Эффективные модули тканевых композитов. Расчет для разных видов плетения.

При исследовании были рассмотрены самые типичные локальные технологические дефекты: полости, связанные со случайными разрывами основы или основы и утка (рис. 2.1), появляющиеся при сшивке слоев. Рисунок 2.1 – Фрагмент слоя тканого композита полотняного плетения с локальным разрывом нитей основы и уткаРазмеры рассмотренных дефектовсоизмерялись с размерами характерных неоднородностей. Не было замечено значительное изменение интегральных коэффициентовармирования композита. Матрица и волокна тканевого композиционного материала были линейно упругими и не изменяли взаимного расположения и тип симметрии при воздействии внешних нагрузок. Поэтому компоненты тензора напряжений σi(r)удовлетворяли уравнениям равновесия, а компоненты тензора малых деформаций εij(r) были связаны с компонентами вектора перемещений ui(r) соотношениями Коши(2.1)Геометрия слоя тканого композита описывалась с помощью кусочно-однородной, единичной индикаторной функции λ(r) радиус-вектора r, принимавшей значение 1, если точка принадлежала волокнам основы или утка и 0, если матрице. Это позволило записать определяющие соотношения: (2.2)где верхними индексами f и m отмечены материальные коэффициенты. Краевая задача (1)- (2) была дополнена условиями симметрии: (2.3)и условиями идеального сопряжения (2.4)на границах раздела фаз Г7 (рис. 2.1), где было предположено отсутствие химических реакций и фазовых переходов в процессе нагружения слоя. Равенства (2.4) позволили описать совместную работу нитей и поликристаллической матрицы при нагружении. Полости, образованные при пропуске или разрыве нитей армирующего каркаса (рис. 2.1), моделировались исключением локальных объемов искривленных волокон. Эффективные модули Юнга Ei* и коэффициенты Пуассона υi*определяются из решения систем уравнений: (2.5)предполагая, что слою тканого композита соответствовала однородная ортотропная среда. Эффективные упругие свойства слоя тканевого композиционного материала с поликристаллической матрицей представлены в табл. 1. Их прогнозирование для фрагментов с разнообразными технологическими локальными дефектами осуществлялосьпри следующих свойствах фаз: Ef= 280 ГПа и vf =0,20[8], Em= 0,28 ГПа и vm= 0,40. Таблица 1Эффективные упругие модули тканого композита с локальными технологическими дефектамиРезультаты прогнозирования эффективных упругих модулей (табл. 1) показали значительное влияние на искомые величины (в сравнении с материалом идеальной периодической структуры) локальных технологических дефектов. К примеру, было обнаружено снижение модуля Юнга Е2* в 13 раз в направлении оси x2, перпендикулярной плоскости слоя, и уменьшение в 3 раза модулей Е1* по оси x1, совпадающем с направлением пропущенной нити основы. Вместе с тем, присутствие в тканевом композите локального разрыва волокон основы или утка и основы всего лишь в 1,25 раза снижают эффективные модули Е1* и Е3* в плоскости слоя.2.2 Саржевое плетениеСаржевое плетение – второй по распространенности вид переплетений после полотняного плетения. Его главным отличием является меньшее число пересечений нитей основы и утка. Основные уточные нити перекрывают больше, чем одну противоположную, пересечение нитей идет со сдвигом, поэтому на поверхности образуется диагональный узор из рубчиков. Рисунок 2.2 – Саржевое плетениеТакое плетение имеет высокую устойчивость к разрыву, так как имеет меньше переплетения пряжи на область, а значит, и большую степень внутренней мобильности. Главная особенность плетения – наличие выраженных диагональных линий, проходящих по всей ширине ткани. Основными характеристиками являются:- образование диагональных линий от одной стороны к другой- большее число нитей на единицу площади, чем в других плетениях- меньше переплетающихся точек- больше толщины и массы ткани на единицу площади.В работе [6]представлены результаты расчетов эффективных модулейтканевого композита. Эффективные модули представлены в таблице 2.Таблица 2Эффективные модули тканевых стеклопластиковРезультат сравнения трех типов переплетения нитей показывает, что наибольшая жесткость имеется у материала, который армирован тканью сатинового переплетения. Установлено, что продольный модуль упругости сатинового композита на 61 % выше по сравнению с композитом, который армирован тканью полотняного переплетения. При этом продольный коэффициент диссипации сатинового композита принимает наименьшее значение (на 40 % меньше, чем у полотняного композита). 2.3 Сатиновое плетениеСатиновое плетение отличается тем, что каждая нить основы и утка проходит над несколькими нитями основы и утка в зависимости от раппорта переплетения. Такие ткани имеют большую рыхлость и гибкость, но с другой стороны, и большую величину изменения расстояния между соседними нитями. Композиты с сатиновым плетением обладают большой гибкостью и невысокой плотностью, что способствует лучшей укладке ткани при изготовлении изделий сложной формы.Этот вид плетения описывается так: 4/1, 5/1 — 1 нить утка перекрывает 4, 5 нитей основы. Углеткани, выполненные методом сатинового плетения, делаются плотными. Сатиновому плетению свойственно более редкое переплетение нитей. Учитывая высокую хрупкость стекловолокон, возможность их взаимного перетирания и разрушения под давлением, стеклопластики с упрочнителем сатинового плетения более прочны и лучше работают в конструкциях.Рисунок 2.3 – Сатиновое плетениеЧетырехремизный сатин отличается тем, что в нем каждая основная нить выходит лишь один раз на лицевую поверхность, а потом уходит под три уточные нити. Любая нить такого переплетения содержит 3000 штук элементарных волокон, диаметр каждой из которых 7микрон. Для построения такого переплетения необходимо присутствие в каждой точке ткани по направлению толщины, кроме областей между переплетениями, по 2 нити, т.е. основы и утка. Для изготовления детали, толщина которой 10-3м2 и состоящей из 5 слоев ткани, в направлении толщины располагается десяток нитей. Следовательно, на одну нить будет приходиться 10-4м2 пространства полости технологической оснастки [7].Исследовательская работа [6] была посвящена изучению сравнения трех типов переплетения армирующей ткани. В результате ее проведения было выяснено, что наибольшая жесткость присутствует у материала, который армирован тканью сатинового переплетения: продольный модуль упругости сатинового композита на 61 % выше, чем у тканевого композита, который армирован тканью полотняного переплетения. Продольный коэффициент диссипации сатинового композита при этом принимает наименьшее значение (на 40 % меньше, чем у композита с полотняным типом переплетения).ЗаключениеВ настоящей работе были рассмотрены тканевые композиционные материалы, их характеристика и основные показатели, а также их основные виды плетения. В первой главе дан литературный обзор по общей характеристике композиционных материалов, тканевых композитов, а также приведены расчеты их эффективных модулей. Все композиты являются результатом сочетания разнородных компонентов, как минимум, один из которых является армирующим элементом, обладающим высокой прочностью и жесткостью. Второй компонент – пластичный, связующий элемент, который обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. При этом композит имеет свойства, которые не присущи его составляющим по отдельности [7].Вторая глава посвящена изучению основных видов плетения тканевых композитов. В отличие от однонаправленных композитов, в текстильных композитах армирующий компонент ориентирован более чем в одном направлении. Тканые материалы являются наиболее часто используемой формой текстильного основания композиционных материалов. Основным преимуществом тканых основ является хорошая стабильность размеров в направлении основы и утка, высокая плотность расположения нитей и высокая жесткость на изгиб по сравнению с другими текстильными основаниями для композитов.Новые волокна и ткани получили широчайшее распространение в авиационной, космической, атомной промышленности, в ветроэнергетике, в трубопроводном транспорте. На их основе изготавливают современные строительные материалы, отличающиеся рядом уникальных свойств.Список использованных источниковЩербакова А. О. Тканевый композит. Оценка упругодиссипативных характеристик / А. О. Щербакова // Вестник ЮУрГУ. – Т. 6. – № 2. – 2014. – С. 40-48.Димитренко Ю. И. Метод конечных элементов для решения локальных задач механики композиционных материалов: учеб. пособие / Ю. И. Димитренко, А. П. Соколов. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2010. – 69 с.О композитах [Электрон. дан.] – URL: http://www.carboline.in.ua/about-technology.html (дата обращения: 14.04.2018 г.)Скворцов Ю. В. Механика композиционных материалов: конспект лекций / Ю. В. Скворцов. – Самара: Изд-во СГАУ, 2013. – 94 с.Дедков Д. В. Эффективные упругие модули тканового композита полотняного плетения с локальными технологическими дефектами / Д. В. Дедков, Зайцев А. В., Ташкинов А. А. – Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2014. – С. 526-530.Мартынов В. А. Определение скоростей пропитки низковязным органическим связующим углеродной армирующей ткани сатинового плетения / В. А. Мартынов, Пасечник К. А. // Вестник ТГУ. - № 1. – 2016. – С. 82-89. Карева Т. Ю. Особенности строения и тенденции развития структур текстильных полотен как основы композиционных материалов / Т. Ю. Карева // XIXМеждународный научно-практический форум «Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы»: сборник материалов. – Ч. 2. – 2016. – С. 25-27.