Однонаправленно армированных

также концентрация напряжений вблизи кругового отверстия в однонаправленном композите, нагружаемом под различными углами и в условиях двухосного нагружения. Коэффициенты концентрации напряжений показаны на рис. 11 для двухосного и на рис. 12 для одноосного нагружения. Значком О обозначены точки, в которых концентрация напряжений настолько велика,

сто — окружные напряжения на краю отверстия в сечении, составляющем угол 9 с осью х ах — напряжения в слое или однонаправленном композите под углом а к направлению армирования Of — разрушающие напряжения в волокне 00 — разрушающие напряжения в слоистом композите ао> то — предельные напряжения, соответствующие критерию максимальных деформаций

Подразумевается также, что x't и х{ лежат в плоскости (х, у). Для удобства приведем здесь полный набор выражений для различных компонент Qap через технические константы для ор-тотропного материала, каким является армированный параллельными волокнами слой композита. Относительно лежащих в плоскостях упругой симметрии осей х, у, z (одна из этих осей параллельна волокнам в однонаправленном композите) имеем следующие выражения [26]:

Канович М. 3., Колтунов М. А., Рогинский С. Л., Исследование плотности укладки волокон в однонаправленном композите, Мех. полим., № 3 (1976).

Полилов А. Н., Продольная трещина в однонаправленном композите, Машиноведение, № 4 (1975).

Рис. 16. Рост трещины в однонаправленном композите (Скотч-плай 1002) при комбинированном нагружении.

Однако в анизотропных композитах наиболее вероятен рост субкритических трещин, расположенных в направлении совпадения вектора напряжений <5° и вектора прочности ,$F. Направление роста будет следовать преобладающему виду разрушения композита под действием заданного напряжения <5°'. На рис. 18, б показано направление распространения трещины в однонаправленном композите для случая, когда преобладающее разрушение происходит вдоль волокон, и, следовательно, направление роста трещины, грубо говоря, все еще коллинеарно основной трещине.

В большинстве случаев практического применения волокнистых композитов объемная доля волокон велика, и они воспринимают большую часть нагрузки. Функция матрицы состоит в том, чтобы удерживать волокна вместе и передавать нагрузку от разрушенных волокон на окружающие при помощи сдвиговых напряжений вблизи мест разрывов. Это действительно так, если большинство волокон непрерывные и нагрузка прикладывается в направлении их укладки. Если они разрывны или нагрузка прикладывается не в направлении волокон (в однонаправленном композите или армированном под углом), то материал матрицы в значительной степени участвует в восприятии приложенной нагрузки. Большая часть настоящей главы посвящена однонаправленным волокнистым композитам, нагруженным в направлении волокон, поэтому роль материала матрицы здесь ограничивается перераспределением нагрузок около концов разорванных волокон (или около мест разрывов при армировании короткими волокнами).

Круговое отверстие, так же как и надрез, можно характеризовать числом перерезанных волокон. Интуиция подсказывает, что коэффициент концентрации напряжений скорее всего является функцией числа перерезанных волокон, и следовательно, диаметра отверстия. Задача определения коэффициента концентрации напряжений у кругового отверстия в однонаправленном композите [38] успешно решена при помощи метода, предложенного в [36]. На рис. 2.9 показано изменение расчетного коэффициента концентрации напряжений в зависимости от числа перерезанных волокон (диаметра отверстия). Рост коэффициента концентрации напряжений с увеличением размера кругового отверстия менее значителен, чем в случае увеличения длины надреза. Видно, что для отверстий большого диаметра расчетная величина коэффициента концентрации напряжений не возрастает неограниченно, а достигает асимптотического значения.

Ранее было показано, что для кругового отверстия в однонаправленном композите неоднородность материала объясняет некоторые парадоксальные явления разрушения, наблюдаемые в экспериментах. Хотя подход классической механики разрушения на микроуровне и отражает в принципе неоднородность материала, его практическое применение наталкивается на аналитические и вычислительные трудности. Поэтому следует избрать компромиссный путь, позволяющий учесть неоднородность материала и в то же время по сложности методики остающийся в пределах возможностей и понимания конструктора.

В настоящее время интенсивно исследуется применение метода ^-кривых. Поскольку условия задачи распространения трещин параллельно направлению армирования в однонаправленном композите не противоречат основным положениям механики разрушения, не удивительно, что применение к такой задаче более совершенных теорий приводит к очень хорошим результатам. Отсутствие различий в описании экспериментов на слоистых композитах со схемами армирования, более сложными, чем однонаправленная, при помощи приближенных и более точных теорий разрушения наводит на мысль, что многие особенности поведения слоистых композитов еще не учтены существующими теориями. Поэтому следует уделять должное внимание сопоставлению предлагае-

в однонаправленном композите после охлаждения на 153 °С от температуры, соответствующей отсутствию усадочных напряжений. Средние напряжения в направлении армирования в волокне и матрице приблизительно одинаковы, но противоположны по знаку. Максимальные нормальные напряжения в поперечных направлениях выше, чем в направлении армирования и в среднем не равны нулю вдоль любой стороны рассматриваемого повторяющегося элемента структуры. Ни одной из компонент напряжения в данном материале нельзя пренебречь, если учесть, что температурный перепад в 153°С обычен для цикла отверждения промышленного полуфабриката и что предельные напряжения материала матрицы составляют около 69 Н/мм2 (104 фунт/дюйм2).

3. Статические и динамические модули слоистых балок можно определить по данным, полученным для однонаправленно армированных слоев с использованием элементарной теоремы изгиба анизотропных балок.

Представлена краткая история и обзор модифицированной механики раз рушения Гриффитса — Ирвина. Подчеркнуто значение коэффициента интенсивности напряжений и скорости высвобождения энергии деформирования в механике разрушения изотропных и анизотропных материалов. Кратко изложена эмпирическая трактовка процесса усталостного роста трещины в изотропной среде. Затем перечислены противоречия между основными предпосылками классической теории разрушения и особенностями протекания процесса разрушения в многофазных слоистых материалах. Тем самым показана необходимость некоторого смягчения исходных предпосылок теории разрушения, которое позволило бы создать практически применимые подходы для решения задач разрушения композитов. Очень кратко, вследствие неприменимости непосредственно к решению инженерных задач, изложены основные результаты, полученные при помощи методов микромеханики, позволяющих исследовать процессы взаимодействия между трещиной, волокном и связующим в бесконечной среде. Далее описаны основные концепции современных макромеханических подходов для описания процесса разрушения композитов. Отмечено, что все подходы, расчеты по которым находятся в соответствии с экспериментальными данными, исключают из рассмотрения нелинейную зону или зону разрушения у кончика трещины. Более сложные теории (с учетом критического объема, плотности энергии деформирования) наилучшим образом согласуются с экспериментами на однонаправленно армированных композитах, когда трещины распространяются параллельно волокнам. Эти теории также хорошо описывают нагружение слоистых композитов под углом к направлению армирования, когда преобладающее влияние на процесс разрушения оказывает растрескивание полимерной матрицы. Расчеты по двум приближенным теориям (гипотетической трещины и критического расстояния) и комбинированному методу (модель тонкой пластической зоны) сравниваются с данными, полученными при испытании слоистых композитов с симметричной схемой армирования [±6°]s. Приведены данные о хорошем соответствии степенной аппроксимации, применяемой для описания скорости роста трещины, результатам испытаний на усталость слоистых композитов с концентраторами напряжений.

При продольном сдвиге монослоя исчерпание прочности связующего в точках максимальной концентрации напряжений не приводит к лавинообразному разрушению материала, а влечет за собой условное течение связующего и перераспределение поля напряжений в моно-елое. Экспериментально установлено, что в результате условного течения связующего прочность при продольном сдвиге однонаправленно армированных пластиков в пределах разброса можно считать равной прочности связующего при сдвиге тт. Следовательно, концентрация напряжений в пластике при сдвиге как бы не проявляется и не влияет на его прочность. В таком случае можно принимать х = 1.

тальные данные [34], полученные при испытании однонаправленно армированных намоточных трубчатых стеклопластиковых образцов на кручение и растяжение. Теоретические кривые построены по зависимостям (5.1.93) - (5.1.95) при выборе ядра ползучести связующего в виде

3. Булаве Ф. Я., Радиньш И. Г. Микромеханика ползучести однонаправленно армированных пластиков при продольном сдвиге // Механика армированных пластиков. Рига: Рижский политех, ик-т, 1981. С. 19-26.

13. Максимов Р. Д., Шуме Э. 3., Пономарев В. М. Прочностные свойства однонаправленно армированных гибридных композитов //

Многие из изделий, промышленное производство которых основано на формовании ЛФМ из рубленого волокна, открывают очень широкие возможности для внедрения в ряде отраслей промышленности однонаправленно армированных непрерывным волокном композитных полуфабрикатов. Для их получения разрабатываются машины, которые непрерывно пропитывают и формуют полуфабрикат в виде полос для последующей переработки.

Ниже излагаются результаты исследования влияния одного варианта начальных несовершенств на критические значения осевого и радиального давлений при их раздельном действии на цилиндрическую оболочку, составленную из однонаправленно армированных слоев. Исследование проведено по аналогии с [5] , где применялась методика численного решения задач устойчивости [б] для оболочек с произвольной конфигурацией образующей.

В работе[260] такое же решение приведено для однонаправленно армированных композитов с изотропными и трансверсально-изотропны-ми волокнами.

Механического поведения композитов, связанные с закритическим деформированием однонаправленно армированных слоев

11.4. Условия разупрочнения однонаправленно армированных слоев 259

т. е. толщины слоев, симметрично расположенных относительно срединной поверхности пакета, равны, а неортотропные компоненты тензоров жесткостей этих слоев имеют противоположные знаки (рис. 1.13). Такая ситуация характерна, например, для физически однородных пакетов, составленных из однонаправленно армированных слоев, если