Испытаний конструкций

О сложности задачи механических испытаний композитов и внимания к этой проблеме свидетельствует то, что в последние годы было проведено несколько конференций, целиком посвященных испытаниям композитов **.

*! Обзор, обобщение и анализ советского и американского опыта в области методов испытаний композитов на плоских и кольцевых образцах содержится в книге: Ю. М. Тарнопольский, Т. Я. Кинцис. «Методы статических испытаний армированных пластиков». Изд. 2-е. М., «Химия», 1975. 264 с. (Прим. ред. пер.).

В приведенном в этой главе обзоре способов механических испытаний композитов особое внимание уделялось: 1) методам испытания уже проверенным или предложенным в последнее

Окончательное подтверждение предложенной методики построения поверхности прочности с использованием минимально необходимого количества основных экспериментов может быть получено из анализа испытаний композитов с высокой степенью анизотропии. С этой целью рассмотрим результаты, полученные By [53] для слоистого композита, состоящего из графитовых волокон (Morganite II) и эпоксидной матрицы (производство Уит-текер Корпорейшн). Данные о прочностных свойствах этого композита были получены из экспериментов, при проведении которых особое внимание обращалось на обеспечение необходимых

обще говоря, отличаться от напряжений, приложенных к образцу композита. Поэтому а, вероятно, лучше определить как величину поперечных напряжений, которые необходимо приложить к композиту, чтобы в данных условиях испытания разрушение происходило по поверхности раздела или путем расщепления волокон. Кроме того, в модели Купера и Келли при выводе выражения для ак предполагалось, что при разрушении матрицы и поверхности раздела напряжения, согласно правилу смеси для случая равных деформаций, аддитивны; реальное напряженное состояние может быть гораздо более сложным. Далее необходимо подчеркнуть, что кривая сгг=0 на рис. 5 не обязательно соответствует поставленному Купером и Келли условию, согласно которому необходимые для отделения матрицы от волокна напряжения равны нулю. В действительности эта зависимость характеризует прочность композита, в котором прочность поверхности раздела или поперечная прочность волокна меньше прочности матрицы, не связанной с волокнами (или—-для модели Купера и Келли — матрицы, в которой волокна заменены отверстиями). Это уточнение иллюстрирует рис. 6, где сгм характеризует прочность матрицы или прочность композита, в котором не разрушаются ни волокна, ни поверхность раздела, т. е. верхнее предельное значение поперечной прочности, а аи — прочность матрицы, не связанной с волокнами (или ма'три-цы, в которой волокна заменены отверстиями), т. е. нижнее предельное значение поперечной прочности. Штриховая кривая на рис. 6 показывает, что композиты с aiycr,>UM,TO величина а, будет влиять на поперечную прочность композита. Если aj>aM, то разрушаться будет матрица, и поперечная прочность композита будет равна поперечной прочности матрицы (с учетом концентрации напряжений и стеснения матрицы).

На основе результатов испытаний композитов с полиэфирной матрицей, армированных направленно расположенными углеродными волокнами, Харрис и др. [14] пришли к выводу, что 4/s энергии разрушения расходуется на вытягивание волокон. В этих экспериментах поверхность волокон подвергали различным видам обработки, изменявшим прочность связи (последнюю оценивали косвенно — по величине прочности при межслоевом сдвиге). В случае наименее прочной поверхности раздела (минимальная сдвиговая прочность) волокна вытягивались на большую длину и энергия разрушения была выше. Аналогичные результаты были получены для композитов с эпоксидной матрицей, армированных углеродным, волокном [2, 42]. Фитц-Рендольф и др. [10], исследовавшие бор-эпоксидные композиты, заключили, что значительный вклад в работу разрушения вносит и энергия разрушения волокна, и работа вытягивания разрушенных волокон из эпоксидной матрицы, no-мнению Меткалфа и Кляйна [27], при данной прочности волокон с ростом коэффициента ее вариации усиливается тенденция к разрушению волокон в точках, далеко отстоящих друг от друга, что* должно привести к увеличению вязкости разрушения (рис. 11).

Оценка аппретирующих добавок, улучшающих связь между упрочнителем и полимерной матрицей, проводилась непосредственно по результатам физико-химических испытаний композитов. Однако на основе только экспериментальных данных нельзя достаточно полно объяснить природу адгезионной связи. Несомненно, любая научная интерпретация явлений на поверхности раздела должна коррелировать с практически получаемыми характеристиками «омпоз'итов. Поскольку даже крайне малые аппретирующие добавки оказывают сильное влияние на свойства композитов, то, очевидно, изучение механизма «связывания» оказывается полезным для выяснения природы адгезии органического полимера к поверхности минерального волокна.

На рис. 35 показано влияние влажной среды на адгезионную прочность по поверхности раздела, измеряемую по энергии разрушения композита при сдвиге. Можно видеть, что влага разрушающе действует на адгезионное соединение, особенно при повышенной температуре. Результаты испытаний композитов во влажной среде приведены также в работах [26, 67, 34].

Разработан ряд прямых методов измерения характеристик напряженного состояния на поверхности раздела и адгезионной прочности. Поляризационно-оптический метод волокнистых включений наиболее надежен при определении локальной концентрации напряжений. Испытания методом выдергивания волокон из матрицы пригодны для измерения средней прочности адгезионного соединения, а методы оценки энергии разрушения — для определения начала расслоения у концов волокна. Прочность адгезионной связи можно установить по результатам испытаний композитов на сдвиг и поперечное растяжение. Динамический модуль упругости и (или) логарифмический декремент затухания колебаний применяются для определения нарушения адгезионного соединения. Динамические методы испытаний и методы короткой балки при испытаниях на сдвиг обычно пригодны для контроля качественной оценки прочности адгезионного соединения и определения влияния на нее окружающей среды.

ся на 12 °С. Если температура стеклования Тс, или теплостойкость смолы, ниже температуры испытаний композитов, то их прочность на сдвиг и изгиб .будет довольно низкой. Этот эффект наблюдается для углепластиков при старении в течение нескольких месяцев.

На рис. 12 и 13 показаны результаты циклических испытаний композитов с матами из рубленой пряжи и с добавлением соответ-

В определенном диапазоне долговечностей эти критерии достаточно хорошо коррелируются с результатами испытаний конструкций.

Фирма «Werkstoffprufmaschinen» выпускает также испытательные установки с нестационарными рабочими цилиндрами (домкратами) типа PZA для статических и усталостных испытаний конструкций. Рабочие цилиндры изготавливают пяти разных видав: для максимальных нагрузок 0,1; 0,2; 0,4; 0,6 и 1,0 Мн (10, 20, 40, 60 и 100 тс). К ним выпускают пульты управления типов ХАПц, ХАСПц и ХАВПц, оснащенные малоинерционными торсионными измерительными устройствами, пульсаторы, насосные станции, гидропневматический аккумулятор давления.

Фирма «Instron» выпускает также электрогидравлические исполнительные механизмы (домкраты) для усталостных испытаний конструкций с усилиями 0,01 и 0,1 МН (1 и 10 тс).

Машина178 для испытания при малоцикловых нагружениях с различной асимметрией цикла в широком диапазоне скоростей деформирования отличается тем, что содержит измерительные и эталонные мосты, сбалансированные отдельно как по фазе, так и по амплитуде каждый. Это позволяет переходить с одного режима работы на другой, не останавливая машину; при этом сохраняется постоянство нуля на всех диапазонах и режимах. Разработан стенд 179 для испытаний конструкций на статическую выносливость.

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ПОСТАНОВКЕ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ

Методические подходы к постановке натурных испытаний конструкций и оценке повреждений при малоцикловом нагружении 262

Знак нагрузки в инверсивной машине меняют путем изменения компоновки машины, например, путем соответствующего закрепления опорно-захватных траверс или соединения цилиндра с рамой для сжатия или плунжера с рамой для растяжения (рис. 16). Стендовые машины характеризуются отсутствием рамы. По этому принципу делают простые и универсальные машины. По назначению различают следующие основные типы машин с гидравлическим приводом для испытания образцов при растяжении-сжатии: прессы для стандартных испытаний строительных материалов (ПС); прессы для испытаний конструкций (ПК); разрывные машины для стандартных испытаний материалов (PC); разрывные машины для исследований хрупкости разрушения (РХ); разрывные машины для испытания изделий (РК); универсальные машины для испытаний материалов и исследований их механических свойств (УМ); универсальные машины для исследования конструкций (УК).

пустить создание боковой нагрузки в пределах 5—10 % от его грузо-способности. Как правило, прессы для испытаний конструкций снабжают протяженными опорными тележками для испытаний балочных конструкций. Однако громоздкость накатных тележек заставляет ограничивать испытания на изгиб по развиваемым нагрузкам. При пролетах 4—5 м они ограничиваются 20—30 % предельной нагрузки пресса.

Наиболее простыми по конструкции являются односторонние цилиндры (рис. 45). Их область распространения ограничивается простейшими формами машин: прессами, разрывными, уни-версальнйми одноходовыми. Сдвоенные оппозитные одноходовые цилиндры, перекрытые жестким ярмом (рис. 46), применяют для универсальных реверсивных машин, однако в новейших конструкциях их заменяют двусторонними симметричными или, в крайнем случае, дифференциальными цилиндрами. Дифференциальные цилиндры используют главным образом для стендовых испытаний конструкций. При этом основное их назначение — создание больших перемещений при растяжении (длинноходовые тяго-

. ' ОЦЕНКА ДИСПЕРСИИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ ДО РАЗРУШЕЖЯ

Чей более разнородными будут походные конструкции, тем менее конкретными будут результаты статистической обработки. Для уменьшения разнородности объединяется результаты испытаний конструкций, близких друг другу по своим параметрам. Другим способом уменьшения разнородности является статистическая обработка относительных разбросов несущих способностей, так как относительные разбросы обладают большей стабильностью по сравнению с абсолютными при изменении параметров конструкций. Однако прц статистической обработке относительных разбросов несущей способности имеется ряд особенностей, вследствие которых обычные статистические оценки параметров функции распределения вероятностей относительных отклонений становятся смещенными и неэффективными /1/.