Metodicheskie voprosy eksperimental'nykh issledovaniy vyazkouprugikh napolnennykh polimernykh kompozitov pri slozhnykh dinamicheskikh tsiklicheskikh vozdeystviyakh

Abstract


Описаны и отработаны основные этапы проведения эксперимента на испытательной системе Instron ElectroPuls E10000. Проведены одноосные динамические испытания на растяжение-сжатие при различных значениях температуры и двухосные динамические испытания на растяжение-сжатие и кручение одновременно. Установлено влияние температуры на динамические свойства (угол сдвига фаз между осевыми напряжениями и деформациями, динамический модуль при растяжении-сжатии) при различных значениях амплитуды деформации нагружения и построены зависимости. Проведен сравнительный анализ значений динамических механических свойств (угол сдвига фаз между осевыми напряжениями и деформациями, динамический модуль при растяжении-сжатии, угол сдвига фаз между сдвиговыми напряжениями и деформациями, динамический модуль при кручении) при одноосных и двухосных (бимодальных) нагружениях с одинаковыми параметрами деформирования.

Full Text

Введение Конструкции, в которых находят применение вязкоупругие наполненные полимерные композиты, работают чаще всего в условиях действия сложных нестационарных статических и динамических нагрузок [1]. Необходимость оценки напряженно-деформированного состояния конструкции при таких нагрузках приводит к возрастанию роли динамического анализа работы конструкции с учетом специфических зависимостей динамических деформационных свойств наполненных полимерных композитов от условий нагружения. Одним из эффективных методов определения динамических механических свойств (ДМС) вязкоупругих полимерных композитов является метод динамического механического анализа (ДМА) [2–11]. Методом ДМА определяются независимые характеристики: динамический модуль при растяжении-сжатии (ДМРС) E* и угол потерь или угол сдвига фаз между осевыми напряжениями и деформациями (УСФО) φE при динамических испытаниях на растяжение-сжатие, динамический модуль при кручении (ДМК) G* и угол потерь или угол сдвига фаз между сдвиговыми напряжениями и деформациями (УСФС) φG при динамических испытаниях на сдвиг. ДМА возможно использовать для обработки результатов при одновременном действии осевых и сдвиговых нагрузок (бимодальное нагружение). При действии более сложного динамического нагружения (например, при бигармоническом бимодальном нагружении) необходимо использовать более сложную методику разложения экспериментальных данных в ряд Фурье [12, 13] для определения деформационных характеристик. 1. Этапы проведения эксперимента Для проведения экспериментальных исследований динамических механических свойств на базе Центра экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета используется электродинамическая испытательная система Instron ElectroPuls E10000 (рис. 1). Рис. 1. Общий вид электродинамической испытательной системы Instron ElectroPuls E10000Рис. 2. Общий вид образцов для динамических испытаний На данной установке можно проводить динамические испытания на растяжение-сжатие, кручение, а также на растяжение-сжатие и кручение одновременно. Комплектация также включает в себя температурную камеру Instron 3119, благодаря которой можно проводить испытания при различных температурах в диапазоне от –60 оС до +250 °С. При анализе механических свойств конструкции ракетных двигателей широкое распространение получил высоконаполненный полимерный композитный материал марки «ПДИ», свойства которого рассматривались в работах [2, 10, 12, 13]. Для проведения экспериментальных исследований динамических механических свойств материала марки «ПДИ» были изготовлены образцы круглого сечения Æ=36,5±0,1 мм и высотой 39,5±1,5 мм. Образцы материала приклеивались с торцов к металлической оснастке, выполненной в виде «грибков» при помощи эпоксидного клея (рис. 2). Перед проведением испытаний с целью обеспечения заданного режима деформирования предварительно уточняется жесткость исследуемого материала. Для этого в программном обеспечении Instron Console имеется программа-мастер для настройки жесткости. Возможно также ввести жесткость образца вручную, если она известна. Для того чтобы реальный режим деформирования как можно точнее повторял задаваемый, необходимо настроить коэффициент обратной связи. Для этого в Instron Console существует программа-мастер настройки обратной связи. Далее в программном обеспечении Instron WaveMatrix прописывается закон деформирования или нагружения. Для определения ДМС WaveMatrix использует метод ДМА. При простом нагружении образцов с одной частотой дополнительных расчетов проводить не требуется. Однако при обработке более сложных режимов нагружения необходимо разрабатывать новые методики. Например, при определении ДМС в условиях действия бигармонической нагрузки разработана и реализована в программном обеспечении MathCAD специальная методика [12, 13]. Значения ДМС после проведения экспериментальных исследований, будь то простые одночастотные испытания либо сложные бигармонические, представляются в виде электронных таблиц. При одночастотных нагружениях определяются значения: динамического модуля E*, его действительной части E′, мнимой части E′′ угла потерь φE – при динамических испытаниях на растяжение-сжатие; динамического модуля G*, его действительной части G′, мнимой части G′′, угла потерь φG – при динамических испытаниях на сдвиг. При бигармонических (двухчастотных) испытаниях на растяжение-сжатие определяются значения динамического модуля низкочастотной составляющей (НЧС) его действительной части мнимой части угла потерь НЧС φE1, динамического модуля высокочастотной составляющей (ВЧС) его действительной части мнимой части угла потерь ВЧС φE2. 2. Экспериментальные исследования при различных температурах На испытательной системе Instron ElectroPuls E10000 и на изготовленных образцах (см. рис. 2) проведены одноосные динамические испытания на растяжение-сжатие при различных значениях температуры. Для реализации изотермического режима испытаний проводилось термостатирование образцов в термокамере в течение 3 часов. Деформирование образцов проводилось по динамическому закону вида (1) где ν – частота деформирования; εа – амплитуда деформации; t – время. Параметры нагружения приведены в табл. 1. Таблица 1 Параметры деформирования образцов и определяемые характеристики ДМС Режим деформированияПараметры деформированияТемпература опыта, °CХарактеристики ДМС Частота, ГцАмплитуда деформации, % νεаТE*φE 1 102,0 2418,1710,54 22,517,5910,44 33,017,0110,35 42,0 3016,3413,83 52,515,7913,62 63,015,2413,52 72,0 4012,1816,01 82,511,7215,93 93,011,2715,88 Как видим, угол сдвига фаз практически не зависит от амплитуды деформаций, при этом зависимость от температуры является существенной. ДМС композита определялись с помощью программного обеспечения Instron WaveMatrix. В результате обработки были получены зависимости ДМРС от температуры при различных значениях амплитуды деформации (см. табл. 1) (рис. 3). Рис. 3. Зависимость динамического модуля от температуры при различных значениях амплитуды деформации (значения слева от графиков) Из табл. 1 и рис. 3 видно, что температура существенно влияет на ДМС исследованного композита, что характерно для подобных вязкоупругих материалов [11]. В исследованном интервале температур при увеличении температуры динамический модуль уменьшается, а угол потерь увеличивается. Амплитуда деформации в исследованном диапазоне практически не оказывает влияние на УСФО, но влияет на ДМРС (при меньших значениях амплитуды деформации ДМРС имеет большие значения). Зависимости динамического модуля от амплитуды деформации описываются линейными функциями вида (2) Эквидистантность кривых на рис. 3 говорит о том, что при любом значении температуры коэффициент К остается постоянным, а изменяется только значение В. 3. Экспериментальные исследования на растяжение-сжатие и сдвиг Бимодальные динамические нагружения вида (3) где νε, νγ – частоты нагружений на растяжение-сжатие (первая мода) и сдвиг (вторая мода) соответственно; γа – амплитуда угла закручивания, задавались с одновременным наложением двух законов деформирования: растяжения-сжатия (первая мода) и сдвига (вторая мода). Были также проведены одноосные динамические испытания на растяжение-сжатие и одноосные динамические испытания на сдвиг. Параметры деформирования приведены в табл. 2, температура опыта 24 оC. Угол сдвига фаз между модами равен нулю, т.е. наибольшему растяжению соответствовал наибольший угол закручивания образца. Таблица 2 Параметры деформирования образцов и определяемые характеристики ДМС Режим деформированияПараметры деформирования по модамОпределяемые ДМС Первая Вторая νε, Гцεа, %νγ, Гцγа, градE*, МПаφE, градG*, МПаφG, град 10121313,9516,834,3816,13 1112––13,9616,85–– 12––13––4,2916,21 Из табл. 2 видно, что в исследованном диапазоне деформирования ДМС при двухосном (бимодальном) нагружении (см. табл. 2, режим нагружения 10) практически не отличаются от соответствующих ДМС, определенных при одноосных нагружениях образцов (см. табл. 2, режимы нагружения 11 и 12). Заключение Отработаны основные этапы экспериментальных исследований на испытательной системе Instron Electropuls E10000, связанные с реализацией сложного динамического нагружения исследуемого образца из вязкоупругого наполненного полимерного композитного материала в виде бигармонического бимодального нагружении с вариацией частоты нагружения и температуры проведения опыта. При постановке динамического опыта использовалось программное обеспечение Instron Console и WaveMatrix. Исследования механического поведения названного материала при сложных динамических циклических воздействиях показали, что температура опыта существенно влияет на динамические свойства композита, увеличение температуры опыта приводит к увеличению значений угла потерь и уменьшению значений динамического модуля. Амплитуда деформации практически не оказывает влияния на угол сдвига фаз между осевыми напряжениями и деформациями, но влияет на динамический модуль при растяжении-сжатии, причем при меньших значениях амплитуды деформации динамический модуль имеет большие значения. Кривые зависимостей динамического модуля от температуры опыта при различных значениях амплитуды деформации эквидистантны, что указывает на линейную зависимость значений динамического модуля от амплитуды деформации. Сопоставление динамических свойств при одноосных и двухосных нагружениях с одинаковыми параметрами деформирования показало, что характеристики, определенные при бимодальном деформировании, не отличаются от характеристик, определенных при одноосных нагружениях образцов. Для дальнейших исследований с помощью испытательной системы Instron Electropuls E10000 и подходов, предложенных в работе [12, 13], представляют интерес более сложные динамические испытания, например: – бимодальные испытания с углами сдвига фаз между модами, отличными от нуля, а также с разными частотами для мод нагружения (например, νε = 0,1Гц, νγ = 1Гц); – бигармонические испытания на кручения (по второй моде); – бимодальные бигармонические испытания на растяжение-сжатие (по первой моде) и кручение (по второй моде) и др. Последующий сравнительный анализ динамических механических свойств, определенных в широком диапазоне варьирования температурой опыта, частотой и амплитудой нагружения по первой и второй модам позволить получить универсальные специфические зависимости динамических деформационных свойств наполненных полимерных композитов от условий нагружения в форме, удобной для динамического анализа работы композитной конструкции.

About the authors

Andrey Sergeevich Yankin

Email: yas.cem@yandex.ru

Roman Vasil'evich Bul'bovich

Email: dekan_akf@pstu.ru

Stanislav Vasil'evich Slovikov

Email: sws@au.ru

Valeriy Ervinovich Vil'deman

Email: wildemann@pstu.ru

References

  1. Москвитин В.В. Сопротивление вязкоупругих материалов (применительно к зарядам ракетных двигателей на твердом топливе). – М.: Наука, 1972. – 328 с.
  2. Словиков С.В., Бульбович Р.В. Экспериментальное исследование динамических механических свойств вязкоупругих материалов // Вестник Перм. гос. техн. ун-та. Механика. – 2010. – № 2 – С. 104–112.
  3. Словиков С.В. Методика исследования зависимости механических свойств полиуретановах изделий от температуры // Вестник Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. Механика. – 2012. – № 2 – С. 177–189.
  4. Словиков С.В. Совершенствование экспериментального метода исследования диссипативных и прочностных свойств полиуретана // Вестник Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. Механика. – 2013. – № 2 – С. 145–153.
  5. Влияние температуры и содержания наполнителя на динамические модули нанокомпозита с полиэтиленовой матрицей / В.В. Шадрин, Л.А. Комар, Г.П. Башин, А.В. Ярушин // Вестник Пермского университета. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2011. – № 4 – С. 64–68.
  6. Detailed analysis of dynamic mechanical properties of TPU nanocomposite: The role of the interfaces / Marco Aurilia, Filomena Piscitelli, Luigi Sorrentino, Marino Lavorgna, Salvatore Iannace // European Polymer Journal. – 2011. – Vol. 47. – Iss. 5. – P. 925–936.
  7. Dynamic mechanical analysis and dynamic infrared linear dichroism study of the frequency-dependent viscoelastic behavior of a poly (ester urethane) / Yanqia Wang, Richard A. Palmer, Jon R. Schoonover, Steven R. Aubuchon // Vibrational Spectroscopy. – 2006. – Vol. 42. – Iss. 1. – P. 74–77.
  8. Melo José Daniel D., Radford Donald W. Time and temperature dependence of the viscoelastic properties of CFRP by dynamic mechanical analysis // Composite Structures. – 2005. – Vol. 70. – Iss. 2. – P. 240–253.
  9. Goertzen W.K., Kessler M.R. Dynamic mechanical analysis of carbon/epoxy composites for structural pipeline repair // Composites Part B: Engineering. – 2007. – Vol. 38. – Iss. 1. – P. 1–9.
  10. Экспериментальные исследования свойств материалов при сложных термомеханических воздействиях / В.Э. Вильдеман, М.П. Третьяков, Т.В. Третьякова, Р.В. Бульбович, С.В. Словиков, А.В. Бабушкин, А.В. Ильиных, Д.С. Лобанов, А.В. Ипатова / Под ред. В.Э. Вильдемана. – М.: Физматлит, 2012. – 204 с.
  11. Методы прикладной вязкоупругости / А.А. Адамов, В.П. Матвеенко, Н.А. Труфанов, И.Н. Шардаков / УрО РАН. – Екатеринбург, 2003. – 411 с.
  12. Янкин А.С., Словиков С.В., Бульбович Р.В. Определение динамических механических свойств низкомодульных вязкоупругих композитов при бигармоническом законе нагружения // Механика композиционных материалов и конструкций. – 2013. – Т. 19. – № 1. – С. 141–151.
  13. Yankin A.S., Slovikov S.V., Bulbovich R.V. Determination of the dynamic mechanical properties of low-modulus viscoelastic composites at the biharmonic law of loading // Composites: Mechanics, Computations, Applications. – 2013. – Vol. 4. – Iss. 2. – P. 139–150.

Statistics

Views

Abstract - 129

PDF (Russian) - 113

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2013 Yankin A.S., Bul'bovich R.V., Slovikov S.V., Vil'deman V.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies