Предсказания прочности

Поведение прогнозируемых объектов существенно зависит от их взаимодействия с окружающей средой, а также характера и интенсивности процессов эксплуатации. Для предсказания поведения составных частей оборудования и элементов конструкций необходимо рассматривать процессы деформирования, изнашивания, накопления повреждений и разрушения при переменных нагрузках, температурах и других внешних воздействиях. Чтобы судить о показателях безотказности и долговечности объекта в целом, недостаточно знать только показатели отдельных элементов. К тому же, многие конструкции уникальны или малосерийны, их блоки и агрегаты слишком громоздки или дороги, поэтому нельзя рассчитывать на накопление статистической информации на основе их стендовых или натурных испытаний. В связи с этим для оценки показателей безотказности и долговечности механических систем применяют в основном рас-четно-теоретический метод, основанный на статистических данных относительно свойств материалов, нагрузок и воздействий.

Поведение прогнозируемых объектов существенно зависит от их взаимодействия с окружающей средой, а также характера и интенсивности процессов эксплуатации. Для предсказания поведения составных частей оборудования и элементов конструкций необходимо рассматривать процессы деформирования, изнашивания, накопления повреждений и разрушения при переменных нагрузках, температурах и других внешних воздействиях. Чтобы судить о показателях безотказности и долговечности объекта в целом, недостаточно знать только показатели отдельных элементов. К тому же, многие конструкции уникальны или малосерийны, их блоки и агрегаты слишком громоздки или дороги, поэтому нельзя рассчитывать на накопление статистической информации на основе их стендовых или натурных испытаний. В связи с этим для опенки показателей безотказности и долговечности механических систем применяют в основном рас-четно-теоретический метод, основанный на статистических данных относительно свойств материалов, нагрузок и воздействий.

Так же, как и в общем случае расчета конструкций из композиционных материалов, анализ перечисленных выше элементов включает некоторые основные положения. Необходимо прежде всего учитывать анизотропию материала, а также определить тот уровень, до которого должны быть описаны свойства конкретной 'рассматриваемой системы. Важно использовать только те термоупругие свойства, которые позволяют наилучшим способом описать композиционный материал и основаны на большом количестве экспериментальных данных [10, 71 ]. В этом смысле необходимо обращать особое внимание на построение математической модели конструкции. Удачная расчетная модель создает возможности для наиболее точного предсказания поведения конструкции из композиционного материала.

Такой спо.соб определения свойств матрицы по испытанию материала матрицы как целого и использование полученных результатов для предсказания поведения материала в композите имеет недостатки. Один из них состоит в том, что невозможно воспроизвести в целом опытном образце то же самое поле напряжений, которое существует и в композите, например вблизи концов разорванного волокна. Другой недостаток состоит в том, что неизвестно влияние связи или границы раздела между волокнами и матрицей, которая может изменить кажущиеся свойства матрицы. Эти недостатки возникают не только при исследовании

В [27] исследована проблема определения свойств матрицы и установлено соответствие между длительной прочностью при сдвиге меди, испытанной независимо (рис. 11, а), и меди, испытанной в образцах на вытаскивание (рис. 11, б). Образцы на вытаскивание были сделаны так: высверливали отверстие в вольфрамовой головке, соединяли с вольфрамовой проволокой диаметром в 0,010 дюйм и с медной OFHC втулкой и проводили запрессовку при соответствующих условиях. Такие образцы на вытаскивание сконструированы для того, чтобы попытаться воспроизвести условия, возникающие вокруг одного волокна в композите с правильным порядком чередования разрывных волокон. Изменением диаметра высверленного отверстия могут быть воспроизведены условия различного объемного содержания волокна. Результаты приведены на рис. 12. Можно видеть, что при 649 °С соответствие хорошее, но его не наблюдается при 816 °С. Последнее есть ясное указание на возможные ошибки, которые могут появиться, если использовать результаты, полученные лишь на одной серии экспериментальных устройств, для предсказания поведения материала при^других условиях.

результатов для количественного предсказания поведения композита при разрушении?». При помощи предложенной модели уже на этапе ее предварительной разработки получено сравнительно хорошее соответствие результатам экспериментов. Поэтому можно уверенно утверждать, что рассмотренная квазигетерогенная модель после доработки и совершенствования позволит эффективно предсказывать процесс разрушения слоистых композитов.

В третьем подходе осуществляется переход на микроуровень для предсказания поведения слоя через неупругие свойства составляющих его компонент при помощи микромеханического анализа [20] (подход детально рассмотрен в гл. 7).

3) выброс генерировался в зависимости от анализируемой ситуации. При аварии из-за коррозии выбросы генерировались с использованием логарифмически нормального распределения с учетом формул истечения газа из отверстия при заданном давлении. Для условий полного разрыва использовались предварительно рассчитанные значения. Неприятным осложнением здесь были разногласия относительно корректного метода предсказания поведения струи газа;

Почти два века назад знаменитый французский ученый П. Лаплас придумал мистическое существо — демон Лапласа, который, зная начальные скорости, положения и законы взаимодействия всех атомов Вселенной, смог бы, решая уравнения Ньютона, предсказывать будущее. На современном языке демон Лапласа всего лишь одушевленная модель исключительно мощного компьютера. Но технически человечество по-прежнему очень далеко от реализации грандиозного проекта. Всей компьютерной мощи планеты не хватит даже для детального предсказания поведения молекул одного моля газа. Системы, с которыми «управляются» сегодняшние компьютеры, состоят максимум из 104—105 частиц.

и его составляющих. Таковы модели строительной механики, широко применяемые в расчетах машин и конструкций. Силовое и кинематическое взаимодействие элементов машин и конструкций носит сложный характер. Поведение этих объектов существенным образом зависит от их взаимодействия с окружающей средой, от характера и интенсивности процессов эксплуатации. Для предсказания поведения деталей машин и элементов нужно рассматривать процессы деформирования, изнашивания, накопления повреждений и разрушения при переменных нагрузках, температурных и других внешних воздействиях. Основной путь для оценки показателей надежности механических систем - расчетно-теоретический, основанный на физических моделях и статистических данных относительно свойств материалов, нагрузок и воздействий.

Машины и конструкции целиком или в основной части представляют собой механические системы. Вопросы надежности впервые были поставлены именно при расчетах механических систем, точнее, в связи со статистическим истолкованием коэффициентов запаса и допускаемых напряжений. Поведение механических систем существенно зависит от их взаимодействия с окружающей средой, а также характера и интенсивности процессов эксплуатации. Для предсказания поведения деталей машин и элементов конструкций необходимо рассматривать процессы деформирования, изнашивания, накопления повреждений и разрушения при переменных нагрузках, температурах и других внешних воздействиях. Чтобы судить о показателях

Для предсказания прочности волокнистых композитов при сложном напряженном состоянии предложено большое число теоретических и полуэмпирических критериев. Они подробно изложены в обзоре By «Эмпирические критерии прочности» (гл. 9, т. 2); Чамиса «Микромеханические теории прочности» (гл. 3, т. 5); Викарио и Тоуланда «Критерии разрушения и анализ разрушения

В данной главе излагаются микромеханические теории, применяемые для предсказания прочности однонаправленных композитов при одноосном нагружении. В этих теориях заранее предполагаются известными необходимые для расчетов свойства компонентов и считается, что направление нагружения совпадает с главными осями однонаправленного композита. Рассматриваемые прочности связаны с сопротивлением либо нагружению в плоскости, либо изгибу, либо простому сдвигу. Обсуждение относится в первую очередь к волокнистым композитам с неметаллической матрицей, в которых все волокна уложены параллельно и в одной плоскости. Однако представленные здесь микромеханические теории можно перенести и на волокнистые композиты с металлической матрицей, если при этом не нарушаются основные допущения. Некоторые описанные ниже представления могут быть также приложены к композитам с дисперсными частицами.

Цель настоящей главы состоит в описании микромеханических теорий для предсказания прочности при одноосном нагружении. Экспериментальные методы и полученные на их основе результаты будут рассмотрены лишь с целью объяснения поведения материала и их связи с теоретическими предсказаниями.

На прочность слоя влияют несколько физических характеристик, а также несколько видов возможного разрушения слоя под действием того или иного одноосного нагружения. Сочетание всех этих условий и усложняет создание теорий для предсказания прочности однонаправленного слоя на основе известных свойств компонентов.

Установление физических характеристик, влияющих на прочность слоя при одноосном нагружении, помогает создать удобную математическую модель для предсказания прочности. Эту модель можно принять в виде

IV. Предсказания прочности слоя при одноосном нагружепии

(2) правило смесей, микровыпучивание волокон, микровыпучивание слоев, расслаивание по поверхностям раздела для предсказания прочности S'tllc при сжатии;

3) Точные методы. Это в основном скорее классические методы анализа, а не методы предсказания прочности. К точным методам относятся классические теории упругости, пластичности и вязко-упругости, методы конечных элементов, механика разрушения и теории моментных напряжений. Многие из этих теорий изложены в других главах данного тома, а также в томе 2 настоящего издания.

Критерий разрушения должен удовлетворять двум основным требованиям. Первое фундаментальное требование заключается в том, что поскольку прочность есть свойство, характеризующее материал, то критерий разрушения не должен зависеть от выбора системы координат. Согласно второму требованию, в критерии разрушения должны быть сохранены тензорные свойства напряжений. Это практическое требование, определяемое нашим желанием использовать математический анализ напряжений для предсказания прочности материала в условиях сложного напряженного состояния по известным значениям прочности при простых напряженных состояниях.

Как только были созданы вычислительные программы для расчета перемещений в характерном элементе системы волокно — матрица, стало доступным рассмотреть широкий класс возможных расположений волокон и свойств компонентов. Можно исследовать частные случаи нагружения параллельно направлению укладки волокон, перпендикулярно этому направлению, случаи сдвига параллельно и перпендикулярно волокнам и случаи температурной усадки. Более общие результаты можно получить при суперпозиции этих простых видов нагружения. Таким образом, возможно определить основные константы композита, распределения напряжений и деформаций в матрице, распределение напряжений около границы раздела волокно — матрица, а также на основе различных критериев можно предсказывать разрушение. Справедливость результатов обычно проверяется точностью предсказания упругих констант однонаправленных композитов. Предсказания прочности значительно менее надежны.

Трудно дать количественную оценку распределений напряжений, изображенных на рис. 1а — 1д. Это связано с тем, что модели, принятые в качестве основы для расчетов, не очень точно соответствуют реальным композитам, в которых локальное расстояние между волокнами оказывается случайным, меняющимся от нуля (случай контактирующих волокон) до нескольких диаметров волокон. Во многих случаях размеры отдельных волокон также меняются. Свойства матрицы могут быть локально изменены вследствие абсорбции покрытия волокон. На поверхности волокон часто появляются поры. Действительные величины усадочных напряжений, возникающих при конкретном процессе производства, фактически оказываются неизвестными из-за, вероятно, существующих релаксации и изменения упругих свойств компонентов при повышенной температуре. В силу этих причин предсказания прочности становятся ненадежными.

швов) позволяет ввести принципы расчленения в организацию испытаний сварных соединений. Этот принцип заключается в следующем. Испытанию подвергают отдельный участок соединения, например с лобовым или фланговым швом, чтобы определить его прочность или пластичность, зависящие только от концентрации напряжений, вызванной формой и размерами шва. Полученная информация в дальнейшем служит для предсказания прочности сложных сварных соединений, в которых имеет место концентрация напряжений по длине швов. Эта концентрация может быть определена расчетным или экспериментальным путем. Испытание сложных сварных соединений следует рассматривать как метод контрольной проверки предсказываемых результатов и как метод определения конструкционной прочности.