Многомасштабное моделирование и анализ механизма возникновения технологических межслойных напряжений в толстостенных кольцах из стеклопластика
Автор: Безмельницын А.В., Сапожников С.Б.
Статья в выпуске: 2, 2017 года.
Бесплатный доступ
Толстостенные кольца из стеклопластика нашли широкое применение в высоконагруженных малоподвижных узлах трения рабочих органов дорожных машин в качестве втулок подшипников скольжения. Они должны выдерживать высокие радиальные нагрузки и работать в условиях ограниченной маслоподачи, используя смазочный материал содержащейся в открытых порах втулки. В крупногабаритных конструкциях подшипников скольжения (опорные устройства дорожных машин) толщина втулки может достигать десятков миллиметров. Практика показала, что для снижения динамической составляющей нагрузки при работе дорожных машин необходимо использовать втулки с достаточно большой толщиной стенки. Но увеличение толщины втулки приводит зачастую к расслоению из-за высоких технологических трансверсальных (межслойных), растягивающих напряжений, возникающих в процессе изготовления (при охлаждении изделия до комнатной температуры после намотки и отверждении полимерного связующего). Эти напряжения могут вызывать также заметное коробление толстостенных втулок при механической обработке. В данной работе показано, что силовая намотка предварительно пропитанной стеклоткани на жесткую оправку приводит к неоднородному обжатию слоев по толщине втулки и искажению исходной геометрии переплетения нитей основы и утка. Нити внутренних слоев искривлены сильнее нитей наружных слоев. Это приводит к тому, что коэффициенты теплового расширения внутренних слоев оказываются больше соответствующих величин наружных слоев, что вызывает возникновение остаточных растягивающих напряжений в трансверсальном (радиальном) направлении. В работе представлены результаты дилатометрических исследований распределения коэффициентов линейного теплового расширения по толщине в окружном и аксиальном направлении. Объемные доли стекловолокон и матрицы в нитях определены методом выжигания, на основе чего вычислены теплофизические свойства нити как однонаправленного микропластика. Анализ геометрии реального переплетения нитей позволил получить данные для моделирования трехмерной структуры ткани и расчетного определения теплофизических свойств композитных тканевых слоев на мезоуровне в пакете ANSYS Workbench, которые были использованы далее для нахождения остаточных межслойных температурных напряжений во втулке подшипника скольжения из стеклопластика на макроуровне.
Стеклопластик, намотка, трансверсальные напряжения, многоуровневое моделирование, конечно-элементный анализ, подшипник скольжения
Короткий адрес: https://sciup.org/146211679
IDR: 146211679 | DOI: 10.15593/perm.mech/2017.2.01
Список литературы Многомасштабное моделирование и анализ механизма возникновения технологических межслойных напряжений в толстостенных кольцах из стеклопластика
- Чернавский С.А. Подшипники скольжения. -М.: Машгиз, 1963. -244 с.
- Зиновьев Е.В., Левин A.Л., Бородулин М.М. Полимеры в узлах трения машин и приборов: справ. -М.: Машиностроение, 1980. -203 с.
- Neale M.J. The Tribology handbook" (2nd ed.). -Butterworth-Heinemann, Oxford, 2001 -582 p.
- Shokrieh M.M. Residual Stresses in Composite Materials, (1st edition). -Woodhead Publishing Ltd., 2013. -408 p.
- Mechanisms generating residual stresses and distortion during manufacture of polymer-matrix composite structures/M.R. Wisnom, M. Gigliotti, N. Ersoy, M. Campbell, K.D. Potter//Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. -2006. -Vol. 37. -No. 4. -P. 522-529 DOI: 10.1016/J.COMPOSITESA.2005.05.019
- Assessment of cure-residual strains through the thickness of carbon-epoxy laminates using FBGs. Part II: Technological specimen/M. Mullea, F. Collombeta, P. Oliviera, R. Zitounea, C. Huchetteb, F. Laurinb, Y.H. Grunevaldc//Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. -2009. -Vol. 40. -No. 10. -P. 1534-1544 DOI: 10.1016/J.COMPOSITESA.2008.10.008
- Влияние натяжения и искривления армирующих волокон на прочность и деформативность стеклопластиков/под ред. Ю. М. Тарнопольского и В. В. Перова. -М.: ВИАМ, 1966. -54 c.
- Влияние технологических условий намотки на свойства полимерных композиционных материалов/Захарычев С.П. //Вестник ТОГУ. Технические науки. -2010. -№ 1(16). -С. 55-64.
- Analysis and control of the compaction force in the composite prepreg tape winding process for rocket motor nozzles/X. He, Y. Shi, C. Kang, T. Yu//Chinese Journal of Aeronautics. -2016. -№ 7. -C. 1-10. - DOI: 10.1016/j.cja.2016.07.004
- Jacob A. Micromechanics of Composite Materials A Generalized Multiscale Analysis Approach (1st Edition). -Elsevier Inc, 2012. -1032 p.
- Chen Z., Yang F., Meguid S.A. Multi-level modeling of woven glass/epoxy composite for multilayer printed circuit board applications//International Journal of Solids and Structures. -2014. -Vol. 51. -No. 21-22. -P. 3679-3688 DOI: 10.1016/J.IJSOLSTR.2014.06.030
- McWilliams B., Dibelka J., Yen C.F. Multi scale modeling and characterization of in elastic deformation mechanisms in continuous fiber and 2D woven fabric reinforced metal matrix composites//Materials Science & Engineering A. -2014. -Vol. 618. -P. 142-152 DOI: 10.1016/J.MSEA.2014.08.063
- Meso-and micro-scale modeling of damage in plain weave composites/B.A. Bednarcyk, B. Stier, J-W. Simon, S. Reese, E.J. Pineda//Composite Structures. -2015. -Vol. 121. -P. 258-270 DOI: 10.1016/J.COMPSTRUCT.2014.11.013
- Computational geometrical and mechanical modeling of woven ceramic composites at the mesoscale/Fagiano C., Genet M., Baranger E., Ladevèze P.//Composite Structures. -2014. -Vol. 112. -P. 146-156 DOI: 10.1016/J.COMPSTRUCT.2014.01.045
- Ivanov D.S., Ivanov S.G., Lomov S.V., Verpoest I. Unit cell modelling of textile laminates with arbitrary inter-ply shifts//Composites Science and Technology. -2011. -Vol. 72. -P. 14-20 DOI: 10.1016/J.COMPSCITECH.2011.08.003
- Hallal A., Younes R., Fardoun F. Review and comparative study of analytical modeling for the elastic properties of textile composites//Composites Part B: Engineering. -2013. -Vol. 50. -P. 22-31 DOI: 10.1016/j.compositesb.2013.01.024
- Комков М.А., Тарасов В.А. Технология намотки композитных конструкций ракет и средств поражения. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. -431 c.
- Исследование влияния микроструктуры полимерных композиционных материалов на эксплуатационные свойства подшипников скольжения импульсных тепловых машин/А.И. Богомолов //Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2014. -№ 4 (32). -С. 158-176.
- Аношкин А.Н. Теория и технология намотки конструкций из полимерных композиционных материалов. -Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2003. -118 с.
- Зиновьев Р.С., Сапожников С.Б., Безмельницын А.В. Оценка прочности и жесткости вкладышей подшипников скольжения из стеклопластика//Композиты и наноструктуры. -2012. -№ 3. -С. 10-18.
- ASTM D2584-11 Standard test method for ignition loss of cured reinforced resin ASTM International (2011).
- Любин Дж. Cправочник по композитным материалам: в 2 кн. Кн. 1. -М.: Машиностроение, 1988. -447 с.
- Васильев В.В., Тарнопольский Ю.М. Композиционные материалы: справочник. -М.: Машиностроение, 1990. -512 с.
- Hiel C.C., Sumich M., Chappell D.P. A Curved Beam Test for Determination of Interlaminar Tensile Strength of a Laminated Composite//J. Composite Materials. -1991. -Vol. 25. -P. 854-868.
- Barbero E.J. Finite Element Analysis of Composite Materials. -CRC Press, Taylor & Francis Group, 2008. -331 p.
- Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. -М.: Химия, 1981. -272 с.
- Thermal Residual Stresses in Single-sided Bonded Composite Patching/Z. Wang, J. Xiao, D. Jiang, J. Zeng, F. Yang//Journal of Reinforced Plastics and Composites. -2009 -Vol. 28. -No. 5. -P. 587-599 DOI: 10.1177/0731684407085416
- Остаточные напряжения в полимерных композиционных материалах: учеб. пособие/В.П. Матвеенко . -Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2016. -250 с.
- Yu H., Heider D., Advani S. Prediction of effective through-thickness thermal coductiity of woven fabric reinforced composites with embedded particles//Composite Structures. -Vol. 127. -P. 132-140. dx.doi.o DOI: rg/10.1016/j.compstruct.2015.03.015
- Чернин И.З., Смехов Ф.М., Жердев Ю.В. Эпоксидные полимеры и композиции. -М.: Химия, 1982. -231 с.
