diff --git a/bibliography.bib b/bibliography.bib index 00bbd21..0f84ed5 100644 --- a/bibliography.bib +++ b/bibliography.bib @@ -70,4 +70,11 @@ Pages = {29--36}, Year = {2011}, Language = {russian} +} + +@ONLINE{bib:code-aster:contact, + url = {http://www.code-aster.org/V2/doc/default/en/man_r/r5/r5.03.50.pdf}, + title = {{[R5.03.50]} Discrete formulation of the contact-friction}, + author = {Mickael ABBAS}, + year = {2012} } \ No newline at end of file diff --git a/c1.tex b/c1.tex index 5dd23ca..721249d 100644 --- a/c1.tex +++ b/c1.tex @@ -1,6 +1,16 @@ \chapter{Зависимость деформационных и прочностных свойств тканых композитов с поликристаллической матрицей от наличия локальных концентраторов напряжений} +В главе рассматриваются технологические операции изготовления конструкций из +тканых композиционных материалов с поликристаллической матрицей. Описывается +процесс изготовления волокон, рассматриваются типы тканей и способы их +производства, а так же совмещение тканого каркаса с поликристаллической +матрицей. + +Также описаны методы контроля качества конструкций их тканых материалов с +поликристаллической матрицей и типы дефектов, возникающие во время +технологических процессов, выявляемых с их помощью. + \section{Технологические операции изготовления конструкций из тканых композиционных материалов, приводящие к появлению локальных концентраторов напряжений} @@ -35,7 +45,7 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают средах нейтральных газов азота или аргона, которые предотвращают воздействие на целлюлозу кислорода из воздуха. -При графитизации влокна подвергаются высокотемпературной обработке. +При графитизации волокна подвергаются высокотемпературной обработке. Начальная температура графитизации определяется конечной температурой карбонизации, а конечная находится в пределах $2600\dots2800^\circ\mathrm{C}$. В процессе графитизации происходит насыщение волокон углеродом до содержания не @@ -73,11 +83,11 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают волокон в основе и утке ткани. Ткань изготавливают на ткацком станке переплетением двух -взаимно-перпендикулярных систем нитнй пряжи --- основных и уточных. Основные +взаимно-перпендикулярных систем нитей пряжи --- основных и уточных. Основные нити располагаются по длине куска ткани, а уточные --- по его ширине, от кромки к кромке. -Можно выделить следуюшие основные технические характеристики ткани: +Можно выделить следующие основные технические характеристики ткани: \begin{itemize} \item волокнистый состав; @@ -90,8 +100,8 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают \item разрывная нагрузка и растяжимость (удлинение) при разрыве. \end{itemize} -В промышленности используют ткани, имеющие различные типы переплетеения. -Наиболее простым и широко применяемым является полотняное перепелетение +В промышленности используют ткани, имеющие различные типы переплетения. +Наиболее простым и широко применяемым является полотняное переплетение (рис.~\ref{fig:schemas},~a), где каждая нить основы и утка проходит поочередно сверху и снизу пересекающихся нитей. @@ -104,7 +114,7 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают Сатиновое переплетение (рис.~\ref{fig:schemas},~б) получают путем перекрытия одной нитью утка четырех нитей основы. При саржевом переплетении -(рис.~\ref{fig:schemas},~в) нити очновы и утка проходят поочередно сверху и +(рис.~\ref{fig:schemas},~в) нити основы и утка проходят поочередно сверху и снизу двух и четырех пересекающих их нитей. Ткани подразделяют по ширине: $40\dots75$~см. --- узкие, $75\dots100$~см. --- @@ -156,7 +166,7 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают \item с использованием жидких углеводородов с большим выходом кокса (пеки, смолы); \item комбинированный, включающий в себя пропитку пористых каркасов жидкими -углевдородами, карбонизацию и уплотнение из газовой фазы \cite{bib:sokolkin}. +углеводородами, карбонизацию и уплотнение из газовой фазы \cite{bib:sokolkin}. \end{itemize} При выборе материала матрицы и технологии уплотнения необходимо учитывать @@ -187,14 +197,14 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают образуют стекловидную поликристаллическую матрицу, которая графитизируется при температуре около $3000^\circ\mathrm{C}$. Выход кокса составляет $50-56\%$ по массе. Процедура пиролиза представляет собой нагрев каркаса, пропитанного -смолой, до температур порядка $400\dots 600^\circ\mathrm{C}$. Процесс пироиза +смолой, до температур порядка $400\dots 600^\circ\mathrm{C}$. Процесс пиролиза также называют карбонизацией. При карбонизации происходит усадка матрицы, которая достигает $20\%$ и может привести к разрушению каркаса. Пеки являются термопластичными материалами. При продолжительном выдерживании температуры около $400^\circ\mathrm{C}$ в пеках идет образование -высокориентированной фазы, которая при температуре $2500^\circ\mathrm{C}$ -переходит в графитовуюструктуру. Выход кокса составляет $50-90\%$. +высокоориентированной фазы, которая при температуре $2500^\circ\mathrm{C}$ +переходит в графитовую структуру. Выход кокса составляет $50-90\%$. Пропитка ткани поликристаллической матрицей может проходить под низким или высоким давлением. Пропитка под низким давлением с последующей @@ -209,7 +219,7 @@ $2600\dots2750^\circ\mathrm{C}$ в течении $30$ часов. Для пол Пропитку под высоким давлением применяют для повышения выхода кокса. Процедура практически совпадает с методом пропитки под низким давлением, за исключением -того, что каркас помещается в тонкостенный металический контейнер, куда по +того, что каркас помещается в тонкостенный металлический контейнер, куда по давлением подается горячий пек. После того как контейнер заполнен он закрывается и выдерживается в автоклаве около суток по давлением $6\dots100$~МПа при температуре $550\dots 650^\circ\mathrm{C}$. Процесс @@ -217,7 +227,7 @@ $6\dots100$~МПа при температуре $550\dots 650^\circ\mathrm{C}$. удаляется из контейнера и подвергается графитизации. Пропитка под давлением позволяет получить более плотный композит, кроме того высокое давление предотвращает выдавливание расплавленного пека из пор газообразными продуктами -пироиза в процессе карбонизации. +пиролиза в процессе карбонизации. При осаждении поликристаллической матрицы из газовой фазы каркас помещают в печь, в которой он нагревается. Во внутренний объем каркаса подается @@ -233,8 +243,200 @@ $6\dots100$~МПа при температуре $550\dots 650^\circ\mathrm{C}$. В некоторых случаях методы пропитки жидкостью и осаждение из газовой фазы используются по очереди в рамках единого технологического цикла. +\subsection{Контроль качества конструкций из тканых композитов с +поликристаллической матрицей} + +Конструкции из тканых композиционных материалов с поликристаллической матрицей +в процессе эксплуатации подвергаются различным воздействиям, связанным с видом +нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб), характером нагружения (статический, +динамический), действием окружающей среду (температура, влажность). + +Исходя из этих факторов определяется комплекс конструктивно-эксплуатационных +требований, предъявляемых к материалам. Анализ механических свойств материалов +позволяет определить способность материалов удовлетворять комплексу +этих требований. + +При оценке механических свойств различают несколько видов показателей: + +\begin{itemize} + \item Показатели свойств материалов, определяемые вне зависимости от +конструктивных особенностей и характера службы изделий. Такие показатели +определяются с помощью стандартных испытаний образцов на растяжение, сжатие, +изгиб, твердость. Результаты таких испытаний можно использовать только для +расчетов деталей и конструкций, работающих при нормальных условиях и действии +статических нагрузок, так как они не полностью характеризуют прочность +материала в реальных условиях эксплуатации. + + \item Показатели конструктивной прочности материалов, характеризующие их +работу в конкретном изделии --- характеристики долговечности изделий и +надежности материалов в изделии. Эти показатели определяют при статических и +динамических испытаниях образцов с острыми трещинами, аналогичными тем, которые +имеются в реальных деталях конструкций. + + \item Показатели технологичности конструкционных материалов, которые +характеризуют способность материала приобретать необходимую форму под +воздействием температурных факторов и давления, подвергаться механической +обработке. +\end{itemize} + +Для оценки конструкционных свойств тканых материалов их подвергают механическим +испытаниям. Методы испытаний подразделяют в зависимости от характера воздействия +на материалы на прямые (разрушающие) и косвенные (неразрушающие) методы. + +Так как создание тканого композиционного материала с поликристаллической +матрицей неразрывно связана с созданием конструкции из этого материала, а также +из-за высокой стоимости данного типа материалов, для оценки конструктивных +свойств предпочтительнее использовать неразрушающие методы испытаний. Однако их +обоснование и проверка с помощью прямых методов также необходима. + +Контроль механических характеристик тканых композитов обычно связан с +определением стандартного набора параметров: прочность и модуль Юнга при +растяжении и сжатии, прочность и модуль при сдвиге, коэффициент Пуассона. Для +определения этих характеристик проводят следующие испытания: + +\begin{itemize} + \item Одноосное растяжение. Является наиболее распространенным и хорошо +изученным видом механических испытаний. Характеристики, полученные при +испытании на одноосное растяжение служат для оценки несущей способности +материала. + \item Испытание на сжатие. При таких испытаниях результаты значительно зависят +от формы и размеров образца. Также при таких испытаниях необходимо +предотвратить потерю устойчивости образца. + \item Испытание плоских образцов на сдвиг. Сдвиговая прочность и жесткость +тканых композитов с поликристаллической матрицей является одним из недостатков, +поэтому правильное определение сдвиговых характеристик имеет важное значение, +однако практически невозможно обеспечить в образцах состояние чистого сдвига. +\end{itemize} + +Методы неразрушающего контроля тканых композитов с поликристаллической матрицей +в зависимости от физических явлений положенных их в основу, подразделяют на +6 видов: + +\begin{itemize} + \item Электрический --- основанный на регистрации в контролируемом объекте +электрического поля, создаваемого непосредственным воздействием на него +электрического возмущения. С помощью данного метода можно определять различные +физические параметры изделия: диэлектрическую проницаемость, плотность, +содержание компонентов. Использование этих методов не позволяет контролировать +большинство необходимых характеристик композита: регулярность заданной +внутренней структуры материала, разноплотность внутри материала и др. + \item Вихревой --- основанный на анализе взаимодействия внешнего +электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых потоков, наводимых +возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. Этим методам +свойственна малая глубина контроля, определяемая глубиной проникновения +электромагнитного поля в контролируемую среду. С помощью вихревых методов могут +быть обнаружены дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или +залегающих на небольшой глубине, а также трещины и расслоения. + \item Радиотехнический. В настоящее время в основном используются +радиоволновые и радиоспектроскопические методы. Радоволновые основаны на +использовании явления отражения и затухания радиоволны, связанные с наличием +дефектов в контролируемом изделии. С помощью таких методов проводят измерение +толщины, выявление различных неоднородностей и определение состава материала. +Радиоспектроскопические методы основаны на использовании зависимости +резонансных явлений в материале от состава материала, и его структуры и формы +изделия. Такими методами можно контролировать появление дефектов очень малых +размеров, кроме того с помощью этих методов можно получить информацию о составе +дефектов, их геометрической форме и размерах. + \item Тепловой --- основанный на регистрации температурных полей +контролируемого объекта. С помощью тепловых методов выявляются такие дефекты +как пропуски армирующих нитей в ткани и сравнительно крупные посторонние +включения, однако мелкие структурные дефектны обнаружить такими методами не +удастся из-за особенностей современной аппаратуры. + \item Акустический --- основанный на регистрации параметров упругих колебаний, +возбуждаемых в исследуемом объекте. Такие методы разделяют на две группы --- +основанные на излучении и приеме акустических волн (активные) и основанные +только на приеме волн (пассивные). Такие методы позволяют контролировать +сплошность материалов, качество паяных и клееных соединений, измерять толщины +при одностороннем доступе. + \item Ультразвуковой --- основанный на использовании ультразвуковых волн. +Методы ультразвуковой дефектоскопии позволяют выявить разрывы нитей, пузырьки +воздуха и скопление смолы. Ультразвуковым испытаниям можно подвергать +конструкции любой формы. +\end{itemize} + +При выборе метода неразрушающего контроля необходимо руководствоваться такими +факторами как физико-механические свойства материалов, характерные особенности +внутренней структуры и структурных дефектов, геометрические параметры изделия, +состояние поверхности изделия, а так же условия проведения контроля. + +\subsection{Структурные дефекты тканых композитов с поликристаллической +матрицей} + +Особенностью тканых композитов с поликристаллической матрицей является то, что +наряду сдефектами, присущими традиционным материалам, такими как трещины, поры, +посторонние включения, могут образовываться дефекты, характерные только для +данного вида материала, связанные с особенностями структуры ткани и методом +формирования матрицы. Такие дефекты могут быть различными для каждого этапа +изготовления. + +Дефекты связанные с отклонениями от расчетных параметров структуры возникают на +этапе изготовления ткани. К числу таких дефектов можно отнести отклонения в +напралении армирующих нитей, пропуски нитей в направлении армирования (рис. +\ref{fig:no_fiber}). + +На этапе формирования матрицы могут возникнуть дефекты связанные с отклонением +от расчетного распределения плотности конечного материала, а так же нарушение +структуры армирующей ткани, возникающие на подготовительных операциях. Также, в +следствие нарушения технологического процесса на этом этапе могут возникнуть +трещины и внутренние поры (рис. \ref{fig:pore}). + +Разрывы волокон утка или основы (рис. \ref{fig:break}) могут возникать на каждом +из этапов: на этапе формирования ткани --- вследствии очень тесного размещения +нитей, в процессе сшивки слоев ткани при формировании конструкции, на этапе +формирования матрицы --- из-за внутренний напряжений, возникающих в материале во +время его изготовления. + +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[width=12cm]{d3} + \caption{Пропуск нити в направлении армирования} + \label{fig:no_fiber} +\end{figure} + +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[width=14cm]{d4} + \caption{Внутренняя технологическая пора} + \label{fig:pore} +\end{figure} + +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[width=17cm]{d1d2} + \caption{Разрывы нитей утка (а) и нитей основы и утка (б)} + \label{fig:break} +\end{figure} + +Кроме того, на каждом из этапов в тканый композит могут попасть посторонние +включения, что тоже негативно сказывается на физико-механических свойствах +материала. + +Различные типы дефектов оказывают разное влияние на физико-механические +свойства тканых композитов. Пропуски волокон в каком-либо направлении обычно +приводит к снижению прочности при растяжениях. Локальные поры оказывают влияние +на модуль упругости в трансверсальном направлении, где содержание волокон мало, +а влияние матрицы на формирование жесткости указанного направления весьма +значительно. + \section{Экспериментальные закономерности влияния локальных концентраторов напряжений на деформационные и прочностные свойства тканых композитов с поликристаллической матрицей} -\section{Выводы к первой главе} \ No newline at end of file +%TODO: Написать вторую часть первой главы + +\section*{Выводы к первой главе} +\addcontentsline{toc}{section}{Выводы к первой главе} + +\begin{enumerate} + \item Рассмотрены технологические процессы производства конструкций из тканых +композиционных материалов с поликристаллической матрицей, включающие в себя +такие этапы как производство волокна, производство ткани, получение матрицы и +способы совмещения матрицы с тканым каркасом для получения конструкции. + \item Описаны методы контроля качества тканых композиционных материалов с +поликристаллической матрицей и типы дефектов, которые могут быть выявлены с их +помощью. + \item Определены типы дефектов, возникающие на каждой из стадий +технологического процесса производства тканых композиционных материалов с +поликристаллической матрицей и их влияние на физико-механические свойства +конструкций из этих материалов. +\end{enumerate} diff --git a/c2.tex b/c2.tex index 39ef74f..6a7658e 100644 --- a/c2.tex +++ b/c2.tex @@ -35,44 +35,44 @@ SALOME используется как база для проекта NURESIM (E NUclear REactor SIMulations), предназначенного для полномасштабного моделирования реакторов. -На рис.~\ref{fig:defects}~а и б представлен фрагмент слоя тканого композита, -армирующий каркас которого образован полотняным переплетением утка и основы -(с коэффициентами армирования $\alpha_{1} = \alpha_{3} = 0,14$ -соответственно). Здесь и далее оси $x_1$ и $x_3$ ортогональной декартовой -системы координат принадлежат плоскости слоя. - -В рассматриваемом случае локальными концентраторами напряжений -являются технологические поры, возникающие в областях, расположенных -вблизи участков волокон с наибольшей кривизной (рис.~\ref{fig:pore}), и -дефекты, связанные со случайными разрывами нитей утка -(рис.~\ref{fig:defects},~а) или основы и утка (рис.~\ref{fig:defects},~б) -в процессе прошивки слоев. Обратим внимание на то, что локальные разрывы -нитей армирующего каркаса могут иметь место и в исходной ткани до -прошивки. Образующаяся в результате полости имеют характерные -размеры, соизмеримые с характерными размерами неоднородностей, не -изменяют значительно интегральные коэффициенты армирования композита, -могут оказаться заполненными материалом матрицы (при дополнительном уплотнении -с последующей карбонизацией или доосаждением материала из газовой фазы) или -оставаться незаполненными. - -\begin{figure} - \begin{minipage}[h]{0.47\linewidth} -% \center{\includegraphics[width=1\linewidth]{img/d1}} \\ а) - \end{minipage} - \hfill - \begin{minipage}[h]{0.47\linewidth} -% \center{\includegraphics[width=1\linewidth]{img/d2}} \\ б) - \end{minipage} - \caption{Локальные разрывы нитей слоя тканого композита} - \label{fig:defects} -\end{figure} - -\begin{figure} - \centering -% \includegraphics[width=0.77\linewidth]{img/pore} - \caption{Внутренняя технологическая пора} - \label{fig:pore} -\end{figure} +% На рис.~\ref{fig:defects}~а и б представлен фрагмент слоя тканого композита, +% армирующий каркас которого образован полотняным переплетением утка и основы +% (с коэффициентами армирования $\alpha_{1} = \alpha_{3} = 0,14$ +% соответственно). Здесь и далее оси $x_1$ и $x_3$ ортогональной декартовой +% системы координат принадлежат плоскости слоя. +% +% В рассматриваемом случае локальными концентраторами напряжений +% являются технологические поры, возникающие в областях, расположенных +% вблизи участков волокон с наибольшей кривизной (рис.~\ref{fig:pore}), и +% дефекты, связанные со случайными разрывами нитей утка +% (рис.~\ref{fig:defects},~а) или основы и утка (рис.~\ref{fig:defects},~б) +% в процессе прошивки слоев. Обратим внимание на то, что локальные разрывы +% нитей армирующего каркаса могут иметь место и в исходной ткани до +% прошивки. Образующаяся в результате полости имеют характерные +% размеры, соизмеримые с характерными размерами неоднородностей, не +% изменяют значительно интегральные коэффициенты армирования композита, +% могут оказаться заполненными материалом матрицы (при дополнительном уплотнении +% с последующей карбонизацией или доосаждением материала из газовой фазы) или +% оставаться незаполненными. +% +% \begin{figure} +% \begin{minipage}[h]{0.47\linewidth} +% % \center{\includegraphics[width=1\linewidth]{img/d1}} \\ а) +% \end{minipage} +% \hfill +% \begin{minipage}[h]{0.47\linewidth} +% % \center{\includegraphics[width=1\linewidth]{img/d2}} \\ б) +% \end{minipage} +% \caption{Локальные разрывы нитей слоя тканого композита} +% \label{fig:defects} +% \end{figure} +% +% \begin{figure} +% \centering +% % \includegraphics[width=0.77\linewidth]{img/pore} +% \caption{Внутренняя технологическая пора} +% \label{fig:pore} +% \end{figure} Будем предполагать, для простоты, что волокна и матрица слоя модельного тканого композита изотропные, линейно упругие, не изменяющие геометрию, diff --git a/fig/d1d2.png b/fig/d1d2.png new file mode 100644 index 0000000..5818c8a Binary files /dev/null and b/fig/d1d2.png differ diff --git a/fig/d3.png b/fig/d3.png new file mode 100644 index 0000000..59646c0 Binary files /dev/null and b/fig/d3.png differ diff --git a/fig/d4.png b/fig/d4.png new file mode 100644 index 0000000..3ab02cd Binary files /dev/null and b/fig/d4.png differ