Содержание к диссертации
Введение
1 Литературно-информационное исследование 13
1.1 Полимерные композиционные материалы. Теоретические механические характеристики однонаправленного стеклопластика 13
1.2 Методы механических испытаний ШСМ. Особенности испытаний стержневых изделий круглого сечения 19
1.3 Требования к методу испытаний стержневой продукции из ПКМ в условиях приемочных испытаний на предприятии 36
1. 4 Продольный изгиб упругого стержня. Постановка задачи для исследования 39
2 Теоретическое обоснование метода определения механических характеристик стержней из пкм. их продольным изгибом 50
2.1 Решение задачи о напряженно-деформированном состоянии упругого стержня при продольном изгибе 50
2.2 Сравнение результатов численного решения с известными решениями 54
2.3 Аппроксимация численных решений задачи о продольном изгибе упругих гибких стержней 59
2.4 Анализ возможных погрешностей при определении механических характеристик ПКМ продольным изгибом образца 65
2.4.1 Влияние сжатия (уменьшения длины) стержня на его НДС 68
2.4.2 Совместное влияние на результат определения механических характеристик сжатия стержня и сдвиговых деформаций в нем 72
2.4.3 Влияние эксцентриситета оси стержня относительно оси вращения опоры на НДС стержня при продольном изгибе 77
3 Экспериментальное исследование механических характеристик стержней из пкм методом продольного изгиба 84
3.1 Установка для проведения экспериментов 85
3.2 Экспериментальное исследование формы и стрелы прогиба продольно изгибаемого стержневого образца 89
3.3 Экспериментальное исследование зависимости радиуса кривиз ны в окрестности стрелы прогиба изогнутого образца от сближения его концов 92
3.4 Исследование зависимости вида диаграммы нагружения от длины образца 94
3.5 Определение требований к гибкости образца (отношению длины образца к его диаметру) 99
3.6 Требования к условиям закрепления образца в шарнирных опорах установки для испытаний 101
3.7 Первичный анализ диаграммы нагружения 102
3.8 Методика обработки диаграммы нагружения 104
3.8.1 Преобразование массива Ml в массив М2 ; 107
3.8.2 Определение точки, в которой заканчивается рабочий участок диаграммы нагружения 108
3.8.3 Определение механических характеристик материала по результатам обработки рабочего участка диаграммы нагружения 109
3.9 Отработка метода продольного изгиба для применения при
производственном контроле стеклопластиковой арматуры (СПА) 113
3.9.1 Сравнение результатов испытаний, полученных продольным и модифицированным трехточечным изгибом 114
3.9.2 Сравнение значений модуля упругости, полученных по разработанной методике и по приращению напряжения в зависимости от приращения деформации (по ГОСТ 9550- 81) 116
4. Практическое применение метода продольного изгиба для исследования характеристик стержней из однонаправленного стеклопластика 123
4.1 Приемо-сдаточные испытания стеклопластиковых стержней для электрических изоляторов 123
4.2 Испытания стеклопластиковых стержней методом продольного изгиба на долговременную прочность при различных температурах 129
4.3 Исследование механических характеристик ПКМ при циклическом яагружении стержня продольным изгибом 135
Заключение 137
Список использованных источников 140
Приложение
- Методы механических испытаний ШСМ. Особенности испытаний стержневых изделий круглого сечения
- Аппроксимация численных решений задачи о продольном изгибе упругих гибких стержней
- Экспериментальное исследование формы и стрелы прогиба продольно изгибаемого стержневого образца
- Испытания стеклопластиковых стержней методом продольного изгиба на долговременную прочность при различных температурах
Введение к работе
Актуальность темы. Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) расширяется практически во всех отраслях промышленности. Для создания надежных конструкций из ПКМ проектировщикам и конструкторам необходим комплекс механических характеристик материала. Чем точнее разработчики конструкций из ПКМ будут знать механические характеристики материала, тем оптимальнее будет разрабатываемая конструкция при заданной надежности. Поэтому исследователям новых ПКМ нужны методы, позволяющие как можно точнее определять истинные механические характеристики материала. В то же время производителям ПКМ для подтверждения качества выпускаемой продукции также нужны высокоточные и высокопроизводительные методы контроля механических характеристик. Наряду с разработкой новых ПКМ и изделий из них развиваются и методы их испытании. Обзор существующих методов испытаний показал, что темпы разработки и применения ПКМ опережают темпы разработки методов их испытаний. Стандартные методы испытаний (ГОСТ 25.601-80; ГОСТ 11262-80 - на растяжение; ГОСТ 25.602-80, ГОСТ 4651-82 -на сжатие; ГОСТ 25.604-82, ГОСТ 4648-71 - на статический изгиб; ГОСТ 4647-80 - определение ударной вязкости; ГОСТ 9550-81 - определение модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе), часть из которых вообще разработана для исследования гомогенных пластмасс, не всегда позволяют достаточно адекватно оценить характеристики ПКМ, являющихся, как правило, анизотропными (особенно сложно определять характеристики материала, испытывая образцы круглого сечения).
Выход из создавшейся ситуации следует искать в создании новых методик, позволяющих испытывать ПКМ, обладающие ярко выраженной анизотропией. В качестве перспективного метода, удовлетворяющего указанным выше требованиям, можно предложить метод испытаний, основанный на продольном изгибе образцов.
Для широкого распространения и применения продольного изгиба, как метода для определения механических характеристик линейно-упругих материалов требуется теоретическое обоснование возможности применения этого метода для определения механических характеристик материала, разработка методики испытаний и ее экспериментальное подтверждение.
Цель работы - разработка научно-обоснованной промышленной методики определения механических характеристик образца из полимерного композиционного материала, обладающего линейной упругостью, например из однонаправленно армированного стеклопластика, по результатам испытания на продольный изгиб и экспериментальная проверка такой методики.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
разработана и экспериментально подтверждена математическая модель, отражающая НДС стержня из однонаправленного ПКМ при продольном изгибе;
найдены аппроксимирующие выражения, описывающие зависимость характеристик, определяющих НДС стержня, от сближения его концов при продольном изгибе;
оценено влияние возможных отклонений, возникающих при испытании стержня, от идеализированной расчетной схемы нагружения на результаты экспериментального определения характеристик материала стержня;
разработана аппаратурная схема установки для испытания стержня продольным изгибом, оснастка для испытаний, требования к образцу и условия проведения испытаний;
разработаны алгоритмы автоматизированного^улравления процессом испытаний и процессом обработки результатов испытаний; рос. национальная
! Г*9?1
- проведена оценка корреляции статистических данных о механических характе
ристиках образцов, полученных при испытании методом продольного изгиба и други
ми методами.
Объект, предмет и методы исследования. Объектом исследований является напряженно-деформированное состояние и механические характеристики упругого стержня. Предметом исследования является метод определения механических характеристик ПКМ, обладающего линейной упругостью. Метод основан на продольном изгибе образца в виде гибкого стержня. Исследование проведено на стержнях диаметром от 2 до 46 мм из однонаправленно армированного стеклопластика с объемным содержанием армирующего волокна от 0,60 до 0,75. Матрицей в исследованном стеклопластике является связующее марки ЭДИ на основе эпоксидных смол ЭД-20 или ЭД-22, от-верждаемых ангидридным отвердителем изоМТГФА. Армирующие волокна - ровинги из алюмоборосиликатного стекла (стекла Е) по ГОСТ 17139-2000 или ТУ 5952-047-05763895-2004 с диаметром элементарной нити 17 мкм. При проверке возможности использования метода для определения механических характеристик других материалов, обладающих линейной упругостью, были испытаны образцы из однонаправленно армированного базальтопластика, где связующее было тем же, а армирующим материалом были ровинги экспериментальных партий из базальтового волокна с толщиной элементарной нити 13 мкм. Кроме того методом продольного изгиба были испытаны образцы из стали 45.
В работе используются аналитические и экспериментальный методы исследований. Аналитические методы - численные методы решения дифференциальных уравнений; метод расчета механических характеристик, метод статистического анализа результатов механических испытаний по ГОСТ 14359-69. Экспериментальные методы -метод нагружения на опытной установке для осуществления продольного изгиба, смонтированной на базе разрывной машины 2161Р-5, стандартизованные и модифицированные методы определения механических характеристик ПКМ.
Научная новизна:
разработана методика определения комплекса механических характеристик: разрушающего напряжения арр, модуля упругости Е; относительной деформации е; предела пропорциональности ащ; удельной потенциальной энергии деформации U стержневых элементов из однонаправленно армированного стеклопластика, по результатам испытания их на продольный изгиб;
теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность использования продольного изгиба в качестве метода для определения комплекса механических характеристик однонаправленных ПКМ;
впервые получены аппроксимирующие выражения, с высокой точностью описывающие изменения нагрузки, стрелы прогиба, радиуса кривизны в средней части линейно-упругого стержня и энергетическое соотношение в зависимости от сближения концов при продольном изгибе такого стержня (относительное отклонение значений указанных характеристик, определенных численным методом, от значений, определяемых по аппроксимирующим выражениям, составило не более ±0,1%);
впервые проанализировано влияние возможных отклонений от идеальной (расчетной) схемы нагружения при продольном изгибе на НДС образца, возникающее в процессе испытаний;
определено оптимальное соотношение длины и диаметра испытываемых образцов и разработан комплект оборудования, позволяющего определять механические ха-
рактеристики материала стержней из однонаправленно армированного стеклопластика диаметром от 5,5 до 46 мм при испытании продольным изгибом.
Практическая ценность. Найдены и экспериментально подтверждены зависимости, позволяющие через сближение концов упругого стержня при продольном изгибе определить параметры его механической прочности, необходимые для контрольных испытаний промышленной продукции.
Разработана промышленная методика определения комплекса механических свойств стержней, изготовленных из материала, обладающего упругостью, позволяющая в значительной степени избежать влияния на процесс испытаний зажимов испытательных машин.
Создан измерительный комплекс, позволяющий в автоматическом режиме проводить испытания изделий в условиях промышленного производства.
Реализация работы. По разработанной методике выполняются исследовательские и приемо-сдаточные испытания стеклопластиковых однонаправленных стержней в заводской лаборатории ООО «Бийский завод стеклопластиков» (г. Бийск). Методика введена в утвержденные технические условия ТУ2296-009-20994511-03 в качестве метода приемо-сдаточного контроля изготавливаемых стеклопластиковых стержней для электрических изоляторов. Внедрение методики на Бийском заводе стеклопластиков подтверждено актом внедрения.
В испытательном центре Сибирского научно-исследовательского института авиации (СибНИА, г. Новосибирск) и в аккредитованной лаборатории испытательного центра СибНИИстрой (г. Бийск) с применением разработанной методики выполнены испытания по определению температурно-временной зависимости прочности стеклопла-стиковой арматуры; проведены испытания на циклическую выносливость однонаправленных стержней из стеклопластика. Внедрение методики в СибНИА подтверждено актом внедрения.
Достоверность результатов обеспечена доказанным совпадением результатов численного решения задачи о НДС продольно изогнутого стержня с известным ее решением методом эллиптических интегралов, доказанной высокой степенью совпадения параметров, определяемых по аппроксимирующим формулам, с экспериментальными значениями, а также подтвержденной малой чувствительностью метода к отклонениям от теоретической схемы нагружения. В изготовленной опытной установке были применены приборы (датчики), позволившие получить диаграмму нагружения с высокой точностью. Вычислительные процедуры производились на базе современных распространенных ПЭВМ. Полученные в работе результаты не противоречат современным представлениям материаловедения и механики материалов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-практических и международных конференциях:
«Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» в г. Бийске (2002, 2003, 2004, 2005 г.г.);
«Технические проблемы современного жилищно-гражданского строительства» в г. Новосибирске (2002 г.);
«Проблемы качества в строительстве» в г. Новосибирске (2003 г.);
«Подвесные и опорные полимерные изоляторы: производство, технические требования, методы испытаний, опыт эксплуатации, диагностика» в г. Санкт-Петербурге (2004 г.);
10-й Сибирской международной конференции по железобетону в г. Новосибирске, (2004 г.);
«Современные проблемы совершенствования и развития металлических деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте» в г. Самара 19— 22 сентября 2005 г.
На защиту выносятся:
аппроксимирующие выражения для определения нагрузки, стрелы прогиба, радиуса кривизны в средней части и энергетического соотношения в шарнирно опертом линейно-упругом стержне в зависимости от сближения его концов при продольном изгибе;
анализ влияния возможных отклонений от идеальной схемы нагружения при продольном изгибе на НДС образца, возникающее в процессе испытаний;
методика определения механических характеристик материала испытанного стержня посредством проведения испытаний на продольный изгиб;
анализ результатов испытаний стержней из однонаправленно армированного стеклопластика, проведенных по разработанной методике.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 154 страницы машинописного текста, 65 рисунков, 19 таблиц, 130 наименований литературных источников и 5 приложений.
Методы механических испытаний ШСМ. Особенности испытаний стержневых изделий круглого сечения
Основные методы испытаний, применяемые при исследовании свойств композиционных материалов, стандартизованные в России, США, Германии, Великобритании и международной организации ISO подробно рассмотренві в работах [56, 71,78, 101,102].
Согласно работе [102], ранее разработанные и стандартизованные методы испытаний пригодны лишь для испытаний однородных изотропных материалов. Когда речь идет об испытаниях полимерных композиционных материалов, термины, определяющие вид испытания - такие как растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб - становятся бессодержательными, если не указано направление нагрузки по отношению к направлению армирования. Более того, для разных типов композитов методы механических испытаний и обработки их результатов также различны. Свойства разных типов композиционных материалов настолько разнообразны, что говорить об испытаниях волокнистых композиционных материалов необходимо только с учетом анизотропии.
Наибольшее распространение среди статических испытаний получили методы испытаний на растяжение и сжатие вдоль направления армирования, на поперечный изгиб (поперек направления армирования), на сдвиг вдоль волокон. Для более полного изучения характеристик материала применяют испытания на сжатие и растяжение поперек волокон, под углом к направлению армирования, на смятие и срез поперек волокон. Для испытаний на долговременную прочность и прочность при циклических нагрузках применяют те же приспособления, способы создания и направления действия нагрузки, что и для статических испытаний, с присущими им недостатками. Для определения стойкости материала к ударным нагрузкам, наиболее часто применяют испытания на ударную вязкость на копре по методу Шарпи [44, 71], однако эти испытания позволяют дать лишь качественную сравнительную оценку свойств материалов, в связи, с чем в работах [5, 6] величину ударной вязкости предложено определять на основе статических испытаний.
Анализируя методы испытаний ПКМ, рассмотренные в работах [101, 102], можно установить, что наиболее часто образцы для испытаний готовят, вырезая из готового изделия пластинки с заданными в нормативных документах размерами. В этих же источниках приведены результаты испытаний образцов из различных ПКМ, в том числе, из однонаправленного стеклопластика, изготовленных по одной технологии, но при различных размерах рабочей части образцов и показано, что форма и размеры образца влияют на результат испытаний. Также показано, что значения прочности и разброс этих значений для образцов из одного и того же материала, испытанного разными методами, различны. Например, при испытаниях на растяжение образцов (пластинок) из однонаправленного стеклопластика, имеющих разные размеры, получены средние значения прочности укладывающиеся в довольно широкий диапазон от 500 до 800 МПа, в зависимости от метода испытаний. Качественными считаются испытания, в которых форма испытанных образцов отвечает общепринятым требованиям, при этом разрушение образца должно произойти в расчетном сечении и в этом сечении должно быть однородное напряженное состояние. О качестве выбранной формы образца свидетельствуют достигнутый предел прочности материала, разброс результатов испытаний, расход материала и стоимость испытаний [101].
Далее приведен анализ некоторых особенностей современных методов испытаний ПКМ, часть из которых опробована в лаборатории ООО «БЗС». Результаты испытаний, проведенных в лаборатории ООО «БЗС», приведены в Приложении А.
Стандартизованный метод испытаний пластмасс на растяжение регламентирован в [37] (аналогичная методика для испытаний ПКМ и образцы регламентированы в [39]). Следует отметить, что разработчики стандарта [39] считают необходимым испытания стеклопластиков проводить в соответствии со стандартом [37]. Образец, регламентируемый этими стандартами, показан на рисунке 1.3. При испытаниях таких образцов отмечено, что разрыв происходит главным образом в месте перехода от рабочей части к головкам. Поэтому в работе [101] рекомендуется перейти от стандартных образцов к образцам в виде прямоугольного параллелепипеда, что, очевидно, целесообразно с точки зрения простоты изготовления образца и обработки результатов эксперимента. Однако здесь же говорится, что разрушение образцов такой формы происходит часто в сечениях, деформированных в зажимных приспособлениях испытательных машин, в связи с низкой прочностью образца на поперечное сжатие.
Как видно, рекомендуемые нормативной документацией методы испытаний ПКМ на прочность при растяжении обладают тем недостатком, что требуют механической обработки образца при его изготовлении, а это вызывает нарушение структуры материала и приводит, вследствие этого, к занижению определяемых механических характеристик. Кроме того, из тонких стержней, например, диаметром 1,5-12 мм невозможно изготовить образцы с регламентируемыми стандартами размерами.
В работе [66] отмечено, что практика испытаний ПКМ на плоских образцах показывает, что надежное определение прочности при растяжении в направлении армирования существенно зависит от способа передачи усилий от нагружающей машины на образец и его оптимальной конфигурации, выбор которой в значительной степени обусловлен мастерством экспериментатора. Способы передачи нагрузки до сих пор реализуются методом проб и ошибок и в основном являются «know-how» квалифицированных испытательных лабораторий. Здесь же указано, что одна из главных проблем при испытании композитов на одноосное растяжение - создание однородного напряженного состояния по всей мерной зоне образца. Самым распространенным способом передачи растягивающих усилий является закрепление образца из композитов в самозатягивающихся клиновидных захватах. При этом растягивающая нагрузка в образце создается за счет сдвига на поверхности раздела «образец - захват испытательной машины». Вследствие того, что анизотропные однонаправленные композиты, обладают высокой прочностью в направлении армирования и низким сопротивлением - в поперечном, а также низкой прочностью на сдвиг, для предотвращения разрушения плоских образцов в клиновидных захватах испытательной машины рекомендуется [66, 101] проводить испытания с использованием специальных накладок, которые приклеивают на концах образца (см. рисунок 1.4). Однако накладки неизбежно вносят нежелательные концентрации напряжений, величина которых зависит от геометрических параметров накладки и испытываемого образца композита и их механических характеристик.
Аппроксимация численных решений задачи о продольном изгибе упругих гибких стержней
Как уже было обосновано ранее, чтобы иметь возможность быстро (в автоматизированном режиме) обрабатывать результаты испытания стеклопласти-ковых стержней, необходимо приведенные в таблице Б.1 данные представить в виде аппроксимирующих выражений, связывающих измеряемые и рассчитываемые при испытании параметры.
Для нахождения аппроксимирующих выражений использовали приведенные в таблице Б.1 упорядоченные последовательности численных решений.
Прежде всего, отметим, что для обработки результатов испытаний с целью определения механических характеристик образцов СПА требуемый диапазон охвата параметра-аргумента (в нашем случае параметра S) небольшой. Диапазона изменения S в пределах от 0 до 0,5 вполне достаточно (относительное перемещение (5=0,5 - максимально возможное перемещение при проведении реального испытания).
При определении аппроксимирующих выражений будем пользоваться способом, применяемым обычно при обработке результатов экспериментов. В основе этого метода аппроксимации лежит метод наименьших квадратов. Для нахождения аппроксимирующих выражений использовали современные программные продукты Microsoft Excel и Microsoft Table Curwe.
В результате проделанных вычислений получены аппроксимирующие выражения для характеристик О О(ё) иЛ Л(д):
Качество аппроксимирующих выражений оценивали по выраженному в процентах относительному отклонению значений исследуемых параметров, рассчитанных по аппроксимирующему выражению, от численных решений, приведенных в таблице Б.1. Общая формула, которую использовали при расчете отклонений, имеет вид где ХА рассчитанные по аппроксимирующему выражению значения одного из параметров Л; Ф; или Д Хт - значения тех же параметров, взятые из таблицы Б.1. Рисунок 2.6 - Качество аппроксимирующего выражения (2.8), выражающего зависимость параметра А от 5. X - значения погрешностей при аппроксимации Л выражением (2.8), Однако имеющиеся в распоряжении автора работы программные продукты (Microsoft Excel и Microsoft Table Curwe) не позволили непосредственно из обработки данных, сведенных в таблицу Б.1, найти аппроксимирующие выражения, с удовлетворительной точностью описывающие зависимости Ф Ф(д) и W W(5).
Более точное выражение для (ё) можно найти, используя уже полученные аппроксимирующие выражения (2.7) и (2.8).
В реальном продольно изгибаемом образце всегда присутствуют такие отклонения от идеализированной схемы нагружения, как уменьшение длины образца от сжимающей нагрузки и сдвиговые деформации в нем. Кроме того, вследствие технических несовершенств, имеющих место при производстве реальных образцов и при изготовлении оснастки для испытаний, возникают такие отклонения от идеальной расчетной схемы, как эксцентриситет между точками приложения силы и осью образца и начальная кривизна образца. Все эти отклонения от идеальных условий приводят к изменению картины изгиба, которую описывают найденные аппроксимирующие выражения (2.7), (2.8), (2.14), (2.16). Вследствие этого, могут возникнуть систематические погрешности в обработке результатов испытаний. Влияние отклонений от идеальной расчетной схемы на результаты испытаний следует оценить и (при необходимости) учесть.
Оценку возможных погрешностей в определении механических характеристик проводили, анализируя изменения в результатах численного решения задачи о напряженно-деформированном состоянии образца при продольном изгибе, рассматривая возможность наложения следующих изменений в исходные данные: укорочение образца от воздействия осевой составляющей сжимающей нагрузки; сдвиговые деформации в образце от воздействия поперечной составляющей сжимающей нагрузки; эксцентриситет прикладываемой к образцу внешней нагрузки; изначальное искривление образца.
Экспериментальное исследование формы и стрелы прогиба продольно изгибаемого стержневого образца
Экспериментальное исследование деформации стеклопластиковых образцов проводили с целью оценки того, насколько изменение формы реального образца, полученное во время продольного изгиба, соответствуют деформации теоретического гибкого, линейно-упругого стержня. Во время данного исследования анализировали: - изменение формы образца в процессе продольного изгиба; - зависимость стрелы прогиба образца от значений сближения его концов при продольном изгибе; - зависимость радиуса кривизны изогнутой (упругой) линии образца в ее вершине (в окрестности, соответствующей стреле прогиба) от значений сближения концов стержня при продольном изгибе. В ходе исследования сравнивали экспериментально полученные значения указанных параметров с их расчетными значениями, определенными в разделе 2. Испытания по определению зависимости формы образца и стрелы прогиба от величины сближения его концов проводили следующим образом: - образец нагружали продольной сжимающей силой в установке, обеспе чивающей шарнирное опирание торцев (см. рисунок 3.1), до заданного значе ния сближения его концов Л (схема нагружения образца соответствовала расчетной схеме, показанной на рисунке 2.1); - на специальный планшет с. миллиметровой бумагой переносили форму изогнутого образца; - обрабатывая полученную форму изогнутого образца (изогнутую линию) в прямоугольной системе координат х, у, искали: - форму образца в виде зависимости у от х; - стрелу прогиба образца в виде зависимости/от Л. Испытания проводили для разных значений сближения концов на образцах стеклопластиковых стержней диаметром 5,5 и 7,5 мм при 1=144 (L/d=36). Количество параллельно испытываемых образцов для каждого вида испытаний не менее 7.
Результаты параллельных испытаний усредняли.и статистически обрабатывали по методике, изложенной в ГОСТ 14359-69 [38].. Подбор зависимостей у от х и/ отЛ проводили по методике, предлагаемой программным пакетом Microsoft Excel [76]. Результаты определения формы стержня показаны на рисунке 3.4. Для того, чтобы собрать полученные данные на единой диаграмме, результаты испытаний представили в безразмерной системе координат (y/f ; х/(-Д)). Из рисунка 3.4 видно удовлетворительное соответствие экспериментальных и расчетных значений. Наблюдаемые несовпадения в некоторых точках вполне могут быть объяснены несовершенством экспериментальной методики определения стрелы прогиба (значения координат х и у с планшета переносили, обрабатывая данные «вручную»). Результаты определения стрелы прогиба в виде усредненных экспериментальных точек, показывающих зависимость относительной стрелы прогиба Ф от относительного перемещения 5, приведены на рисунке 3.5. Здесь же показана аппроксимирующая диаграмма, найденная по выражению (2.16). Рисунок 3.5 - Зависимость прогиба Ф от перемещения S, где маркерами обозначены средние значения экспериментально полученных данных: 1, 2, 3, 4 - для стержней диаметром d= 2,6; 5,5; 7,5 и 15 мм, соответственно; сплошная линия 5 - расчетная кривая, полученная по выражению (2.16). Из рисунка 3.5 видно удовлетворительное соответствие экспериментальных и расчетных значений независимо от диаметра стеклопластикового стержня.
Нагружение и построение (на планшете с миллиметровой бумагой) формы нагруженного стержня проводили аналогично описанным выше действиям при исследовании формы и прогиба. Исследование зависимости радиуса кривизны стержня в вершине изогнутой линии от сближения его концов проводили следующим образом: - путем обработки по методике, предлагаемой программным пакетом Microsoft Excel, координат х, у, полученной на планшете кривой, определяли формулу уравнения (в виде полинома у=у(х)), наиболее качественно описывающего форму изогнутой линии стержня; - по формуле для точки с координатами y=f; x=(L -Д)/2 находили значение радиуса кривизны в вершине изогнутой линии стержня (в окрестности стрелы прогиба). Испытания по определению радиуса кривизны для каждого образца проводили для разных значений продольного сжатия. Количество параллельно испытываемых образцов - не менее 7. Результаты параллельных испытаний усредняли. Испытания проводили на образцах различного диаметра. Результаты испытаний в виде усредненных экспериментальных точек, показывающих зависимость безразмерного радиуса кривизны WB середине длины образца от безразмерного сближения концов S, показаны на рисунке 3.6. Здесь же показаны результаты расчетов по аппроксимирующему выражению (2.14), Из рисунка 3.6 видно приемлемое соответствие расчетного и экспериментально определенного радиуса кривизны для диапазона больших, соответст вующих разрушению, значений б. Некоторое несовпадение экспериментальных и расчетных значений в начале диаграммы (в области малых перемещений S) можно объяснить несовершенством методики эксперимента (форму кривой переносили на планшет вручную).
Испытания стеклопластиковых стержней методом продольного изгиба на долговременную прочность при различных температурах
Важным практическим применением метода продольного изгиба явилось его использование для исследования длительной прочности однонаправленных стеклопластиковых стержней.
Длительная прочность является одной из важнейших характеристик любого конструкционного материала. Особое внимание уделяется этой характеристике для изделий, используемых в ответственных строительных конструкциях, таких как жилые дома. Примером длительного использования ПКМ в строительстве могут служить гибкие связи стеклопластиков ой арматуры (СПА), которые подвергаются воздействию нагрузки и температуры в течение всего срока эксплуатации (от 50 до 100 лет). Поскольку механические свойства, в том числе и длительная прочность ПКМ, сильно зависят от технологии его изготовления, в заводской лаборатории возникает необходимость проведения исследовательских, типовых и периодических испытаний выпускаемых изделий на долговременную прочность.
Из анализа распространенных методов испытаний на долговременную прочность выяснилось, что использование стандартных методов приложения нагрузки при растяжении, сжатии и изгибе обладает перечисленными в главе 1 недостатками, требует трудоемкого изготовления образцов сложной формы, нескольких единиц дорогостоящего лабораторного оборудования, снабженного термокамерами для поддержания постоянной заданной температуры длительное время [3, 32, 116]. Кроме того, отсутствует единый подход к прогнозированию срока службы материала по результатам ускоренных испытаний стандартными методами.
В связи с перечисленными причинами, для длительных испытаний стекло-пластиковых стержней на прочность при различных температурах в лаборатории ООО «Бийский завод стеклопластиков» был использован метод продольного изгиба, исходя из следующих его достоинств: при такой схеме нагружения для разрушения стеклопластика требуется нагрузка приблизительно в 50 раз меньшая, чем нагрузка, требующаяся для его разрушения в условиях простого растяжения или сжатия; благодаря тому, что стеклопластик ведет себя как упругий материал, близкий к идеальному, продольно согнутый до заданного уровня прогиба образец сам выполняет функцию тарированной пружины, «консервирующей» на длительное время заданный уровень нагрузки (продольной сжимающей силы); при продольном сжатии упругих материалов величина продольной силы при увеличении прогиба с момента начала появления его вплоть до разрушения практически не зависит от значения прогиба. Поэтому процедура нагружения образца до заданного уровня напряжения может быть сведена к простому деформированию его до заданного уровня деформации, при условно постоянном значении осевой силы; при продольном изгибе, в отличие от чистого растяжения или сжатия, для увеличения или уменьшения напряжения требуются достаточно большие перемещения концов образца. Это резко снижает погрешности установки заданного напряжения, обусловленные погрешностями установки и контроля за данного уровня деформации; для поддержания напряжения в образце на заданном уровне (при изменении жесткости образца вследствие релаксации) достаточно компенсировать уменьшение нагрузки увеличением прогиба до уровня, восстанавливающего заданную величину напряжения; при продольном изгибе образец разрушается в средней части, которая находится на значительном удалении от места приложения нагрузки. Следовательно, контактные напряжения, возникающие в зоне передачи нагрузки от нагружающего механизма к образцу, не оказывают существенного влияния на процесс разрушения образца; материал при продольном изгибе подвергается растяжению (в растянутой зоне), сжатию (в сжатой зоне) и сдвигу слоев по всему сечению. Благодаря этому имеется возможность провести комплексную оценку прочности материала, выявить, какой вид напряжения является наиболее опасным для исследуемого материала, и получить количественные показатели его несущей способности по наименьшему значению прочности (наиболее опасному виду на-гружения), то есть «произвести оценку снизу».
Испытания были проведены одновременно лабораторией ООО «Бийский завод стеклопластиков»[21, 28] и двумя независимыми аккредитованными в области испытаний материалов организациями: испытательной лабораторией ИЛ СМИК № 7, г. Бийск, испытательного центра «СибНИИстрой» (аттестат аккредитации № ГОСТ RU 9001.6.1.0061, зарегистрирован в Госреестре «27» августа 1999г.); испытательной лабораторией ИЛ-11 «СибНИА», г Новосибирск, испытательного центра ИЦ ФГУП «СибНИА» - аттестат аккредитации ИЦ № ИЛ -020 зарегистрирован в Реестре Авиарегистра МАК 12 июля 2001 г. [81].
Сущность проведенных исследований заключалась в испытании образцов (однонаправленно армированных стержней из стеклопластика, производимого ООО «БЗС») на продольный изгиб при заданных режимах нагружения и последующей обработке результатов испытаний. Одну группу образцов, имею щих не защемленные торцы (шарнирное опирание), сжимали с заданной расчетной скоростью сближения концов до разрушения и определяли разрушающие напряжения (Rce) для каждого образца этой группы. Другие группы образцов, имеющих не защемленные торцы, сжимали до заданной постоянной величины прогиба, обеспечивающей требуемый уровень расчетных напряжений (RCT), И определяли время до разрушения каждого образца. Эти два вида испытаний были выполнены при температурах минус 30, 23 и 50 С. Выбор нижней границы температур обусловили имеющиеся в распоряжении термокамеры, способные поддерживать заданную температуру в течение всего времени испытаний. Выбор верхней температуры для испытаний был обоснован наличием границы начала перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние для испытуемого материала на уровне 60 С.
Испытания первой группы образцов (в режиме возрастающего напряжения) проводили на установке, предназначенной для приемосдаточных испытаний стеклопластиковых стержней, схема и описание, которой подробно изложены выше.
