В окружающем нас мире часто встречаются колебательные процессы, повторяющиеся через равные временные отрезки. В области машиностроения эти процессы имеют особое значение. Для получения расчетных данных металлические, полимерные детали и изделия подвергают различного рода испытаниям, в том числе и колебательным нагрузкам.
Понятие «колебательной нагрузки»
Колебательной называют нагрузку, периодически изменяющуюся и способную принимать положительные и отрицательные величины. Эта нагрузка начинается от нулевого значения, затем увеличивается до необходимой нормы и возвращается снова к нулевой величине. Колебательная нагрузка может осуществляться и в противоположных значениях, путем поочередного сжатия и растяжения, повторяющихся искривлений в разные стороны и других способов. Подобные испытания приводят к ослаблению металлов и их свойств, повреждают их структуру, могут вызвать появление трещин. Таким образом изучаются свойства металлов, такие как «усталость», прочность, выносливость, износостойкость и т.д.
Для создания вибраций используют эксцентрик с регулируемым приводом, способный менять количество оборотов, а это, в свою очередь, дает разную частоту колебаний в условиях циклической нагрузки.
Анализ прочности изделия путем применения предельных условий нагружения имеет важнейшее практическое значение.
Динамические нагрузки влияют на износ механического оборудования, деталей и конструкций. Сведение данных показателей к минимуму — задача всей системы расчетов, оценок, экспериментов и внедрений.
Предельным нагрузкам, постоянным вибрациям подвержены и композиционные материалы, при этом прочнотные свойства их зависят от структуры материала и величины деформации.
Минимизация самых незначительных трещин и повреждений есть неотъемлемое условие изготовления изделий из такого рода материалов. Для этого выбирают подходящую технологию изготовления и оптимизирую структуру композиционного материала в соответствии с условиями нагружения.
Каждая конструкция подвержена не только динамическим, но и статистическим нагрузкам. Последние характеризуются медленно возрастающими значениями, от нулевого до определенного максимального, вызывая постепенное изменение напряжения и медленную деформацию.
С учетом особенностей структуры материалов в изделиях, получаемых из различных компонентов и по различным технологиям, требуют уточнения методы формирования и оптимизации структуры в изделиях, испытывающих в условиях эксплуатации неоднородное напряженное состояние. Особое значение имеет выявление роли и учет побочных эффектов на стадии проектирования изделий, определение в учетом этого оптимальных схем армирования и соотношения размеров участков с различной структурой.
Полимерные композиты — перспективные материалы
Перспективным направлением машиностроения является поиск и применение наиболее прочных, износостойких материалов.
Композиционные материалы (КМ) или композиты на основе полимеров– это искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов (фаз), соединяемых между собой физико-химическими связями.
Свойства композиционных материалов зависят от свойств компонентов. Одним из этих компонентов является арматура или наполнитель, а вторым – связывающая их матрица.
В качестве матрицы в композиционных материалах используют эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и другие смолы, а также алюминий, магний, титан, никель, жаропрочные сплавы, керамику, углерод различной модификации. Тип материала матрицы определяет общее название композиционного материала. Например, композиционные материалы с полимерной матрицей называют полимерными (ПКМ), с металлической — металлическими (МКМ), с углеродной – углеродными (УКМ) и т.д..
К полимерным композиционным материалам (ПКМ) относят следующие материалы:
Стеклопластики – самые дешевые из всех ПКМ, поэтому их применение оправдано в серийном и массовом производстве.
Органопластики – характеризуются низкой плотностью, высокой прочностью, жесткостью, влагостойкостью, химической стойкостью, диэлектрические и теплофизические свойства определили их применение в качестве материалов электро- и коррозийностойкого, фрикционного назначения, в производстве спортинвентаря.
Углепластики – применяют в автомобильной промышленности, авиационной технике, химической промышленности, производстве спортинвентаря. Биологическая совместимость углеродного волокна с тканями позволяет использовать углепластики для протезирования, в медицинских приборах.
В металлических композиционных материалах (МКМ) матрицей являются металлы и их сплавы, а наполнителем — металлические и неметаллические волокна.
Металлические композиционные материалы (МКМ) получают различными методами в зависимости от их формы и назначения.
Керамические композиционные материалы (ККМ) – это материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура из металлических или неметаллических наполнителей.
Керамические материалы характеризуются высокими температурами плавления, высокой стойкостью к окислению. Армируя их металлическими углеродными или керамическими волокнами, достигают значительного улучшения физико-механических свойств материала.
Широкое применение находят углеродные композиционные материалы (УКМ), особенно углерод — углеродные композиционные материалы (УУКМ), которые представляют собой углеродистую или графитовую матрицу, армированную углеродным или графитовым волокном. Основные достоинства УУКМ являются высокая теплоемкость, малая плотность, стойкость к тепловому удару и облучению, высокие прочностные и жесткостные характеристики при обычной и повышенной температуре, низкий коэффициент термического расширения.
Для оценки долговечности и надежности материалов используют методики расчета напряженного состояния полимерных композитов, результаты которых влияют на выбор того или иного материала.