Способ определения усталостной поврежденности композиционного материала

 

Изобретение отне:,у.тся ч области испытаний , к способам определения усталостной поврежденное™ композиционных материалов . Цель изобретения - повышение точности путем учета различия свойств наполнителя и связующего. Циклически нагружают в жестком режиме с отнулевыми циклами образец материала. Уменьшают частоту и определяют предельное максимальное напряжение цикла. Увеличивают частоту и определяют предельную амплитуду цикла напряжения. Учитывая изменения двух указанных величин, расчетным путем определяют изменения жесткостей связующего и заполнителя. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 N 3/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КСМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Д ,фм 4- (Л ОО (Я ( (21) 4876138/28 (22) 22.10.90 (46) 30.06.92. Бюл. ¹ 24 (72) Д.А. Поспелов (53) 620.178(088.8) (56) Рейфснайдер К, Повреждение конструкций из композитов в процессе эксплуатации. — Сб. Прикладная механика композитов, M,: Мир, 1989, с, 108 — 142. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПОВРЕЖДЕННОСТИ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА (57) Изобретение относится;.: области испытаний, к способам определения усталостной

Изобретение относится к механическим испытаниям, к способам определения усталостной поврежденности.

Известны способы определения усталостной поврежденности, при которых циклически нагружают партию образцов и при различных наработках определяют остаточную прочность образцов, Ro которой судят об усталостной поврежденности материала в зависимости от наработки.

Недостатком таких способов является то, что они требуют разрушения образцов.

В результате такие способы не позволяют получить индивидуальные зависимости усталостной поврежденности объектов испытания.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения усталостной поврежденности композиционного материала, при котором материал циклически нагружают, периодически определяют. Ж 1744585 А1 поврежденности композиционных материалов, Цель изобретения — повышение точнасти путем учета различия свойств наполнителя и связующего. Циклически нагружают в жестком режиме с отнулевыми циклами образец материала. Уменьшают частоту и определяют предельное максимальное напряжение цикла. Увеличивают частоту и определяют предельную амплитуду цикла напряжения, Учитывая изменения двух указанных величин, расчетным путем определяют изменения жесткостей связующего и наполнителя, 3 ил, характеристики жесткости, па котарь|м судя г об усталастнай поврежденности.

Недостатком прототипа является то, ч"о с ега помощью определяется интегральная жесткость материала, что не позволяе1 при испытании образцов композиционных материалов достаточно обоснованно судить а накопленной поврежденности, поскольку у композиционных материалов жесткость меняется как вследствие изменения упругих характеристик, так и развития релаксационных процессов.

Цель изобретения — повышение точности путем учета различия характеристик наполнителя и связующего.

На фиг, 1 показан вид зависимости деформации ат времени; на фиг. 2 — относительное расположение циклов деформации и напряжения при частотах, близких к нулю; на фиг, 3 — относительное расположение циклов деформации и напряжения при высоких частотах, 1744585

Устройство для реализации способа представляет собой стандартную испытательную машину для циклического нагружения в жестком режиме с регулируемой частотой нагружения, снабженную средствами измерения параметров цикла напряжения, Способ реализуется следующим образом, Образец (или элемент конструкции) нагружают в жестком режиме пульсирующим циклом до того, как он приобретет некоторую поврежденность, и в состоянии, когда он приобрел усталостную поврежденность.

Уменьшают частоту и определяют отношение максимального напряжения и максимальной деформации. Определяют предел этого отношения при стремлении частоты к нулю, Реально период колебаний должен превосходить время релаксации материала, в этом случае указанное отношение близко к предельному. Увеличивают частоту и определяют отношение амплитуды цикла напряжений. Определяют предельное отношение при стремлении частоты к бесконечности.

Реально, отношение будет близко к предельному при выполнении условия ceto»1, где t — время раксации материала, в — круговая частота нагружения. О поврежденности наполнителя судят по изменению величины

А= (1) а = lim а (в), И О где а — амплитуда цикла напряжения, а о поврежденности связующего судят по изменению величины

В =А — — "", (2) .о где Омакс = lim Омакс (u))

И уО омакс- максимальное напряжение цикла, Предлагаемый способ основан на следующих свойствах композиционного материала. Известно, что композиционные материалы проявляют реологические свойства, При жестком режиме зависимость напряжения o(t) от деформации е (t) можно описать соотношениями линейной вязкоупругости с помощью следующего соотношения: т

o (t) = E e (t) f R (t — г) я () dr, (3) о где R (t) — ядро релаксации;

E — модуль упругости.

Ядро релаксации может быть представлено в виде

К(т)=яое / о, (4) где Rp — константа материала;

tp — время релаксации.

При нагружении материала в жестком

5 режиме с отнулевыми циклами деформации деформация зависит от времени по закону

8 (l) = ео (1 — соз cU t), (5) где в- круговая частота нагружения.

Подстановка (5) и (4) в (3) позволяет пол10 учить зависимость

0 (t) = Efp — Ro to ео ° .(1 — (1 ",) е ") +

1 +OPò, +(Е) ео сов ют+

"+ to

2 (6)

1 +йРt2p

При увеличении частоты, при справедливости соотношений

C0tp» 1; t» tp, соотношение (6) приобретет вид

ОЯ) = Е Ео Rp tp о Е ео сов в t, Амплитуда колебаний напряжений а =Еео. или

= в

Ео

При уменьшении частоты, при ж р < (1, соотношения (6) приобретает вид

35 o (t) = E o Rp tp Ep— (E о Rp о о) COS в t =

= (Š— R, t,) е (t) .

Отсюда следует, что

Омакс

Таким образом, изменение величины А,определяемой соотношением (1), характеризует изменение .упругой части жесткости образца, что, как показали многочисленные исследования, характеризует в первую очередь поврежденность наполнителя. При высоких частотах нагружения происходит некоторый разогрев материала (как показали проведенные исследования, разогрев составил величину 30-40 К), что практически не сказывается на изменении Е, но существенно (более чем в 2 раза) изменяет характеристики релаксации. Если вычесть из величины А величину В, определяемую из

55 формулы (2), останется величина В, изменение которой, как показали исследования, характеризуют поврежденность связующего. Таким образом, предлагаемый способ

1744585

55 позволяет раздельно определить поврежденность наполнителя и связующего.

Пример. Циклическому нагружению подвергались образцы стеклопластики (ППН+ЭДТ-10), to=7 с, круговая частота на- 5 гружения 1 Гц, Циклическая поврежденность создавалась нагружением в течение

10 циклов.

До и после этого частота увеличивалась до 10 Гц (cutp=440»1) и уменьшалась до 0,02 10

Гц(йа =0;088«1). Определялось изменение величины А и В. Изменение величины А составило 2, а величина В изменилась на

35%, что свидетельствует о том, что наполнитель слабо накопил поврежденность, а 15 связующее — существенно. После дополнительного нагружения в течение 2 ° 10 циклов

4 операции определения изменения А и В были повторены. В этом случае изменение А составило 7%, а величины В 40%, что озна- 20 чает, что наполнитель начал процесс накопления поврежденности, а в связующем скорость роста приостановилась, поскольку связующее растрескалось — наступило насыщение роста поврежденности. 25

Таким образом, предлагаемый способ позволяет производить селекцию поврежденностей наполнителя и связующего.

Формула изобретения

Способ определения усталостной поврежденности композитного материала, заключающийся в том, что образец материала циклически нагружают, изменяют параметр цикла и определяют изменение характеристики жесткости материала, по которому судят.о его поврежденности, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения точности путем учета различия свойств наполнителя и связующего, нагружение осуществляют в жестком режиме с отнулевыми циклами деформаций при изменяющихся частотах нагружения, а в качестве характеристики жесткости определяют параметры А и В жесткости соответственно наполнителя и связующего из следующих соотношений:

А =а /я ;

В = A Омаксl где а — предельная амплитуда цикла напряжения при максимальной частоте нагружения; о я — максимальная деформация цикла;

Омакс предельное максимальное напряжение цикла при минимальной частоте нагружения.

1744585 бср—

Фиг. 3

Составитель Д,Поспелов

Редактор Н.Киштулинец Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Заказ 2192 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4i5

Производственно-издательский комбинат "Пате .т", г. Ужгород, ул. Гагарина 01