Ракитянский Д.В.
РАБОТОСПОСОБНОСТЬ АРМИРОВАННОГО ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПРИ УДАРЕ *
Аннотация:
в данной статье исследуется работоспособность армированного полимерного композиционного материала при ударе, последствия удара и физические явления, приводящие к разрушению плит. Произведение расчётов характеристик армированных и неармированных плит при испытаниях на удар
Ключевые слова:
полимерный композиционный материал, армированные плиты, неармированные плиты, формы разрушения армированных плит
УДК 53.09
Ракитянский Д.В.
студент
Астраханский государственный технический университет
(г. Астрахань, Россия)
Аннотация: в данной статье исследуется работоспособность армированного полимерного композиционного материала при ударе, последствия удара и физические явления, приводящие к разрушению плит. Произведение расчётов характеристик армированных и неармированных плит при испытаниях на удар.
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, армированные плиты, неармированные плиты, формы разрушения армированных плит.
При использовании армированного полимерного композиционного материала (далее – ПКМ) в качестве корпусного материала плавучих сооружений наибольший интерес представляют местные разрушения от непосредственного действия удара: пробивание плит, нарушение водонепроницаемости обшивки при ударе и т. д. [1]
Из практики известно, что местные разрушения армированной плиты при ударе зависят от силы удара и толщины плиты. При этом на поверхности плиты со стороны удара появляются концентрические и радиальные трещины, а на противоположной стороне – трещины, а затем и отколы ПКМ. Оценивая последствия удара, исходят из физической природы происходящих при ударе процессов и особенностей механических свойств материала конструкции.
Общая теория расчета на ударные нагрузки не достигла еще такого состояния, когда могут быть четко сформулированы критерии прочности, основанные на аналитических зависимостях между возникающими: в материале при ударе напряжениями и деформациями. Специальные исследования, непосредственно посвященные распределению напряжений и деформаций при пробивании армированной плиты ограниченной толщины, совершенно отсутствуют. Поэтому бытует много частных теорий удара. Некоторые из них проливают свет на физические процессы, происходящие при разрушении армированной плиты от местного действия удара.
В частности, согласно теориям, принимающим за основу контактные явления на поверхности прикосновения соударяющихся тел, вне и на границе контура давления имеет место случай чистого сдвига. Поэтому, если принять во внимание, что разрушение ПКМ и ему подобных материалов в условиях чистого сдвига по напряжениям происходит от преодоления предела прочности материала при растяжении, то окажется, что эти зоны и являются наиболее опасными в смысле нарушения сплошности материала. Кроме того, на величину сдвигающих напряжений, и тем самым на момент появления трещин в материалах, подобных ПКМ, влияет вид поверхностей, соударяющихся тел. Чем больше радиус поверхности тела, воспринимающего удар, тем больше величина появляющихся, сдвигающих напряжений.
Другая своеобразная форма разрушения армированных плит – отколы, связана с распространением продольных волн, вызванных соударением. При действии удара на армированную плиту от поверхности в месте удара в глубину распространяется волна сжатия. При подходе к свободной поверхности она отражается с возникновением волны растяжения. В момент, когда падающая и отраженная волна не перекрывают одна другую и напряжения в отраженной волне достигают предела прочности ПКМ при растяжении, происходит откол ПКМ со стороны, противоположной удару. Физическая сторона явлений откола особенно усложняется, когда плита по толщине состоит из нескольких слоев. В этом случае в плоскости раздела различных материалов взаимодействуют три волны: падающая, отраженная и проходящая.
Таким образом, явления откола – сложная совокупность разрушений, обусловливаемых трансформацией энергии сжатия в энергию растяжения с учетом особенностей физико-механических свойств ПКМ, а именно: резко различной сопротивляемости при деформациях сжатия и растяжения.
Итак, имеющиеся попытки теоретического рассмотрения явлений, сопровождающих местное действие удара, свидетельствуют о прямой связи ударостойкости армированной обшивки со способностью ПКМ сопротивляться растяжению и чистому сдвигу [2].
К числу динамических исследований, не предназначающихся для установления зависимости между напряжениями и деформациями, возникающими в материале при ударе, целью которых является определение относительных достоинств различных материалов или различных разновидностей одного и того же материала, относятся испытания плит падающим грузом. В соответствии с ограниченными задачами существующее разнообразие методик проведения таких испытаний не допускает должного сопоставления результатов испытаний, выполненных различными исследователями. Наиболее наглядные, на наш взгляд, результаты были получены при сопоставлении прочности на удар армированных плит. За эталон сравнения была принята композиционная плита толщиной 5 см.
Армированные ПКМ плиты имели ребра жесткости, которые служили опорами для участков плит, подвергаемых удару. Размеры этих участков в плане 90х50 см (рисунок 1). Основные характеристики армированных и композиционных плит приведены в таблице 1.
Рисунок 1. Конструкция армированных плит в испытаниях на удар
Испытание плит на удар производилось на специальном стенде путем сбрасывания на плиту груза весом 25 кг. Форма ударяющей поверхности груза была сферической с радиусом сферы r = 25 см. В процессе испытания велось наблюдение за шириной раскрытия трещин. Оценка прочности плит производилась по условному измерителю ударной прочности ƩрНn, равному сумме произведений веса гири р на высоту падения Н и на число ударов n с данной высоты падения. Удары наносились до возникновения отколов, которые принимались за разрушение плит.
Таблица 1. Характеристика армированных
и неармированных плит при испытаниях на удар
|
Индекс образца |
Вид материала |
Прочность, кг/см2 |
Толщина плиты, см |
Количество сеток |
Диаметр рабочей арматуры, мм |
Шаг рабочей арматуры, мм |
Расход стали на 1 м2 плиты, кг |
|
А-3 |
Армированная плита |
420 |
2,5 |
3 |
0,8 |
12 |
3,78 |
|
А-5 |
Армированная плита |
400 |
2,5 |
5 |
0,8 |
12 |
5,43 |
|
А-8 |
Армированная плита |
400 |
2,5 |
8 |
0,8 |
12 |
7,86 |
|
П-2,5 |
Не армированная плита |
420 |
2,5 |
2 |
6 |
84 |
9,76 |
|
П-3 |
Не армированная плита |
470 |
3 |
2 |
4 |
50 |
5,38 |
|
П-5 |
Не армированная плита |
405 |
5 |
2 |
6 |
84 |
9,76 |
Зависимость раскрытия трещин в плитах от величины условного измерителя ударной прочности ƩрНn до момента появления отколов ПКМ (рисунок 2) показывает, что армированные ПКМ плиты по сравнению с обычными композиционными плитами имеют повышенную сопротивляемость ударным нагрузкам.
Сводные данные о прочности на удар армированных и не армированных ПКМ плит приведены в таблице 2.
1, 2, 3 – армированные плиты А-3, А-5, А-8;
4, 5, 6 – не армированные плиты толщиной 5,0; 3,0 и 2,5 мм.
Рисунок 2. Зависимость раскрытия трещин у армированных и не армированных плит из ПКМ от величины ƩрНn при испытаниях на удар
Таблица 2. Данные о прочности на удар армированных
и не армированных плит из ПКМ
|
Индекс образца |
Величина ƩрНnв момент появления первых отколов, кг см |
В процентах от ƩрНnдля плиты толщиной 5 см |
|
А-3 |
8750 |
53 |
|
А-5 |
15000 |
94 |
|
А-8 |
18000 |
109 |
|
П-2,5 |
6750 |
41 |
|
П-3,0 |
7750 |
47 |
|
П-5,0 |
16500 |
100 |
В опытах по исследованию прочности на удар армированных и не армированных плит, выполненных по аналогичной методике (с той лишь разницей, что вес падающего груза р=10 кг, а радиус ударяющей сферы r=15 см), также установлено, что армированная плита толщиной 2,5 см, армированная шестью сетками № 10 из проволоки ø1,0 мм и промежуточной сварной сеткой из стержней ø5 мм, обладает такой же ударной стойкостью по отношению к отколам ПКМ, как и не армированная плита толщиной 5 см, армированная двумя стержневыми сетками, одна из которых составлена из стержней ø8 мм с шагом 12,5 см, а другая – из стержней ø6 мм с шагом 10 см.
Что касается количественных показателей сопротивляемости плит пробиванию при ударе в испытаниях подобного рода, то они зависят от большого числа факторов, включающих вес падающего груза, скорость удара, геометрию соударяющихся тел и т. д. Поэтому количественные результаты испытаний плит падающим грузом, проведенных при определенных условиях, не могут быть распространены на плиты с иными размерами или на случай иных условий испытаний.
Единственные, имеющие значение результаты, которые могут быть получены из этих экспериментов, заключаются в сопоставлении характера разрушения армированных и не армированных плит из ПКМ, в качественной оценке влияния схем армирования плит. В этом плане имеющиеся экспериментальные данные дают возможность заключить, что дисперсное армирование в значительной степени способствует повышению ударной прочности. Что касается кинетики отколов, происходящих при ударе, то большие отколы имеют место у композиционных плит. У армированных ПКМ плит к началу отколов нарушений целостности арматуры, разрывов тонких проволок сеток не наблюдается, а раздробленный ПКМ удерживается сетками. Отмеченная особенность разрушения армированных плит при ударе по сравнению с композиционными является существенной при использовании армированных ПКМ для плит судовой обшивки, так как в этом случае фильтрация воды через поврежденные места незначительна по сравнению со сквозными пробоинами, а повреждения устраняются достаточно просто.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Васильев, В.В. Композиционные материалы: справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнпольского. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.
Михайлин, Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. / Ю.А. Михайлин. - СПб.: Научные основы и технологии, 2010. - 822 с.
Rakityansky D.V.
Student
Astrakhan State Technical University
(Astrakhan, Russia)
PERFORMANCE OF REINFORCED POLYMERIC
COMPOSITE MATERIAL AT IMPACT
Abstract: this article investigates the performance of a reinforced polymer composite material upon impact, the consequences of an impact, and the physical phenomena that lead to the destruction of plates. Making calculations of the characteristics of reinforced and non-reinforced plates during impact tests.
Keywords: polymer composite material, reinforced slabs, non-reinforced slabs, forms of destruction of reinforced slabs.
Номер журнала Вестник науки №4 (49) том 1
Ссылка для цитирования:
Ракитянский Д.В. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ АРМИРОВАННОГО ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПРИ УДАРЕ // Вестник науки №4 (49) том 1. С. 196 - 203. 2022 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/5465 (дата обращения: 24.04.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2022. 16+