Справочник по композиционным материалам

Типичные примеры

Установлено, что стеклопластиковый кожух легче стального и не ржавеет. Исходя из размеров детали и объема производства было решено формовать кожухи в открытой форме, при этом за критический показатель была принята жесткость материала.

Методика расчета. Определим номинальную толщину детали из стекло­пластика по эмпирической формуле

3/----------

^стп — ^С У Ес/Естп< где tc — толщина изделия из стали; ^Стп — толщина стеклопластика; Ес — модуль упругости стали; Естп — модуль упругости стеклопластика.

Теперь, если известно значение £стп, конструктор может рассчитать зиаче - иие (СТП при любом способе формования стеклопластиков (напылением, ручной укладкой ткани и т. д.). Ои может также задаться величиной £стп и подобрать соответствующую композицию, которая обеспечит ему получение изделия, иапри - меР. Естп= 14 ГПа.

При толщине стеклопластика 2,5 мм и значении модуля 14 ГПа необходим текстолит, потому что для достижения такого уровня значений Естп требуется композит, армированный непрерывным волокном.

Ассортимент существующих стеклотканей позволяет подобрать конструкцию толщиной 2,5 мм требуемой прочности при минимальной стоимости. Например, можно взять один слой тканого ровннга толщиной 1 мм (развес 814 г/м2) н два слоя мата общей толщиной 1,5 мм (460 г/ма), что даст суммарную толщину около 2,5 мм. При максимальном содержании смолы 60 % и толщине наружного смоля­ного слоя 0,5 мм окончательная толщина окрашенного стеклопластика составит 2,75—3,0 мм, а развес около 33,6 кг/м®.

Аналогичная деталь из листовой стали толщиной 1 мм имеет развес ~52,7 кг/ма. К преимуществам СВКМ относятся также способность поглощать звук и высокая коррозионная стойкость. Кроме того, он не является электро - или теплопроводным материалом. Для получения СВКМ с аналогичными свой­ствами можно использовать лодочную ткань. На стеклополотно толщиной 0,25 мм настилается шесть слоев лодочной ткани и два слоя стекломатов, чтобы суммар­ная толщина армирующей основы была ~2,5 мм, после чего наносится пигмен­тирующее покрытие, чтобы придать изделию необходимый цвет.

У полученного таким путем материала модуль упругости также равен 14 ГПа, но конструкция будет уже состоять нз восьми, а не нз трех слоев, как в первом случае. Кроме того, лодочная ткань дороже (в пересчете на единицу пло­щади илн единицу массы), чем тканый ровинг, нз-за более сложного метода про­изводства. Поэтому экономические показатели всегда необходимо учитывать при выборе армирующей системы для стеклопластика.

Из классического анализа напряжений следует, что окружное напряжение вдвое больше продольного (стремящегося «вырвать» днища).

При конструировании бака из обычных материалов (стали, алюминия и других металлов) необходимо предусмотреть такую толщину стенок, чтобы он не разрушился под действием окруж­ных напряжений, но тогда прочность конструкции в продольном направлении окажется чрезмерно большой. При использовании стеклопластиков конструктор имеет возможность сформировать структуру материала таким образом, что. по окружности бака окажется вдвое больше волокон, чем в продольном направлении.

Рассмотрим бак высокого давления диаметром 906 мм и дли­ной 1812 мм с полусферическими днищами. Расчет напряжений в баке (без учета массы опор, а также содержащегося в нем за­груженного материала) проводится по формулам: ст0 = pd/(2t) для окружного напряжения и стп = pd/(4Ј) для концевых и про­дольных напряжений, где р — давление; d — диаметр; і — тол­щина (растягивающие напряжения являются критическими в кон­струкции бака). Конструктор допускает, что в процессе эксплуа­тации давление не превысит 0,7 МПа, и принимает пятикратный запас прочности. Чтобы рассчитать толщину, надо знать возни­кающее напряжение а. Необходимая прочность готового стекло­пластика рассчитывается исходя из его структуры и соотношения компонентов, т. е. смолы, стекломатов и бесконечных волокон. Для этого необходимо сделать и испытать модельные панели и 24 полученные значения разрушающих напряжений использовать в приведенных выше формулах. Таким способом рассчитывают окружную t0 и продольную /„ толщины стенок бака:

= pd/(2a0) = 11,4 мм;

Ta = pd](ioB) = 0,5го = 5,7 мм

И выбирают метод укладки волокна или структуру стеклопла­стика (или же можно принять ту же толщину, но при вдвое мень­шей нагрузке или напряжении). При пятикратном запасе проч­ности а0 = 140 МПа, р = 0,7 МПа, d = 910 мм.

Если значения напряжений были рассчитаны для стекло­пластика с чередующимися слоями тканого ровинга и мата, число слоев (или схема укладки) должно быть достаточным, чтобы суммарная толщина их составляла 11 мм, т. е. можно взять че­тыре слоя тканого ровинга и три слоя мата с развесом (460 г/м2). Однако полученный таким путем материал будет слишком проч­ным в осевом направлении. Для получения стеклопластика с со­отношением окружной прочности к осевой 2 : 1 необходимо точно рассчитать число волокон, расположенных в двух взаимно перпендикулярных направлениях, или производить намотку во­локном так, чтобы векторная сумма спиральных витков дала зна­чения 2 (окружное) и 1 (осевое), т. е. угол намотки относительно оси должен составлять примерно 54°.

Другой метод состоит в том, что можно подобрать специаль­ную ткань с переплетением 2 : 1 и намотать по окружности ци­линдрические секции до заданной толщины, что обеспечит полу­чение необходимых значений окружной и осевой прочности без чрезмерной ее величины в осевом (продольном) направлении, как это неизбежно бывает при конструировании металлических ба­ков.

Как ясно из изложенного, изделия из СВКМ по конструкции практически аналогичны таким же изделиям из обычных кон­струкционных материалов, но имеют одну принципиальную осо­бенность, заключающуюся в том, что компоненты материала со­единяются друг с другом в процессе изготовления изделия. Поэ­тому конструктор, использующий СВКМ, должен учитывать рас­положение в материале несущих нагрузку волокон и обеспечи­вать их фиксацию в правильном положении в процессе формо­вания изделия.