Obrabotka Metallov 2014 No. 1

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 1 (62) 2014 70 ОБОРУДОВАНИЕ использование, в частности, критерия Аззи–Цая не предполагает знания экс- периментально определяемых параме- тров кроме паспортных данных моно- слоя. Это существенно облегчает задачу расчетчика, поскольку зачастую извест- ны паспортные данные монослоя. Более сложной представляется си- туация с элементами конструкций, вы- полненных из СКМ, содержащих кон- центраторы напряжений, в особенности концентраторы, отличные от отверстий, не содержащих включений, например, цилиндрические или зенкованные от- верстия, заполненные болтом. Для ши- рокого круга конструктивных концентраторов напряжений в первую очередь встает вопрос, на- сколько тот или иной концентратор напряжений снижает несущую способность элемента кон- струкции. В настоящей работе предложена численно- экспериментальная оценка прочности образцов с вышеуказанными концентраторами, основан- ная на результатах экспериментов и численном моделировании задачи определения несущей способности исследуемых образцов с использо- ванием критериев разрушения. Численная реа- лизация задачи осуществлялась методом конеч- ных элементов (МКЭ). По итогам проведенного эксперимента составлена таблица коэффициен- тов падения прочности, свидетельствующая о зависимости несущей способности образцов от наличия КН. Аналогичная таблица составлена для результатов, полученных численным путем. 1. Методика и результаты исследования Для испытания были представлены типовые многослойные образцы, выполненные из мате- риалов, используемых в авиационных конструк- циях, на основе углеволокна и эпоксидной смо- лы следующих укладок (механические свойства указаны в табл. 1): типовая (51 слой):  0° – 41,2 %; ±45° – 39,2 %; 90° – 19,6 %; квазиизотропная (51 слой): 0° – 27,5 %; ±45° – 47,0 %; 90° – 25,5 %; сдвиговая (51 слой): 0° – 11,8 %; ±45° – 78,4 %; 90° – 9,8 %. В центральной части образцов размером 210 × 36 мм (группа образцов на растяжение) и 300 × 36 мм (на сжатие) содержится одиночный концентратор напряжений (цилиндрическое не- заполненное (ЦН), цилиндрическое заполненное (ЦЗ), зенкованное незаполненное (ЗН) и зенко- ванное заполненное (ЗЗ) отверстия) с диаметром отверстия 6 мм (с цилиндрической стороны). Испытания представленных образцов были проведены c целью определения величины па- дения прочности, обусловленного наличием конструктивных отверстий, в изделиях из ПКМ на универсальной электрогидравлической ма- шине Biss UTM-100kN. Нагружение образцов выполнялось с применением гидрозахватов, при этом скорость перемещения штока составля- ла 6 мм/мин. Для определения модуля упругости гладких образцов (ГО) на рабочую часть образца устанавливался экстензометр с базой 25 мм. Фо- тографии образцов, иллюстрирующие характер разрушения после проведения испытаний, пред- ставлены на рис. 1. В табл. 2 приведены коэффициенты потери (падения) прочности k образцов при наличии КН, которые представляют собой отношение разрушающего напряжения для образца с КН к прочности гладкого образца. Сопоставление коэффициентов потери проч- ности для образцов с КН показывает, что отвер- стия существенно снизили прочность образцов по сравнению с прочностью гладких образцов. Степень снижения прочности зависит от вида нагружения (растяжение/сжатие), укладки сло- ев, типа отверстия (цилиндрическое/зенкован- ное) и наличия в отверстии болта. Т а б л и ц а 1 Механические характеристики материала монослоев δ, мм σ 1в+ , МПа Е 1+ , МПа σ 2в+ , МПа Е 2+ , МПа µ 12 0,14–0,15 1763 126530 51,02 8160 0,33 σ 1в– , МПа Е 1в– , МПа σ 2в– , МПа Е 2– , МПа τ в12 , МПа G 12 , МПа 1428,6 102040 295,9 8060 88 3877 Примечание : δ – толщина монослоя; µ – коэффициент Пуассона; σ в+ , σ в– , τ в , – предел прочности на растяжение, сжатие, сдвиг; Е + , Е - , G – модуль упругости на растяжение, сжатие, сдвиг; 1, 2, 3 – оси местной системы координат вдоль волокон, поперек волокон, по высоте.