Спосіб неруйнівного визначення міцності виробів з шаруватих полімерних композиційних матеріалів

Спосіб неруйнівного визначення міцності виробів з шаруватих полімерних композиційних матеріалів, що включає навантаження виробів до навантаження не більш 0,2 від розрахункового із одночасною реєстрацією активності акустичної емісії, який відрізняється тим, що попередньо навантажують до руйнування односпрямовані взірці з матеріалу виробу вздовж та впоперек волокон, одночасно реєструють активність акустичної емісії, а вироб задають сукупністю шарів, що складаються з масивів структурних елементів, розподіл деформацій руйнування яких відповідає змінюванню активності акустичної емісії при навантаженні зраз 28636 вання матриці паралельно волокнам, що з точки зору впливу на міцність матеріалу еквівалентно. Уявлення виробу сукупністю шарів, що складаються з масивів структурних елементів, розподіл деформацій руйнування яких відповідає змінюванню активності акустичної емісії при навантаженні взірців, дозволяє присвоїти структурним елементам кожного шару виробу значення деформації руйнування для задання моделі матеріалу. Визначення кроку навантаження і приросту деформацій вздовж та впоперек волокон у шарах виробу в залежності від схеми навантаження та орієнтації шарів у виробі дозволяє більш повно врахувати особливості механізму руйнування з урахуванням концентрації напружень. На кожному кроці навантаження визначають кількість зруйнованих елементів, враховуючи вплив концентрації напружень від зруйнованих елементів введенням коефіцієнта: переднє навантаження виробів неминуче призводить до виникнення в ньому мікроруйнувань різноманітних видів (обривів волокон, розтріскуванню матриці, руйнуванню по поверхнях розділу волокно-матриця), що можуть істотно знизити міцність і ресурс роботи контрольованих виробів. Це відноситься до контрольованих виробів, що експлуатуються при тривалих статичних або циклічних навантаженнях, а також, що знаходяться під впливом кліматичних умов (підвищеної вологості, перепадів температур і т. п.). В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу визначення міцності виробів із шаруватих ПКМ шляхом обліку механізму руйнування в залежності від внутрішньої структури матеріалу та його напружено-деформаційного стану у виробі, за рахунок чого досягнуто підвищення вірогідності визначення міцності та експлуатаційної надійності виробів із шаруватих ПКМ. Поставлена задача досягається тим, що у способі неруйнівного визначення міцності виробів з шаруватих полімерних композиційних матеріалів, що включає навантаження виробів до навантаження не більш 0,2 від розрахункового з одночасною реєстрацією активності акустичної емісії, згідно з винаходом, попередньо навантажують до руйнування односпрямовані взірці з матеріалу виробу вздовж та впоперек волокон, водночас реєструють активність акустичної емісії, а виріб задають сукупністю шарів, що складаються з масивів структурних елементів, розподіл деформацій руйнування яких відповідає змінюванню активності акустичної емісії при навантаженні взірців, в залежності від схеми навантаження та орієнтації шарів у виробі визначають крок навантаження і приріст деформацій вздовж та впоперек волокон у шарах виробу, на кожному кроці навантаження визначають кількість зруйнованих елементів, враховуючи вплив концентрації напружень від зруйнованих елементів введенням коефіцієнта: K=A K=A e ×n , M де: А - емпіричний коефіцієнт; ε – деформація; n - число зруйнованих підряд елементів у одиничному перерізі шару; М - число елементів у одиничному перерізі шару, для того, щоб реалізувати процес руйнування виробу у відповідності з характером змінювання активності акустичної емісії при його навантаженні. При повному зруйнуванні принаймні одного шару, приріст деформацій на крок навантаження змінюють і продовжують навантаження для того, щоб врахувати збільшення приросту деформацій на крок навантаження у зв'язку зі зміцненням пружних характеристик виробу та його товщини. Визначення міцності виробу за числом кроків навантаження до повного зруйнування виробу дозволяє визначити руйнуюче навантаження виробу з максимально можливим ступенем вірогідності. Відокремлюванні ознаки винаходу істотні, необхідні і достатні для досягнення технічного результату - обліку механізму руйнування в залежності від внутрішньої структури матеріалу та його напружено-деформаційного стану у сукупності із ознаками обмежувальної частини дозволяють підвищити вірогідність визначення міцності та експлуатаційну надійність виробів із шаруватих ПКМ. Вироби з ПКМ у більшості випадків одержують шляхом сполучення односпрямованих шарів, що орієнтувалися певним чином для надання виробу необхідних експлуатаційних характеристик. Для виробів з ПКМ характерний значний розкид механічних властивостей, тому велике значення мають методи діагностики їхньої зазначеної спроможності. Одним з таких методів є метод акустичної емісії, оснований на вимірюванні параметрів пружних імпульсів, що виникають в матеріалі виробу при протіканні в ньому процесів мікро- і макроруйнування. Ці процеси виявляються в матеріалі вже на ранніх стадіях навантаження. Для визначення придатності виробу широко використовується випробування спробним навантаженням. При цьому випробувальне навантаження, як правило, регламентоване нормативними документами. Того як спробне на e ×n , M де: А - емпіричний коефіцієнт; ε – деформація; n - число зруйнованих підряд елементів у одиничному перерізі шару; М - число елементів у одиничному перерізі шару, при повному зруйнуванні принаймні одного шару, приріст деформацій на крок навантаження змінюють і продовжують навантаження, а міцність визначають за числом кроків навантаження до повного зруйнування виробу. Попереднє навантаження односпрямованих взірців з матеріалу виробу вздовж та впоперек волокон з одночасною реєстрацією активності акустичної емісії дозволяє за активністю акустичної емісії визначити частку зруйнованих структурних елементів при різноманітній деформації. При навантаженні взірців вздовж волокон визначальним видом руйнування є обриви волокон і пов'язані з ними руйнування по поверхнях розділу волокноматриця. При навантаженні взірців впоперек волокон визначальним видом руйнування є руйнування по поверхнях розділу волокно-матриця або руйну 2 28636 вантаження не дозволяє визначити рівень міцності, водночас з ним часто використовують метод акустичної емісії. Для виробів з ПКМ випробувальне навантаження звичайно не перевищує розрахункового експлуатаційного навантаження. І якщо для посудин тиску воно достатньо високе, то для виробів, що працюють, наприклад, в режимі багатоциклової втоми, воно відносно низьке і складає 20-30% від розрахункового руйнуючого навантаження. У більшості випадків вироби з ПКМ працюють при двовісному навантаженні, коли особливе значення набувають деформаційні характеристики шарів вздовж та впоперек волокон. Звичайно матеріал виробу являє собою багатошаровий пакет, і деформації одних шарів вздовж волокон для інших груп шарів є деформаціями впоперек волокон. Звичайно співвідношення деформацій руйнування впоперек та вздовж волокон для основних груп ПКМ, наприклад, для скло-, органо- чи вуглепластиків, становить 0,25-0,3. Це призводить до того, що при деформуванні впоперек волокон мікроруйнування при одному і тому ж рівні деформації вздовж та впоперек волокон з'являються значно швидше і призводять до порушення монолітності матеріалу, збільшення швидкості обривів волокон й зниження міцності. У відповідності до способу неруйнівного визначення міцності виробів з шаруватих ПКМ навантаження виробу або його окремих частин створюють до навантаження не більш 0,2 від розрахункового з одночасною реєстрацією активності акустичної емісії для виявлення швидкості початкової пошкодженості матеріалу виробу. Створюють також навантаження вздовж та впоперек волокон односпрямованих взірців-свідків, які виготовляють водночас із виробом з тих же вихідних матеріалів і при тих же режимах полімеризації зв'язуючого, із одночасною реєстрацією активності акустичної емісії, що дозволяє визначити кінетику двох видів руйнування, що відповідають за міцність. При навантаженні односпрямованого взірця вздовж волокон основним видом руйнування є обриви волокон, що супроводжуються появою тріщин на поверхні розділу волокно-матриця. При навантаженні односпрямованого взірця впоперек волокон основним видом руйнування є руйнування по поверхні розділу волокно-матриця або подібне йому за впливом на міцність розтріскування матриці паралельно волокнам. По результатах випробувань взірців задають виріб сукупністю шарів, що складаються, у свою чергу, з масивів структурних елементів - волокон і поверхонь розділу. Кожному структурному елементу привласнюють значення деформації руйнування, тобто деформації, котру може витримати елемент до свого повного руйнування. Розподіл структурних елементів по деформаціях руйнування визначають з результатів відповідних акустико-емісійних випробувань. Так, якщо при навантаженні взірців вздовж волокон при змінюванні деформації від 0,1% до 0,2% частка числа імпульсів акустичної емісії від загального числа зареєстрованих складала 5%, то п'яти відсоткам структурних елементів волокон буде привласнене випадковим чином значення деформації руйнування в інтервалі 0,1%-0,2%. Для навантаження виробу як сукупності шарівмасивів структурних елементів обирають крок навантаження, тобто значення навантаження, яке відповідає попередньо обраному змінюванню деформації шарів. Цей вибір, у першу чергу, пов'язаний із типом ПКМ - так, деформація руйнування склопластика вздовж волокон становить приблизно 4,0%, а вуглепластика - лише 1,0%. Тому очевидно, що для вуглепластика крок навантаження за деформацією обирають меншим, ніж для склопластика. Залежність між кроком навантаження та відповідною йому деформацією в різноманітних шарах виробу вздовж та впоперек волокон може бути визначена експериментально тензометричним методом або розрахунково. В останньому випадку обирають систему координат відносно певної орієнтації шарів виробу, наприклад, кільцевих у циліндричній частині оболонки, вздовж та впоперек волокон. Визначають модулі пружності матеріалу виробу вздовж обраних осей. В залежності від кроку деформації Dεх та Dεу визначають відповідні йому прирости напруги Dsх та Dsу, а після цього і крок навантаження. Для шарів виробу іншої орієнтації, наприклад, спіральних у циліндричній частині оболонки, також визначають приріст деформацій Dε1 і Dε2 вздовж та впоперек волокон, відповідно, на кожному кроці навантаження. На кожному кроці навантаження для кожного шару виробу визначають: - кількість зруйнованих елементів волокон; - кількість елементів волокон, не зв'язаних із матрицею або іншими елементами волокон і тому не сприймаючих навантаження; - кількість елементів матриці та поверхонь розділу, зруйнованих від деформації; - кількість елементів матриці та поверхонь розділу, зруйнованих через зруйнування елементів волокон. Вплив концентрації напружень від зруйнованих елементів на кожному кроці навантаження враховують введенням коефіцієнта: K=A e ×n , M де: А - емпіричний коефіцієнт; ε – деформація; n - число зруйнованих підряд елементів у одиничному перерізі шару; М - число елементів у одиничному перерізі шару. При цьому вибором емпіричного коефіцієнта А домагаються ідентичності характеру змінювання числа зруйнованих структурних елементів масивів за крок навантаження і активності акустичної емісії в процесі навантаження виробу до навантаження не більш 0,2 від розрахункового руйнуючого. Звичайне значення коефіцієнта А близьке до 1, тому при порівнянні вищезазначених залежностей спочатку приймають, що коефіцієнт А дорівнює одиниці. Введення емпіричного коефіцієнта А дозволяє підвищити вірогідність визначення міцності, оскільки поряд з повним обліком характеру руйнування взірців враховується і початковий етап руйнування натурного виробу. Після визначення уточненого значення емпіричного коефіцієнта продовжують навантаження до повного зруйнування. При цьому у випадку, коли відбулося руйнування хоча б одного шару, перераховують залежність "крок навантаження-крок 3 28636 деформації", а крок навантаження залишають незмінним. Того як у випадку зруйнування хоча б одного шару змінюються модулі пружності і товщина матеріалу виробу за рахунок зруйнованого шару, подальше навантаження продовжують з урахуванням зміненої залежності "крок навантаження-крок деформації". Виріб визначають зруйнованим, якщо зруйновані всі шари однієї орієнтації. Величиною навантаження, відповідній цьому моменту, і визначається міцність матеріалу виробу. Звичайно для практичних цілей використовують значення руйнуючого навантаження, яке визначають як суму кроків навантаження до повного зруйнування виробу. Приклад За способом неруйнівного визначення міцності виробів з полімерних композиційних матеріалів визначали міцність склопластикової оболонки довжиною 700 мм та радіусом 180 мм, що складається з шести кільцевих і трьох подвійних спіральних шарів з кутом намотування 70). Товщина кожного з 12 шарів становила 0,2 мм. Шари оболонки подавали собою масиви з 250000 структурних елементів (500´500), кожному з яких привласнювалося значення деформації руйнування. Розподіл деформацій руйнування структурних елементів визначали з результатів акустико-емісійних випробувань односпрямованих склопластикових взірців (табл. 1). Крок навантаження оболонки відповідав внутрішньому тиску 0,2 МПа. Для визначення залежності між кроком навантаження та відповідною йому деформацією в шарах виробу вздовж та впоперек волокон була обрана система координат відносно кільцевих шарів оболонки вздовж та впоперек волокон. В цій системі координат модулі пружності оболонки становили: Ех=56 ГПа, Еу=8,4 ГПа. Були отримані такі значення приросту деформацій на обраний крок навантаження: в кільцевих шарах - Deх=0,00045, Deу=0,00014; в спіральних шарах - De1=0,00017, De2=0,00041. На кожному кроці навантаження визначалося число зруйнованих структурних елементів з урахуванням коефіцієнта К. Результати розрахунку наведені у табл. 2. Для визначення значення емпіричного коефіцієнта А проводилося навантаження оболонки до навантаження 1,4 МПа (0,2 від розрахункового руйнуючого навантаження 7,0 МПа) з одночасною реєстрацією активності акустичної емісії. При порівнянні залежності активності акустичної емісії із змінюванням числа зруйнованих елементів за крок навантаження (табл. 2) виявилося, що емпіричний коефіцієнт А дорівнюється 1,005. Подальше навантаження оболонки як сукупності масивів структурних елементів проводилося з урахуванням цього значення коефіцієнта А. На тридцятому кроці навантаження (що відповідало внутрішньому тиску в оболонці 6,0 МПа) відбулося зруйнування трьох з шести спіральних шарів. При цьому була перерахована залежність "крок навантаження-крок деформації", після чого приріст деформацій склав: в кільцевих шарах - Deх=0,00047, Deу=0,00039; в спіральних шарах - De1=0,00040, De2=0,00046. Подальше навантаження оболонки з новими значеннями приросту деформацій у шарах на крок навантаження призвело до того, що на наступному кроці, тобто при внутрішньому тиску 6,2 МПа, зруйнувалися інші спіральні шари і відбулося повне зруйнування оболонки. Таким чином, міцність оболонки склала 6,2 МПа. Перевірочне навантаження оболонки до зруйнування виявило, що її руйнуючий тиск склав 6,25 МПа. Таблиця 1 Розподіл деформацій руйнування структурних елементів одного шару оболонки Волокно Інтервал деформацій Кількість елементів руйнування 0-0,004 375 0,004-0,008 1625 0,008-0,012 3250 0,012-0,016 5500 0,016-0,020 8125 0,020-0,024 10750 0,024-0,028 13750 0,028-0,032 18250 0,032-0,036 25375 0,036-0,040 38000 Поверхня розділу Інтервал деформацій Кількість елементів руйнування 0-0,001 375 0,001-0,002 1625 0,002-0,003 3250 0,003-0,004 5500 0,004-0,005 8125 0,005-0,006 10750 0,006-0,007 13750 0,007-0,008 18250 0,008-0,009 25375 0,009-0,010 38000 Таблиця 2 Змінювання числа зруйнованих структурних елементів Р, МПа 0,2 0,4 0,6 0,8 Число зруйнованих елементів за один крок навантаження 1291 1363 3082 4400 Число зруйнованих елементів 1291 2654 5736 10136 4 28636 Продовження табл.. 2 Р, МПа 1,0 1,2 1.4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 Число зруйнованих елементів за один крок навантаження 4930 8404 8529 13318 15029 17324 22236 22179 28884 30236 33620 37446 37804 48657 50147 61436 70824 85831 140584 67481 7027 6375 6822 8098 8670 20768 Число зруйнованих елементів 15066 23470 31999 45317 60346 77670 99906 122085 150969 181205 214825 252271 290075 338732 388879 450315 521139 606970 747554 815035 822062 828437 835259 843357 852027 872795 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 34 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5