Tragfähigkeit von CFK-Metall-Laminaten unter mechanischer und thermischer Belastung
Technische Universitat München ¨
Lehrstuhl für Leichtbau ¨
Jan Christian Both,
2014
В данной диссертации экспериментально и с помощью моделирования анализируется несущая способность ламинатов углепластик-сталь и углепластик-титан как при квазистатической, так и при циклической нагрузке, а также сравнивается с ламинатом из чистого углепластика. При этом учитывается влияние как термически индуцированных остаточных напряжений, так и влияние ортотропных свойств холоднокатаных металлических листов. В ходе испытаний характеризуются как плоские образцы, так и болтовые соединения под действием растягивающей нагрузки.
Нелинейные свойства жесткости ламинатов углепластик-металл могут быть описаны вплоть до разрушения, используя классическую нелинейную теорию ламината. Однако при этом должна быть учтена повышенная жесткость тонких металлических листов в направлении перпендикулярной прокатке. При игнорировании ориентации листов в гибридном композите можно занизить или переоценить жесткость конструкции примерно на 10%. Расчетные жесткости получаются выше испытанных. Причиной этого является неравномерное распределение связующего в направлении толщины гибридного композита, что приводит к изменению объемного содержания наполнителя. Математическое определение термических остаточных напряжений, преобладающих сразу после процесса отверждения при комнатной температуре, показывает, что возникают высокие внутренние растягивающие напряжения, особенно в стальных слоях, которые могут значительно снизить несущую способность гибридных ламинатов.
В работе представлены новые методы для определения скорости распространения расслаивающей нагрузки с учетом тепловых внутренних напряжений. На основе проведенных испытаний подтверждается необходимость в таких методах особенно для ламината из углепластика.
Проведенное моделирование методом КЭ подтверждает высокий армирующий эффект титановых и стальных листов с гибридизацией зон под действием квазистатической нагрузки. Положительный эффект замены отдельных слоев углепластика растет с увеличением анизотропии свойств исходного ламината. Получена хорошая корреляция между численно и экспериментально определенными свойствами. Серьезным фактором является ухудшение межслойной прочности из-за воздействия внешней среды. Адгезионная прочность существенно зависит от процесса предварительной обработки металлических листов. Например, предварительная обработка титановых листов защищает их от значительной потери несущей способности при воздействии гидравлического масла Skydrol или реактивного топлива Jet-A, с другой стороны способствует снижению межслойной прочности на сдвиг вследствие действия горячей воды. Серия проведенных испытаний показала, что термоциклирование практически не влияет на межслойную прочность ламината. Анализ прочности раскрытия отверстия показал, что под действием температуры и влажности прочность гибридного ламината уменьшается менее значительно по сравнению с ламинатами из углепластика. Сравнение пластических деформаций образцов с отверстиями из углепластика, углепластика-титана и углепластика-стали при циклических испытаниях показывает небольшие значения увеличения отверстий для гибридных ламинатов. Как правило, при определении размеров болтовых или заклепочных соединений и допустимой пластической деформации отверстия примерно 2%, гибридизация имеет преимущества перед чистым стеклопластиком также при циклической нагрузке. Однако ламинаты «углепластик-титан» и «углепластик-сталь» проигрывают в циклической прочности по сравнению с чистым углепластиком. Прогрессирование повреждения становится очевидным только на последнем этапе испытаний (5% от допустимого количества циклов) за счет увеличения деформации отверстия. Как следствие этого, интервалы технического обслуживания гибридных соединений необходимо выбирать короче по сравнению с чистым углепластиком. В отличие от образцов с отверстиями, удельная прочность проушин для гибридных ламинатов выше, чем с чистым углепластиком при квазистатической нагрузке. Однако в случае циклического механического нагружения следует определить предельную циклическую нагрузку, для которых целесообразна гибридизация. Для конфигураций гибридного ламината, протестированных в этой диссертации, наблюдается заметное улучшение несущей способности (до 20 000 циклов) по сравнению с ламинатами из чистого углепластика. Это связано, прежде всего, с сильным влиянием металлов в гибридном композите. Определенные линии Вёлера для гибридных «глазных» соединений явно напоминают кривые, схожие с металлами, в то время как для проушин из чистого углепластика эти линии проходят почти горизонтально. По сравнению с чисто металлическими «глазами», такими как в HSB 63511-01гибридные «глаза» имеют преимущества в несущей способности при больших числах циклов. Гибридизация увеличивает вес компонента примерно на 12%, в то время как предельная нагрузка увеличивается на 44%. Помимо экспериментально и расчетно-подтвержденных результатов настоящей работы были также разработаны теоретические подходы. С одной стороны, речь идет о потенциальном увеличении несущей способности, особенно ламинатов из углепластика, за счет поперечных ребер. Исследования показывают, что предел текучести 0,2% плоских образцов без надреза может быть увеличен примерно на 37%. Этот подход также прогнозирует увеличение несущей способности ламинатов углепластика при растягивающей нагрузке на 79%. Второй теоретический подход рассматривает расчетную и экспериментальную суперпозицию циклических термической и механической нагрузок. Предполагая, что термически вызванные напряжения в слоях вызывают такой же эффект, как и механически эквивалентные напряжения. показано, как можно избежать сложного термоциклирования. Предлагается при характеристике материалов ламинатов заменить термические циклы дополнительными механическими циклами. Предполагая, что накопление повреждений имеет линейный характер, этот подход можно использовать при расчете долговечности изделия. Эти ¨теоретические подходы нуждаются в экспериментальной проверке.