Волокнистые композиты
Волокнистый композит проектируют с учётом направления нагрузки. Однонаправленный слой содержит преимущественно параллельные волокна; ткань и многослойная укладка распределяют армирование иначе. Направление 1 обычно связывают с осью волокна, направление 2 — с поперечной осью в плоскости слоя, направление 3 — с толщиной. Значения E1, E2, G12 и коэффициентов Пуассона описывают разные реакции. Один модуль «углепластика» без направления не является достаточной характеристикой.
От слоя к многослойной конструкции
Ортотропия означает наличие выделенных направлений свойств. Для слоя с длинным ориентированным волокном продольная нагрузка эффективно вовлекает армирование; поперечная и сдвиговая работа существенно зависят от матрицы и интерфейса. Поворот слоя изменяет компоненты его жёсткости в координатах детали. Пакет слоёв способен проявлять связь растяжения, сдвига и изгиба, поэтому последовательность укладки важна наряду с суммарным количеством волокна.
Обозначения 0°, 90° и ±45° определяют ориентацию относительно принятой оси конструкции, а не абсолютную «прочность» слоя. Для оценки ламината используют преобразование матриц жёсткости и модель слоистой пластины либо более подробный расчёт. Усреднять продольный модуль по углам обычным арифметическим средним нельзя: это игнорирует сдвиг и коэффициенты Пуассона.
| Параметр | Физический смысл | Что он не заменяет |
|---|---|---|
| E1 | Продольная упругая жёсткость | Продольную прочность и устойчивость |
| E2 | Поперечная жёсткость слоя | Межслойную прочность |
| G12 | Сдвиг в плоскости слоя | Прочность при сдвиге |
| Порядок укладки | Расположение ориентаций по толщине | Контроль складок, пор и отверждения |
Таблицу можно прокручивать по горизонтали →
Две идеализированные оценки жёсткости
Для условной скалярной модели примем Ef = 200 ГПа, Em = 4 ГПа и объёмную долю волокна vf = 0,55. Модель Фойгта задаёт одинаковую деформацию фаз: EV = vf Ef + (1 − vf) Em = 111,8 ГПа. Модель Рейсса задаёт одинаковое напряжение: ER = 1/[vf/Ef + (1 − vf)/Em] = 8,677 ГПа. Данные условные; обе формулы представляют предельные схемы передачи нагрузки, а не результаты испытаний марки.
Для этих скалярных моделей ER ≤ EV; отношение EV/ER = 12,885. Продольная изодеформационная оценка разумна при непрерывных соосных волокнах и совместной упругой работе. Однако ER нельзя автоматически объявлять фактическим E2 однонаправленного слоя. Реальные поперечные свойства определяются геометрией распределения фаз, их трёхмерной упругостью и связью; для строгих границ многокомпонентной упругости нужны полные тензорные характеристики.
При дополнительно заданной малой деформации ε = 0,001 модель Фойгта даёт σV = 111,8 МПа. В волокне σf = 200 МПа, в матрице σm = 4 МПа; взвешенная сумма совпадает с σV. Проверка иллюстрирует равновесие усреднённых усилий и не является проверкой прочности. Ни предельная деформация, ни допустимые напряжения из этих модулей не следуют.
Данные для применения
Перед расчётом фиксируют материал матрицы, вид армирования, объёмную долю, влажность, температуру, направление и режим испытания. Повреждение матрицы, разрыв волокна, отслоение и потеря устойчивости имеют разные критерии. После удара внешняя поверхность может не описывать внутреннее состояние ламината, поэтому решение о пригодности опирается на установленную программу контроля.
Для соединений дополнительно проверяют отверстия, контактное смятие и межслойные напряжения; гладкий образец не представляет нагруженный болтовой узел. Упругие оценки пригодны для предварительного сравнения, когда деформации малы и свойства фаз известны. Рабочие характеристики изделия подтверждаются данными испытаний и моделью конкретной укладки. Изменение ориентации или порядка слоёв требует пересмотра расчёта, даже если масса и состав сохранились.
Источники и границы их использования
- NASA — An overview of self-consistent methods for fiber reinforced composites: раздельные продольные, поперечные и сдвиговые характеристики; пределы моделей.
- Hexcel — Prepreg Technology: ориентации армирования и конструкция ламината.