1371

334 К. Геракович

Рис. 34. Моменты на поверхностях раздела слоев и максимальные на­ пряжения в квазиизотропных композитах со смежными слоями +45 и —45° (расчет по МКЭ).

ных слоев, а главным образом моментом по толщине от вну­ трисловных напряжений оу. Поскольку величина внутрислойных напряжений не зависит от последовательности укладки, этот момент (а, следовательно, максимум напряжения а2) в первую очередь определяется именно последовательностью укладки слоев.

На рис. 33 и 34 приведены величины и положение макси­ мальных межслойных напряжений а2 и т2Х для всех двена­

дцати рассматриваемых композитов, а также внутрислойные напряжения оу и моменты на поверхностях раздела слоев. Очевидно соответствие между максимальным значением аг и моментом на поверхности раздела.

Для всех квазиизотропных композитов, имеющих смежные ■слои с углами армирования +45 и —45°, из анализа распре­ делений напряжения тгх следует, что его максимальное зна­ чение достигается именно на поверхности раздела этих слоев. Кроме того, величина наибольшего межслойного напряжения (тгх)тах для шести композитов с разнесенными слоями ±45° меньше наименьшего из значений (туДтах, соответствующих композитам, имеющим смежные слои ±45° Оба этих резуль­ тата служат еще одним доказательством важности учета раз­ личия упругих свойств материала от слоя к слою при проек­ тировании конструкций из композитов. Полученные результа­ ты показывают, что величина максимального межслойного сдвигового напряжения равна или больше величины макси­ мального межслойного нормального напряжения. Поэтому разрушение расслоением может происходить как вследствие межслойного сдвига, так и поперечного отрыва.

5.Разрушение перекрестно армированных композитов

Впредыдущих разделах подробно обсуждено распределе­ ние межслойных напряжений, поскольку именно они ответ­ ственны за расслоения на свободных кромках. В данном раз­ деле для некоторых перекрестно армированных композитов представлены результаты, иллюстрирующие повреждение

кромки. Выбор этого типа композитов позволяет в рамках рассматриваемой проблемы ограничиться обсуждением вопро­ са о влиянии только ориентации волокон в слоях, поскольку учет последовательности укладки требует более подробного исследования. В данном разделе приведены примеры влияния кромочных эффектов на предельные напряжения и виды раз­ рушения.

5.1. ПОВРЕЖДЕНИЕ КРОМКИ

Знание распределений напряжений по объему слоистых композитов необходимо для предсказания местоположения и вида начального разрушения с помощью критерия прочности. В данной главе выбран тензорно-полиномиальный критерий прочности [26]. Местоположение и вид разрушения, предска­ занные теоретически, сравниваются с экспериментальными ре­ зультатами, полученными путем регистрации при выбранных уровнях растягивающей нагрузки реплик кромки. образцов

конечной ширины. Реплики показывают тип повреждения (в виде трещин) вдоль свободной кромки.

Тензорно-полиномиальный критерий прочности предпола­ гает, что разрушение имеет место, когда удовлетворяется, следующее условие:

В табл. 3 для ряда перекрестно армированных композитов представлены результаты, характеризующие вклад отдельных членов тензорного полинома при разрушении. На рис. 35

Таблица 3. Значения составляющих тензорного полинома для перекрестно армированных композитов

показано распределение тензорно-полиномиальной функции вдоль поверхности раздела слоев с углами армирования ± 0 . Из рисунка видно, что разрушение должно начаться у свобод­ ной кромки. Кроме того, установлено, что кромочные эффекты

ные эффекты являются причиной начала разрушения в ком­ позитах с малыми углами ориентации волокон в слоях (<37°). С увеличением угла ориентации волокон влияние кромочных эффектов уменьшается.

Из результатов табл. 3 следует, что при малых углах ориентации волокон разрушение определяется межслойными сдвиговыми напряжениями, а с увеличением угла происходит переход к разрушению от поперечного отрыва. Эти результаты согласуются с прогнозами, ранее полученными путем анализа различия упругих свойств композита от слоя к слою (см. разд. 2.3). В тех случаях, когда имеется большое различие в коэффициентах взаимного влияния смежных слоев, большие межслойные сдвиговые напряжения приводят к расслоению. Когда это различие мало, малы и межслойные сдвиговые на­ пряжения, а начальным видом разрушения является попереч­ ный отрыв.

Это хорошо согласуется с экспериментальными результа­ тами, приведенными в работе [12]. Реплики кромок образцов,.

волокон ±10 и ±30° Из ри­ сунка следует, что вид раз­ рушения является совершен­ но различным в зависимости от последовательности укла­ дки слоев (толщины слоя) [10]. Композиты с чередую­ щимися слоями разрушают­ ся вследствие сочетания раз­ рыва волокон с растрескива­ нием матрицы или потери сплошности по поверхности раздела волокно/матрица. Разрушение композитов с по­ парно сгруппированными слоями является исключи­ тельно результатом разру­ шения матрицы; разрушения волокон при этом не проис­

(Ь) в, град ходит.

У композитов с чередую­ щимися слоями имеется еди­ ная поверхность разруше­ ния, параллельная направ­ лению волокон в одном из слоев. Напротив, в компози­ тах с попарно сгруппирован­ ными слоями поверхность разрушения состоит из рас­ слоений по поверхностям раздела слоев с углами ар­ мирования ± 0 и разруше­

KDecTno армированных композитах. ния матрицы в плоскостях

укладки волокон. Такое зна­ чительное различие в видах разрушения — исключитель­ но результат межслойных напряжений. Предельные напряжения в показанных здесь композитах с чередую­

щимися слоями на 20—30 % выше, чем в композитах с по­ парно сгруппированными слоями [10]. Влияние последова­ тельности укладки слоев уменьшается в композитах с боль­ шими углами ориентации волокон в слоях поскольку разность коэффициентов взаимного влияния также уменьшается.