Влияние соединительного клеевого слоя в трехслойных конструкциях при расчете их на прочность тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Хуанг Сонг-Дженг

• Хуанг Сонг-Дженг
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хуанг Сонг-Дженг

ВВЕДЕНИЕ.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ТРЕХСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

III. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

КЛЕЕВОГО СЛОЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ И

БАЛКИ ТК.

1) Вывод системы уравнений равновесия оболочки ТК с учетом влияния клеевого слоя.

2) Дедукция системы уравнений равновесия балки ТК с учетом влияния клеевого слоя.

3) Пример расчета напряженно-деформированного состояния клеевого слоя балки ТК, воспринимающего нагрузку трех точек.

4) Влияния параметров слоев ТК на прочности.

5) Приведение толщины клеевого слоя ТК.

6) Анализ расчетных результатов

IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

КЛЕЕВОГО СЛОЯ ТК.

1) Элементы планирования эксперимента

2) Экспериментальные методики.

A) МЕТОД ФОТОУПРУГОСТИ.

B) МЕТОД ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ СПЕКЛ- СДВИГА

C) МЕТОД ВНЕДРЕНИЯ ТЕНЗОДАТЧИКА В КЛЕЕВОЙ СЛОЙ ТК

D) ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРЕНИЯ КЛЕЕВЫХ ШВОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ КОНСТРУКЦИИ

Е) АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

V. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТРЕХСЛОЙНОЙ

КОНСТРУКЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ.

1) Технологический процесс склеивания.

2) Общий подход изготовления конструкции с сотовым заполнителем

3) Изготовления трёхслойных конструкций с обшивками из углепластика (УГП) и алюминиевым сотовым заполнителем (АЛСЗ)

4) Рекомендация на технологии производства ТК .Л

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние соединительного клеевого слоя в трехслойных конструкциях при расчете их на прочность»

Актуальность темы.

Применение высокопрочных сталей, армированных пластиков и других композиционных материалов на основе сверхпрочных непрерывных волокон или нитевидных кристаллов в тонкостенных подкрепленных конструкциях, работающих в условиях изгиба и сжатия, часто бывает неэффективным. Это объясняется тем, что по условию прочности конструкции из этих материалов должны иметь очень малую толщину. Но при этом резко снижается момент инерции сечения пластины или оболочки, и конструкция, особенно при невысоких модулях упругости материала, имеет низкие критические напряжения потери устойчивости.

Этого недостатка лишены трехслойные пластины и оболочки. Трехслойная пластина, или оболочка, состоит из двух относительно тонких внешних слоев (называемых несущими) из высокопрочных материалов, связанных слоем заполнителя, толщина которого значительно больше толщины несущих слоев. Прочностные характеристики и плотность заполнителя, как правило, значительно ниже, чем у несущих слоев.

При использовании соответствующих материалов несущих слоев трехслойные пластины и оболочки могут обладать хорошими вибропоглощающими характеристиками, иметь необходимые звуко- и теплоизоляционные свойства, требуемую свето- и радиопрозрачность.

Расчетные нагрузки таких конструкций достаточно хорошо совпадают с экспериментальными данными. Однако разрушение трехслойных конструкций (ТК) часто происходит не вследствие потери устойчивости, а при нагрузках значительно меньших, чем критические. При этом разрушение происходит в зонах, прилегающих к опорам, местах приложения сосредоточенных сил, т. е. в зонах, где определяющими являются краевые моменты и напряжения.

Цель работы.

Создание эффективных методов анализа напряженно-деформированного состояния в клеевых слоях (КС) трехслойных цилиндрических конструкций, выполненных из различных материалов, исследование закономерностей их сопротивления в основных случаях статистического нагружения и сравнение результатов расчета с существующими методиками. Проведение различных экспериментальных методов исследования напряженно-деформированного состояния КС ТК, а также оценка влияния различных марок клея для ТК на технологию производства ТК летательных аппаратов (ЛА).

Методика исследования.

Расчет прочности, жесткости и устойчивости технологических конструкций обычно связан с исследованием многократно статически неопределимых систем. Практически все примеры нагружения таких конструкций можно решить на основе теоремы о минимуме потенциальной энергии. Эта теорема, обладая значительной общностью, позволяет исследовать многие задачи равновесия упругого тела.

Решения, получаемые таким методом, не всегда просты, а в сложных задачах расчёта трехслойных оболочек, пластин и балок энергетический прием не только очень удобен, но иногда просто - незаменим для получения расчетных зависимостей.

Экспериментальные методики включают в себя метод фотоупругости, исследование интерферометром спекл-сдвига (зреИе-зИеаг), внедрение тензодатчика в клеевой слой ТК и снятие характеристик клеевых швов при изготовлении конструкций.

Научная новизна работы.

На основе использования теоремы о минимуме потенциальной энергии и вариационных принципов, построена система дифференциальных уравнений в частных производных для определения напряженно-деформированного состояния несущих слоев, заполнителя и клеевых слоев трехслойной цилиндрической оболочки под действием нагрузок. Используя пакет прикладных программ математического моделирования «Мар1еУ» реализован алгоритм расчёта напряженно-деформированного состояния элементов трехслойных цилиндрических оболочек и трехслойных балок.

Введена экспериментальная методика измерения напряжений в КС внедренным в него тензодатчиком. Количественная оценка влияния использования различных марок клея при изготовлении клеевого слоя на получение требуемых прочностных характеристик ТК.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ТРЕХСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Повышение эффективности современной техники неразрывно связано с поиском и реализацией новых конструктивно-технологических решений. Одним из важных направлений в этом поиске в конструкциях оболочечного типа (корпуса ракет, кораблей, вагонов; фюзеляжей и крыльев самолетов и вертолетов; кузова автомобилей и др.) является создание и все более широкое применение трехслойных конструкций (ТК).

Трехслойная конструкция представляет собой составную конструкцию, состоящую из двух несущих слоев, заполнителя, расположенного между несущими слоями, и элементов каркаса (окантовок, законцовок, накладок, книц и др.). Заполнитель соединяется слоями путем склейки, сварки или пайки. Внешние, так называемые несущие слои изготавливаются из прочных материалов ( стали, сплавов легких металлов, дерева, армированной волокном пластмассы, бетона или асбестоцемента и др. ). Несущие слои воспринимают продольные нагрузки ( растяжение, сжатие, сдвиг ) в своей плоскости и поперечные изгибающие моменты. Заполнитель -конструктивный элемент трехслойной конструкции, который изготавливается из относительно малопрочных материалов с малой плотностью ( из пробки, резины, древесины, бальзы, пластмассы, вспененного полимерного материала, а также из легкого металла в форме сот, перемычек, гофрировки или другой конструкции ). Заполнитель воспринимает поперечные силы при изгибе трехслойной конструкции и обеспечивает совместную работу и устойчивость несущих слоев. Способность заполнителя воспринимать нагрузку в плоскости несущих слоев зависит от конструкции заполнителя и его жесткостных характеристик.

Трехслойные конструкции можно классифицировать по ряду характерных признаков и свойств. По типу конструкции: панели, балки, стенки, оболочки; по форме в плане: прямоугольные, трапециевидные, круглые; по материалу несущих слоев и заполнителя: металлические, неметаллические, в том числе и композиционные, комбинированные; по технологии соединения несущих слоев с заполнителем: клееные, паяные, сварные; по толщине: постоянные, переменные; по структуре поперечного сечения: симметричные, несимметричные. Если несущие слои имеют одинаковую толщину и изготовлены из одинаковых материалов, то конструкцию считают симметричной. У несимметричных конструкций несущие слои имеют неодинаковую толщину, изготовлены из разных материалов, т.е. асимметрия может быть геометрической и физической. Применение несимметричных по структуре ТК связано не только с требованиями получения " конструкции минимальной массы, но и с функциональными свойствами, например, обеспечивает минимальную теплопроводность, радиопрозрачность и др.

Существует большое разнообразие заполнителей, имеющих самые различные конструктивные формы и структуры: заполнители сплошной структуры, сотовой ячеистой структуры, гофровой структуры, стеночной и ферменной структуры и др.

Трехслойные конструкции, благодаря своим положительным качествам, широко применяются в различных отраслях народного хозяйства: в строительстве - для изготовления панелей, плит промышленных и общественных зданий, в производстве отделочных панелей, мебели; в судостроении - в надстройках и их элементах судов различных классов и типов; в самолетостроении - в узлах и агрегатах самолетов различных классов и назначения независимо от компоновочно - конструктивной схемы. Площадь поверхности таких конструкций в планере самолета достаточно велика. Трехслойные конструкции применяются в качестве силовых элементов в крыле, фюзеляже, оперении ( обшивка, лонжероны, шпангоуты, нервюры, стенки ), особенно в агрегатах, воспринимающих местную нагрузку закрылки, элероны, щитки, рули, различные обтекатели ) и поперечную распределенную нагрузку ( полы грузовой и пассажирской кабины, каналы воздухозаборника ), а также в качестве несиловых элементов ( детали интерьера, элементы крепления оборудования ). Трехслойные конструкции применяют также при изготовлении многих узлов и агрегатов самолетов и вертолетов, работающих в различных условиях. Трехслойные конструкции применяются и в конструкции ракет-носителей и космических аппаратах.

На наш взгляд, это объясняется тем, что применение высокопрочных сталей, титана и его сплавов, армированных пластиков и других композиционных материалов на основе сверхпрочных непрерывных волокон или нитевидных кристаллов в тонкостенных подкрепленных конструкциях, работающих в условиях изгиба и сжатия, часто бывает неэффективным, так как по условию прочности конструкции из этих материалов должны иметь очень малую толщину. Однако при этом резко снижается момент инерции сечения пластины или оболочки, и конструкция, особенно при невысоких модулях упругости материала, имеет низкие критические напряжения потери устойчивости. Этого недостатка лишены трехслойные пластины и оболочки, так как трехслойные конструкции, обладая большей толщиной, имеют больший момент инерции.

Таким образом выявлены следующие основные преимущества трехслойных конструкций:

1. Малая масса по сравнению с традиционными типами подкрепленных пластин и оболочек при определенных размерах конструкции и типах материалов.

2. Технико-экономическая эффективность по сравнению с традиционными конструкциями:

- меньшая трудоемкость изготовления;

- меньшая энергоемкость технологических процессов;

- меньшая потребность в производственных площадях;

- экономия на себестоимости производства и эксплуатации; экономия на капитальных вложениях, обусловленных производством и эксплуатацией данного вида продукции.

3. Хорошие звуко- и теплоизоляционные свойства, свето- и радиопрозрачность, вибропоглощаюшие характеристики.

4. Высокий коэффициент внутреннего поглощения энергии: декремент колебаний на один-два порядка выше, чем у подкрепленных конструкций.(см. рис. 1-1)

5. Выносливость слоистых панелей превышает выносливость панелей стрингерных конструкций, (см. рис.1-2)

6. Большой срок службы за счет равномерного подкрепления несущих слоев, отсутствия заклепок, вызывающих концентрацию напряжений.

7. Применение трехслойных конструкций ( в том числе паяных и сварных ) позволяет ликвидировать операцию правки и устранить концентрацию напряжений.

8. Высокая технологичность, определяемая минимумом деталей, подаваемых на сборку, и возможность полной автоматизации процесса изготовления самих панелей.

9. Более гладкая поверхность. Высокие качества формы и аэродинамики поверхности.

10. Повышенная эксплуатационная надежность вследствие хороших усталостных характеристик и отсутствия концентраторов напряжений.

160

150

ПО

V \ \г2

1

10' юг ю1 10* Ю!

Зависимость предела выносливо- - Зависимость уровня звусти от числа циклов до разрушения для кового давления, соответствующе-различных типов конструкций: го разрушению конструкции, от г времени акустического воздействия.

1 — однослойного образца при растяжении-сжатии; 2 — трехслойного сварного образца РН15-7М (США) при изгибе; 3 — трехслойного паяного образца с несущими слоями из стали СН-4 (СССР) при изгибе; 4 — трехслойного паяного образца РН15-7М (США) при мзгибе

1 —стрингерная ¡подкрепленная панель с обшивкой из стали ВНС-2; 2 — сотовая конструкция с несущими слоями из стали ВНС-2

Рис. 1-1 Рис. 1-2

Однако, трехслойные конструкции имеют и некоторые недостатки:

- снижение прочности в процессе эксплуатации клеевых соединений за счет старения клея;

- жесткие требования к технологическому процессу и его стабильность;

- необходимость применения совершенных методов и аппаратуры для неразрушающего контроля соединений заполнителя с несущими слоями.

- отсутствие надежных методов нормирования допускаемых дефектов ТК, особенно типа расслоения.

Созданию и применению трехслойных конструкций предшествовало большое число теоретических и экспериментальных исследований. Впервые трехслойная конструкция была применена в 1845 г. английским инженером Р. Стефенсоном при строительстве железнодорожного моста. В России первое исследование, посвященное выбору параметров ТК, было выполнено С.И. Зоншайном в 1928 г. В 40-х годах трехслойные панели начали применяться в конструкциях самолетов. В это же время разрабатывается теория расчета трехслойной конструкции. В 1946 году вышла работа [21], в которой разрабатывалась теория расчета на устойчивость обшивки с заполнителем. Дальнейшее развитие трехслойные конструкции получили в работах [18, 26, 27, 32, 33, 35], где созданы основы прикладной теории трехслойных пластин и оболочек. Были изготовлены первые трехслойные панели с сотовым заполнителем с несущими слоями из металла, создание которых позволило подтвердить предположение об эффективности применения трехслойных конструкций, расширило число решенных задач устойчивости и прочности ТК, т.е. было создано новое направление в строительной механике пластин и оболочек.

Наибольший вклад в области прочности и устойчивости трехслойных пластин и оболочек внесла группа ученых из

Новосибирска: Э.И. Григолюк, А.Я. Александров, Л.М. Куршин,

Д.Э. Брюккер, П.П. Чулков и др. Х.М. Мупггари обоснованы гипотезы расчета и строгие зависимости теории трехслойных оболочек. Значителен вклад в теорию расчета трехслойных оболочек К.С. Голубева, В.И. Королева, Б .Я. Розендента, В.П. Карножицкого, В.Г. Попова, Я.М.Григоренко, K.M. Иерусалимского, В.Е. Берсудского, Ю.А. Гладкова и др. Ученые ЦНИИСКа под руководством А.Б. Губенко опубликовали работы по методике расчета, теории и применению трехслойных пластин и оболочек в строительстве. Применение трехслойных конструкций в самолетостроении поставило перед наукой ряд задач, таких как влияние начальных геометрических несовершенств на прочность ТК, проблема определения температурных деформаций и учета несимметричности строения оболочек[5, 13, 14]. В работах [7, 16, 19] рассмотрены вопросы рационального проектирования агрегатов авиационных конструкций, выполненных из панелей с сотовым заполнителем. Описание методов расчета ТК на прочность и устойчивость достаточно подробно рассмотрены в работах[2, 8, 17, 22, 33, 35, 27].

Применение ТК в судостроении потребовало создания теории расчета подкрепленных ТК[3, 20]. В теории ТК для несущих слоев принимаются гипотезы Кирхгофа-Лява , для заполнителя - гипотеза прямой линии напряжения в срединной поверхности легкого заполнителя, которое (напряжение) считается равным нулю[32, 33].

Границы применимости этих допущений были рассмотрены в работах А.П.Прусакова, Л.Э.Брюккера, Д.Джерарда.

Перспективность трехслойных конструкций, связанная в первую очередь с их высокой относительной жесткостью и прочностью, определяет необходимость развития методов их расчета, проектирования и технологии производства.

Задачей данной работы является получение теоретических зависимостей расчета НДС (напряженно - деформированного состояния) трехслойных конструкций с учетом работы клеевого слоя на основе вариационного принципа Лагранжа; и проведение экспериментальных исследований на основе метода фотоупругости, метода интерферометрии и метода внедрения тензодатчика в клеевой слой для подтверждения теории, для подтверждения теории.

Существует несколько подходов к построению методики расчета трехслойных конструкций. Некоторые авторы при построении методики расчета НДС трехслойных конструкций, рассматривают пакет слоев (приведенные характеристики), используя простую математическую модель и получая при этом не совсем точные результаты при напряжении и перемещении. В настоящей работе при построении методики расчета НДС трехслойных конструкций конструкция с учетом клеевого слоя была

разделена на составные части (т.е. заполнитель, несущие слоя и клеевые слоя) и затем проанализирована деформирование каждой части посредством вариационного метода. Хотя при анализе частей ТК использовалась нетривиальная математическая модель и расчеты были сложными, точность расчетов оказалась значительно выше, чем при использовании теории приведения.

Много авторов фокусировали экспериментальное исследование просто на несущем слое ТК, так как исследование на несущем слое ТК проще, чем на клеевом слое.

В данной работе экспериментальные методики сосредоточивают внимание на напряжениях и деформациях прямо в клеевом слое ТК летательных аппаратов.

II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В качестве примера рассматривается трехслойная конструкция, нагруженная распределенной по пролету нагрузкой с различными опираниями по кромкам: свободной и защемленной. В зависимости от распределения нагрузок были выделены 3 схемы работы ТК (см. рис. II-1):

Первая схема (1) - по гипотезе Кирхгофа, когда используется жесткий заполнитель, что приводит к отсутствию деформации поперечного сечения.

Вторая схема (2) - по гипотезе Найта (van der Neut), когда заполнитель работает лишь на сдвиг, в результате чего получается большая сдвиговая деформация по толщине.

Третья схема (3) - по гипотезе промежуточной, когда заполнитель работает на сдвиг и на растяжение - сжатие, получаем деформацию, среднюю между схемами (1), (2). z г кромок

Рис.П-2 схема деформации ТК

Трехслойная панель может быть принята свободно опертой на жесткий контур (основная расчетная схема - рис.Н-2.а) при следующих допущениях:

- несущие слои на контуре панели соединены элементом а Ь , жестким при деформации в своей плоскости и абсолютно гибким при деформации в перпендикулярном направлении;

- жесткость несущих слоев, вследствие их малой толщины, незначительна и можно принять их на контуре шарнирно опертыми;

- заполнитель работает только на сдвиг и совершенно не воспринимает усилий растяжения-сжатия в плоскости, касательной к срединной поверхности панели (по гипотезе Найта ).

Метод расчета трехслойных панелей, обладающих такими свойствами, с применением тригонометрических рядов изложен в книге Б.Ф.Прохорова и В.Н.Кобелева " Трехслойные конструкции в судостроении Однако применяемые на практике панели имеют такие параметры элементов, входящих в конструкцию ( несущие слои, заполнитель, законцовки ), что изложенные выше допущения не всегда могут быть приняты. Это вносит в расчет большую или меньшую ошибку. Например, реальный заполнитель работает не только на сдвиг, но и обладает конечной жесткостью на растяжениесжатие в плоскости, касательной к срединной поверхности. В результате закон деформации трехслойной панели по нормали к срединной поверхности будет тем больше отличаться от закона, соответствующего гипотезе ломаной линии, и приближаться к закону, соответствующему гипотезе недеформируемой нормали, чем выше жесткость заполнителя на сдвиг. В результате панель на кромке деформируется так, как показано на рис.П-2.б. Положение кромок а Ь (рис.П-2.б ) соответствует деформации панели, у которой жесткость заполнителя на сдвиг бесконечно большая. При расчете такой конструкции может быть принята гипотеза недеформируемой нормали. В случае конечной жесткости заполнителя при работе на растяжение-сжатие и на сдвиг кромки деформируемой панели займут положение, показанное на рис.И-2.г. В других случаях при конечной жесткости на изгиб несущих слоев на контуре панели между несущими слоями может быть установлена жесткая законцовка, которая при деформации панели остается перпендикулярной к несущим слоям в зоне ее установки, т.е. в контурных сечениях панели будет конструктивно соблюдаться закон недеформируемой нормали (рис.П-2.в).

Как известно, разрушение трехслойных конструкций часто возникает на стыке "заполнитель - несущий слой" (в случае соединения склеиванием), т.е. в клеевом слое. Это ставит вопрос об учете технологических и эксплуатационных влияний клеевого слоя в трехслойной конструкции.

Технологический процесс склеивания дает возможность благодаря когезии и адгезии соединять металлические и неметаллические материалы без использования большого количества тепловой энергии.

Несущая способность клеевых соединений в значительной степени зависит от прочности клеевого слоя и соединяемых элементов.

Под действием нагрузки в клеевом соединении возникают напряжения, которые распределяются в нем неравномерно. Из большого разнообразия клеевых соединений (рис.П-З) наибольшее распространение в конструкциях клеевых узлов получило как наиболее экономичное соединение внахлестку. Склеивание внахлестку дает возможность получить увеличение площади склеиваемой поверхности и нагрузок при сдвиге в клеевом соединении.

1 нахлестка простая; 2 нахлестка ош'оскосная со скошенной кромкой; 3 нахлестка простая при отогнутых кромках склссвас-мых образцов; 4 - нахлестка двухскосная; 5 - нахлестка двусторонняя усиленная; б - нахлестка врезная ггростая; 7 - нахлестка врезная односкосная усиленная; 8 нахлестка шпунтовая; 9 - соединение двустороннее врезное; 10 соединение на "ус"; 11 соединение на "ус" с упорами; 12 - соединение двойное на "ус"; 13 - соединение с двумя накладками;- 14 -соединение с накладками со скошенными кромками; 15 - соединение торцевое с увеличенной площадью склеивания; 16 ■• двусторонняя врезная нахлестка с накладками; 17 ~ нахлестка с двутавром; 18 - нахлестка со швеллером; 19 - нахлестка с угольником

Рис.П-З модели клеевых соединений

Наиболее высокая концентрация напряжений (рис.П-4) возникает на концах нахлеста, что вызывает уменьшение прочности соединения. При нагрузке клеевого слоя соединенные детали растягиваются. Соединяемая деталь, имеющая меньшую площадь сечения, разрушается первой. В соединении простой нахлесткой клей выравнивает различия в удлинении соединяемых деталей, пластически деформируясь под нагрузкой. Это явление проявляется в неравномерности клеевого слоя, который выравнивает напряжения в соединении.

Прочность клеевого шва зависит от многих факторов: адгезии клея, зависимость свойств отверженного клея от его толщины и других параметров. Все эти факторы незначительно зависят от конструкции соединения. ш ,„." о ГТ1Пй кпий- Ь, - толщина слоя клея; / -. элементы соединения; 3 - слой кле* я т ^ илппяжспие Н( длина

1. 2 - элементы соединения, ^ » .»ктяжение ноомальл я - тол шина элементов соединения; стр - напряжение норм нахлестки; Б,, ьг толщи«* ль МП(.й кпея' а - угол деформамент изгибающий; - сила разрушают в клеевом шве; аи - напряжение нормальное изгиба; тсдв - напряжение елдига

Рис. П-4 Схема соединения в момент разрушения (а), эпюры нормальных напряжений при растяжении (б) и при изгибе (в)

При увеличении толщины слоя клея пропорционально увеличивается вредный момент изгиба, при этом прочность на растяжение и сдвиг снижается. Максимальная прочность клеевого " шва достигается при толщине клеевого слоя 0.1-0.2 мм.

Наибольшее распространение при склеивании получили многослойные конструкции с сотовым заполнителем.

При проектировании и изготовлении многослойной конструкции с сотовым заполнителем необходимо обеспечивать высокую прочность и надежность при незначительной площади контакта склеиваемых поверхностей. Очевидно, что определяющими факторами, влияющими на прочность конструкции, являются технологические факторы. При склеивании таких конструкций широко используются клеевые пленки. В процессе склеивания происходит перетекание части клея в пределах каждой ячейки от центра к стенкам, в результате чего у стенок образуются клеевые галтели (рис.П-5 ) . Клеевую галтель можно определить высотой поднятия клея Н, шириной основания галтели Кг, толщиной прослойки клея бщ, в пределах каждой ячейки после растекания клея, а также радиусом галтели. Ширина основания галтелей клея существенно влияет на общую площадь клеевого контакта, которая, как показали эксперименты, зависит от свойства клея, метода его нанесения и геометрии сотового заполнителя. Среднюю статическую ширину основания галтели для каждого конкретного случая получатют экспериментальным путем, склеивая образцы различными клеями при различных условиях, изготавливая из " образцов шлифы и измеряя под микроскопом исследуемые параметры. (Экспериментальное исследование клеевых галтелей ТК данной работы показано в IV главе). г -; ■: - УдУ } ж с £ «К

Сечение сотовой ячейки: 1 - стенка сотового заполнителя; 2 -галтель; 3 - обшивка; Н - высота поднятия клея; Кт - ширина основания галтели; 5ф - толщина фольги сотового заполнителя; — толщина обшивки; г - радиус галтели; 6П - толщина клеевой прослойки

Рис. П-5 клеевые галтели

III. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КЛЕЕВОГО СЛОЯ

ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ И БАЛКИ ТК

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Хуанг Сонг-Дженг

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной работы, на основе принятых гипотез деформирования трехслойных пакетов, были получена система уравнений и граничные условия, описывающие напряженно-деформированное состояние трехслойной цилиндрической оболочки как трехмерного ортотропного тела под действием произвольной нагрузки. Данный подход к решению задач такого типа дает возможность анализировать распределение напряжений и перемещений раздельно как в заполнителе, несущих слоях, так и в клеевых слоях ТК в любой точке пространственной системы координат. Следовательно, можно определить наиболее уязвимые участки конструкции в целом, особенно в клеевых слоях.

Вид решения свидетельствует, что выражение для искомых функций (щ; и2; дл^) содержит несколько быстро затухающих составляющих. Эти составляющие описывают эффекты, связанные с интенсивным сдвигом в ТК, сжатием заполнителя, которые в значительной мере определяют напряженно- деформированное состояние трехслойного пакета в зонах, имеющих большой показатель изменяемости. Подобное решение для трехслойной цилиндрической оболочки получено впервые.

Расчетные данные трехслойной балки при нагрузке позволяют определить особенности поведения заполнителя и клеевого слоя ТК:

1) Максимальная касательная деформация (е^з) заполнителя находится на краях стыков с клеевыми слоями, как показано на рис. Ш-20.

2) Максимальная касательная деформация (ех/>4, е^) клеевых слоев находится на краях стыков с заполнителем, как показано на рис. Ш-21 и рис. Ш-22.

3) Напряжения вдоль по оси ъ (а2.4, а/ 5) клеевых слоев растут быстро около опоры и точки нагружения, как показано на рис. Ш-27 и рис. Ш-28.

4) Максимальное касательное напряжение (аХ2;3) заполнителя находится на краю стыка с клеевыми слоями, как показано на рис. Ш-29.

5) Максимальное касательное напряжение (стх/.,4, аХ7,5) клеевых слоев находится на краю стыка с заполнителем, как показано на рис. Ш-30 и рис. Ш-31.

Влияние изменения толщины клеевого слоя на прочность ТК является таким, что минимальная абсолютная величена касательного напряжения и заполнителя и клеевых слоев находится в зоне 0.0010.002см при изменении толщины клея. Поэтому для повышения прочности клеевого слоя следует уменьшать его толщину.

Произведены экспериментальные исследования ТК по трем различным методикам. Метод фотоупругости определяет разность главного напряжения лишь в заполнителе и несущем слое. Метод спекл-сдвига показывает явление осциллирующего процесса в заполнителе и несущем слое ТК при статической нагрузке. А метод внедрения тензодатчка в клеевой слой ТК позволяет непосредственно получать деформации клеевых слоев ТК при нагрузке.

Построена методика определения толщины клеевого слоя на основе эксперимента.

А также даны некоторые рекомендации по уточнению процесса изготовления трехслойной конструкции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хуанг Сонг-Дженг, 1999 год

1. Абибов А.Л., Технология самолетостроения. М.: Машиностроение, 1982, 551 с.

2. Александров А.Я., Куршин JIM. Трехслойные пластинки и оболочки. В кн.: Прочность, устойчивость, колебания. М.: Машиностроение, 1968, т.2, с.243-326.

3. Благов В.А., Калмычков А.Н., Кобелев В.Н., Прохоров Б.Ф. Легкие судовые конструкции из пластмасс. Л., "Судостроение", 1969, 264 с.

4. Васидзу К., Вариационные методы в теории упругости и пластичности., М: Мир, 1987.

5. Григолюк Э.И., Чулков П.П. Нелинейные уравнение пологих многослойных оболочек регулярного строения. Механика твердого тела. 1967,No. 1,с. 163-169.

6. Григорьев В.П., Технология самолетостроения., 1960, 541 с.

7. Гиммельфарб А.Л. Основы конструирования в самолетостроении. М.: Машиностроение, 1980, 367 с.

8. Ендогур А.И., Вайнберг М.В., Иерусалимский K.M. Сотовые конструкции. М.: Машиностроение, 1986, 200 с.

9. Кан С.Н., Строительная механика оболочки. М.: Машиностроение, 1966, 508 с.

10. Ю.Кваша А.Н., Технология производства летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1981, 232 с.

11. Кобелев В.Н., Коварский Л.М., Тимофеев С.И. Расчет трехслойных конструкций. М.: Машиностроение, 1984, 304 с.

12. Кобелев В.Н., Потопахин В.А. Динамика многослойных оболочек. Ростов. Изд. Ростовского университета, 1985, 160 с.

13. Крысин В.Н., Технологические процессы формования, намотки исклеивания конструкции. M.: Машиностроение, 1989, 240 с.

14. Куршин JI.M. Уравнение трехслойных цилиндрических оболочек. Изв. АН СССР, ОТН, 1958, No. 3, с. 15-20.

15. Куршин JI.M. Уравнение трехслойных пологих и непологих оболочек. В сб. Расчеты элементов авиационных конструкций. М. Машиностроение, 1965, с. 106-157.

16. Кун П. Расчет на прочность оболочек в самолетостроении: пер. с англ. М.: Оборонгиз, 1961, 306 с.

17. Краснобаев И. А. Расчет круговой трехслойной цилиндрической оболочки с большим прямоугольным вырезом. "Известия вузов", Архитектура. Новосибирск, 1973, No 2, с.11-16.

18. Прусаков А.П. Конечные прогибы многослойных пологих оболочек. Изв. АН СССР. Механика твердого тела, 1971, No 3, сЛ 19-125.

19. Панин В.Ф. Гладков Ю.А. Конструкции с заполнителем. М. Машиностроение, 1996,272 с.

20. Прохоров Б.Ф., Кобелев В.Н. Трехслойные конструкции в судостроении. Л., "Судостроение", 1972, 334 с.

21. Рабинович A.JI. Устойчивость обшивки с заполнителем при сжатии П Тр. ЦАГИ, No 595. Издательство бюро новой техники, 1946, 38 с.

22. Шунгский Б.Е. Строительные конструкции с сотовыми заполнителями. М., Стройиздат, 1977, 112 с.

23. Allen, H. G., Analysis and Design of Structural Sandwich Panels.

24. Pergamon Press, Oxford, 1969.

25. Frostig, Y., High-order Bending of Piecewise Uniform Sandwich Beams with a Tapered Transition Zone and a Transversely Flexible Core. Composite Structure, Vol.31,1995, pp.151-162

26. Frostig Y., Behavior of delaminated sandwich beam with transversely flexible core high order theory. Composite Structures, Vol. 20, 1992, pp. 1-16.

27. Frostig Y., Daruch M., Bending of sandwich beams with transversely flexible core. AIAA,Vol.28, No.3, 1990.

28. Gerard G. Torsional instabiliting of a long sandwich cylinder. Proceeding of First National Congress for Applied Mechanics, ASME, 1952. P.391-194

29. Hsu Teh-Min e.a. A theory of laminated cylindrical shells consisting of layers of orthotropic lamine. AIAA Journal, 1970, V.8,N12

30. Lee L.J., Bending and vibration analysis of composite sandwichplates. Computer & Structure Vol.60. No.l. pp. 103-112

31. Marshal. A., Sandwich Construction. In Handbook of Composites, ed. G. Lubin. VanNostrand Reinhold Company, Scarborough, CA, 1982.

32. Monforton G.R., Analysis of sandwich plates with unbalanced cross-ply faces. Int. J. Mech. Sci. Vol. 17, 1975, pp.227-238.

33. Plantema, F. J., Sandwich Construction: The Bending and Buckling of Sandwich Beam, Plates and Shells. John Wiley and Sons Inc., N.Y. 1966.

34. ReisnerE. Finite deflections of sandwich. Plates. JAS, 1948, V.75,N7.P.272-275.

35. Reisner E. Finite deflections of sandwich. Plates. JAS, 1950, N2. P.423-428.

36. Shenhar Y., Frostig Y. & Altus E., stresses and failure patterns in the bending of sandwich beams with transversely flexible cores and laminated composite skins, Composite Structure, Vol.35, 1996, pp. 143-152.

37. Somers, M., Weller, T. & Abramovich, H., Buckling and postbuckling behavior of sandwich structures in the presence of a delamination, TAE, No. 644, Technion, Israel Institute of Technology, Haifa, July 1989.

38. Stein M., Mayers J.A. Small-deflections theory for curvedsandwich plates. -NASA Technical Report, 1951,1008.

39. Thomsen, O. T., Analysis of local bending effects in sandwich plates with orthotropic face layers subjected to localised loads. Composite Structure, Vol.25, 1993, pp. 511-520.

40. Thomsen, O. T., Theoretical and Experimental Investigation of Local Bending Effects in Sandwich Plates. Composite Structure, Vol.30, 1995, pp. 85-101.

41. Thomsen, O. T., Ply Drop-off Effects in CFRP/Honeycomb Sandwich Panels-Experimental Results. Composites Science and Technology, Vol.56, 1996, pp. 423-437.

42. Tsai, S. W. & Wu, E. M., A general theory of strength for anisotropic materials. J. Composite Materials, Vol.6, 1971, pp.68.

43. Vinson, J. R., Optimum design of composite honeycomb sandwich panels subjected to unaxial compression. AIAA J., Vol.24, 1986, pp. 1690-1696.

44. Zhaohua, F. & Cook, R. D., Beam elements on two-parameter elastic foundations. ASCE J. Engng Mech., V.109, N.6, 1983, pp. 1390-1402.