Прочность и жесткость коробчатых балок из однонаправленно армированных композиционных материалов

• Автор: Левина, Евгения Анатольевна
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Новокузнецк
• Количество страниц: 143 с. : ил.

1. Обзор и анализ основных методов обеспечения прочности пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов
1.1. Тенденции развития тонкостенных несущих конструкций из композиционных материалов
1.2. Физико-механические свойства композиционных материалов, определяющие прочность и жесткость конструкции
1.3. Основные методы расчета прочности и жесткости пространственных композиционных конструкций
1.4. Постановка цели и задач исследования. Выбор методов исследования
2. Разработка математических моделей деформирования однонаправленно армированных коробчатых конструкций
2.1. Геометрия конструкции. Кинематические и статические
гипотезы
2.2. Основные уравнения, граничные условия и краевые задачи
2.3 Дискретные модели деформирования при кратковременном нагружении и свободных колебаний
2.4. Дискретные модели статического деформирования при длительном силовом нагружении
2.5. Выводы по главе
3. Исследование статического деформирования и колебаний коробчатых балок
3.1. Напряженно-деформированное состояние коробчатой балки при кратковременных статических нагрузках
3.2. Параметрическое исследование собственных частот конструкции

3.3 Параметрическое исследование длительного деформирования коробчатой балки
3.4. Выводы по главе
4. Применение результатов исследования к рациональному проектированию балок мостового покрытия
4.1. Конструктивные особенности композитных балок, изготовленных методом пултрузионного формования
4.2. Упрощенная расчетная модель для параметрического анализа жесткости
4.3. Параметрическое исследование статического деформирования коробчатой балки при нормативных силовых нагрузках
4.4. Экспериментальная проверка прочности и жесткости коробчатой конструкции при действии эксплутационных нагрузок
4.5. Выводы по главе
Заключение. Основные выводы и результаты работы
Список использованной литературы
Приложение

Актуальность темы. В связи с существующей необходимостью развития национальной технологической базы, способной обеспечить разработку и производство конкурентоспособной наукоемкой продукции для решения приоритетных задач в области социально-экономического развития и национальной безопасности России, приобретает актуальность проблема разработки и производства силовых конструкций широкого назначения из высокоэффективных композиционных материалов. Её решение позволит обеспечить конкурентоспособность производимой продукции, гарантированные потребительские качества, повышение уровня импортозамещения и обеспечение независимости отечественной промышленности от импортных технологий.
Один из путей решения названной проблемы связан с появлением новых высокоэффективных технологий пултрузионного формования, обеспечивающих повышенные эксплуатационные и прочностные свойства конструкций из композиционных материалов при существенном снижении производственных затрат. Однако реализация таких технологий требует обеспечения прочности и жесткости конструкций при кратковременных и длительных нагрузках. В проектировании и производстве силовых конструкций из композиционных материалов накоплен значительный опыт (в авиакосмической отрасли, судостроении и автомобилестроении). Однако тонкостенные несущие элементы, изготавливаемые с применением пултрузионного формования, имеют существенные особенности: высокую степень анизотропии при сохранении макрооднородности, высокую удельную прочность и жесткость, коррозионную стойкость, и в то же время - низкую прочность и жесткость при поперечном сдвиге, реологическую активность и относительно низкую огнестойкость.
Отметим также, что ввиду достаточно низкой стоимости такие элементы могут быть использованы в конструкциях различного назначения, в том числе в тех, в которых традиционные композиционные материалы не исполь-

к связующему.
Тогда выражение для угловых деформаций связующего можно записать в виде:
у5 = А'^Е] + А42Е2 + А43У ]2! (2.39)
а касательные напряжения в связующем - в виде:
Т6 = &21°1 + ^22°2 + ^23т12' (2.39)
Подсчитав работу касательных напряжений в связующем на деформациях сдвига, из общей энергии деформации выделим ту её часть, которая обусловлена только сдвигом связующего. Затем найдём вторые частные производные от этой энергии по макродеформациям е1; е2, у12» чтобы получить слагаемое матрицы упругости армированного материала, соответствующее энергии деформации сдвига связующего.
В простейшем случае касательные напряжения поперечного сдвига можно считать одинаковыми для волокон и связующего и равными среднему напряжению по объему. Тогда соответствующее слагаемое матрицы упругости О, содержит произведение модуля сдвига связующего на его объемную долю в материале Остальные деформации считаем линейно упругими, и соответствующие компоненты матрицы Ds равны нулю.
В более общем случае необходимо учесть также поперечные по отношению к волокну линейные деформации связующего. Используя тот же подход и считая в соответствии с принятыми гипотезами теории пластин, что напряжения, действующие вдоль нормали, равны нулю, получим:
*2 = 1 °2> е3=-р32а3, (2.40)
2 Е2
откуда максимальная угловая деформация в связующем и напряжения сдвига
^_1 + ^32 т $ _ ^ ^32 О Л
У - о2, т =С/5 о2, (2.41)
Е2 Е2 где модуль упругости Е2 И коэффициент поперечной деформации У32 -осредненные (эффективные) характеристики упругости композита;