Бесплатное скачивание авторефератов |
СКИДКА НА ДОСТАВКУ РАБОТ! |
Авторские отчисления 70% |
Снижение цен на доставку работ 2002-2008 годов |
Акция - новый год вместе! |
Каталог / ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ / Теоретическая механика, динамика машин
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»
МОВАГГАР АЛІ
УДК 539.3
РОЗРОБКА МОДЕЛІ ВТОМИ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ
НА ОСНОВІ КОНТИНУАЛЬНОЇ МЕХАНІКИ ПОШКОДЖУВАНОСТІ
Спеціальність 05.02.09 – динаміка та міцність машин
дисертація на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2013
СОДЕРЖАНИЕ
| |||
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………..
| 4 | ||
РАЗДЕЛ 1. ОБЗОР КРИТЕРИЕВ И МОДЕЛЕЙ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ………………………… |
10 | ||
1.1. Явление усталости в композиционных материалах…………........... | 10 | ||
1.2. Модели усталостной прочности на основе S-N кривых……..…….. | 14 | ||
1.3. Феноменологические модели усталостной прочности композитов. | 20 | ||
| 1.3.1. Модели изменения остаточной жесткости………………… | 21 | |
| 1.3.2. Модели для оценки остаточной прочности………….......… | 24 | |
| 1.3.3. Гипотезы суммирования повреждаемости………...………. | 27 | |
1.4. Кинетические уравнения роста макродефектов…………………….. | 29 | ||
1.5. Выводы по разделу 1. Постановка задач исследований…………....
| 33 | ||
РАЗДЕЛ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА НАКОПЛЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ АНИЗОТРОПНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ…….. |
35 | ||
2.1. Концепция эффективных напряжений……………..………………... | 35 | ||
2.2. Термодинамика повреждаемости……….…………………………… | 45 | ||
2.3. Построение математической модели накопления анизотропной повреждаемости………….………………………………………………... |
48 | ||
2.4. Алгоритм расчета и прогнозирования усталостной прочности при плоском напряженном состоянии………………...…………...…………. |
52 | ||
2.5. Вариант использования модели со скалярным параметром повреждаемости………………………………………………………........ |
56 | ||
2.6. Выводы по разделу 2………………………………………………….
| 63 | ||
РАЗДЕЛ 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ СТЕКЛОВОЛОКОННОГО КОМПОЗИТА МАРКИ СТЭФ-1……... |
65 | ||
3.1. Описание материала и экспериментальное определение модулей упругости образцов……..…………………………………………...…….. |
65 | ||
3.2. Экспериментальная установка и метод проведения усталостных испытаний……………………………………………………………...…... |
75 | ||
3.3. Статистическая обработка результатов усталостных испытаний..… | 84 | ||
3.4. Выводы по разделу 3………….………………………………………
| 91 | ||
РАЗДЕЛ 4. РЕШЕНИЕ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ…………………….. |
93 | ||
4.1. Моделирование процесса накопления усталостного повреждения лопасти ветровой турбины…………..…………………………………… |
93 | ||
| 4.1.1. Описание конструкции и создание конечно-элементной модели………………………………………………….…………... |
94 | |
| 4.1.2. Прогнозирование усталостной прочности конструкции… | 103 | |
4.2. Моделирование процесса накопления усталостных повреждений торсиона несущего винта конвертоплана V-22 Osprey…………………. |
105 | ||
| 4.2.1. Описание конструкции и создание конечно-элементной модели конструкции…………………………………………….… |
107 | |
| 4.2.2. Прогнозирование усталостной прочности конструкции… | 111 | |
4.3. Выводы по разделу 4……………………………….…………………
| 122 | ||
ВЫВОДЫ………………………………………………………………….. | 123 | ||
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ......………….…. | 125 | ||
ПРИЛОЖЕНИЯ ….……………………………………………………… | 138 | ||
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Одной из основных задач, связанных с развитием современного машиностроения, является задача обеспечения усталостной прочности и долговечности конструкций из композиционных материалов. Предельные состояния машин и сооружений при циклических нагружениях становятся результатом постепенного накопления усталостных повреждений в процессе эксплуатации, что приводит к зарождению и развитию макроскопических трещин, потере работоспособности и разрушению. Вследствие сложности и разнообразия механизмов разрушения и накопления усталостных повреждений в композитах, трудно ожидать появление универсальной теории, пригодной для различных композитов при произвольных программах циклического нагружения. Механизм разрушения в композиционных материалах при циклических нагружениях существенным образом зависит от структуры и свойств материалов композита, вида и программы нагружения. При повреждении композитов или на границе раздела компонентов происходит перераспределение напряжений таким образом, что повреждение локализуется в относительно малом объеме элемента, благодаря чему эффективная прочность материала в целом практически не снижается. Это является одним из преимуществ композиционных материалов перед большинством традиционных металлов.
Определение усталостной прочности в композиционных материалах требует разработки специальных теоретических моделей и критериев. Ситуация осложняется тем, что с одной стороны теоретические соотношения усталостной прочности композиционных материалов включают большое число экспериментально определяемых параметров, с другой стороны экспериментальные исследования усталости композитов являются весьма дорогостоящими и длительными. Остается неисследованным вопрос о количественной оценке накопления анизотропных усталостных повреждений в реальных конструкциях из композиционных материалов. В то же время потребности практики требует развития возможностей аналитического и численного моделирования накопления усталостных повреждений с учетом анизотропии. Моделирование анизотропной поврежденности является предметом интенсивных исследований уже на протяжении трех последних десятилетий. Широкое использование композиционных материалов в конструкциях, работающих при циклических нагружениях, привело к созданиию различных эмпирических моделей и критериев, не только резко контрастирующих, но и противоречащих друг другу.
Таким образом, возникает актуальная и научно-практическая задача, связанная с разработкой частных теорий усталостной прочности композитов, пригодных для определённых классов композиционных материалов с минимальным набором требуемых экспериментов для верификации определяющих соотношений. В этом контексте перспективным является использование подходов, основанных на современной механике континуальной повреждаемости.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнялась на кафедре динамики и прочности машин Национального технического университета «Харьковский политехнический институт» согласно плану фундаментальных и прикладных научно-исследовательских работ МОН Украины: «Розробка математичних моделей та методів розрахунку нелінійного деформування і пошкоджуваності елементів конструкцій при інтенсивних навантаженнях» (Д.Р. № 0106U001473), «розробка методів дослідження нелінійного деформування і пошкоджуваності елементів конструкцій із однорідних та композиційних матеріалів» (Д.Р. № 0109U002382), где соискатель был исполнителем отдельных заданий.
Цель и задачи исследования. Целью исследований является разработка энергетической модели накопления усталостных анизотропных повреждений для расчета усталостной прочности и количественной оценки накопленных повреждений в композиционных материалах, а также идентификация параметров этой модели на основе результатов экспериментов на усталостную прочность образцов из стеклопластика.
Достижение поставленной цели осуществлялось путем решения следующих задач:
– анализ состояния проблемы усталостной прочности композиционных материалов в научно-технических источниках и формулировка задач исследований;
– построение теоретической модели накопления усталостных анизотропных повреждений в композиционных материалах;
– экспериментальное определение модулей упругости стеклопластика и экспериментальное исследование усталостной прочности трех партии образцов;
– разработка и обоснование методики идентификации параметров теоретической модели на базе полученных экспериментальных данных;
– реализация предложенной модели путем решения прикладных задач определения усталостной прочности ответственных элементов конструкций, изготовленных из композиционных материалов - лопасти ветроэнергетической установки, торсиона несущего винта конвертоплана и участка П-образного компенсатора магистрального трубопровода с защитным бандажом.
Объект исследований: процесс накопления усталостных повреждений в стекловолоконном композите.
Предмет исследований: методы и модели для анализа усталостной прочности и моделирования накопленных усталостных повреждений в конструкционных композиционных материалах.
Методы исследования. Теоретическое моделирование процесса накопления повреждения проводилось на основе фундаментальных представлений теории упругости, классической теории композиционных материалов и континуальной механики повреждаемости.
В работе для определения модулей упругости трех партии образцов использовался вибростенд серии ВЭДС-10а, который предназначен для испытания изделий на вибрационную прочность в лабораторных и производственных условиях. Усталостные испытания проводились на специальной установке типа ДП-5/3, которая служит для определения усталостного сопротивления изгибу листовых образцов. При обработке данных использовался регрессионный анализ и стандартные пакеты вычислительных программ. При подготовке материалов диссертации численные исследования проводились с использованием программного комплекса ANSYS, лицензию № 643317 который НТУ «ХПИ» получил в 2010 г. при поддержке фирмы EMT U (г. Киев).
Научная новизна полученных результатов диссертационной работы состоит в том, что:
– построена теоретическая модель развития усталостных анизотропных повреждений в композиционных материалах на основе континуальной механики повреждаемости;
– предложен вариант использования теоретической модели в случае изотропной повреждаемости;
– для случая плоского напряженного состояния развита двумерная модель и построены определяющие соотношения с учетом влияния ориентации главных направлений тензора напряжений относительно плоскостей упругой симметрии материала;
– предложена методика идентификации параметров, входящих в теоретическую модель повреждаемости.
Практическое значение полученных результатов состоит в том, что:
– разработан и реализован метод решения важной для машиностроительной отрасли практической задачи определения усталостной прочности изделий из композиционных материалов;
– получены экспериментальные закономерности изменения параметров анизотропной повреждаемости стеклопластика марки СТЭФ-1. Полученные зависимости могут быть использованы для анализа состояния инженерных объектов;
– решен ряд важных научно-технических задач по определению усталостной прочности ответственных элементов конструкций - лопасти ветроэнергетической установки, торсиона несущего винта конвертоплана и участка П-образного компенсатора магистрального трубопровода с защитным бандажом. Ценность решенных задач заключается в возможности применения разработанного подхода в научно-исследовательских институтах и конструкторских бюро при проектировании конструкции из композиционных материалов.
Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в ходе выполнения европейского гранта «Innovative nondestructive testing and advanced composite repair of pipelines with volumetric surface defects» № PIRSES-GA-2012-318874 в рамках 7-ой рамочной программы европейского союза в НТУ «ХПИ».
Личный вклад соискателя. Все научные положения и основные результаты исследований, выносимые на защиту, получены соискателем самостоятельно. При проведении исследований, результаты которых опубликованы в соавторстве [1-11], соискателю принадлежат разработка математических моделей, алгоритмов и программных средств, планирование, проведение экспериментов, анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований. Исходная постановка задач диссертационной работы и обсуждение результатов осуществлены совместно с научным руководителем.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: XVIII-XIX-XX-й Международных научно-практических конференциях «Інформаційні технології: наука, техніка, технология, освіта, здоров'я» (г. Харьков, 2010, 2011, 2012 гг.), Международной конференции «International Conference on Mechanical and Aerospace Engineering (ICMAE 2010)» (г. Куала-Лумпур, Малайзия), Международной конференции «International Conference on Experimental Solid Mechanics and Dynamics (X-MECH 2012)» (г. Тегеран, Иран).
Публикации. Основные научные положения и результаты исследований по теме диссертационной работы опубликованы в 11 научных работах, из которых 6 - в научных профессиональных изданиях, 5 - в сборниках трудов международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, выводов, списка использованных источников и приложений. Полный объем диссертации составляет 139 страниц, 50 иллюстраций по тексту, 6 иллюстраций на 3 отдельных страницах, 10 таблиц по тексту, 127 наименований использованных литературных источников на 13 страницах, 1 приложение на 2 страницах.
ВЫВОДЫ
В диссертационной работе поставлена и решена научно-практическая задача построения теоретической модели накопления усталостных анизотропных повреждений в композиционных материалов, что в совокупности представляет собой решение актуальной задачи динамики и прочности машин. Решен ряд важных задач, ценность которых заключается в возможности применения разработанной теоретической модели при проектировании конструкций из композиционных материалов.
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
1. Проведен анализ существующих и современных моделей и методов определения усталостной прочности композиционных материалов в научно-технических источниках на основании, которого сформулированы задачи исследования.
2. В работе предложена новая модель усталости композиционных материалов на основе континуальной механики повреждаемости. Новизна этой модели заключается в том, что введение тензорных параметров повреждаемости позволило отразить анизотропию свойств композиционных материалов в отношении многоцикловой усталости и предложить новые инвариантные кинетические уравнения развития повреждаемости.
3. Выполнено экспериментальные исследования усталости стеклопластика и разработана методика идентификации параметров теоретической модели для случая двухосного напряженного состояния на основе базовых экспериментов.
4. Разработана методика численного анализа многоцикловой усталости элементов конструкций с использованием сочетания коммерческих программных пакетов и собственного программного обеспечения.
5. Возможности предложенной модели продемонстрированы на примерах расчетов усталости ответственных элементов конструкций, изготовленных из композиционных материалов – лопасти ветроэнергетической установки, торсиона несущего винта конвертоплана и участка П-образного компенсатора магистрального трубопровода с защитным бандажом.