прочности неармированной матрицы. Начиная с этой степени армирования прочность КМ постепенно увеличивается.

Величину Vкр можно рассчитать, приравняв в уравнении (4.6) прочность КМ к прочности неармированной матрицы:

sвв Vкр + s¢м(1-Vкр) = sвм, (4.10)

отсюда

. (4.11)

Для более рационального армирования значение Vкр желательно иметь как можно меньшим, чтобы достичь упрочнения при небольшой объемной доле волокон. На практике этого добиваются, вводя в матрицу волокна с пределом прочности, значительно превышающим s¢м. Эта величина для пластичных матриц обычно близка к их пределу текучести.

При низкой прочности волокон критическая степень армирования может превышать 50%. В этом случае упрочнение наблюдается при степени армирования более 50%.

Максимальная степень армирования выбирается из условия качественного смачивания материалом матрицы всех волокон. Она обычно равна 0,7…0,75. При больших степенях армирования КМ перестает работать как монолитный материал, волокна могут разрываться поочередно и прочность КМ интенсивно падает, что приведет к разрушению.

Прочность однонаправленных КМ в поперечных направлениях (в направлениях, перпендикулярных направлению волокон) определяется прочностью матричного материала. При условии высокой адгезии материала матрицы к волокнам и монолитности материала поперечная прочность равна пределу прочности матрицы.

Определение модуля упругости однонаправленных КМ в направлении

армирования и в поперечных направлениях

Предполагается, что модули упругости армирующих волокон (Ев) и матричного материала (Ем) известны.

Из закона Гука следует, что

sхк = Ек×eк; sхв = Ев×eв; sхм = Ем×eм, (4.12)

где Ек , Ев, Ем – модули упругости композиционного материала, волокон и матрицы соответственно.

Подставив значения напряжений из (4.12) в (4.5) и сократив все члены на относительную деформацию (eк =eв=eм), получим уравнение для расчета модуля упругости КМ в направлении армирования х:

Ехкв×Vвм(1-Vв). (4.13)

Для определения модуля упругости КМ в направлении, перпендикулярном волокнам Еук, следует отметить, что напряжения в направлении у в КМ, волокнах и матрице равны:

sук = sув = sум . (4.14)

Абсолютная деформация КМ (Dук) представляет собой сумму абсолютных деформаций волокна (Dув) и матрицы (Dум):

к = Dув + Dум . (4.15)

Учитывая то, что абсолютная деформация D = le, уравнение (4.15) можно записать так:

eукlук = eувlув + eумl . (4.16)

Разделив все члены этого уравнения на lук и учитывая то, что , а , уравнение (4.16) можно записать в виде

eук= eув Vв + eум Vм . (4.17)

Из закона Гука следует

; ; . (4.18)

Подставим значения деформаций из (4.18) в (4.17) и с учетом (4.14) сократим все члены уравнения на sук = sув = sум , в результате получим

, (4.19)

отсюда

. (4.20)

Подставив Vм = (1-Vв), получим значение модуля упругости однонаправленного КМ в направлении, перпендикулярном к направлению волокон Еу:

. (4.21)

Аналогично по известным характеристикам компонентов можно определить модуль сдвига КМ, коэффициент Пуассона, коэффициент линейного температурного расширения КМ в направлении армирования и в направлении, перпендикулярном к волокнам, и другие характеристики КМ.

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Структурных и механических характеристик пенопластов

Содержание Лабораторная работа Получение и исследование структурных и механических характеристик пенопластов..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Определение прочности однонаправленных КМ

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Производство пенопластов и деталей из них
Технология производства пенопластов состоит из операций приготовления композиции, введения газовой фазы в полимерную среду (чаще всего путем вспенивания), придания вспененной массе необходимой форм

Пенополиуретаны
Композиции для производства пенополиуретанов содержат изоцианаты, гидроксилсодержащие олигомеры, воду, катализаторы, эмульгаторы, а иногда еще и наполнители, красители и антипирены (вещества, снижа

Пенопласты на основе фенолоформальдегидных смол
(пенофенопласты) Для производства пенофенопластов используют фенолоформальдегидные смолы резольного (термореактивные) и новолачного (термопластичные) типа, реже фенолоамин

Пенопласты на основе эпоксидных смол
(пеноэпоксиды) Пеноэпоксиды – газонаполненные материалы на основе эпоксидных смол. Чаще всего это жесткие материалы с замкнутой структурой ячеек. Основой композиции при по

Порядок выполнения работы
1. Получить пенополистирол с различной кажущейся плотностью вспениванием гранул, содержащих низкокипящую жидкость. 1.1. Провести предварительное вспенивание гранул. Изменяя продолжительнос

Протокол экспериментов
Таблица 1.1 Марка исходного материала Время предварительного вспенивания tпред. всп, мин Насыпная плотность

Непрерывные волокна
Наиболее часто для производства деталей, узлов и агрегатов на основе полимерных матриц применяют стеклянные, органические, углеродные, борные волокна, а также тканые и нетканые материалы на их осно

Стеклянные волокна
При сравнительно малой плотности ((2,4…2,6)∙103 кг/м3) стеклянные волокна имеют высокую прочность, низкую теплопроводность, стойкость к химическому и биологическому возд

Органические волокна
Чаще всего для производства изделий АКТ используют волокна на основе ароматических полиамидов (арамидные волокна). Применяют также полиамидные (например капрон, найлон и др.) и полиимидные волокна.

Углеродные волокна
Углеродные волокна относятся к классу наиболее перспективных армирующих материалов, так как обладают рядом ценных и даже уникальных свойств. Они имеют низкую плотность (1,43…1,83 г/см3),

Борные волокна
Волокна бора являются одним из перспективных армирующих материалов композитов с полимерной и металлической матрицами. Волокна бора имеют довольно низкую плотность (2,55…2,65 г/см3), высо

Металлические волокна и проволоки
Металлические волокна или проволоки наиболее экономичны и часто являются очень эффективными армирующими материалами. Для композиционных материалов, работающих при низких и умеренных температурах, и

Волокна с металлическими и керамическими покрытиями
Нанесение на неметаллические и металлические волокна очень тонких металлических покрытий может существенно улучшить свойства волокна и КМ на их основе. Покрытия при этом могут выполнять сл

Коротковолокнистая арматура
В качестве коротковолокнистой арматуры можно использовать измельченные минеральные волокна, например волокна асбеста. Но наиболее перспективными являются нитевидные монокристаллы или усы.

Входной контроль армирующих материалов
  Целью входного контроля является не только отбраковка некондиционных материалов, но и установление конкретных значений параметров в пределах допуска для последующей корректировки те

Методика проведения входного контроля
Проверке качества армирующих материалов по порокам внешнего вида, соответствия геометрическим размерам и требованиям нормативно-технической документации подвергают 5% объема контролируемых материал

Протокол экспериментов
Таблица 2.14 Результаты контроля и испытания нитей (ровингов)   № п/п Вид армирующего материала (нитей) Диаме

Полимерные связующие на основе полиэфирных смол
Большую часть полиэфирных смол используют в качестве матричных материалов при производстве деталей, узлов и агрегатов из стеклопластиков в авиационно-космической технике, кораблестроении, автомобил

Полимерные связующие на основе эпоксидных смол
Эпоксидные смолы и многокомпонентные связующие на их основе широко применяются в качестве матричных материалов при производстве деталей, узлов и агрегатов АКТ из ПКМ. Это объясняется их высокой адг

Состав и свойства отвержденных полимерных связующих
на основе эпоксидных смол   Марка связующего Смола или состав связующего и вид отвердителя Прочность, МПа Уда

Полимерные связующие на основе фенолоформальдегидных смол
Фенолоформальдегидные смолы применяют в качестве связующего благодаря хорошо налаженному и относительно простому их производству, низкой себестоимости и сочетанию таких ценных свойств в отвержденно

Связующие на основе кремнийорганических смол
Кремнийорганические смолы (полиорганосилоксаны) отличаются от других смол высокой теплостойкостью и возможностью работать в широком интервале температур (173…623 К). Кроме этого они проявляют высок

Матричные материалы на основе термопластичных смол
Для изготовления деталей конструкционного, радио- и электротехнического назначения довольно широко применяются термопластичные смолы; полиэтилены, полипропилены, фторопласты, полиэтилентерефталаты,

Состав 50%-ного раствора связующего
    Наименование компонентов Марка связующего 5-211-Б, мас.ч. 5-211БН, мас.ч. ЭНФ

Приготовление связующих
Перед употреблением все компоненты связующего должны пройти входной контроль на соответствие паспортным данным. Связующие готовят партиями. За партию принимают количество связующего, изгот

Связующего
Контроль связующего проводят для каждой партии по окончании приготовления, а также после хранения ранее приготовленного связующего перед пропиткой армирующего материала. Основными технологическими

Плотность и концентрация 50%-ного раствора связующего
  Марка связующего Плотность связующего при температуре 20°С, г/см3 Концентрация связующего при температуре 20°С, %

Массы капли
  Прибор состоит из штатива 1, на котором с помощью держателя 2 закреплена изогнутая стеклянная трубка 3, свободная для проникновения раствора с одной стороны и имеющая резиновую груш

Порядок выполнения работы
  1. Изучить и законспектировать содержание работы. 2. Определить необходимое количество связующего и его компонентов (табл. 3.4, 3.5 и формулы (3.2), (3.3) для пропитки зада

Особенности производства деталей, узлов и агрегатов из КМ
Важнейшее преимущество композиционных материалов – возможность создания из них деталей, узлов и элементов конструкций с заранее заданными свойствами, наиболее полно отражающими характер и условия р

С металлическим покрытием
(диаметр усов - 0,025 мм, Vв = 0,45)   Требования к матричным материалам: - высокая адгезия к армирующим материалам; - химическая стойкост

Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с целью и содержанием лабораторной работы. 2. Получить задание для расчета двух видов однонаправленных КМ (см. приложение). 3. Выписать название, марку и основные

Теории адгезии
Под адгезией принято понимать сцепление, возникающее между двумя приведенными в соприкосновение разнородными материалами. В случае клеевых соединений адгезия – это сцепление между к

Выбор клея и его компонентов
При выборе клея учитывают прежде всего химическую природу склеиваемых материалов, а также условия работы клеевого соединения, конструктивные особенности изделия и требования к технологическим свойс

Влияние наполнителей на свойства клеев и клеевых соединений
Различные наполнители органической и минеральной природы оказывают существенное влияние на процесс формирования адгезионного контакта и свойства клеевого соединения. Введение наполнителей снижает о

Общие этапы технологии склеивания деталей
1. Подготовка склеиваемых поверхностей – заключается в подгонке, зачистке и обезжировании склеиваемых поверхностей. Иногда требуется специальная обработка поверхностей перед склеиванием.

Клеи на основе немодифицированных фенолоформальдегидных смол
В зависимости от соотношения исходных продуктов (фенола и формальдегида, применяемых инициаторов или катализаторов (щелочных или кислых) и режима изготовления фенолоформальдегидные смолы подразделя

Модифицированных поливинилацеталями
К этой группе относятся клеи типа БФ. Наиболее широко известны клеи марок БФ-2, БФ-4, представляющие собой спиртовые растворы термореактивной фенолоформальдегидной смолы, совмещенной

Клеи на основе фенолоформальдегидных смол, модифицированных термопластами и эластомерами
Для модификации фенолоформальдегидных смол в целях создания термостойких клеев, пригодных для склеивания металлов в силовых конструкциях, используют различные термопласты и эластомеры (син

Теплостойкие и высокотеплостойкие клеи
Клей ВК-8 - фенолокремнийорганическая композиция, модифицированная синтетическим каучуком. Композиция содержит неорганический наполнитель. Прочность - до 250 кгс/см2 при

Клеи на основе эпоксидных смол
Эпоксидные клеи состоят из эпоксидной смолы, отвердителя и пластификатора. Пластификатор, как правило, вводится в состав смолы и тогда клей двухкомпонентный. В зависимости от применяемых отвердител

Изделий из оргстекла
В качестве клеев для склеивания оргстекла используют чистые растворители, клеящие лаки и полимеризационные клеи. Клеи-растворители широко применяют для склеивания изделий из органического

Результаты испытаний склеенных образцов на сдвиг
  № п/п Склеиваемые материалы Разруша-ющая нагрузка Р×30×10*, Н Длина клеевого соедин

Библиографический список
1. Конструкционное материаловедение/ Борисевич В.К., Виноградский А.Ф., Карпов Я.С., Самойлов В.Я., Семишов Н.И.: В 2 кн. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2002. – Кн.2. – Немета

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги