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 | УДК: 539.422.52 | DOI: 10.15593/perm.mech/2017.2.01
Multiscale modeling and formation analysis of technological interlaminar stresses in thick-walled gfrp rings
Thick-walled GFRP rings are widely used in high-loaded friction units of working elements of road-building machines as sliding bearings. They must endure high radial loads and work in the condition of a limited lubrication by using the lubricant which is located only in the open pores of the bushing. In large structures of sliding bearings (bearing elements of road-building machines) the thickness of a bushing might be dozens of millimeters. The reality is that it is necessary to use bushings with a rather big thickness to reduce the dynamic load for road-building machines. However, if the thickness of a composite ring increases, it often results in the inter-laminar failure which is caused by high technological (inter-layer) and stretching stresses due to the anisotropic thermal expansion and shrinkage of fabric composites. Furthermore, these stresses can also cause a significant distortion of a thick-walled GFRP ring after machining. In this work, it is assumed that the tension winding of the pre-impregnated fabric on a rigid mandrel leads to a heterogeneous compression of the internal layers and a distortion of the original composite woven structure through the thickness. The threads of the inner layers are curved more than the threads of the outer layers. For this reason, the coefficients of thermal expansion (CTE) of the inner layers happen to be larger than the CTE of the outer layers. Irregular distribution of the CTE gives rise to residual tensile stresses in the transverse (radial) direction. This paper presents the results of dilatometric studies of distributing of the CTE in the thickness of the hoop and axial directions. To determine the volume fraction of filaments and matrix into the threads of GFRP, we used the burn-out method. The observation of slices in the optical microscope allowed us to determine the degree of the curvature of fibres and the thickening of inner ring layers for further 3D modelling. The structure of the woven composite ring was modelled by using impregnated unidirectional (UD microplastic) threads and repeated unit cell. Modulus of elasticity, Poisson's ratios and coefficients of thermal expansion at microscale, macroscale and mesoscale were calculated by FEA (ANSYS Workbench). Thermomechanical properties were used to evaluate the residual technological interlayer stresses in the GFRP sliding bearing busing at the macroscale.
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.