Денисов Денис: Сложные деформации в композиционных материалах

Введение

Долгое время традиционным требованием при проектировании конструкции было обеспечение

прочности, причем под словом «прочность» понималась способность выдерживать заданные нагрузки без изменения формы и характерных размеров, включая как изменения, связанные с пластическим деформированием, так и разделение деталей на части вследствие распространения трещин.

Для обеспечения этого требования достаточно было расчетов на прочность по допускаемым напряжениям, в большинстве случаев – в линейно-упругой постановке. По мере развития возможностей проектирования ситуация усложнилась. Так, переход к определению «прочность есть способность конструкции выполнять заданные функции в заданных условиях в течение заданного времени» потребовал учета возможного пластического деформирования материала и образования трещин – с проверкой того, являются ли возникающие перемещения опасными с точки зрения функционирования конструкции, приводит ли рост трещин за заданный срок к разгерметизации, это привело к многократному усложнению расчетов и повышению требований к исходным данным, в частности – к объему информации о поведении материалов в различных условиях.

Теоретико-экспериментальная основа для этого была заложена работами ряда крупных ученых. Так, в области экспериментального исследования свойств материалов, необходимых для опи-

сания разрушения, невозможно необходимо работы по условиям зарождения трещин (Серенсен С.В., Катаев В.П., Гусенков А.П, Колмогоров В.Л. и др.) и работы по определению условий продвижения уже существующих трещин (систематические исследования, выполненные под руководством Махутова Н.А., работы Эрдогана Ф.Н. и др.) Расчетные методики, описывающие разрушение, созданы специалистами в области механики разрушения Морозовым Е.М., Партоном В.З., Черепановым Г.С., Броеком В.Д., Дагдейлом Д.С., Леоновым М.Я., Панасюком В.В., и др.), а также в области численных методов и реализующих их программных комплексов (Зенкевичем О.К., Белычко Т., Атлури С.Н.).

Автором рассматривается одна из частных задач данного класса – задача создания конструкций из композиционных материалов, разрушение которых происходит в заданных условиях заданным образом. Под «разрушением» здесь понимается разделение конструкции на части вследствие образования и развития трещин. При этом, в отличие от традиционно рассматриваемых задач обеспечения прочности, ограничения на разрушающую нагрузку являются двусторонними (предельная нагрузка ограничена как снизу, так и сверху), и различными для разных случаев нагружения. Кроме того, лимитируется механизм разрушения конструкции предписывается создание определенной системы трещин, разделяющей конструкцию на фрагменты заданного размера.

Проектируемая конструкция представляет собой крышку пускового контейнера изделия. При

старте изделия крышка должна разрушаться за счет создания небольшого избыточного давления внутри контейнера, гарантированно освобождая отверстие заданного диаметра (на 50 мм меньше диаметра крышки при диаметре около одного метра). Масса каждого из фрагментов разрушенной крышки не должна превышать 0.5 кг. Кроме того, крышка должна удовлетворять условиям прочности и герметичности при воздействии внутреннего давления, составляющего 0,5 от разрушающего, и внешнего давления, в два раза превышающего разрушающее внутреннее давление. Конструкция должна быть работоспособна климатическом диапазоне изменения температур – от -40 до +50С.

Новая постановка проблемы – проектирование с учетом последующего разрушения – потребовала отработки методик решения и решения следующих задач:

• изучения свойств материала в рассматриваемых условиях. В отличие от многих исследований такое изучение не может быть ограничено начальной стадией деформирования (используемой в

случае, когда появление пластических деформаций недопустимо с точки зрения работы конструкции), и требует описания разрушения материала в различных условиях. Для рассматриваемой конкретной задачи, проектирования крышки, особенностями задачи являются недостаток стандартизованных методик испытаний и данных о механических характеристиках материала. Еще одной особенностью является высокая податливость материала, что требует коррекции методик испытаний, ориентированных обычно на достаточно жесткие металлические (керамические) образцы;

• разработки методики расчета конструкции, учитывающей как особенности материала, так и

особенности поведения конструкции: большие перемещения (геометрическая нелинейность задачи, когда в пластине, кроме изгиба, может возникать, связанное с этим, растяжение – мембранные эффекты); разрушение материала и перераспределение напряжений. Отметим, что в настоящее время существует разрыв между многочисленными критериями разрушения, предлагаемыми исследователями свойств материала, и их реализацией в расчетных пакетах программ. Так, задачи анализа возможности страгивания трещины заданной длины с использованием методов механики разрушения рядом пакетов программ решаются, а анализ развития трещины, в том числе – динамического, реализован пока в отдельных исследовательских пакетах, зачастую не обладающими другими необходимыми свойствами;

• экспериментальной проверки разрабатываемых методик расчета, поскольку решение поставленных расчетных задач не может быть получено без использования ряда достаточно грубых допущений;
• организации процесса последовательных приближений к решению и получения удовлетво-

рительного решения поставленной технической задачи.

План Работы

• 1. Расчет прочности. Определение запаса прочности.
• 1.1 Определение физико-механических характеристик материала.
• 1.2 Определение снижения физико-механических характеристик материала за срок службы.
• 1.3 Определение свойства соединения «стеклопластик – НВК-11 – стеклопластик».
• 1.4 Расчет прочности при действии наружного гидростатического давления 6,0 Мпа.
• 1.4.1 Расчет прочности методом конечных элементов с помощью программы COSMOSWorks Manager (модуль определения прочности программы SolidWorks)
• 1.4.2 Дополнительно с целью повышения достоверности результата расчет прочности с помощью методов строительной механики (Канторович, Лизин-Пяткин).
• 1.4.3 Определение исходных данных по геометрии, нагрузкам и жесткости (податливости) оболочек, фланцев и болтового соединения.
• 1.4.4 Определение внутренних усилий и напряжений в куполе крышки.
• 1.5 Расчет прочности при действии внутреннего избыточного давления 0,05 МПа с помощью программы COSMOSWorks Manager.
• 1.6 Расчет крышки на устойчивость.
• 1.7 Расчет крышки на инерционные нагрузки.
• 1.8 Температурное нагружение крышки от -40С до +50С.
• 1.9 Вибрационные нагрузки. Определение собственных частот разрушаемой крышки с помощью программы COSMOSWorks Manager.
• 2. Программа испытаний.
• 2.1 Испытания на прочность и герметичность.
• 2.2 Испытания на ударные воздействия и вибрационные нагрузки.
• 2.3 Бросковые испытания разрушаемой крышки в составе транспортно-пускового стакана.
• 2.4 Ускоренные климатические и температурные испытания.

Заключение

• Полученные результаты могут быть использованы для расчета и проектирования других барьерных элементов конструкций в виде пластин и пологих оболочек различного назначения.