Основные критерии проектирования соединений композицион­ных материалов зависят от типа структур, назначения соединяе­мых деталей, типа соединения и целого ряда других факторов.

Рис. 22.1. Типы соединений деталей из композитов:

А — простые соединения: 1 — обычное иахлесточиое; 2 —« нахлесточиое с изгибом: 3 — стыковое с простой накладкой; 4 — стыковое со скошенной накладкой; 5 — соединения в ус с накладкой; б — двойные соединения; 6 — стыковое с двумя накладками; 7 — дву­стороннее нахлесточиое; 8 — скошсииое двустороннее нахлесточиое

Кроме того, в рекомендациях, представленных ниже, будут опи­сываться материалы с высокими прочностными характеристиками: несущей способностью, пределом прочности в плоскости образца. Одновременно будет определяться распределение напряжений в концентраторе — отверстии для механических соединений. Кон­струкции соединений должны быть подвергнуты испытаниям при статических нагрузках, определены их усталостные свойства и влияние окружающей среды. Разрушение композита в резуль-

Овчи, мпа

Рис. 22.2. Напряжения в композитах:

А — распределение напряжений в окрестности отверстия в композите: 1 — изотропный стеклопластик; 2 — однонаправленный боро - и углепластик, кевлар-эпоксидный компо­зиционный материал; к — коэффициент концентрации напряжений; l — расстояние от центра отверстия; R — радиус отверстия; б — напряжения смятия в направлении вы­кладки авчи (материал — стеклотекстолит на основе ткаии 181 и полиэфира) при иагру - женин по основе

22.1. Предел прочности при смятии в зависимости от соотношения D/t

А при AD = 4 %,

МПа

Вид материала

МПа

Стеклопластики

Ткань 181/полиэфирное связующее 297,6

Стекломат/полиэфирное связующее 206,7

Боропластик

(0°/90°)/эпоксидное связующее, 1378,0

(0°/90°/±45°)/эпоксидное связующее 1033,5

Композиты на основе арамидных («.Кевлар»)

Волокон

Стеклоткань 181, ткань «Кевлар»/эпоксидное 379,8 связующее

Углепластики

(0°/90°)/эпоксидное связующее 447 .

241 137

1033,5. 826,8

310

379 310

(0°/900/±450)/эпоксидное связующее 344,5

Тате смятия будет происходить, если напряжения а вызывают 4 %-ное удлинение диаметра отверстия (AD). Типичные резуль­таты определения предела прочности при смятии представлены в табл. 22.1. Напряжения в композите при смятии снижаются с ростом соотношения D/t (отношение диаметра отверстия к тол­щине образца), как это показано на рис. 22.2, б 2]. В стандарт­ных конструкциях из стеклопластиков используют величину D/t, равную 1 для композитов толщиной большей, чем 2,3 мм, хотя возможно получить более высокие значения D/t для таких слоистых пластиков. Для предельно тонких ламинатов (~0,76 мм) можно использовать локальное усиление мест соединения, что

Также позволяет повысить соотношение D/t, доведя его до значений >4. Для боль­шинства боро - и углепла­стиков соотношение D/t та та 3 для всех толщин. Ком­позиты могут обрабатывать­ся для заполнения соедини­телем (зенковка под потай­ные головки), но толщина соединяемых деталей не дол­жна быть меньше, чем 0,76 мм. Рекомендованные толщины композитов под различные размеры соеди­нительных элементов при­ведены в табл. 22.2. Для них использовались потай­ные головки с углом раз­зенковки 100°. Практичес­кое конструирование соединений стеклопластиковых материа­лов основано на использовании соединительных элементов без потайных головок, для чего необходимо знание только диаметра и глубины отверстия. Для проектирования соединений с ми­нимумом массы и малым запасом прочности область сминающих напряжений оценивают как толщину без раззенковки плюс поло­вина глубины раззенковки плюс диаметр отверстия. Для этой области применительно к угле - и боропластикам используются накладки с раззенкованными отверстиями. Нагрузка при растя­жении образца композита, имеющего ряд отверстий с раззенков­кой, распределяется по ширине образца минус суммарный эффек­тивный диаметр отверстий. Эффективный диаметр отверстия, эквивалентный полному диаметру отверстия, с учетом раззенковки под углом 100° для стеклопластиков представлен на рис. 22.3 [1 ]. Для боро - и углепластиков необходимо определить ориентацию ряда отверстий относительно оси ориентации армирующей компо­ненты. Диаметр и тип соединения выбираются исходя из соотно­шения D/t, минимальной глубины зенковки, необходимой проч­ности соединения, температуры эксплуатации, усилия прижима, размера соединения, фактора концентраций напряжений, жест­кости и устойчивости к внешним условиям.

Dj, мм

(1 = 9,5 мм

Рис. 22.3. Зависимость эквивалентно­го диаметра D3 отверстий с раззенков­кой под углом 100 0 от толщины слои­стого пластика t для различных диамет­ров d заклепок с потайной головкой

Малые крепежные изделия (диаметром 1,6 мм) обычно редко используются в самолетостроении. Они трудны в изготовлении и имеют тенденцию повреждать композит во время установки. Напротив, для создания соединений стекло - и органопластиков («Кевлар»), используются крепежные изделия большого диаметра (^>8 мм). Для боро - и углепластиков диаметр крепежных изделий имеет мень'шее значение. Обычно стараются выбирать отверстия наименьшего диаметра из всех, способных обеспечить необходимую прочность соединения. Для композитов тоньше 1,5 мм для соеди­нений необходимо использовать дополнительные накладки.

Расстояния от торца 1Т и от края боковой стороны — важ­ные параметры при механических соединениях композитов. Первое определяется расстоянием от конца соединения до центра от­верстия, а второе — удалением края соединения от центра сле­дующего отверстия (рис. 22.4, а).

В табл. 22.3 даны рекомендации по выбору расстояний от торца или бокового края композита в зависимости от толщины последнего.

Если необходимо конструкционное решение, связанное с нали­чием многих отверстий, то между ними должно быть предусмотрено определенное расстояние. Расстояние между смежными рядами определяется по центрам отверстий в каждом ряду (рис. 22.4, а). Чаще всего это расстояние выбирается равным пяти диаметрам отверстий, что соответствует достаточно большому запасу проч­ности. В случае необходимости конструкторского решения со мно­гими рядами отверстий расстояния между внешними рядами должны быть больше, чем между внутренними, так как при растя­гивающих нагрузках в соединении на них приходится большее усилие'.

В конструкциях должны быть учтены и нетривиальные соеди­нения, в том числе включающие несимметричные системы отвер­стий для крепления. В таких соединениях возникают дополни­тельные напряжения. Если для соединения необходимо много рядов отверстий, то кроме выполнения требований по минимиза­ции потерь прочности нужно сделать минимальными удельные осевые нагрузки. В этом случае в каждом ряду располагается только каждое второе отверстие. Для таких соединений расстоя­ние между рядами отверстий должно быть не менее 4D. Особо

13 п/р Дж. Любииа 385

Прочные соединения (симметричные, с расстояниями между ря­дами 2D) лучше перераспределяют напряжения, нежели несим­метричные соединения.

Конструкции соединений композиционных материалов тре­буют иногда локального наращивания толщины в месте соедине­ний, чтобы обеспечить возможность использования потайной головки и уменьшить сминающие нагрузки. Такое утолщение может быть осуществлено расплавной технологией, оно не должно давать резкого увеличения жесткости или быть концентратором напряжений.