Устройства и метод определения долговечности анизотропных стеклопластиковых стержней тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Тихонов, Вячеслав Борисович

• Тихонов, Вячеслав Борисович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тихонов, Вячеслав Борисович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ И НЕДОСТАТКИ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1 Методы и установки для длительных статических испытаний ПКМ.

1.2 Способы аппроксимации результатов длительных испытаний и прогнозирования долговечности.

1.3 Современные изделия из однонаправленных стеклопластиков и требования к ним.

1.4 Долговечность стеклопластиковой арматуры.

1.5 Постановка задачи. Актуальность дальнейшего развития устройств и методов длительных статических испытаний ПКМ.

ГЛАВА 2 РАЗВИТИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕННОЙ ПРОЧНОСТИ АНИЗОТРОПНЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ СТЕРЖНЕЙ.

2.1 Растяжение.

2.2 Сжатие.

2.2.1 Испытание на сжатие стержней с жесткой заделкой.

2.2.2 Исследование устойчивости стеклопластиковых стержней при сжатии.

2.3 Продольный изгиб.

2.4 Измерение диаметров стержней периодического профиля.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МЕТОДА И СОЗДАНИЕ УСТРОЙСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АНИЗОТРОПНЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ СТЕРЖНЕЙ.

3.1 Разработка устройства длительных испытаний.

3.1.1 Захват для испытаний на долговечность при растяжении.

3.1.2 Устройство комплексных испытаний по измерению долговечности.

3.2 Разработка метода испытаний на долговечность.

3.2.1 Выбор количества образцов.

3.2.2 Испытание временной прочности образцов.

3.2.3 Выбор величины нагрузки для испытаний второй группы образцов на долговечность.

3.2.3 Испытание долговечности образцов.

3.3 Метод математической обработки экспериментальных данных.

ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ УСРОЙСТВ И МЕТОДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АНИЗОТРОПНЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНЫХ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ.

4.1 Длительные испытания стеклопластиковых стержней при растяжении, сжатии и продольном изгибе.

4.1.1 Определение долговечности стеклопластиковых стержней при растяжении и сжатии.

4.1.2 Определение долговечности стеклопластиковых стержней при продольном изгибе.

4.1.3 Методика расчета длительной прочности.

4.2 Применение разработанных методов и устройств для испытаний плит авиационного назначения.

4.3 Применение разработанных методов и устройств для испытаний стеклопластиковых стержней периодического профиля.

4.3.1 Определение прочности и модуля упругости стержней периодического профиля при осевом растяжении.

4.3.2 Определение прочности и модуля упругости стержней периодического профиля при продольном изгибе.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Устройства и метод определения долговечности анизотропных стеклопластиковых стержней»

Актуальность. Длительная прочность и долговечность - это важнейшие характеристики, используемые при проектировании и реализующиеся при эксплуатации изделий из полимерных композиционных материалов (ПЕСМ). Старение полимеров и разрушение стеклопластиковых изделий на различных объектах применения могут вести к значительным убыткам, например выход из строя линии электропередачи вследствие разрушения стеклопластикового сердечника электроизолятора, и к человеческим жертвам при обрушении фрагментов стен в зданиях или шахтных сводов, в случае обрыва анкерных стеклопластиковых связей.

Стеклопластиковые стержни в зависимости от условий применения могут подвергаться всем видам нагружения: растяжению, сжатию и изгибу. Обычно, для нового малоизученного материала, прогнозирование долговечности производят на основе экспериментальных исследований для каждого вида нагружения, приближенного к условиям эксплуатации. Вследствие этого, для количественной оценки долговечности материала, необходима разработка экспериментальных устройств и методов длительных статических испытаний ПКМ.

Цель работы — разработка, создание и апробация экспериментального устройства и метода длительных статических испытаний прочности стеклопластиковых стержней при сжатии, растяжении и продольном изгибе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать и создать устройство, предназначенное для проведения испытаний образцов на долговечность, позволяющее расширить функциональные возможности, повысить точность, снизить энергоемкость и габаритные размеры;

- разработать метод определения- долговечности стеклопластиковых стержней, основанный на измерении времени до разрушения нагруженных образцов и последующей статистической обработке результатов с целью построения силовых зависимостей долговечности;

- провести апробацию разработанных устройств и метода на испытаниях гладких стержней, стержней периодического профиля и образцов-пластин, из различных ПКМ, с целью установления зависимости прочности образцов от основных факторов, таких как: размеры и форма образцов, условия соединения их с нагружающим устройством, схема приложения нагрузки, длительность воздействия нагрузки и т.д.

Объекты исследования:

- устройства для определения долговечности нагруженных стержней из ПКМ;

- метод определения силовых зависимостей долговечности стеклопласти-ковых стержней.

Предметы исследования:

- образцы для определения долговечности стержней из ПКМ- при растяжении, сжатии и продольном изгибе;

- влияние формы и размеров образцов, условий соединения их с захватами; схемы приложения и длительности действия нагрузки на результат испытаний;

- применимость метода определения долговечности для различных условий: температуры испытаний, способов приложения нагрузки, вида ПКМ.

В работе применены методы аналитических и экспериментальных исследований. Аналитический метод применяется для математической обработки результатов измерения прочности и долговечности образцов, для расчета эффективного диаметра стержней периодического профиля, оценки погрешностей методов испытаний и статистической обработки результатов. Экспериментальные исследования служат для изучения экспериментальных установок, исследования влияния размеров образцов и захватов на результат испытаний, апробации разработанных методов и устройств для испытаний стеклопластиков, получения эмпирических данных о прочности и долговечности ПКМ.

Научная новизна:

1. Разработано и создано экспериментальное устройство комплексных испытаний на растяжение, сжатие и продольный изгиб для измерений долговечности ПКМ, новизна которого состоит в том, что в одном из испытуемых образцов создается постоянная сжимающая нагрузка, а во втором равная по величине растягивающая нагрузка, посредством продольно изогнутых стержней, которые являются и нагружающим механизмом и испытуемыми образцами одновременно.

2. Разработан метод измерения долговечности, новизна которого состоит в общей совокупности и заданной последовательности проведения процедур, включающих: отбор представительной выборки образцов и деление ее на равные группы для испытаний на прочность и долговечность; испытание временной прочности и аппроксимация ее зависимости от вероятности разрушения, обоснование выбора величины постоянного напряжения и испытание на долговечность; аппроксимация распределений долговечности.

3. Разработан метод математической обработки экспериментальных результатов измерения долговечности, позволяющий построить эмпирические силовые зависимости приведенных значений напряжений от значений долговечности, соответствующих равной вероятности разрушения.

4. Получены эмпирические закономерности поведения стеклопластиковых стержней при сжатии в зависимости от отношения геометрических размеров.

Практическая значимость:

- созданы устройства и прикладные методики для испытаний однонаправленных стеклопластиковых стержней круглого сечения на растяжение, сжатие и продольный изгиб в промышленных условиях;

- разработанный метод длительных статических испытаний применен для построения силовых зависимостей долговечности;

- расширена область применения метода продольного изгиба для исследований механических свойств образцов-пластин, вырезанных из стекло- и углепластиковых плит и для стержней периодического профиля;

- выполнена модернизация конструкции установки для испытаний на продольный изгиб применением шарнирного крепление нагружающего наконечника, в устройстве передачи нагрузки от образца к силоизмерительному датчику, что повышает точность получаемых результатов;

- с помощью устройств и выявленных закономерностей при испытаниях на устойчивость при сжатии обоснованы диапазоны размеров образцов для измерений механических свойств изделий на сжатие и продольный изгиб;

- на основе решений совместно закона Гука и формулы Эйлера разработана и нашла применение на производстве методика по определению эффективного диаметра и модуля упругости стержней периодического профиля.

Реализация результатов исследований. Методы и оборудование для механических испытаний прочности и долговечности однонаправленных стеклопластиков, а также способы оригинальной обработки результатов внедрены в ООО «Бийский завод стеклопластиков» (ООО «БЗС»), г. Бийск. Методики испытаний введены в технические условия для контроля круглых однонаправлен-но армированных стеклопластиковых стержней постоянного и периодического сечения. Разработанный метод длительных статических испытаний используется в учебном процессе в Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ) им. И.И. Ползунова. Использование результатов исследований подтверждено актами внедрения.

Достоверность результатов исследований подтверждена использованием известных законов механики, согласованием расчетных и экспериментальных данных, использованием для выполнения экспериментальных измерений высокоточных современных измерительных приборов, проведением государственной поверки используемого оборудования, анализом погрешностей экспериментов по стандартным методикам, воспроизводимостью результатов, полученных в нескольких независимых лабораториях при апробации методов и устройств для испытаний ПКМ.

На защиту выносятся:

- экспериментальное устройство комплексных испытаний для определения долговечности при растяжении, сжатии и продольном изгибе;

- новый метод измерения долговечности ПКМ при приложении постоянной по величине нагрузки;

- метод математической обработки экспериментальных результатов с целью построения силовых зависимостей долговечности;

- методика измерения эффективного диаметра стержней периодического профиля;

- результаты экспериментальных измерений механических свойств плоских образцов из стеклопластиковых и углепластиковых плит и стеклопласти-ковых стержней периодического профиля.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных, всероссийских и международных конференциях: VII- X Всерос. науч.-практ. конф. «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (г. Бийск, 2007-2010); 1-я Региональная, II-я Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Полимеры, композиционные материалы и наполнители для них», («Полимер-2007, 2008») (г. Бийск 2007, 2008); 1-я и III-я Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2008, 2010); Всерос. науч.-практ. конф. «Инновационные технологии: производство, экономика, образование» (г. Бийск, 2009); пятая междунар. конф. «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология» («Композит-2010», г. Энгельс 2010); 11-я Междунар. Молодежная Конференция-Семинар по мик-ро/нанотехнологиям и электронным приборам «EDM 2010» (г. Новосибирск 2010). Материалы были удостоены специального диплома VIII-ой Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи («НТТМ-2008», г.

Москва), получен грант ООО «БЗС» 2010 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 4 статьи в центральных журналах, рекомендуемых ВАК и 1 патент на изобретение, остальные доклады в сборниках конференций.

Личный вклад автора состоит в разработке конструкций установок и методов исследований механических свойств; создании прикладных методик испытаний и обработки результатов, выполнении экспериментальных работ и сертификационных испытаний изделий.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 наименований, 6 приложений, изложена на 132 страницах текста, содержит 46 рисунков, 22 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Тихонов, Вячеслав Борисович

выводы

1. Разработано и создано экспериментальное устройство комплексных испытаний на растяжение,, сжатие и продольный изгиб для измерений долговечности ПКМ.

2. Разработан новый метод определения долговечности анизотропных ПКМ. Проведена апробация предложенных устройства и метода на испытаниях стеклопластиковых стержней, стекло- и углепластиковых пластин, и получены эмпирические закономерности для расчета длительной прочности.

3; Установлена зависимость критического напряжения от геометрических размеров и вида закрепления концов стержня при испытаниях на сжатие. С помощью полученных эмпирических зависимостей спроектированы устройства для испытанийша долговечность и измерения механических свойств стеклопла-стиковых стержней при растяжении, сжатии и продольном изгибе.

4. Модифицировано устройство для испытаний на продольный изгиб с помощью установки шарнирной опоры в узле измерения усилия, позволяющей повысить точности результатов измерений. Проведена апробация устройства и метода продольного: изгиба для испытаний стеклопластиковых стержней постоянного круглого и периодического сечения,, стекло- и углепластиковых пластин. . - ' . '

5. Разработана и внедрена оригинальная методика по определению эффективного диаметра стержней периодического профиля, основанная на использовании результатов измеренияжесткости стержня при растяжении с использованием экспериментальных измерений эйлеровой критической силы при продольном изгибе.

6. Предложена методика расчета длительной прочности стеклопластиковых стержней; основанная на математической обработке результатов измерений исходной прочности и долговечности. •

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тихонов, Вячеслав Борисович, 2011 год

1. ЮЗаделова Г.Л. Исследование особенностей прочностных и деформативных свойств конструкционных пластмасс, подлежащих учету при расчете и конструировании нагруженных элементов. Докт. дисс. Тбилиси, 1969.

2. ЗОЖурков, С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. (Термо-флуктуационный механизм разрушения). — Вестник АН СССР, 1968. №3. -С.46-52.

3. Журков, С.Н. Микромеханика разрушения полимеров / С.Н. Журков,

4. B.C. Куксенко. — Механика полимеров, 1974. №5, С. 792-801.32Журков, С.Н. Температурная и временная зависимость прочности полимерных волокон / С.Н. Журков, С.А. Аббасов. Высокомолекулярные соединения, 1961. -Т.З, №3, С. 441-449.

5. Тарнопольский, Ю.М. Конструкционная прочность и деформативность стеклопластиков / Ю.М. Тарнопольский, A.M. Скудра. — Рига: Зинатне, 1966.260 с.

6. Бартенев, Г.М. Прочность и механизм разрушения полимеров. — М.: Химия. 1984. - 280 е., ил.35Бартенев, Г.М. Механические свойства и тепловая обработка стекла, Госстройиздат, 1960; ДАН СССР, 71, 23 (1950); ЖТФ, 21, 579 (1951).

7. Регель, В. P. Кинетическая природа прочности твердых тел / В.Р. Регель, А.И. Слуцкер, Э.Е. Томашевский. — М.: Наука, 1974. — 560 с.

8. Бартенев, Г.М. Прочность и разрушение высокоэластических материалов / Г.М. Бартенев, Ю.С. Зуев. М., JI.: Химия. - 1964. — 350 е., ил.

9. Ратнер С.Б., Ярцев В.П. Работоспособность пластмассы под нагрузкой и пути ее прогноза и повышения. М., НИИТЭХИМ, 1979, вып. 3 (153), 65 с.

10. Кауш, Г. Разрушение полимеров / Г. Кауш М.: Мир», 1981 - 440 с.

11. Регель, В.Р. Кинетическая концепция прочности как основа для прогнозирования долговечности под нагрузкой // Механика полимеров. — 1971. — №1. -С. 98-112.

12. Ратнер, С.Б. Физические закономерности прогнозирования работоспособности конструкционных пластических масс / Пластические массы, 1990, №6, С. 35-48.

13. Башара В.А., Вальд А.В., Иванов С.Н. Арматурный элемент для армирования теплоизоляционных стеновых конструкций и способ его изготовления. Патент РФ №2142039.

14. Башара В.В. // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века, 2001, № 6, С.12-13.

15. Бернацкий, А.Ф. Применение композитных полимерных материалов в строительных конструкциях и мостах в Сибири / А.Ф. Бернацкий, B.C. Казарновский, М.Г. Петров, В.П. Устинов, Б.В. Устинов // Транспорт Российской Федерации. 2006. - № 5. - С. 45-48.

16. ТУ 2296-001-20994511-02 Арматура стеклопластиковая. Технические условия.

17. ТУ 2296-001-40886723-2001. Анкерные стержни стеклопластико-вые. ООО «АСП». Технические условия.

18. Берг, О.Я. Механические свойства стеклопластиковой арматуры больших сечений / О.Я. Берг, Ю.М. Нагевич // Бетон и железобетон. — 1964. -№12. -С. 532-535.

19. Устинов, В.П. Экспериментальные исследования физико-механических свойств СПА и гибких связей / Устинов В.П., Казарновский B.C., Тихомиров В.М. и др.// Вестник Сибирского Государственного университета путей сообщения, 2002, вып. 4. С. 105-114.

20. СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции.

21. Волков Ю.П. Анкерное устройство для арматуры периодического профиля. ЯО.П. Волков, С.Н.Ткачев, С.П. Поздеев// Патент РФ на полезную модель №73351. 0публ.20.05.2008, бюл. №14, заявка № 2008100546/22, приор. 09.01.2008.

22. Справочник по композиционным материалам. В двух книгах. / Под ред. Дж. Любина. пер. с англ. М.: Машиностроение, 1988. Кн. 1 — 448 е., кн. 2 — 581 е., ил.

23. Дарков, A.B. Сопротивление материалов / A.B. Дарков, Г.С. Шпиро. — Изд. 3-е. — Mi: Высшая школа, 1969. — 734 е., ил.

24. Блазнов, А.Н. Автоматизированная установка для определения прочности и модуля Юнга упругих стержней при продольном изгибе / А.Н. Блазнов, О.В. Старцев, В.Ф. Савин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2009. -№1.-С.202.

25. Тихонов, В.Б. Метод и установка для испытаний строительной арматуры из полимерных композиционных материалов / В.Б. Тихонов, А.Н. Блазнов,

26. B.Ф. Савин, А.Н. Луговой // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады VIII Всероссийской; научно-практической конференции 21-23 мая 2008 г. Бийск: БТИ АлтГТУ, 2008. -С 142-146.

27. Промышленные полимерные композиционные материалы. / Под ред. М. Ричардсона/ Пер. с англ. /Под ред. П.Г. Бабаевского. — М.: Химия, 1980. -472 е., ил.

28. Пустовойтов, В.П. Стеклопластики в строительстве / В.П. Пустовойтов,

29. C.Л. Килимов, B.C. Черномаз / Под ред. В.А. Телешова. М.: Стройиздат, 1978.-212 с.

30. A.Н., Волков Ю.П. // Доклады X Юбилейной Всерос. науч-практ. конф. «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья». Бийск: БТИ АлтГТУ, 2010. - С 176-181.

31. Алексеев, К.П. Установка для испытания композиционных материалов на длительную прочность / К.П. Алексеев, И.Г. Терегулов // Заводская лаборатория. 2001. - Т. 67. - № 5. - С. 56-58.

32. ЮЗПоздеев, С.П. Способ испытаний упругих стержней на долговечность и устройство для его осуществления / С.П. Поздеев, А.Н. Блазнов, В.Ф. Савин,

33. B.Б. Тихонов, Н.М. Киселев. // Патент РФ на изобретение №2357223. Заявка 09.01.2008 г., per. № 2008101101.

34. Тихонов, В.Б. Устройство для комплексных испытаний долговечности материалов / В.Б. Тихонов, А.Н. Блазнов, В.Ф. Савин // Приборы и техника эксперимента. — 2010. — № 3, с. 166-167.

35. Тихонов, В.Б. Метод испытаний стеклопластиков на статическую долговечность / В.Б. Тихонов, А.Н. Блазнов, В.Ф. Савин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов 2010. - Т. 76. -№ 9. — С. 63-67.

36. ТУ 2296-009-20994511-03. Стержни стеклопластиковые для электрических изоляторов. Технические условия.

37. ТУ 3142-012-20994511-05. Анкер стеклопластиковый. Технические условия.

38. Савин, В:Ф. Методика определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов / В.Ф. Савин, А.Н. Луговой, Ю.П. Волков // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2003. - Т. 69.-№6.-С. 40-43.

39. Волков, Ю.П. Методика определения верхнего температурного предела работоспособности полимерных материалов / Ю.П. Волков, В.Ф. Савин, А.Н. Луговой // Пластические массы. 2005. - № 3. - С. 44-45.

40. Янченко Г.А., Исаев В.А., Наумов К.И. Лабораторный практикум по физике горных пород. Часть 1. Основы обработки результатовэксперимен-тов. Определение показателей плотности и влажности горных пород / Под ред. Янченко Г.А. М.: МГТУ, 2008. - 126 с.

41. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. — 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1991.-304 с.

42. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений: Учебное пособие для вузов. М.: Наука. Главная редакция физ.-мат. литературы, 1970.- 104 с.

43. Пустовалов Г.Е., Талалаева Е.В. Простейшие физические измерения и их обработка. М.: Изд-во МГУ, 1967. - 156 с.

44. Савин, В.Ф. Прогнозирование прочности конструкций из однона-правленно армированных стеклопластиковых стержней / В.Ф. Савин, А.Н. Блазнов, М.Г. Петров, Г.И. Русских // Механика композиционных материалов и конструкций. 2007. - Т. 13. - № 1. - С. 97-112.

45. Энциклопедия полимеров. В 3-х т. Т.З. Под ред. Кабанова-В.А., М., Советская энциклопедия, 1977, с 699-701.

46. Битков, E.H. Влияние температуры на механические характеристики стеклопластиковых стержней / Е.Н.Битков, В.Б.Тихонов, А.Н.Блазнов,

47. Петров М.Г. Прогнозирование долговечности однонаправленного стеклопластика при продольном изгибе. Численные методы решения задач теории упругости и пластичности. Труды XIX Всероссийской конференции, Новосибирск, Параллель, 2005, С.212-217.