прочность композита

Прогнозирование деформационных и прочностных свойств композитных конструкций

Еще одна вводная статья, на этот раз откроем раздел прогнозирования деформационных и прочностных свойств композитных изделий. В статьях  рассмотрим главные проблемы, которыми занимается данный раздел науки и основные подходы для решения этих проблем.

Классическая теория прочности

Итак, что такое прочность? Прочность, это то напряжение, при котором материал разрушается. Например, прочность «стали 45» равна 600МПа. Это значит, что эта сталь порвется при напряжении в 600Мпа. И если сделать грубое допущение (чтобы было интуитивно понятно) 600Мпа значит что на стержень из «стали 45» площадью сечения 1см2 можно подвесить груз массой до 6т.

Так же нужно различать теорию прочности и теорию разрушения материала. Теория прочности, это теория, которая описывает, как  будут себя вести разные конструкции при сложных видах напряжения. Теория прочности (для упрощения расчетов) делает допущение, что сам материал идеальной внутренней структуры. Понятно, что любое допущение отдаляет от реальности и снижает процент сходимости расчетной модели с реальными практическими данными, но учитывать полный объем переменных в уравнениях не представляется возможным. Теория же разрушения более приближена к реальности и описывает этапы зарождения, роста и объединения различных внутренних дефектов (например: трещины).

Итак, для понимания основ расчета прочности композитных конструкций, опишем в двух словах классические теории прочности обычных (изотропных) конструкций.

Через любую точку тела можно провести бесконечное количество плоскостей. На любой из них, можно обозначить векторы действующих сил. Силы самые разные: растягивающие, сжимающие, скручивающие, сдвиговые.

Затем, мы можем найти плоскость, на которой действуют максимальные (главные) силы. И уже эти силы «пропустить» через теории прочности, которые, например, говорят: что если такая то сила будет превышать такое-то значение, то конструкция не выдержит. Или что сумма этой силы и той силы будет равна хотя бы половине вон той силы, то конструкция тоже не выдержит. На самом деле, теории сформированы «немного» по-другому и для каждого случая применяется своя теория, но ход мысли при анализе несущей способности конструкций именно такой.

Еще раз, теория прочности помогает узнать, при каких нагрузках материал вашей конструкции будет разрушен. Теория прочности нужна для расчета сложной конструкции, ведь значения прочности простой конструкции (например, стержня) давно получены при обычных лабораторных испытаниях.

Критерии разрушения композитов

Композиты рассчитывают по тем же принципам. Но большое различие от обычных теорий состоит с том, что композит имеет разные прочностные характеристики в зависимости от направления приложения нагрузки. То есть прочность материала конструкции может меняться в разы в зависимости от того приложена сила вдоль волокон или поперек. Для композитов существуют свои критерии разрушения, но ни одна из них не является универсальной. Наименования основных теорий приведены ниже:

-Критерий
максимальных деформаций

-Критерий
максимальных напряжений

-Критерий
Хилла

-Критерий
Цая- Хилла

-Критерий
Цая-Ву

-Критерий
Хашина

-Критерий
Хофмана

-Критерий
Пака

Рассмотрим для примера критерий Цая-Хилла, в общем виде он имеет вид:

1/σх1)2— (σ1 σ2/ σх12)+ (σ2/ σх2)2+(τ12/ τх12)2 ≥1

Где: σ1 — напряжение которое рассматриваемая конструкция испытывает в направлении 1; σ2 — напряжение в направлении 2; τ12 — сдвиговое напряжение; σх1 — экспериментально определенная прочность материала при нагрузке вдоль волокон. σх2 — прочность материала при нагрузке поперек волокон. τх12 -прочность материала на сдвиг.

Заключение

Вот
то направление, в котором мы будем двигаться для формирования понимания как примерно
должна себя вести та или иная композитная конструкция. Огромное преимущество
композита перед традиционными материалами это возможность задавать прочность
материалу в процессе формования детали. И увеличивать прочность в тех
направлениях, в которых будут приложены наибольшие нагрузки. Поэтому знания как
комбинировать те или иные слои, в каких направлениях армирования можно
сэкономить на массе конструкции 
пригодятся для любых, даже несложных конструкций.

Пишите
вопросы на почту, оставляйте комментарии, присылайте примеры из своей практики
конструирования — дополню статью в будущем.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Нажимая на кнопку "Отправить комментарий", Вы даете согласие на рассылку , обработку персональных данных и принимаете политику конфиденциальности