|
|
|
Навигация
|
Главная » Мануалы нолоджи , Гевлик машинери ; Гоулдсуорти энджиниринг , Мак-клейн-Андерсон ; Таден энджиниринг , Венас продактс и Вермонт инструмент . 16.3.3. Оправки Оправки для получения изделий с открытым торцом, таких как цилиндры или конусы, имеют сравнительно простую конструкцию. Можно применять полые и сплошные оправки из стали или алюминия. При намотке изделий заодно с торцовой крышкой например, сосудов высокого давления, особое внимание должно быть уделено конструкции оправки и-выбору материала для нее. При правильно выбранной конструкции значительно снижаются повреждения волокон при сжатии изделия, а также отклонения размеров детали; уменьшаются также остаточные напряжения. Оправка не должна провисать под действием собственной массы и приложенного натяжения при намотке. Она должна сохранять достаточную прочность при отверждении смолы при повышенных температурах и легко удаляться после отверждения. Основные принципы конструирования оправок заключаются в учете следующих факторов. 1. Состоящая из отдельных частей разборная конструкция. Дорогая и не оправдывает себя при получении менее 25 деталей. Оптимальный диаметр 910 ... 1520 мм. Снятие оправки усложняется при маленьких полюсных отверстиях. 16.8. Свойства материалов, применяемых для изготовления оправок Свойство О СО о. о о. и So РЗ о п о Предел прочности при сжатии, МПа Плотность, кг/м' Влагопоглощение, %, при относительной влажности; Максимальная температура эксплуатации, °С Продолжительность отверждения, мин Расширение после отверждения, мм/мм 4,8 1250 0,07 204 20-25 0,043 26,2 1360 0,45 204+ 45-55 0,0004 2,6 2800 96,5 2080 86,5 - 204+ 177 10-15 - 0,0015 - Фирмы Керр мэньюфекчуринг . * Фирмы Ю-эс джипсум . Фирмы Резолин .  1000  го t,MM Рис. 16.6. Каркас для алебастровой оправки: / - алебастровый корпус; 2 - каркас, обработанный механически; 3 - толстостенная труба; 4 - алебастровый поддерживающий щиток Рис. 16.7. Зависимость толщины оправки t от диаметра цилиндра Оц: / - алюмнинй; 2 - алебастр; 3 - соль; 4, 5 - рабочее давление в цилиндре соответственно 2,1 и 7.0 МПа 2. Низкоплавкие сплавы. Имеют высокую плотность и склонны к ползучести при средних натяжениях намотки. Их применение ограничено небольшими сосудами, диаметр и длина которых не превышает 300 мм каждый. 3. Эвтектические слои. Находят более широкое применение, чем низкоплавкие сплавы, и пригодны для сосудов диаметром до 600 мм. При правильном обращении полые изделия на них можно формовать заливкой и медленным вращением формы, причем снятие изделия не вызывает трудностей. 4. Растворимый алебастр. Продолжительное время находится в пластическом состоянии, может стираться по периметру, легко вымывается. 5. Хрупкий или ломающийся алебастр. Наиболее пригоден для получения изделий большого диаметра. Требуется внутреннее крепление, разбивание осуществляется с трудом и может повредить изделие. Для облегчения снятия внутрь можно вставлять цепи. 6. Смесь песка с поливиниловым спиртом. Превосходный материал для изделий диаметром до J500 мм, выпускаемых в небольших количествах. Он легко растворяется в горячей воде, но требует тщательного контролирования процесса формования. Недостатком его является низкий предел прочности при сжатии Осж- 7. Надутые воздухом оправки. Нельзя применять, если требуется сопротивление действию скручивающих нагрузок. Одним из способов повышения сопротивления крутящему моменту является заполнение полости оправки таким материалом, как песок, и приложение вакуума. Другой прием работы с надутыми оправками заключается в перенесении неотвержденного изделия в закрытую форму и проведении отверждения с наддувом через оправку. Свойства некоторых материалов для оправок приведены в табл. 16.8. На рис. 16.6 [И схематически показан каркас вымываемой алебастровой оправки. На рис. 16.7 [12] представлена зависимость толщины оправок, изготовленных из трех разных материалов, от диаметра цилиндра. В этом случае сосуд рассчитан на предварительное напряжение, равное 20 % рабочего давления. При этом сделаны два допущения: радиальное давление от намотки волокна составляет 20 % от рабочего давления в цилиндре; допустимый радиальный прогиб оправки под действием натяжения при намотке не более 0,5 мм. 16.3.4. Торцовые крышки Торцовые крышки сосудов высокого давления или механически крепят к цилиндрической части, или изготовляют намоткой заодно с ней. Первый способ оказался удобным для некоторых промышленных производств. Для сосудов с высокими эксплуатационными качествами, применяемых, например, в ракетных дви- гателях, головные части должны быть их неотъемлемой частью. Конфигурация головной части несколько отличается от сферической формы, которая менее эффективна. Траектория волокна обеспечивает равновесие меридиональных и окружных сил и создает такие условия намотки, при которых не происходит проскальзывания материала. Конфигурация головной части и связанные с ней полюсные утолщения являются критическими параметрами конструкции сосуда. Ниже кратко рассмотрены очертания, характерные для спиральной и плоской намотки [12, 16]. 16.3.4.1. Геодезический изотензоид Такое очертание, характерное для равнонапряженной волокнистой структуры, обычно получается при спиральной намотке. Движение волокна принимается тангенциальным к полюсным утолщениям (рис. 16.8) [15]. Положение каждой точки на этом пути определяется ее меридиональным и окружным с радиусами. Эти радиусы связаны с координатами х v. у, определяющими очертания фигуры, следующим образом:  Го. = (16.1) (16.2) где у' я у - первая и вторая производные у по х. Главные силы, действующие на мембрану в результате внутреннего давления Р, определяют по формулам; меридиональная = окружная Nq = [2 - г^/г^]. (16.3) (16.4) В равновесном напряженном состоянии значения прочности волокна по главным направлениям равны этим силам, что позволяет записать следующее выражение: = 2-tg2a, (16.5) где а - угол намсяки. При геодезической намотке справедливо уравнение A;-sin а = const. (16.6)
у- cos8=B+Ay  Рис. 16.8. Геометрия изделия при геодезической намотке: / - траектория движения волокна; 2 - меридиан, проходящий через точку Р Рис. 16.9. Геометрия изделия при плоскостной намотке: / - плоскость намотки; 2 - точка Р {х, у): 3 - движение волокна в плоскости; 4 - базовая меридиональная плоскость; 5 - меридиан, проходящий через точку Р В точке касания а 90° и sin а = Xfjx, (16.7) где лгц - диаметр утолщения. Решение уравнений (16.5) и (16.7) дает координаты контура. Их решение в общем случае может быть получено путем поэтапного интегрирования на ЭВМ. Возможны и графические методы решения [14, 16]. Когда tg а = 2, уравнение (16.5) применять нельзя. Самый простой способ решения за этой точкой перегиба заключается в продлении радиуса сферы до пересечения с полюсным утолщением. 16.3.4.2. Плоская или уравновешенная в плоскости конфигурация Путь волокна для получения такого контура образуется линией пересечения плоскости с торцовой крышкой (рис. 16.9) [15]. В этом случае главные напряжения уравновешиваются регулированием мгновенных радиусов кривизны в каждой точке. Уравнение плоскости намотки: xcosQ = В + Ау. (16.8) Угол намотки волокна в любой точке определяется уравнением tga= -siny + cosycose где tg9 = -г/. (16.10)  Рис. 16.10. Схематическое изображение плоскостной намотки: А - головная часть; Б - экватор; В - резиновая футеровка постоянной толщины 0,5 мм; Г - окружная намотка; Д - полюсная намотка; = 138,5 мм - длина сосуда; 1.= = 73,7 мм - Длнна цилиндра 16.9. Геометрические характеристики плоскостной намотки контура свода
О 8,10 11,15 13,36 15,54 21,34 50,80 49,5 48,26 46,99 45,72 40,39 24,87 26,42 28,72 29,95 30,71 35,05 30,73 25,40 20,32 15,16 31,04 12,45 16.10. Контур головной части при спиральной намотке
* Экватор. * Точка перегиба. Полюсное утолщение. Совместное решение уравнений (16.5), (16.8)-(16.10) дает контур изделия и траекторию движения волокна. На рис. 16.10 [17] показана фигура, образованная при типичной плоскостной намотке, размеры которой приведены в табл. 16.9. Следует отметить, что расчеты для обоих контуров основаны на анализе переплетений с учетом всех допущений этого метода. В табл. 16.10 приведены координаты геодезического изотенсо-идного контура в радиальном (Х) и осевом (У) направлениях. 16.3.5. Подача материала и контроль процесса Оборудование для подачи на оправку ровинга из бухт весьма специфично именно для процесса намотки. Оно снабжено средствами контроля натяжения, содержания смолы, ширины полосы и толщины слоя. Точный контроль параметров этого процесса предотвращает повреждение волокна и приводит к получению однородных изделий с оптимальными механическими свойствами. Необходимое натяжение поддерживается с помощью глазков нитеводителя, барабанных тормозов, игольных брусков в виде ножниц, устройств для протягивания волокон через ванночку со смолой. Обычно перед укладкой натяжение волокна достигает 1 ... 4,4 Н. Как правило, натяжение сухих волокон должно быть минимальным, чтобы предотвратить их сильное истирание и спутывание. Затем при прохождении нитей через ванночку со смолой и подающий рычаг оно увеличивается. Если ровинг хранится в виде бухты, т. е. не намотан на шпулю, и разматывается изнутри, необходимое начальное натяжение достаточно приложить, пропуская нить только через глазки нитеводителя. Когда же ровинг намотан на шпулю и, следовательно, разматывается снаружи, каждая паковка должна иметь какое-нибудь тормозное устройство. После начального натяжения требуется минимальное количество нитепроводников для подачи нитей в ванночку со смолой. Керамические нитепроводники, применяемые при работе с текстильными волокнами, превосходят аналогичные детали из других материалов, таких как нержавеющая сталь и тефлон. На рис. 16.11 [2] показано несколько вариантов расположения нитепроводников, а в табл. 16.11 приведены их преимущества и недостатки.     Рис. 16.11. Расположение нитеводителей ровинга: а - глазки нитеводителя расположены в линию; б - глазок нитеводителя с центральным вращением; в - вращающиеся игольные брусы в виде ножниц 16.11. Преимущества и недостатки различных способов расположения нитепроводов Способ расположення Преимущества Недостаткн Глазки иитепроводников расположены в линию (рис. 16.11, а) Глазок интепроводника с центральным вращением (рис. 16.11, б) Вращающиеся игольные брусы в виде ножниц (рис. 16.11, в) 1. Простота и экономичность 1. Можно регулировать каждую паковку. 2. Обеспечивается средний уровень натяжения 1. Легкое продевание нити. 2. Низкая стоимость; один ряд игольных брусков может обслужить много паковок 1. Не регулируется. 2. Движение может происходить более резкими толчками, чем в других методах 1. Для установки в шпу-лярннке требуется много иитепроводников. 2. Труднее продевать нить 1. Ограниченный диапа-зон натяжений. 2. При многониточных паковках нити могут перепутаться    Рис. 16.12. Пропитка ровинга: а - ванна для пропитки о подачей с двух уровней; б - пропитка с помощью валика с подачей с одного уровня; 1 -16 прядей, сматываемых со шпулярника и подаваемых с зазором 25,4 мм; 2 - подача мокрой прядн иа оправку; 3 - 4 ... 8 нитей на 25 мм; 4 - валики диаметром 12,7 мм; 5 - ракля; 6 - иглы диаметром 3,2 ... 4,8 мм; 7 - валик диаметром 127 ни Рис. 16.13. Машина для пропитки волокна: / - сухая прядь, сматываемая со шпули; 2 - гребенка для выпрямления волокон; 3 - ванна со смолой; 4 - нагреватели ванны; 5 - пропитывающие валики (3); 6 - систолический насос; 7 - впускное отверстие насоса с дозирующей насадкой; S - отверстие для разлива смолы; 9 - вентилятор подачи горячего воздуха; 10 - отверстие для выпрямления волокон; И- прядн мокрого волокна, направляемые к намоточному стайку 11 10 2
Конструкция ванночки для пропитки волокна зависит от количества пропускаемых стренг, скорости процесса, вязкости смолы, продолжительности ее желатинизацни (времени гелеобразования) и от того, надо ли ее нагревать или нет. Рис. 16.12 2] иллюстрирует два основных способа пропитки стренг. В первом случае нити проходят под валиками, расположенными в смоле. Альтернативный способ заключается в их пропускании над валиком. Более сложная конструкция с нагревом ванны и валиков показана на рис. 16.13 [18]. Через такую ванну проходит пятнад-цатиниточный ровинг под натяжением 17,8-26,7 Н. Для снятия избытка смолы со стренг, когда они выходят из ванны, чаще всего применяют различные протирочные устройства или раклю.   91 Ю Рнс. 16.14. Способы формирования ленты нз ровинга: 2 - прямым Стержнем; б - изогнутым стержнем с прямыми плечами; в - кольцом нли закругленным стержнем; г - гребенкой; / - линия, параллельная осн оправки 16.12. Преимущества и недостатки различных способов формирования ленты Способ формирования Описание способа Преимущества Недостатки Прямым стержнем (рис. 16.14, а) Изогнутым стержнем с прямыми плечами (рис. 16.14 б) Кольцом или закругленным стержнем (рис. 16.14, в) Пряди проходят по закрепленному стержню и выравниваются, образуя ленту. Стержень должен располагаться вплотную к оправке Направляющий стержень изогнут под углом, который в 2 раза больше угла намотки 1. Простота и экономичность 2. Удобен при намотке под большими углами и круговой намотке Радиус кривизны стержня равен ширине ленты или больше ее 1. Простота и экономичность. 2. Минимальное пе-репутывание стренг. 3. Обеспечивает точный контроль ширины лент уже 51 мм 1. Пригоден при широком диапазоне углов намотки. 2. Используется в широком диапазоне ширин ленты (типа R или уже). 3. Может располагаться ближе к оправке, чем изогнутый стержень. 4. Применяется при намотке очень плотных лент. 5. Лента зависит от устройства оправкн меньше, чем при использовании прямого или изогнутого стержня 1. Слишком сильное скольжение при намотке под малыми углами приводит к сужению ленты. 2. Стренги сднаивают-ся при поворотах. Примечание. Эти недостатки можно свести к минимуму, установив стержень на шарнире 1. Форма изделий ограничена данным углом намотки. 2. Не пригоден для круговой намотки, если середина недостаточно ровная для данной ширины ленты. 3. Последняя точка контакта расположена не так близко от оправки, как в конструкции с прямым стержнем 1. Плотность ленты меняется в поперечном направлении, особенно при намотке под малыми углами. 2. Над кольцом или закругленным стержнем должно быть большее свободное пространство для прохода прядей Продолжение табл. 16.12 Способ формирования Опнсаиие способа Преимущества Недостатки Гребенкой (рис. 16.14, г) Пряди проходят через гребенку с очень мелкими зубьями, а затем по прямому стержню 1. Максимальная точность контролирования ширины н плотности ленты 1- Трудности при заправке прядей. 2. Петлн и узелки не проходят сквозь мелкие зубьи гребенки. 3. Для улучшения качества работы гребенка должна быть установлена на шарнирах, что позволит менять направление при повороте, за исключением круговой намотки. 4. Изменение натяжения может вызвать небольшие отклонения положения ленты На рис. 16.14 [2] изображено несколько способов формирования ПЛОСКОЙ ленты из ровинга. Во всех вариантах, преимущества и недостатки которых приведены в табл. 16.12 [2], рычаг механизма подачи стренг или отверстие, через которое проходят волокна, могут свободно разворачиваться на шарнирах при изменении направления подачи волокна. Для более точного наложения ленты на оправку движение площадей головки в направлении, тангенциальном к оправке, регулируется автоматически. Создание однородной плоской ленты приводит к повышению прочности и равномерности изделий по толщине. Зная плотность ленты (число нитей, приходящихся на 1 см ширины) и содержание стекловолокна, можно рассчитать толщину отдельного слоя. Результаты таких расчетов для ровинга типа 30 графически представлены на рис. 16.15 [2]. Аналогичные диаграммы могут быть получены и для ровинга других типов. Экспериментально было установлено, что при использовании прядей волокна диаметром G толщина слоя при угловой намотке обычно составляет 0,25 ... 0,38 мм. Слой, полученный кольцевой намоткой, имеет толщину 0,10 ... 0,18 мм. Однако следует отметить, что эти показатели являются приближенными. Средняя толщина слоя будет зависеть от точности, с которой поддерживается заданное соотношение стекловолокна и смолы, количества пор и степени уплотнения материала на оправке. Скорости намотки изменяются в широком интервале. Имеются сведения, что новые модели станков для намотки могут развивать скорость до 137 м/мин. Однако такие высокие скорости не требуются. Практически верхний скоростной предел представляется 8 п/р Дж. Любана 225 t,MM  Рис. 16.15. Зависимость толщины уравновешенного слоя / от числа нитей стекловолокна п, приходящихся на 25,4 мм: V - массовое содержание стекловолокна целесообразным поддерживать на уровне 91,4 ... 106,7 м/мин. Для обеспечения более точной намотки, особенно при использовании углеродных и арамидных волокон, обычно применяют скорости 15,2 ... 30,5 м/мин. 16.4. Механические свойства 16.4.1. Общие сведения Обобщение свойств композитов, получаемых намоткой волокном, как и любых других типов армированных материалов, осложняется рядом следующих факторов: широким ассортиментом применяемых в настоящее время видов армирующих материалов и композиций смол, каждый из которых требует специальной оценки, причем многие из них еще недостаточно исследованы; большим влиянием на свойства материала параметров технологического процесса, таких как постоянство соотношений долей волокна и смолы, захват воздуха, степень уплотнения и отверждения, а также явная зависимость свойств изделий от качества их изготовления; влиянием особенностей структуры композита, таких как угол намотки, последовательность слоев и торцовые крышки; широким разбросом результатов испытаний, характерным вообще для слоистых пластиков; различным подходом к оценке свойств поставщиками материалов для аэрокосмических и коммерческих целей, что приводит к несопоставимым результатам; возможностью ухудшения отдельных свойств в результате оптимизации конструкции изделий, которые должны обладать специфическими механическими, химическими или электрическими свойствами. Следовательно, рассмотрению подлежат только некоторые механические свойства, результаты испытаний типичных сосудов высокого давления и труб общего назначения, а также некоторые теоретически полученные значения. В многочисленных областях применения этих изделий важную роль играют их химические и электрические свойства, а также влияние окружающей среды на композиционный материал. Однако эти вопросы не рассматриваются в данной главе. Химические и электрические характеристики полученных намоткой волокном композитов в значитель-226 ной степени зависят от выбора полимерной композиции. Поэтому изучение свойств отдельных смол может дать представление и о поведении композитов. 16.4.2. Аналитические методы Поведение полученных намоткой волокном композитов аналогично поведению других типов слоистых материалов с расположенными под углом слоями армирующих компонентов. Поэтому разработанные для них аналитические методы могут быть использованы и для конструкций, получаемых намоткой. При рассмотрении этого вопроса с позиций макромеханики анализ композитов базируется на предположении, что каждый слой является анизотропным гомогенным монослоем. Монослой состоит из волокон, ориентированных под углом ±а или однонаправленных. Свойства монослоя обычно определяют экспериментальным путем, и анализ структуры строится путем перехода от одного слоя к другому. Микромеханический подход, наоборот, заключается в исследовании характеристик чувствительности составных частей материала, т. е. распределения напряжений и деформаций между армирующими волокнами и матрицей. При определении напряжений и деформаций по точкам принимают во внимание свойства армирующего материала и смолы, а также геометрию изделия. Этот анализ микронапряжений устанавливает, какие нагрузки может выдержать композит перед переходом через предел текучести в какой-то точке или перед достижением критических напряжений. Микромеханический подход применяется также для расчета характеристик композиционного материала по известным их значениям для входящих в его состав компонентов, а также для установления влияния их изменения на соответствующие свойства композита. Оба метода расчета рассмотрены в других главах этого справочника. Дополнительные данные, касающиеся непосредственно получаемых намоткой волокном цилиндров, можно найти в литературе [14, 19-21]. Анализ переплетений представляет собой упрощенную процедуру, применяемую, главным образом, для определения нацря-  Рис. 16.16. Ориентация волокна при анализе с помощью метода сеток: - одинарное волокно жении в волокнах цилиндрических сосудов, находящихся под внутренним давлением. Этот метод основан на допущениях, что несущей способностью обладает только армирующее волокно и что все волокна нагружены равномерно. На рис. 16.16 изображена двухслойная система из параллельных волокон, для которой можно вывести уравнения переплетений. Обозначим напряжение, приходящееся на площадь поперечного сечения каждого стекловолокна, Осв- Действующие силы можно разложить на составляющие по осям X и Y, соответствующим окружному и продольному направлениям соответственно. Суммирование сил ho обоим направлениям приводит к следующим уравнениям: Ох = (Уев cos а; (16.II) Оу = Осв sin а; (16.12) Oy/atga, (16.13) где а - угол намотки. Если конструкция состоит из двух слоев, намотанных под разными углами, можно вывести следующие выражения. Продольное направление: Опр (1 + Q = cos а + о'а^ cos (16.14) Окружное направление: (окр (1 + 4) = sin 1 + оА sin аг. (16.15) Когда наружный слой состоит только из окружных намоток, уравнения (16.14) и (16.15) упрощаются: ffnpi = (yJi cos х; (16.16) Оокр (1 + 4) = Sin 1 + (16.17) где Опр - продольное напряжение; Оокр - окружное напряжение; Ol - напряжение в волокне сЛоя I; - напряжение в волокне слоя 2; ti и 4 - толщина слоев 1 и 2; х и 2 - углы намотки слоев I и 2. Обычно 01 = 02 = Осв- Тогда отношение толщин, полученных окружной (окр) и спиральной (4п) намоткой, в закрытом сосуде высокого давления можно выразить с помощью уравнения = 2 cos ai - sin 1 = 3 cos ai - 1. (16.18) Модуль упругости Е в направлении волокна и коэффициент Пуассона часто определяют по правилу смесей (правило аддитивности). Модуль в продольном направлении £ = £bVb.o + £mVm.o. (16.19) Коэффициент Пуассона v , = VbVb.o + VmVm.o. (16.20) где Vo - объемная доля, а нижние индексы в и м обозначают волокно и матрицу соответственно. 228 16.4.3. Аналитические решения Теоретические аппроксимации для расчета основных свойств композиционных материалов могут быть использованы для эскизного проектирования и получения представлений о поведении материала. Можно также найти корреляцию между теоретически рассчитанными и эмпирическими значениями. Табл. 16.13 [22] является типичной распечаткой ЭВМ, где представлены свойства композитов в зависимости от угла намотки а. Все четыре материала содержат 50 % волокна по объему. Кривые на рис. 16.17-16.20 [23] позволяют сравнить значения упругих констант и коэффициента Пуассона, полученные ранее экспериментальным путем и рассчитанные теоретически. На рис. 16.17 приведены теоретические кривые для двух материалов А я Б, полученных с использованием одного и того же стекловолокна (Е^ = 10,5 МПа, = 4,3-10* ГПа, Vb = 0,22) и разных смол. Смола А имеет следующие характеристики: Е^ = Е, ГПа  Рнс. 16.17. Зависимость модуля упругости прн растяжении Е от объемного содержания смолы (матрицы) Vu, о слоистом пластике с однонаправленной ориентацией волокон: Св - стекловолокно: См -* смола; Э экспериментальные Данные Рнс. 16.18. Зависимость модуля упругости при растяжении Е от угла намотки слоя а прн приложении нагрузки по окружности: J - теоретически рассчитанная кривая для объемного содерл!ания смолы 43 %; 2 - экспериментальные точки £ ,ГПа о,г 0,4 0,6 v ,o ,об.ч
16.13. Свойства моиослоя при различных углах иамотки
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Е-стеклоIэпоксидная смола, V q = 50 %, р = 1843 кг1л?
00,0 1,4 4,1 13,1 23,4 37,9 57,2 81,4 113,1 152,4 637,8 628.1 599,2 548,1 475,7 386,1 290,3 204,8 144,8 114,5 202,7 200,6 193,7 183,4 169,6 152,4 133,8 117,2 107,6 114,5 S-стекло!эпоксидная смола, Vb. о = 50 %, р = 1816 кг/л' О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0,285 0,313 0,395 0,523 0,678 0,828 0,933 0,962 0,911 0,803 0,080 0,088 0,113 0,157 0,219 0,302 0,407 0,531 0,668 0,803 45,1 44,3 41,8 37,7 32,1 25,2 18,3 12,4 8,5 6,6 12,5 12,4 12,0 11,3 10,3 9,2 8,0 6,8 6,2 6,6 1.8 2,1 3,1 4,6 6,4 8,3 10,1 11,6 12,6 12,9 1120,4 1069,4 939,1 775,0 615,0 476,4 364,7 277,2 208,2 155,1 0,0 1,4 5,5 13,1 23,4 37,9 57,2 82,0 113,8 155,1 741,2 729,5 694,3 632,9 544,7 434,4 317,8 216,5 146,9 112,4 203,4 201,3 194,4 184,1 169,6 151,7 132,4 115,1 105,5 112,4 37,9 48,3 66,9 91,0 119,3 148,2 175,8 198,6 213,7 218,6 37,2 49,6 69,6 97,9 131,0 166,9 200,6 229,6 248,9 255,8 Арамидное волокно!эпоксидная смола. Кв. о - 50 %, р = 1295 кг1м'
Углеродное волокно!эпоксидная смола. Vs. о= 50 %, р = 1450 кг1м^ 0,285 0,416 0,771 1,225 1,574 1,676 1,551 1,309 1,044 0,803 0,015 0,022 0,043 0,081 0,136 0,211 0,310 0,439 0,601 0,803 118,8 116,6 109,0 94,6 81,6 54,0 36,7 24,8 17,2 12,7 6,0 6,1 6,1 6.2 6,4 6,8 7,4 8,3 9,9 12,7 3,5 4,3 6,7 10,3 14,7 19,4 23,7 27,3 29,6 30,5 1120,4 1052,4 887,4 697,1 528,1 394,4 293,7 217,9 151,1 118,6 0,0 0,7 4,1 9,7 17,2 28,3 42,7 61,4 85,2 113,6 741,2 728,8 684,7 598.5 474,4 342.7 233,0 157,2 108,9 79,3 37,2 37,9 37,9 38,6 40,0 42,1 45,4 51,7 62,1 79,3 27,6 37,2 52,4 75,2 105,5 144,8 185,5 222,7 247,5 255.8 бед, ГПа  го 40 60  40 БО Рис. 16.19. Зависимость модуля упругости при сдвиге Сед от угл^ намотки слоя а при кручении {1, 2 - см. подпись к рис. 6.18) Рис. 16.20. Зависимость коэффициента Пуассона v от угла иамотки слоя а при кольцевом растяжении (/, 2- см. подпись к рис. 16.18) = 4,29-105 ГПа, См = 1,67-105 ГПа, (Хм = 0,284. Смола Б i Е„ = = 5,4М05 ГПа, Gm = 1,96-10 ГПа, v = 0,380. Кривые для объемного содержания смолы У„.о = 0,21 об. ч. построить невозможно. Большинство аналитических методов предполагает, что свойства материала являются аддитивной характеристикой даже в тех случаях, когда известно, что это не так. Аналитический метод в работе [21] учитывает наблюдаемую нелинейность. Сравнительные значения напряжений при линейном и нелинейном анализе шестислойного цилиндра из армированной стекловолокном эпоксидной смолы при внутреннем давлении Рв = 27,58 МПа приведены в табл. 16.14 [21]. Четыре внутренних слоянамотаны под углом 54°, а два наружных - под углом 83°. Как уже отмечалось, нелинейность снижает напряжение во внутренйих слоях и увеличивает его в наружных слоях. На рлс. 16.21 представлена типичная зависимость эффективного модуля от угла намотки. 16.4.4. Результаты экспериментальной проверки В табл. 16.15 приведены значения предела прочности на разрыв а под действием внутреннего давления для сосудов высокого давления разных диаметров. Эти сосуды получали намоткой стек- Рис. 16.21. Зависимость эффективного модуля £эф от угла намотки а материала из полиэфирной смолы, армированной стекловолокном: / - осевые усилия; ! окружные усилия  16.14. Сравнительные значении напряжений в волокнах 16.15. Прочность иа разрыв сосудов высокого давления под действием внутреннего давления
Расчетные значения. 16.16. Поправочные коэффициенты для расчета допустимых напряжений
* Получено Экстраполяцией. 16.17. Сосуды из эпоксидной смолы, армированной волокном Кевлар , с резиновой футеровкой при плоскостной намотке Показатель Диапазон Диаметр, мм L/D Диаметр утолщения (в % от диаметра сосуда) Предел прочности иа разрыв под действием внутреннего давления, МПа Модуль композиционного материала при разрыве, ГПа: продольный окружной Максимальная деформация, %: окружная PbV/Wk композиционного материала, кПа-м'/кг Максимальное окружное напряжение волокон, ГПа 102 1,3-3,0 10-23 16,9-19,1 22,1-34,5 49,6-62,7 1,5-1.7 1,5-2,0 371-391 2,89-3,05 лопластика на основе эпоксидной смолы, содержащей 55 ... 65 % волокна S-стекла по объему. На основании анализа переплетений по величине разрушающего давления рассчитывали средние значения напряжений в волокне и композиционном материале. Необходимо отметить, что разрушающее давление резко изменяется в зависимости от скорости увеличения давления и продолжительности выдержки сосуда при промежуточных значениях давления. Из приведенных данных следует отмеченное выше снижение прочности изделия с увеличением его диаметра. Для нейтрализации этого эффекта варьированием допустимых напряжений в волокне были использованы поправочные коэффициенты. В табл. 16.16 [12] приведены их значения, установленные одним из поставщиков таких материалов. Данные были полученыэкспериментальным путем - на сосудах различного диаметра (до 1370 мм) и экстраполяцией - для диаметра 7620 мм. Аналогичные коэффициенты могут быть применены при варьировании толщины и L/D (отношение длины к диаметру сосуда). Установлено, что для получения сосудов высокого давления, предназначенных для хранения сжиженного газа и жидкостей при температуре окружающей среды и в криогенных условиях, вместо волокна S-стекла лучше применять арамидное или углеродные волокна. Краткое изложение программы НАСА по этому вопросу содержится в литературе [25] и сжато изложено ниже. Для этих сосудов разработано три типа футеровки: резиновая, из-тонкого листового металла и из несущего часть нагрузки металла. Сравнительно низкий модуль S-стекла ограничивает его эксплуатационную надежность при использовании резиновой футеровки. Такие сосуды можно применять только до средних давлений и температур. Материал, состоящий из арамидного волокна и эпоксидной смолы, с тонкой алюминиевой футеровкой имеет показатель эксплуатационной надежности порядка 3-l(f см. Этот показатель определяют как произведение разрывного внутреннего давления на объем сосуда, деленное на его массу, т. е. PsV/W . Эксплуатационные свойства сферических и цилиндрических сосудов одинаковы. В исследованном диапазоне диаметров сосуды с плоскостной намоткой превосходят сосуды со Спиральной намоткой. Сосуды из эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном, с несущей нагрузку футеровкой из титана имеют самую малую массу и самую большую долговечность при циклических нагрузках: 3000 циклов под давлением, равным 50 % средней прочности на разрыв под действием внутреннего давления. Сосуды с арамидным волокном несколько тяжелее, имеют среднюю долговечность при циклических нагрузках и дешевле сосудов из углеродного волокна. Типичные результаты испытаний опытных сосудов приведены в табл. 16.17-16.19 [25]. Прочность на разрыв под действием внутреннего давления зависит от метода определения. В табл. 16.20 приведены результаты испытаний труб в двух разных условиях: с закрепленными тор- 16.18. Сосуды из эпоксидной смолы, армированной волокном Кевлар , с алюминиевой футеровкой Показатель Диапазон Диаметр, мм PVlWv. композициоииого материала, кПа-м'/кг Максимальное напряжение волокон, ГПа: окружное 152,4 354-438 2,21-2,98 2,43-2,95 16.19. Сосуды нз эпоксидной смолы, армированной графитированным волокном с титановой футеровкой
16.20. Трубы из полиэфирной смолы, армированной стекловолокном
цами, когда окружное напряжение вдвое выше осевого, и со свободными торцами, которые могут скользить так, что осевое напряжение равно нулю. Образцы труб для этих испытаний получали намоткой стекловолокном, пропитанным полиэфирной смрлой, под углом 54° 44, при среднем объемном содержании волокна в композиции 53 %. Приведенные значения являются средними 234 Ориентация Доля окружной намоткн, % Предел прочности, МПа прн сжатии прн кручения прн нзгнбе 15 15 15 15 30 45 45 45 45 О 9 18 27 О О 9 18 27 276-421 214-296 214-228 296-310 269-338 310-345 172-207 276-290 269-296 248-262 345-476 365-496 427-496 427-469 359-427 179-214 186-207 228-276 296-338 338-372 324-345 Ов, МПа £, ГПа Осж. МПа £сж. ГПа 410 16,5 217 17,9 Осд. ГПа р, кг/м' 4,8 0,132 2000 16.23. Комбинированные трубы, изготовленные иа машине Дростхолм
Окружная намотка, % Рубленое волокно, % Песок, % Полиэфирная смола, % Ов, МПа, в направлении: окружном осевом Си, МПа £и. ГПа Ос МПа р, кг/м'
из пяти определений. При испытании труб с закрепленными торцами растрескивание смолы начиналось сравнительно быстро после приложения давления и приводило к получению нелинейных характеристик. При увеличении давления поведение труб было таким, как будто произошло полное отслоение смолы. Утечка начиналась рано в виде капелек, стекавших параллельно волок- 1 ... 8 9 10 11 12 13 14 ... 29 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
 |