Исследование напряженно-деформированного состояния соединений с подкреплением в деталях из полимерных композиционных материалов

АННОТАЦИЯ

Объектом исследования является механическое точечное соединение композиционных материалов. Исследовалось напряженно-деформированного состояния в деталях из полимерных композитов с подкрепленными отверстиями. В процессе работы использованы конечно-элементная модель, метод конечных элементов. В работе было исследовано влияние параметров запрессовки на прочность механических точечных соединений из композиционных материалов, а также влияние параметров запрессовки на перемещения по внутреннему контуру изотропного материала (втулки). В результате исследования установлены параметры запрессовки, позволяющие снизить критические напряжения осуществлять запрессовку с меньшим натягом.

ABSTRACT

The object of the study is a mechanical point connection of composite materials. The stress-strain state in details of polymer composites with reinforced holes was investigated. In thiswork was using the finite element model, the finite element method. As a result of the work, the influence of the pressing parameters on the strength of mechanical point joints from composite materials, as well as the influence of the pressing parameters on the movements along the inner contour of the isotropic material (bushings) was investigated. As a result of the study, press-fitting parameters were obtained, which reduce the critical stresses and allow for pressing with less interference.

Облик перспективной техники в ближайшее время будет отличаться двумя нововведениями: широким внедрением композиционных материалов и микроэлектроники. При проектировании самолетов решается задача минимизации габаритов и массы конструкции при обеспечении заданных тактико-технических параметров и высокой надежности в сложных условиях эксплуатации. Она решается за счет применения новых, более перспективных материалов, к числу которых относятся композиционные материалы.

Применение перспективных конструкционных материалов в изделиях авиационной отрасли (планер самолетов и вертолетов) должно обеспечить:

-  повышение коммерческого срока эксплуатации с 20 до 25..30 тыс. ч;

- повышение ресурса с 15...20 до 40 тыс. ч; 

- повышение межремонтного срока с 6...8 до 10... 12 лет;

- снижение массы конструкций на 20...25 %.

Соединение элементов — одна из важнейших проблем при создании конструкций из композитов вследствие специфических свойств этих материалов  [1, с.567].

Для соединений высоконагруженных конструкций из КМ чаще всего используются способы с применением различных видов болтов. Сборка с помощью болтов позволяет получить разъемное соединение, не требующее нарезания резьбы в соединяемых деталях. Болтовые соединения обладают наибольшей технологичностью и являются в целом наиболее эффективными для КМ, особенно для соединения пластин с толщиной более 3 мм. Это предопределило увеличение их использования в сильнонагруженных конструкциях.

Вместе с тем, исследования, проведенные в работах [3],[4],[5],[7], показывают, что для механических соединений деталей из КМ традиционные способы и конструкции крепления не находят широкого применения из-за низкой несущей способности. Несущая способность механических точечных соединений деталей из КМ в основном определяется уровнем концентрации напряжений около отверстий  [3, с.168],[4, с.287],[6, с.57-61].

Однако разработка технологического процесса выполнения клееклепаного соединения связана с возникновением двух сложных проблем, до конца нерешенных на сегодняшний день. Первая — обеспечение совместимости работы болтового и клеевого соединения, вторая — обеспечение равномерного давления в клеевой прослойке при ее полимеризации и клепке по неотвержденному слою.

Для конструкций из композиционных материалов (КМ) проблема обеспечения стабильности затяжки болтовых соединений является весьма актуальной ввиду их склонности к ползучести даже в условиях нормальных температур. Потеря сил затяжки для соединений может привести к преждевременному их разрушению и потере герметичности. Для соединений, работающих на срез, релаксация затяжки приводит к расшатыванию и разбалтыванию соединений, неравномерному смятию стенок отверстия и снижению прочности соединения. Стабильную затяжку болтов можно получить при введении между болтом и стенкой отверстия втулки или вставки, не уступающей по прочности болту. В этом случае усилие затяжки воспринимается вставкой, а КМ остается разгруженным. Кроме того, установка промежуточной металлической втулки позволяет уменьшить концентрацию напряжений и добиться более равномерного их распределения. Однако высокая прочность таких соединений может быть обеспечена лишь при надежном закреплении втулки в материале. 

Разработаны способы постановки подкрепляющей втулки [2], в процессе осуществления которых  ее внутренний диаметр остается неизменным, а по ее внешнему диаметру осуществляется преимущественная радиальная раздача совместно с соответствующими участками  листовой заготовки с образованием на границе отверстия переменного поля радиальных сжимающих напряжений. С целью определения напряженно-деформированного состояния в подкрепляющем элементе и в пластине в работе исследуется следующая задача.

В круговое отверстие пластины, растягиваемой усилиями Q и силой от болта Р (Рисунок 1) запрессована c преимущественным натягом втулка. 

Технология постановки втулки обеспечивает заданное поле радиальных перемещений ее границы контакта с пластиной. 

Рисунок 1. Исследуемая задача

Проведенные исследования [8, с.20] подтвердили возможность получения более равномерного  распределения напряжений в пластине  за счет введения переменного натяга. Полученные результаты позволяют моделировать и управлять напряженно-деформируемым состоянием в пластине и подкрепляющем элементе при эксплуатационных нагрузках.   

Определение напряженно-деформированного состояния  по контуру соединения с подкреплением  пластинки из КМ  в случае действия сил Q и Р,  выполнялось с помощью метода конечных элементов. Для этого использовалась система MSC/NASTRAN.

Для передачи сил между пластинкой и втулкой необходимо сохранение контакта между ними по всей поверхности соприкосновения. На части соприкосновения, где между втулкой и пластинкой имеют место сжимающие силы, контакт гарантированно не разомкнется и взаимодействие между этими поверхностями в этой части продолжится. На той части поверхности контакта, где между пластинкой и втулкой действуют растягивающие силы, контакт раскроется и взаимодействие нарушится. Это приведет к изменению поля напряжений в окрестностях втулки, причем, поскольку сила передается через часть поверхности, уровень напряжения увеличится. 

С другой стороны, при многоцикловыхнагружениях постоянное раскрытие  и закрытие контакта между втулкой  и пластинкой будет приводить к износу поверхности отверстия пластинки под втулку и в результате к выпадению втулки.  Обеспечить сжатие по всей поверхности контакта между втулкой и пластинкой можно посредством установки втулки с натягом. Внешние растягивающие нагрузки в этом случае будут не раскрывать контакт, а лишь уменьшать натяг между втулкой и пластинкой. Внешняя нагрузка ослабляет натяг на свою величину, т.е если она будет больше, натяг весь выберется и контакт раскроется. Очевидно, что величина натяга должна быть согласована с величиной внешней нагрузки, т.е величина натяга должна быть больше растягивающей нагрузки между втулкой и пластинкой. Сделать натяг в ортотропном материале затруднительно, потому что если у него есть слабое направление, то в этом направлении необходимый натяг сделать не получится. Поэтому рекомендуется делать натяг в сторону сильного направления.

Следовательно, интересна к рассмотрению специальная раздача втулки.Изначально произвелась двусторонняя раздача, из которой можно сделать вывод, что при запрессовке образуются 2 пика, в которых достигаются максимум растягивающих радиальных напряжений, означающих нарушение контакта (Рисунок 2).

Рисунок 2. Форма радиальных напряжений

Для их компенсации произведено исследование четырехсторонней запрессовки, из которой выясняется, что не удается в полной мере воздействовать на величину радиальных напряжений путем раздачи втулки в выбранные области в форме четырехволновогокосинуса. Максимум напряжений приходится в области 35 градусов, а значит, запрессовка в форме четырехволнового косинуса не может полностью погасить их, так как действует со смещением порядка 10 градусов от максимальных положительных радиальных напряжений.

Следовательно, должна бытьподобрана функцию, которая по своей форме будет схожа с формой графика радиальных напряжений. Так, если бы переменная составляющая раздачи увеличивала радиальное сжатие именно на этих направлениях, то, возможно, удалось бы более полно скомпенсировать положительныеσr, наблюдаемые для четырехволнового косинуса.

Для того чтобы в полной мере компенсировать напряжения рекомендуется специальная запрессовка, при которой косинусоидальная составляющая запрессовки будет воздействовать на эти зоны посредством локальной запрессовки.

Для нахождения формы специальной запрессовки решается кубическое уравнение, которое позволит сместить максимальные значения косинуса в область максимальных радиальных напряжений, получаемых в пластинке, т.е в сторону 35 градусов. При этом задаются граничные условия, оставляющие значения функции косинуса в 0, 90 и 180 градусах неизменными. Специальная раздача представляется ввиде cos(0,12α3-0,566α2+1,593α), а радиус втулки определяется по формуле (1)

Rвт=Rвн+A+S∙cos(0,12α3-0,566*α2+1,593*α),                          (1)

A – величина постоянного отклонения, S– коэффициент, влияющий на величину косинусоидальной запрессовки.

При таком варианте требуются меньшие величины специальной раздачи для обеспечения прочности соединения, чем при двух- и четырехсторонней раздачах.

Такие параметры и форма запрессовки, позволяют снизить критические напряжения в механическом точечном соединении, следовательно, повысить ресурс  и надежность соединений.