1371

«Локхид» с целью определения отрывной прочности компо­ зитных подкрепляющих элементов, было найдено, что в сред­ нем нормальное напряжение составляет 33-103 фунт/дюйм2 [55].

Таким образом, оценки величин напряжений количествен­ но довольно близки. Заметим также, что напряжение разру­ шения склейки находится в квадратичной зависимости от приложенной нагрузки, как это было в случае перемещений и деформаций. Итак, на основании теоретического анализа можно сделать вывод, что улучшение свойств связующего, которым подкрепляющие элементы приклеивают к панели, может привести к существенному увеличению закритической прочности только тогда, когда прочность склейки значитель­ но возрастет. Возможности таких изменений в ближайшем будущем не видно. Следовательно, перспективными могут оказаться другие методы соединения подкрепляющих элемен­ тов и панели. Примером является использование технологии «сшивания» для улучшения прочности соединения панели с подкрепляющими элементами [57, 58]. В этих работах сооб­ щается также об экспериментальном исследовании с ча­ стично положительными результатами иной технологии, от­ личной от технологии сшивания.

В общем не существует простой формулы или критерия, позволяющих прогнозировать разрушение склейки подкреп­

своими методиками прогнозирования, которые представляют собой комбинацию полуэмпирических формул и эксперимен­ тальных данных, накопленных в процессе исследований. Та­ ким образом, современные проекты ограничены небольшим числом вариаций относительно экспериментально проверен­ ных, работоспособных закритических конструкций.

1.3.3. РАЗРУШЕНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ТРЕЩИНЫ

Область механики композитных конструкций, связанная с разрушением и распространением трещин в композитах, в настоящее время является областью интенсивных теоретиче­ ских исследований и экспериментов; основные усилия на­ правлены непосредственно на изучение характеристик наи­ более простых механизмов разрушения. Исследования, по­ священные определению чувствительности закритических композитных панелей к повреждению, ограничены экспери­ ментами, позволяющими получить хотя бы приближенные оценки для проектирования. Теоретические работы являются пока или чрезмерно упрощенными, или недостаточно прора­

ботанными, чтобы обеспечить обоснованное проектирование подкрепленных композитных панелей. Для первоначального ознакомления с этой обширной темой можно рекомендовать работу [33], позволяющую понять основные механизмы раз­ рушения композитов.

1.3.4. УСТАЛОСТЬ

Введением в область механики, связанную с усталостью композитов, является работа [32], позволяющая разобраться в довольно большом количестве экспериментальных данных. Кроме того, вопросы усталости композитов на более основа­ тельном уровне рассмотрены в других статьях сборника; см. например, статью Рейфснайдера. По отношению к закритическим конструкциям в настоящее время основное внимание уделяется экспериментальным исследованиям и проверке ре­ зультатов испытаний на долговечность ряда ограниченных классов симметричных квазиизотропных композитов.

В работе [2] описано испытание панелей из графитоэпок­ сидного слоистого композита при усталостном нагружении сжатием с постоянной амплитудой и полной разгрузкой в каждом цикле. Как можно было ожидать, преобладающим видом разрушения оказалась отклейка подкрепляющих эле­ ментов. Важный вывод данной работы состоял в том, что ис­ пытанные панели обладали большим запасом закритической несущей способности при условии сохранения целостности склейки подкрепляющих элементов и обшивки. Панели раз­ рушались при нагрузке, в среднем превышающей примерно в пять раз критичесую нагрузку начальной потери устойчи­ вости. Усталостные испытания показали, что максимальная нагрузка при усталостном нагружении может достигать 80 % от прочности при статическом нагружении и удовлетворять при этом требованиям надежности, заложенным в проект.

В последнее время выполнено немало экспериментальных исследований, посвященных оценке статической и усталост­ ной прочности закритических подкрепленных панелей при сдвиге [55,57,58]. Эксперименты показали, что панель мо­ жет удовлетворять требованиям проекта по усталостным ха­ рактеристикам, если нагрузка при усталостном нагружении не превышает 60 % статической прочности при сдвиге. Более того, в некоторых испытаниях на сдвиг [55] предельная на­ грузка превышала критическую нагрузку потери устойчи­ вости в восемь раз, обеспечивая, таким образом, значитель­ ный запас прочности подкрепленной панели в закритической области.

1.4. Заключение

Предлагая читателю данную статью, авторы преследо­ вали три цели. Во-первых, выявить и, где можно, количественно оценить различные факторы, связанные с гео­ метрией конструкции и свойствами материалов, оказывающие влияние на устойчивость, закритическое поведение и разру­ шение подкрепленных панелей из композитов. Во-вторых, Познакомить как конструктора, так и студента с литературой, позволяющей более глубоко понять и исследовать поведение конструкций подкрепленных панелей. И наконец, в-третьих, сделать попытку обзора текущего состояния дел в об­ ласти проектирования докритических и закритических кон­ струкций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Agarwal В. L. A model to simulate failure due to stiffener/web separa­ tion of composite tension field panels. — AIAA 23rd Structures, Struc­ tural Dynamics, and Materials Conference, AIAA Paper No. 82-0746, 1982.

2.Agarwal В L. Flat stiffened graphite/epoxy tension field panels under constant-amplitude fully-reversed fatique leading. — Naval Air Develop­ ment Center Report No. NADC-81169-60, August 1981.

3.Agarwal B. L., Kudva N. J., Deo R. B. Design methodology and life analysis of postbuckled metal and composite panels. — Interim Technical Report No. 8, Northrop Corporation, Contract No. F33615-81-C-3208, January 1984.

4.Agarwal B. L. Postbuckling behavior of hat stiffened flat and curved

composite compression panels. — Naval Air Systems Command Report No. NOR 81-187, October 1981.

5.Амбарцумян С. А. Теория анизотропных пластин. — M.: Наука, 1967.— 266 с.

6.Anderson М. S , Jefferson S. W. A general panel sizing computer code

1979, 17, No. 8, p. 892—897. [Имеется перевод: Андерсон M. С„ Страуд В. Дж. Универсальная программа расчета размеров панели и

9.Anderson R. E., Mayers J. Effects of non-linear material behavior on postbuckling stiffness of laminated composite plates. — AIAA Aircraft Systems and Technology Meeting, Paper No. 79-1806, New York, N. Y.,

August 1979.

10. Arnold R. R., Parekh J. Buckling, postbuckling, and crippling of shal­ low curved composite edge-stiffened panels in combined compression and shear (будет опубликовано).

11.Arnold R. R., Parekh J. PANCLP Users Guide. — Version 31.0, April 31„ 1985.— Anamet Report No. 85.033.

12.Arnold R. R. Buckling, postbuckling, and crippling of materially non* linear laminated composite plates. — Ph. D. Dissertation, Stanford Uni­ versity, March 1983.

13.Arnold R. R. Correlative analysis of general dynamics convair stiffened

14. Arnold R. R. Correlative analysis of McDonnell Aircraft Company flat

15.Arnold R. R. Correlative analysis of Northrop metal compression panels MC1-4, IC1. — Anamet Laboratories, Inc., Report No. 84.033. August 15,

1984.

16. Arnold R. R. Disbond analysis and criteria for stiffened-panel structu­ res (неопубликовано, 1986).

17.Arnold R. R. Equivalent elastic torsional properties of composite stiffe­ ners. I (сдано в печать).

18.Arnold R. R. Equivalent elastic torsional properties of composite stiffe­ ners. II (будет опубликовано).

23.Banks W. M. The postbuckling behavior of composite panels— Pro­ ceedings of the 1975 International Conference on Composite Materials, ICCM Vol. 2, 1976, p. 272—293.

24.Besseling J. F. De experimented bepaling van de meedvagende breedte

26.Bouadi H. Buckling and postbuckling of composite plates— fiber orien­ tation and stacking sequence effects. — Engineer Thesis. Stanford Uni­ versity, August 1982.

27.Bruhn E. F. Analysis and Design of Flight Vehicle Structures. — India­ napolis, Indiana: S. R. Jacobs and Associates, 1973.

28.Craddock J. N., Champagne D. J. A comparison of failure criteria for laminated composite materials. — AIAA 23rd Structures, Structural Dy­ namics and Materials Conference, Paper No. 82-0739, May 1982, p. 268.

29.Design Methodology and Life Analysis of Postbuckled Metal and Com­ posite Panels. — Air Force Systems Command Contract to Northrop Corporation, awarded 1984.

30.DoD/NASA Advanced Composites Design Guide. — Air Force Flight

54.Mayers J., Nelson E. Elastic and maximum strength analyses of postbuckled rectangular plates based upon modified versions of Reissner’s

ments for postbuckled composite shear panels. — Naval Air Development Center Report No. NADC-80134-60, April 1982.

60.Smith A. P. The effect of transverse shear deformation on the elastic stability of orthotropic plates due to inplane loads— MMAE Thesis, University of Delaware, May 1973.

61.Soovere J. Effect of acoustic, thermal and shear loading on flat in­

63.Spier E. E., Klouman F. L. Postbuckling behavior ef graphite/epoxy laminated plates and channels.— Army Symposium on Solid Mechanics, Cape Cod, Massachusetts, September 1976.

64.Spier E. E., Klouman F. L. Ultimate compressive strength and non­ linear stress-strain curves of graphite/epoxy laminates. — The Eighth Na­ tional SAMPE Conference, Bicentennial of Materials Progress, Part II, Seattle, Washington, October 1976.

65.Spier E. E. On experimental versus theoretical incipient buckling of narrow graphite/epoxy laminated plates. — Proceedings of Army Sympo­ sium in Solid Mechanics, 1976 — Composite Materials: The Influence of Mechanics of Failure on Design, Army Materials and Mechanics Re­ search Center, Watertown, Massachusetts, AMRAC MS76-2. September

1976.

66.Spier E. E. Stability of graphite/epoxy structures with arbitrary sym­ metrical laminates.— Exp. Mech., 1978, 18, No. 11.

67.Starnes J. H., Knight N. F., Rouse M. Postbuckling behavior of selected flat stiffened graphite-epoxy panels loaded in compression. — 23rd Structures, Sctructural Dynamics, and Materials Conference, AIAA Paper No. 82-0777, May 1982.

68.Stein M. Loads and deformations of buckled rectangular plates. — Na­ tional Aeronautics and Space Administration, NASA Technical Report R-40, 1959.

69. Stowell E. Z. Critical compressive stress for curved sheet supported along edges and elastically restrained against rotation along the un­

loaded edges. — National Advisory Committee for Aeronautics, NACA Restricted Bulletin 3107, 1943.

70.Tennyson R. С., MacDonald D., Nanyara А. Р. Evaluation of the tensor polynomial failure criterion for composite materials. — U. Composite Materials, 1978, 12, January, p. 63—68.

71.Tsai H. C. Solution method for stiffener-skin separation in composite tension field panel. — Naval Air Development Center, неопубликованный

отчет (1986).

72. Tsai S., Wu E. A general theory of strength for anisotropic materials.—

J.Composite Materials, January 1971, 5.

73.Turvey G. J., Wittrick W. H. The large deflection and postbuckling

75.Vinson J. R., Chou T. W Composite Materials and Their Use in Structures. — New York: John Wiley and Sons, 1975.

76.von Karman T., Sechler E. E„ Donnell L. H. The strength of thin plates

in compression. — Trans. Amer. Soc. Mech. Eng., 1932, 54, No. 2,

p. 53—57.

77.Whitney J. M. Buckling of anisotropic laminated cylindrical plates.—

p. 158— 162.

80.Yoo S. Y. On maximum strength of plates under axial compression ef­ fects of curvature and edge-stiffener extensional and torsional rigidity.— Ph. D. Dissertation, Stanford University, December 1977.

81Zhang Y„ Mathews F. L. Initial buckling of curved panels of generally layered composite materials. — Comp. Struct., June 1983, 1, p. 969—975.

ПОВРЕЖДЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ

ВПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ1)

К.Рейфснайдер

Оглавление

1.Введение.

2.Развитие процесса повреждения. 2.1. Квазиизотропные слоистые композиты. 2.2. Ортогонально армированные слоистые композиты. 2.3. Перекрестно армированные слоистые композиты других типов,

3.Механика повреждения. 3.1. Расслоение. 3.2. Растрескивание мат­ рицы.

4.Количественное описание процесса повреждения и оценка срока службы материала.

5.Заключение.

Литература.

1.Введение

Вглаве рассматриваются особенности влияния свойств композитов, а также их изменения в условиях длительного действия нагрузок, характерных для обычных условий экс­ плуатации, на поведение конструкций из этих материалов. Не­ большой объем работы ограничивает возможности обсуждения этой обширной темы, поэтому основное внимание уделено наи­ более характерным, наиболее общим и наиболее важным, по мнению автора, ее аспектам.

Конструктор, собираясь применить тот или иной мате­ риал, должен получить ответ как минимум на три вопроса: Какова жесткость материала? Какова прочность материала? Как долго материал сохраняет свои свойства? Причем ука­ занные характеристики материала необходимо знать не толь­ ко к моменту изготовления конструкции, но и в процессе ее эксплуатации. Прочность, жесткость и долговечность компо­ зита в данный момент времени, безусловно, являются функ­ циями технологической предыстории материала и последую-51

15 Reifsnider Kenneth L. (Engineering Science and Mechanics Depart­ ment, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg). Ser­ vice induced damage in composite structures. — In: Handbook of Composi­ tes. Vol. 2. Structures and Design. Ed. by С. T. Herakovich and Yu. M. Tarnopol’skii.— Amsterdam: North-Holland, 1988, p. 231—262.

© 1988, Elsevier Science Publishers, В. V,

Повреждение конструкций из композитов в процессе эксплуатации 109

щей программы его нагружения, если под действием нагру­ зок в материале происходят внутренние изменения, являю­ щиеся следствием протекания процессов повреждения.

Действительно, долговечность любого компонента ма­ териала, нагруженного ниже уровня квазистатического пре­ дельного напряжения, определяется и зависит от развития процессов повреждения, поскольку именно эти процессы при­ водят в конечном итоге к снижению прочности материала до уровня приложенной нагрузки и вызывают разрушение, оп­ ределяющее долговечность этого компонента.

В данной работе мы остановимся на процессах повреж­ дения, обусловленных длительным, главным образом цикли­ ческим, нагружением. Начнем с обсуждения особенностей процесса повреждения, обратившись к практическому при­ меру, и перейдем далее к обсуждению механики этого процес­ са. В заключение будет дан способ описания процесса по­ вреждения и прогнозирования долговечности.

2. Развитие процесса повреждения

Разработка технологии и широкое применение композит­ ных материалов для изготовления большого числа несущих конструкций и еще более многочисленных изделий некон­ струкционного назначения открыло новую эру в проектирова­ нии и конструировании. В технической литературе наиболее широко пропагандируются такие инженерные свойства ком­ позитов, как удельная прочность и жесткость. Однако прин­ ципиально новый шаг в проектировании изделий из этих материалов связан с другой их особенностью — впервые в инженерной практике выбор жесткости и прочности мате­ риала стал частью процесса конструирования. Возможность получать материал с необходимыми свойствами является ос­ новой для создания совершенно новых проектов, в которых свойства элементов конструкций будут заданы в соответствии с их назначением, вплоть до подбора компонент тензора же­ сткости и прочности и коэффициентов взаимодействия таким образом, чтобы деформации элементов конструкции под на­ грузкой способствовали ее более эффективному сопротивле­ нию этой нагрузке, как принято при аэродинамическом моде­ лировании элементов летательных аппаратов.

В настоящее время мы только робко присматриваемся к тем поистине огромным возможностям, которые открывает перед нами эта новая концепция в различных областях про­ ектирования и применения. Сколь ни фантастичны свойства современных композитов, но и они имеют свои вполне реаль­ ные пределы; ведь как бы рационально ни было спроектиро­

п о К. Рейфснайдер

вано изделие, ни один материал в его составе не может со­ хранять свои свойства неограниченно долго. Не только в экстремальных и неожиданных, но и в обычных условиях прочность, жесткость и долговечность композитов снижаются в результате внутренних повреждений материала под дей­ ствием эксплуатационных факторов. Здесь будет рассмат­ риваться напряженное состояние образца и поврежденное состояние материала, характерные для высокомодульных во­ локнистых слоистых композитов, история нагружения кото­ рых такова, что вызывает изменение прочности, жесткости и долговечности композита вследствие актов микроразрушения, которые в совокупности называют повреждением.

Данный раздел посвящен описанию возможных актов разрушения, которые наблюдались в элементах конструкций при их квазистатическом, циклическом и динамическом на­ гружениях, особенно в течение длительного времени. Тща­ тельно отобранные экспериметальные данные представляют, где это возможно, типичное (по мнению автора) поведение материала.

Хорошо установлено, что микроскопические изменения (в совокупности называемые повреждением), снижающие прочность и жесткость и определяющие долговечность слои­ стого композита, являются сложными, разнообразными, свя­ занными при разных обстоятельствах со множеством видов разрушения. Литература изобилует множеством данных, ко­ торые следует принять во внимание в связи с рассматривае­ мой проблемой. Исходной точкой в этом может служить ряд книг, вышедших в серии STP (Special Tecnical Publications) ASTM [3, 4, 15, 21, 32, 38], и множество статей [1, 17, 21, 28, 30]. Хотя новые важные детали все еще добавляются к уже сделанным наблюдениям и многие важные стороны во­ проса еще недостаточно ясны, мы можем, по крайней мере с известной осторожностью, сказать, что исследователи, ра­ ботающие в этой области, имеют довольно ясное представле­ ние о том, что происходит с материалом; в то же время го­ раздо менее определены их знания о том, как протекают про­ цессы повреждения и почему они происходят в той или иной последовательности.

Так как наш подход отличается общностью и будет лишен частных деталей, попытаемся сконцентрировать обсуждение вокруг общих особенностей поведения композитов. С этой целью рассмотрим примеры развития повреждения в слоис­ тых композитах с продольно-поперечной укладкой слоев типа