Расчёт на усталость играет важную роль при проектировании работающих под действием переменной нагрузки деталей и узлов из композитных материалов. Рассматривается конечноэлементное моделирование представительного объёма материала, находящегося в напряжённо деформируемом состоянии, соответствующем эксплуатационным условиям. На этом основана методика расчёта полимеркомпозитов на многоцикловую усталость. В работе проведены расчёты. Исследуется однонаправленный армированный композиционный материал, полученный термическим отверждением эпоксидного связующего, усиленного стекловолокном. Механические свойства материалов такого рода (в том числе усталостная долговечность) в весьма значительной степени зависят от технологии изготовления. В работе приведён расчёт, позволяющий оценить изменение прочностных свойств на усталостную долговечность при нарушении технологических требований к процентному содержанию компонентов композита.
композитный материал, многоцикловая усталость
Введение
Прочностные и жёсткостные свойства несущих элементов из полимеркомпозитных материалов в процессе эксплуатации снижаются до опасных значений. Прогноз ресурса таких элементов имеет большое практическое значение. Однако в настоящее время данная проблема не решена. Изменение прочностных и жёсткостных характеристик полимеркомпозитных лонжеронов несущего винта вертолёта связано с несколькими факторами: циклические нагрузки, воздействие окружающей среды (например, эксплуатация в условиях высокой влажности [1]) и др.
В работах, посвящённых этой теме, описываются результаты построения кривых усталости на основе экспериментов [2, 3] и моделирования этих свойств — например, конечноэлементного [3, 4]. Современные конечноэлементные программные комплексы позволяют проводить расчёты на усталостную прочность конструкций. При этом усталостные свойства составляющих их материалов должны быть известны. Однако иногда соответствующая информация о компонентах композитов отсутствует, поэтому требуются либо дополнительные эксперименты, либо решение обратных задач для идентификации этих свойств на основе кривых усталости композита. Отдельной проблемой является моделирование интерфейсных слоёв между матрицей и армирующим волокном [5, 6], особенно при наличии повреждений.
В работе рассматривается композиционный материал, усиленный однонаправленными нитями. В ANSYS Workbench с помощью выделения представительного объёма материала рассчитывается усталостная прочность. Проведены две серии расчётов. Первая — для модельного материала, вторая — для полимеркомпозита, полученного термическим отверждением эпоксидного связующего, усиленного стекловолокном. Диапазон напряжений выбран с учётом характерных нагрузок на лонжерон лопасти несущего винта вертолёта. Получены зависимости числа циклов безотказной работы от интенсивности нагрузки.
1. Kim Hyo Jin. Effect of water absorption fatigue on mechanical properties of sisal textilereinforced composites / Kim Hyo Jin, Seo Do Won // International Journal of Fatigue. - 2006. - № 28. - P. 1307-1314.
2. Bathias, C. An engineering point of view about fatigue of polymer matrix composite materials / C. Bathias // International Journal of Fatigue. - 2006. - № 28. - P. 1094-1099.
3. Paepegem, W. van. Finite element approach for modelling fatigue damage in fibre-reinforced composite materials / W. van Paepegem, J. Degrieck, P. De Baets // Composites. - 2001. - Part B, no. 32. - Pp. 575-588.
4. Sekine, H. Numerical simulation study of fatigue crack growth behavior of cracked aluminum panels repaired with a FRP composite patch using combined BEM/FEM / H. Sekine, B. Yan, T. Yasuho // Engineering Fracture Mechanics. - 2005. - № 72. - P. 2549-2563.
5. Buryan, O.-K. Modeling of the interphase of polymer-matrix composites: determination of its structure and mechanical properties / O.-K. Buryan, V. U. Novikov // Mechanics of Composite Materials. - 2002. - Vol. 38, № 3. - P. 187-198.
6. Alvarez, V.-A. Dynamic mechanical properties and interphase fiber/matrix evaluation of unidirectional glass fiber/epoxy composites / V.-A. Alvarez, M.-E. Valdez, A. Vázquez // Polymer Testing. - 2003. - № 22. - P. 611-615.
7. Новацкий, В. Теория упругости / В. Новацкий. - Москва : Мир, 1975. - С. 106-110.
8. Gran, S. A Course in Ocean Engineering [Электронный ресурс] / S. Gran. - Режим доступа : http://www.dnv.no/ocean/course.htm (дата обращения: 21.03.13).
9. Чигарев А. В., Кравчук А. С., Смалюк А. Я. ANSYS для инженеров : справоч. Пособие / А. В. Чигарев, А. С. Кравчук, А. Ф. Смалюк. - Москва : Машиностроение-1, 2004. - 512 с.
