Содержание
Источники остаточных напряжений в композитах
Остаточные напряжения в полимерных композиционных материалах формируются в процессе изготовления детали и оказывают существенное влияние на эксплуатационные характеристики конечного изделия. Понимание природы их возникновения критически важно для инженеров, разрабатывающих композитные конструкции. Остаточные напряжения классифицируются на микромеханические, возникающие между волокном и матрицей, и макромеханические, формирующиеся между слоями ламината.
Усадка полимерной матрицы при отверждении
Химическая усадка термореактивной смолы представляет собой один из основных источников технологических напряжений. В процессе полимеризации происходит сшивка макромолекул, что приводит к увеличению плотности материала и, соответственно, к уменьшению объема. Величина объемной усадки для эпоксидных связующих составляет от 2 до 8 процентов в зависимости от системы смолы. Исследования показывают, что химическая усадка вносит вклад в общую величину остаточных напряжений от 30 до 60 процентов.
Усадка смолы начинается на стадии гелеобразования, когда материал переходит из вязкотекучего в твердое состояние. До точки гелеобразования полимер находится в жидкой фазе, и усадка не приводит к накоплению напряжений, поскольку происходит течение материала. После гелеобразования модуль упругости матрицы начинает резко возрастать, и дальнейшая усадка вызывает формирование остаточных напряжений.
Оценка напряжений от химической усадки
Деформация от химической усадки εₛ может быть оценена через объемное сжатие ΔV/V₀:
εₛ = (ΔV/V₀) / 3
Для эпоксидного связующего с объемной усадкой 5 процентов линейная деформация составит примерно 1,67 процента. При модуле упругости отвержденной смолы Eₘ = 3 ГПа возникающее напряжение σₛ = Eₘ × εₛ ≈ 50 МПа.
Температурное расширение разнородных материалов
Несоответствие коэффициентов термического расширения между углеродным волокном и полимерной матрицей является вторым критическим фактором формирования остаточных напряжений. КТР углеродных волокон вдоль оси составляет минус 0,4 до минус 1,0 × 10⁻⁶ градусов Цельсия в минус первой степени, тогда как КТР эпоксидных смол находится в диапазоне от 55 до 70 × 10⁻⁶ градусов Цельсия в минус первой степени. Эта значительная разница приводит к возникновению термических напряжений при охлаждении детали от температуры отверждения до комнатной температуры.
| Материал | КТР вдоль волокна (×10⁻⁶/°C) | КТР поперек волокна (×10⁻⁶/°C) | Модуль упругости (ГПа) |
|---|---|---|---|
| Углеродное волокно T300 | −0,4 | 10 | 230 |
| Эпоксидная смола | 60 | 60 | 3 |
| Стеклянное волокно E-glass | 5 | 5 | 72 |
| Алюминиевая оснастка | 23 | 23 | 69 |
| Стальная оснастка | 12 | 12 | 210 |
На микроуровне различие в КТР приводит к появлению растягивающих напряжений в матрице и сжимающих напряжений в волокнах. Величина этих напряжений достигает нескольких десятков мегапаскалей и может инициировать микротрещины в матрице даже до приложения внешней нагрузки. На макроуровне термическая анизотропия вызывает различное расширение и сжатие слоев с разной ориентацией волокон, что приводит к межслоевым напряжениям.
Градиенты степени отверждения и температуры
В толстостенных композитных деталях неравномерное распределение температуры и степени отверждения по толщине является дополнительным источником остаточных напряжений. Экзотермическая реакция полимеризации приводит к выделению тепла, которое не успевает отводиться из внутренних слоев толстого ламината. В результате внутренние слои нагреваются сильнее и проходят отверждение при более высокой температуре, чем наружные.
Градиент температуры в толстостенных деталях может достигать 20-30 градусов Цельсия между центром и поверхностью при толщине более 20 миллиметров. Это приводит к тому, что различные слои ламината начинают гелеобразование в разное время и при разных температурах, формируя неоднородное поле остаточных напряжений. Внешние слои, отверждающиеся при более низкой температуре, испытывают растягивающие напряжения, а внутренние слои сжимающие.
Взаимодействие детали с технологической оснасткой
Контактное трение между формующей оснасткой и композитной деталью в процессе отверждения также вносит вклад в формирование остаточных напряжений. При нагреве и последующем охлаждении деталь и оснастка расширяются и сжимаются с разными скоростями из-за различия в КТР. Если деталь уложена на вогнутую оснастку, возникают касательные напряжения на границе раздела, препятствующие свободному перемещению композита.
Материал оснастки оказывает значительное влияние на величину деформаций. Алюминиевая оснастка с КТР 23 × 10⁻⁶ градусов Цельсия в минус первой степени вызывает большие напряжения по сравнению со стальной оснасткой с КТР 12 × 10⁻⁶ градусов Цельсия в минус первой степени. Использование композитной оснастки с КТР, близким к КТР детали, позволяет снизить уровень технологических напряжений.
Методы измерения остаточных напряжений
Экспериментальное определение остаточных напряжений в композитных материалах представляет собой сложную задачу из-за многослойной анизотропной структуры и невозможности прямого измерения внутренних напряжений. Существующие методы подразделяются на разрушающие, требующие удаления материала, и неразрушающие, основанные на измерении физических свойств материала.
Метод сверления отверстия
Метод сверления отверстия является наиболее распространенным полуразрушающим способом измерения остаточных напряжений в композитах. Метод заключается в высверливании небольшого отверстия диаметром от 1,5 до 3 миллиметров в исследуемой области и регистрации деформаций на поверхности вокруг отверстия с помощью тензорезисторных розеток. Удаление материала приводит к релаксации напряжений, что вызывает измеряемые деформации поверхности.
Для композитных материалов применяется инкрементальный метод сверления, при котором отверстие выполняется послойно с шагом от 0,1 до 0,5 миллиметра. После каждого шага регистрируются деформации, что позволяет восстановить распределение остаточных напряжений по глубине. Метод требует применения специальных калибровочных коэффициентов, которые определяются методом конечных элементов для конкретной схемы укладки и свойств материала.
Пример применения метода сверления
Для углепластика с укладкой [0/90]₄ₛ измеренные деформации после сверления отверстия на глубину 2 миллиметра составили ε₁ = 150 мкм/м, ε₂ = 180 мкм/м, ε₃ = 165 мкм/м. Используя калибровочные коэффициенты A = 0,25 МПа⁻¹ и B = 0,18 МПа⁻¹, рассчитанные остаточные напряжения σₓ = 42 МПа, σᵧ = 38 МПа.
Рентгеновская дифракция
Рентгеновская дифракция применяется для определения поверхностных остаточных напряжений в композитах с кристаллической структурой волокон, таких как углеродные волокна. Метод основан на измерении межплоскостных расстояний в кристаллической решетке волокон с использованием закона Брэгга. Напряженное состояние приводит к изменению межплоскостного расстояния, что фиксируется как смещение дифракционного пика.
Глубина проникновения рентгеновского излучения в композитные материалы ограничена несколькими микрометрами для стали и алюминия, что делает метод пригодным только для анализа приповерхностных слоев. Измерения проводятся под различными углами наклона образца для разделения компонент тензора напряжений. Основное ограничение метода при работе с полимерными композитами заключается в том, что полимерная матрица имеет аморфную структуру и не дает дифракционных пиков.
Нейтронная дифракция
Нейтронная дифракция представляет собой более мощный неразрушающий метод по сравнению с рентгеновской дифракцией благодаря значительно большей глубине проникновения нейтронов. Для стали глубина проникновения достигает 40 миллиметров, для алюминия 50 миллиметров. Метод позволяет определить полный тензор остаточных напряжений во внутренних объемах детали с пространственным разрешением около 1 миллиметра.
Нейтронная дифракция использует реакторные или импульсные источники нейтронов и требует доступа к крупным исследовательским установкам. Метод применяется для валидации численных моделей и калибровки портативных методов измерения. Ограничением является длительное время измерения, составляющее несколько часов на одну точку, и необходимость транспортировки образца к источнику нейтронов.
Метод удаления слоев
Метод удаления слоев основан на последовательном снятии слоев ламината и измерении деформации или кривизны образца после удаления каждого слоя. Остаточные напряжения рассчитываются из изменения кривизны с использованием классической теории ламинатов. Метод применим для пластин с несимметричной укладкой, которые искривляются после снятия напряжений.
Удаление слоев может выполняться механически фрезерованием или химически растворением матрицы. Механический метод проще в реализации, но вносит дополнительные напряжения от обработки. Химический метод требует тщательного контроля процесса и применим только для определенных систем связующего. Точность метода составляет около 10 процентов.
Метод разрезания
Метод разрезания предполагает последовательное прорезание детали на увеличивающуюся глубину и регистрацию деформаций на противоположной поверхности. Метод позволяет определить распределение остаточных напряжений по толщине детали с высоким разрешением. Преимуществом является меньшая чувствительность к шуму измерений по сравнению с методом сверления отверстия.
Прорезание выполняется проволочной электроэрозией или высокоскоростной пилой. Ширина реза составляет от 0,2 до 0,5 миллиметра. Измерение деформаций проводится методом цифровой корреляции изображений или тензорезисторами. Метод применим для толстостенных композитов и позволяет измерять напряжения на глубине до 50 миллиметров.
| Метод измерения | Тип метода | Глубина измерения | Точность | Время измерения |
|---|---|---|---|---|
| Сверление отверстия | Полуразрушающий | До 5 мм | ± 20 МПа | 1-2 часа |
| Рентгеновская дифракция | Неразрушающий | До 50 мкм | ± 10 МПа | 30 минут |
| Нейтронная дифракция | Неразрушающий | До 40 мм | ± 15 МПа | 4-8 часов |
| Удаление слоев | Разрушающий | Полная толщина | ± 30 МПа | 3-5 часов |
| Метод разрезания | Разрушающий | До 50 мм | ± 25 МПа | 2-4 часа |
Эффект spring-in и его влияние на прочность
Эффект spring-in представляет собой уменьшение угла в угловых композитных деталях после извлечения из оснастки и охлаждения до комнатной температуры. Явление наиболее выражено в L-образных, C-образных и U-образных профилях и является прямым следствием действия остаточных напряжений. Величина spring-in критична для сборки композитных конструкций, поскольку отклонение от номинальных размеров может достигать нескольких градусов.
Механизм формирования spring-in
В процессе отверждения композитная деталь находится в контакте с жесткой оснасткой, которая препятствует свободной деформации. При нагреве деталь и оснастка расширяются, причем деталь стремится расшириться больше из-за более высокого КТР в направлении, перпендикулярном волокнам. После гелеобразования материал фиксируется в растянутом состоянии. При охлаждении деталь стремится сжаться, но оснастка ограничивает это сжатие.
После извлечения детали из оснастки ограничения снимаются, и деталь деформируется для частичной релаксации остаточных напряжений. В угловых элементах это приводит к уменьшению внутреннего угла. Для L-образного профиля с номинальным углом 90 градусов типичная величина spring-in составляет от 1 до 3 градусов в зависимости от толщины, схемы укладки и параметров цикла отверждения.
Факторы, влияющие на величину spring-in
Толщина ламината оказывает значительное влияние на spring-in. Экспериментальные данные показывают, что увеличение толщины с 1 до 12 миллиметров приводит к уменьшению spring-in с 1,9 до 1,1 градуса для однонаправленных укладок. Это объясняется тем, что более толстые ламинаты обладают большей изгибной жесткостью, что препятствует деформации.
Схема укладки играет критическую роль. Симметричные и сбалансированные укладки демонстрируют меньший spring-in по сравнению с несимметричными. Укладка с углами плюс минус 45 градусов показывает несколько больший spring-in по сравнению с укладкой 0/90 градусов. Радиус закругления угловой зоны также влияет на деформацию: больший радиус приводит к меньшему spring-in.
Важно: Материал оснастки критически влияет на величину spring-in. Алюминиевая оснастка с КТР 23 × 10⁻⁶ градусов Цельсия в минус первой степени дает spring-in на 30-40 процентов больше по сравнению со стальной оснасткой с КТР 12 × 10⁻⁶ градусов Цельсия в минус первой степени. Композитная оснастка с близким КТР минимизирует деформации.
Влияние остаточных напряжений на механические свойства
Остаточные напряжения суммируются с рабочими напряжениями и могут существенно снизить несущую способность композитной конструкции. Растягивающие остаточные напряжения в матрице способствуют раннему образованию трещин и расслоений при эксплуатационных нагрузках. Исследования показывают, что остаточные напряжения могут снизить прочность на изгиб на 10-15 процентов.
Особенно критичны остаточные напряжения в угловых зонах L-образных и C-образных профилей, где концентрация напряжений достигает максимума. В этих областях матричные трещины инициируются при меньших нагрузках. Для угловых деталей остаточные напряжения могут снизить прочность в направлении, перпендикулярном плоскости изгиба, на 20-25 процентов.
Положительный эффект остаточных напряжений проявляется, когда сжимающие напряжения препятствуют росту трещин. В некоторых случаях целенаправленное введение сжимающих напряжений используется для повышения ударной вязкости и усталостной долговечности композитов.
Способы снижения остаточных напряжений
Минимизация технологических остаточных напряжений является важной задачей при производстве композитных деталей. Существует несколько стратегий снижения напряжений, включающих оптимизацию цикла отверждения, выбор схемы укладки, подбор материала оснастки и конструктивные решения.
Оптимизация цикла отверждения
Модификация температурно-временных параметров цикла отверждения позволяет снизить остаточные напряжения на 25-30 процентов при сохранении механических свойств материала. Трехступенчатый цикл с промежуточной изотермической выдержкой при пониженной температуре показал высокую эффективность. Первая ступень при температуре 110-120 градусов Цельсия обеспечивает частичное отверждение и гелеобразование при невысоком модуле упругости, что снижает накопление напряжений.
Вторая ступень предполагает выдержку при температуре 140-150 градусов Цельсия для завершения основной полимеризации. Третья ступень охлаждения может быть модифицирована введением медленного охлаждения до 100 градусов Цельсия со скоростью 0,5-1 градус в минуту, что позволяет материалу релаксировать напряжения в высокоэластичном состоянии. После прохождения температуры стеклования скорость охлаждения может быть увеличена.
Пример оптимизированного цикла отверждения
Стандартный цикл: нагрев до 177 градусов со скоростью 2-3 градуса в минуту, выдержка 2 часа, охлаждение со скоростью 5 градусов в минуту.
Оптимизированный цикл: нагрев до 120 градусов со скоростью 2 градуса в минуту, выдержка 1 час, нагрев до 177 градусов со скоростью 2 градуса в минуту, выдержка 2 часа, охлаждение до 100 градусов со скоростью 0,5 градуса в минуту, охлаждение до комнатной температуры со скоростью 3 градуса в минуту.
Результат: снижение остаточных напряжений на 25-28 процентов, увеличение прочности первого слоя на разрушение на 10-12 процентов.
Проектирование схемы укладки
Симметричная схема укладки относительно срединной плоскости ламината является основным принципом минимизации деформаций. Симметрия исключает связь между растяжением и изгибом, что предотвращает коробление плоских деталей. Для угловых деталей симметричная укладка снижает величину spring-in на 40-50 процентов по сравнению с несимметричной.
Сбалансированная укладка с равным количеством слоев под углами плюс и минус тета обеспечивает изотропию в плоскости и минимизирует сдвиговые деформации. Комбинация симметричной и сбалансированной укладки типа [плюс 45/минус 45/0/90] индекс s показывает минимальные остаточные напряжения и деформации.
Увеличение толщины ламината также способствует уменьшению деформаций благодаря повышению изгибной жесткости. Однако необходимо учитывать, что в толстых ламинатах возрастают градиенты температуры и степени отверждения, что может привести к появлению дополнительных напряжений.
Выбор материала технологической оснастки
Коэффициент термического расширения оснастки должен быть близок к КТР композитной детали для минимизации взаимодействия на границе раздела. Использование композитной оснастки из того же материала, что и деталь, практически полностью устраняет напряжения от несоответствия КТР. Инварная оснастка с КТР около 1-2 × 10⁻⁶ градусов Цельсия в минус первой степени также эффективна, но имеет высокую стоимость.
При использовании металлической оснастки предпочтительна сталь перед алюминием из-за меньшего КТР. Обработка поверхности оснастки антиадгезионными составами и фторопластовыми пленками снижает коэффициент трения и уменьшает касательные напряжения на границе раздела.
Конструктивные методы компенсации
Метод компенсации формы оснастки заключается в изготовлении оснастки с углом, отличающимся от номинального на величину ожидаемого spring-in. Для L-образного профиля с расчетным spring-in 2 градуса оснастка изготавливается с углом 92 градуса. После отверждения и извлечения деталь деформируется до требуемых 90 градусов. Метод требует точного прогнозирования величины деформации.
Введение фиксирующих элементов, удерживающих деталь на оснастке в процессе охлаждения до температуры ниже температуры стеклования, позволяет материалу релаксировать напряжения в высокоэластичном состоянии. После снятия фиксации остаточные деформации оказываются значительно меньше.
| Метод снижения напряжений | Снижение напряжений | Снижение spring-in | Сложность реализации |
|---|---|---|---|
| Трехступенчатый цикл отверждения | 25-30% | 15-20% | Низкая |
| Симметричная укладка | 40-50% | 40-50% | Низкая |
| Композитная оснастка | 50-60% | 60-70% | Высокая |
| Увеличение толщины в 2 раза | 10-15% | 35-45% | Средняя |
| Компенсация формы оснастки | 0% | 90-95% | Средняя |
Численное моделирование процессов отверждения
Численное моделирование процесса отверждения композитов методом конечных элементов позволяет прогнозировать распределение остаточных напряжений и деформаций еще на стадии проектирования. Это дает возможность оптимизировать параметры изготовления без дорогостоящих экспериментов. Современные модели учитывают связанные термохимические и механические процессы, происходящие в материале.
Термохимическая модель отверждения
Процесс полимеризации термореактивных связующих описывается кинетическими уравнениями, связывающими скорость реакции с температурой и степенью отверждения. Наиболее распространена модель Каталя n-го порядка, в которой скорость изменения степени отверждения alpha пропорциональна функции от alpha и экспоненциально зависит от температуры через энергию активации.
Уравнение теплопроводности решается совместно с кинетическим уравнением, поскольку экзотермическая реакция является источником тепла. Теплофизические свойства материала зависят от степени отверждения и температуры. До гелеобразования материал рассматривается как вязкая жидкость с низкой теплопроводностью. После гелеобразования теплопроводность возрастает, а вязкость стремится к бесконечности.
Модели механического поведения при отверждении
Для описания механического поведения отверждающегося композита применяются различные конституционные модели. Модель CHILE предполагает, что материал ведет себя как линейно упругое тело с модулем упругости, зависящим от степени отверждения. Модель не учитывает вязкоупругость и релаксацию напряжений, что приводит к завышению прогнозируемых остаточных напряжений на 20-30 процентов.
Вязкоупругая модель более точно описывает поведение полимера в процессе отверждения. Материал рассматривается как обобщенная модель Максвелла с несколькими временами релаксации. Модуль упругости и функция релаксации зависят от степени отверждения и температуры. Модель требует большого объема экспериментальных данных для идентификации параметров.
Модель зависимая от истории представляет собой упрощенную вязкоупругую модель, в которой напряжения зависят не от скорости деформации, а от пути отверждения. Модель учитывает, что напряжения начинают накапливаться только после достижения точки гелеобразования. Преимущество модели в меньших вычислительных затратах при сохранении приемлемой точности.
Реализация в конечно-элементных пакетах
Коммерческие конечно-элементные пакеты ABAQUS, ANSYS и специализированный модуль COMPRO используются для моделирования отверждения композитов. Моделирование выполняется в несколько этапов. На первом этапе решается связанная термохимическая задача для определения полей температуры и степени отверждения. На втором этапе проводится механический анализ с использованием полученных температурных и усадочных полей.
Реализация моделей материала осуществляется через пользовательские подпрограммы UMAT в ABAQUS или USERMAT в ANSYS. Эти подпрограммы позволяют задать произвольные конституционные соотношения и рассчитать тензор напряжений на основе тензора деформаций с учетом истории нагружения. Для каждого инкремента времени подпрограмма вызывается для каждой точки интегрирования конечного элемента.
Основные этапы конечно-элементного анализа
- Построение конечно-элементной модели детали и оснастки с контактным взаимодействием.
- Задание начальных и граничных условий, включая температуру оснастки и давление прессования.
- Решение связанной термохимической задачи для расчета полей температуры T и степени отверждения alpha.
- Определение эволюции механических свойств E, G, nu как функций alpha и T.
- Расчет термических деформаций epsilon индекс T на основе КТР и изменения температуры.
- Расчет деформаций химической усадки epsilon индекс c на основе изменения степени отверждения.
- Решение механической задачи с учетом термических и усадочных деформаций.
- Моделирование процесса охлаждения и снятия давления.
- Моделирование извлечения детали из оснастки путем удаления контактных ограничений.
- Анализ полей остаточных напряжений и деформаций в готовой детали.
Валидация численных моделей
Проверка адекватности численных моделей осуществляется сравнением расчетных и экспериментальных данных. Для валидации используются несколько типов экспериментов. Измерение кривизны несимметричных пластин позволяет оценить интегральные остаточные моменты. Измерение spring-in угловых образцов дает информацию о комплексном напряженном состоянии.
Прямые измерения остаточных напряжений методом сверления отверстия или разрезания используются для детальной валидации распределений напряжений по толщине. Хорошее согласование расчетов и экспериментов достигается при использовании вязкоупругих моделей, ошибка прогноза составляет 10-15 процентов. Упругие модели дают ошибку до 30 процентов.
Важным аспектом является учет взаимодействия детали с оснасткой через контактные условия с трением. Коэффициент трения определяется экспериментально и составляет от 0,1 до 0,3 в зависимости от материала оснастки и антиадгезионного покрытия. Игнорирование контактного трения приводит к недооценке напряжений в плоских секциях на 20-40 процентов.
Часто задаваемые вопросы
Для углеродно-эпоксидных композитов величина остаточных напряжений в матрице между слоями обычно составляет от 30 до 80 МПа в зависимости от схемы укладки и цикла отверждения. В волокнах формируются сжимающие напряжения порядка 10-30 МПа. Наибольшие напряжения возникают на границах между слоями с различной ориентацией волокон, особенно в зонах свободных кромок. В угловых элементах остаточные напряжения могут достигать 100-120 МПа в области закругления из-за концентрации напряжений.
Симметричная укладка относительно срединной плоскости ламината обеспечивает равенство растягивающих и изгибных жесткостей в зеркальных слоях. Это приводит к тому, что матрица связи между растяжением и изгибом в классической теории ламинатов становится нулевой. В результате остаточные температурные и усадочные деформации не вызывают изгиба пластины, а создают только равномерное сжатие или растяжение в плоскости. Для несимметричной укладки связь растяжения и изгиба приводит к короблению детали после извлечения из оснастки, что критично для плоских панелей большой площади.
Полностью устранить остаточные напряжения в композитных материалах невозможно из-за фундаментального несоответствия коэффициентов термического расширения волокна и матрицы, а также усадки смолы при полимеризации. Однако возможно снизить их до приемлемого уровня комплексом мер, включая оптимизацию цикла отверждения, использование симметричных укладок, применение оснастки с близким КТР и медленное контролируемое охлаждение. Достижимое снижение составляет 60-70 процентов от максимально возможных напряжений. Остаточный уровень напряжений 15-25 МПа считается приемлемым для большинства применений.
Скорость охлаждения существенно влияет на величину остаточных напряжений через два механизма. Во-первых, при быстром охлаждении материал не успевает релаксировать напряжения вязкоупругим механизмом, что приводит к их накоплению. Во-вторых, высокая скорость охлаждения создает температурные градиенты по толщине детали, вызывающие дополнительные термические напряжения. Оптимальная стратегия предполагает медленное охлаждение со скоростью 0,5-1 градус в минуту в диапазоне температур от температуры отверждения до температуры стеклования, где материал обладает высокой способностью к релаксации. После прохождения температуры стеклования скорость охлаждения может быть увеличена до 3-5 градусов в минуту.
Точность метода измерения зависит от конкретной задачи и типа материала. Для поверхностных напряжений в волокнистых композитах рентгеновская дифракция обеспечивает точность около 10 МПа при правильной калибровке. Для объемных напряжений нейтронная дифракция дает точность 15 МПа с возможностью трехмерного картирования. Метод сверления отверстия имеет точность около 20 МПа и широко применяется благодаря доступности оборудования. Метод разрезания показывает точность 25 МПа и эффективен для толстых ламинатов. Оптимальный подход предполагает комбинацию нескольких методов для взаимной проверки результатов.
Численное моделирование предоставляет несколько преимуществ перед экспериментальными методами. Во-первых, оно позволяет исследовать влияние различных параметров процесса без изготовления дорогостоящих образцов. Во-вторых, моделирование дает полное трехмерное распределение напряжений и деформаций во всем объеме детали, в то время как эксперименты дают информацию только в отдельных точках. В-третьих, модель позволяет отследить эволюцию напряжений на всех этапах технологического процесса. В-четвертых, после валидации на нескольких образцах модель может использоваться для оптимизации параметров изготовления новых деталей со значительной экономией времени и средств.
Остаточные напряжения оказывают значительное влияние на усталостную долговечность композитных конструкций. Растягивающие остаточные напряжения суммируются с эксплуатационными напряжениями и приводят к более раннему зарождению усталостных трещин в матрице. Это может снизить усталостную долговечность на 20-30 процентов при циклических нагрузках средней амплитуды. Особенно критичны остаточные напряжения при многоцикловой усталости с большим числом циклов, когда даже небольшое увеличение среднего напряжения существенно влияет на скорость роста повреждений. Сжимающие остаточные напряжения, напротив, могут оказывать благоприятное влияние, замедляя рост трещин и повышая усталостную прочность.
Толщина отдельного слоя препрега влияет на распределение остаточных напряжений через изменение градиентов температуры и степени отверждения. Тонкие слои препрега толщиной 0,125 мм отверждаются более равномерно по толщине, что снижает термические градиенты. Использование тонкослойных препрегов позволяет уменьшить межслоевые напряжения и задержать образование поперечных трещин в матрице. Исследования показывают, что переход с препрега толщиной 0,25 мм на препрег толщиной 0,125 мм может снизить максимальные межслоевые напряжения на 15-25 процентов. Однако использование тонких препрегов увеличивает трудоемкость укладки и стоимость производства.
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационный характер. Представленная информация не является руководством к действию и не может служить основанием для принятия технических или проектных решений без проведения дополнительных расчетов и испытаний. Автор не несет ответственности за возможные последствия применения изложенных методов и рекомендаций в практической деятельности. Перед внедрением описанных технологий необходимо провести собственные исследования и получить консультации квалифицированных специалистов. Численные значения параметров приведены в качестве типичных примеров и могут отличаться для конкретных материалов и условий изготовления.
Источники
- Метод определения остаточных напряжений по ASTM E837 - Стандартный метод измерения остаточных напряжений методом сверления отверстия с использованием тензорезисторов
- Shokrieh M.M., Kamali Shahri S.M. On the constant coefficients of Halpin-Tsai equation // Polymer, 2015 - Исследование механических свойств композитов
- White S.R., Hahn H.T. Process Modeling of Composite Materials: Residual Stress Development during Cure // Journal of Composite Materials, 1992 - Фундаментальная работа по моделированию процессов отверждения
- Ersoy N., Vardar O. Measurement of Residual Stresses in Layered Composites by Compliance Method // Journal of Composite Materials, 2000 - Методы экспериментального определения напряжений
- Fitzpatrick M.E., Lodini A. Analysis of Residual Stress by Diffraction using Neutron and Synchrotron Radiation // Taylor & Francis, 2003 - Дифракционные методы измерения
- Baran I., Cinar K., Ersoy N., Akkerman R., Hattel J.H. A Review on the Mechanical Modeling of Composite Manufacturing Processes // Archives of Computational Methods in Engineering, 2017 - Обзор методов численного моделирования
- Seers T.D., Fairclough J.P.A., Crystal M., Hine P.J., Bucknall C. Residual stress in fiber reinforced thermosetting composites: A review of measurement techniques // Polymer Composites, 2021 - Современный обзор методов измерения
- Johnston A., Vaziri R., Poursartip A. A Plane Strain Model for Process-Induced Deformation of Laminated Composite Structures // Journal of Composite Materials, 2001 - Модели технологических деформаций
