книги из ГПНТБ / Детали из стеклопластика в судовом машиностроении
..pdfД Е Т А Л И
|
;■ v \ : |
|
|
|
|
|
W ' . - ' |
|
‘ V V W |
I * |
|||||
|
1^*4»..- |
'-• |
|
.“ І5 |
|
|
|
|
'•*,*• |
'Г->' |
^ - ■■*:. |
||||
^ 1 ч ; * , д**-* |
|
’' Л ' |
|
|
|
' * - • |
— |
|
|||||||
f |
|
|
|
* T |
*’ '• |
V "*V - |
|
- |
|
f и- |
'J |
||||
é+% |
|
|
|
|
' .^. /• |
” |
- *-« |
|
|
^ ~ |
-Л**£ |
-iS s s |
|||
~ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
S |
W |
|
|
i > ' ^ |
, |
V “‘ |
4&Л,- |
|
|
|
|
||||
|
:V-?N.v*t^ Vr*'* l^L'' " |
|
’* '-4ЧЩГШX л?трг и - г*^‘ |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
*-Л 1 |
|
|
|
2 |
> • |
- |
' C |
|
|
■*• |
v- |
■ |
! |
' |
‘ **** -v: * |
-:ü |
|||
|
|
|
|
|
- |
fc•'Йг. |
|||||||||
J W |
|
|
' |
|
|
|
|
*: |
‘;~ 4‘j ^ v |
'V |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Ж |
|
|
|
|
|||||
/ч^Г |
|
|
* |
Ч - v / v « |
|
, |
" |
■ |
* |
..j-.Ji |
|||||
*. |
•Я Ѵ > * |
|
..* |
|
■' |
**'«>» |
|
"■■- |
|||||||
* " |
|
-- |
- |
' У r ' * |
>4*. iV*Y*7 |
|
* |
|
|
- - |
|||||
ДЕТАЛИ
из стекло
пластика
в судовом
машино
строении
„СУДОСТРОЕНИЕИЗДАТЕЛЬСТВО ( ( Ленинград
1974
f КОНТРОЛ’- о о I ЭКЗЕМП ; **
УДК 629.12.002.3 : 621.22 Д38
Е. |
К. |
АШКЕНАЗИ, |
; |
И. |
Б. |
ГОЛЬФМАН, |
> г.;. |
Л. |
П. |
РОЖКОВ, |
С |
Н. П. СИДОРОВ. |
; |
||
чит.
W - М З &
Книга знакомит читателей с общими вопросами конструирования и технологией изготовления деталей из анизотропных стеклопласти ков. Изложен опыт внедрения в практику судового машиностроения нового материала (стеклопластика), нового технологического про цесса, современных методов контроля качества изделий и анализа технологических дефектов. Применительно к судовому машинострое нию подробно рассмотрен технологический процесс горячего прес сования и способы контроля его параметров. Приводятся основные сведения по методам математического описания упругости и прочности анизотропных квазигомогенных стеклопластиков. Систематизирован ные в соответствии с этими методами экспериментальные данные о ме ханических свойствах наиболее важных для судового машиностроения стеклопластиков представлены в легко обозримой графической форме. Эти данные предназначены для подбора оптимального вида армиро вания, наилучшим образом обеспечивающего уменьшение материало емкости изделий и повышение их надежности. Обобщается опыт экс плуатации деталей из стеклопластиков, оценивается технико-экономи ческая эффективность их применения.
Книга рассчитана на инженерно-технических работников/ свя занных с исследованиями, конструированием и изготовлением деталей судового машиностроения из стеклопластиков, и может быть полезна работникам других отраслей промышленности.
Илл. 103. Табл. 37. Литерат. 60 назв.
Рецензенты: М. К- Смирнова, Б. М. Миронов
Научный редактор: А. К. Сборовский
31804—023 Д 048 (01)—74 29—74
(£) Издательство «Судостроение», 1974 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Технический прогресс в области отечественного машиностроения в значитель ной мере определяется применением новых конструкционных материалов. Про блема снижения материалоемкости машин и повышения их эффективности за счет внедрения новых материалов отмечена в Директивах XXIV съезда КПСС как актуальная для народного хозяйства. К числу перспективных новых материалов относятся армированные полимеры, из которых наиболее распространенными являются стеклопластики.
Целью настоящего издания является обобщение теории и практики конструи рования, изготовления и контроля качества деталей из стеклопластиков в судо вом машиностроении.
Методы конструирования и расчета прочности металлических деталей машин создавались и проверялись в процессе эксплуатации в течение многих десятилетий. Переносить на стеклопластики эти методы и результаты нельзя, поскольку сущест венные особенности композиционных материалов требуют принципиально нового подхода. Особенность стеклопластика состоит в создании материала одновременно с изготовлением детали, что обусловливает чрезвычайно сильное влияние технологии на прочность и жесткость изделия. Существенной особенностью стекло пластиков является их анизотропия, требующая конструирования материала одно временно с конструированием детали. Принцип согласования полей сопротивления анизотропного материала с полем действующих напряжений требует исследования напряженного состояния, возникающего в детали из анизотропного материала. В свою очередь напряженное состояние может изменяться в зависимости от схемы армирования детали, от которой зависит анизотропия упругих свойств материала.
Представленные в книге поверхности и диаграммы анизотропии упругих свойств и пределов прочности стеклопластиков с различными схемами армирования дают нужную информацию для оптимального конструирования деталей. Информация эта полезна, например, для оценки прочности и выбора схем армирования деталей судовых движителей, в которых направление действия главных напряжений, а сле довательно, и их ориентация относительно главных осей анизотропии материала может изменяться с течением времени.
Анизотропия упругих свойств стеклопластиков сказывается не только на ве личине действующих в деталях напряжений, но и на характере возникающего на пряженного состояния. Для расчета действующих напряжений в анизотропных те лах необходим полный комплекс упругих постоянных, а для оптимизации напряжен ного состояния в детали — представление об анизотропии этих величин.
Полные сведения об анизотропии упругих свойств и прочности материала не обходимы также для оценки того, насколько ослабится деталь, насколько потеряет в надежности, если действительная ориентация армирующих элементов по техноло гическим причинам отклонится от предусмотренной конструктором на несколько градусов или произойдет искривление волокон, чего практически трудно избежать при всех видах технологии. Задача оценки влияния технологических дефектов на прочность изделий из стеклопластиков тесно связана с изучением анизотропии проч ности.
1 3
В большинстве деталей судового машиностроения возникает сложное напряжен ное состояние — двух- и трехосное (в некоторых случаях в результате наличия тех нологических дефектов). Низкая сдвиговая прочность стеклопластиков делает эти напряженные состояния особенно опасными.
Приведенные в книге расчетные формулы позволяют оценивать прочность анизо тропной детали, работающей в условиях сложного напряженного состояния при кратковременной статической нагрузке. Эти формулы в принципе применимы и для расчета динамической прочности анизотропных стеклопластиков, например, на усталость при сложных напряженных состояниях. Правильное армирование, осно ванное на согласовании анизотропии материала с напряженным состоянием, воз никающим в детали, является действенным средством снижения материалоемкости изделий. При этом осуществляется согласование свойств материала с требованиями эксплуатации детали. Для каждого конкретного случая подбирается армирование материала, обеспечивающее требуемую анизотропию свойств. Большие трудности на этом пути встречаются при создании соответствующей технологии.
Существующая в настоящее время технология изготовления деталей судового машиностроения из стеклопластиков не позволяет в полной мере осуществить прин цип согласования полей напряжений в детали с полями сопротивления материала. Кроме того, возникающие, особенно в деталях сложной конфигурации, технологи ческие дефекты нарушают расчетную схему армирования материала и снижают прочность готовых изделий. Вопросы оптимального конструирования деталей из стеклопластика неотделимы поэтому от задач технологического характера.
Проблема повышения прочности и снижения материалоемкости деталей судового машиностроения требует дальнейшей оптимизации технологического процесса' и осуществления сплошного контроля эксплуатационной прочности готовых изделий. Применение стеклопластиков особенно эффективно в судовых движителях, рабочих колесах и направляющих аппаратах насосов, обтекателях, судовых вентиляторах, которые работают в условиях воздействия больших статических и динамических нагрузок, агрессивного влияния воды и абразивных частиц. Тяжелые условия ра боты обусловливают высокие требования к материалам этих установок, удовлетво рить которым металлы и сплавы в полной мере не могут. Применение стеклопласти ков дает возможность избежать многих недостатков, присущих металлам, а именно: сократить в 3—4 раза трудоемкость изготовления, снизить в 2—4 раза вес деталей, повысить коррозионную стойкость, уменьшить влияние резонансных явлений. Положительные результаты эксплуатации гребных винтов, рабочих колес и направ ляющих аппаратов насосов и судовых обтекателей из стеклопластиков позволили внедрить их в серийное производство.
Книга написана коллективом авторов: § 1 главы I, |
главы II и III — Е. |
К- Аш |
||
кенази, |
глава I, кроме §§ |
1 и 3, — Л. П. Рожковым, |
§ 3 главы I и глава |
IV — |
И. Б. |
Гольфманом, глава |
V — Н. П. Сидоровым. |
|
|
Авторы будут благодарны за все замечания и пожелания читателей.
ГЛАВА I
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ
§ 1
Виды стеклопластиков, характер армирования и некоторые особенности
Развитие современной техники предъявляет повышенные тре бования к прочности конструкционных материалов. Одним из рас пространенных способов повышения прочности является сообщение структуре материала упорядоченности; другой способ заключается в армировании материала упрочняющими элементами. Оба способа делают материалы анизотропными.
Армированными называются композиционные материалы, в ко торых один из компонентов (армирующий) обладает значительно более высокой прочностью и жесткостью, чем другой компонент (связующий). Так создают анизотропные материалы высокой проч ности, армированные волокнами углерода (графита), бора, сапфира, металлическими монокристаллическими нитями («усами») или стек лянными волокнами. Большое распространение в технике получили высокопрочные стеклопластики. Армирующие элементы в стекло пластиках могут иметь различный вид: стеклянных волокон, нитей, жгутов, стеклотканей различного (в том числе объемного) плетения; они могут быть уложены слоями или наматываться в форме тел вра щения, образуя материал различной структуры. Комбинируя тонкие стеклянные волокна и различные полимерные связующие, можно получить армированные материалы с уникальными свойствами, зна чительно превосходящими свойства любого из компонентов, взятых
вотдельности.
Вприроде принцип армирования материала сложился путем
тысячелетнего естественного отбора в таких несущих конструкциях, как стволы деревьев и скелеты животных. Армирующие волокна рас положены в древесине ствола и в костной ткани скелета по траекто риям действия главных напряжений; таким образом, свойства материала (поле его сопротивлений) согласуются с полем напряже ний. Этот принцип армирования используется и при создании деталей из стеклопластиков. Основная особенность таких деталей состоит в том, что материал создается одновременно с конструкцией, а свой ства определяются характером армирования и сильно зависят от технологии.
5
Тонкие стеклянные волокна имеют высокую удельную прочность, во много раз превышающую прочность стекла в образцах больших размеров. Наибольшей прочностью на разрыв отличаются стеклянные волокна очень малого диаметра (от 5 до 12 микрон) при отсутствии повреждения их поверхности. Поверхность тонких волокон значи тельно превышает их объем, поэтому легко обеспечивается связь волокна с полимерной матрицей. Располагая волокна параллельно друг другу, можно получить высокую прочность при действии рас тягивающих усилий вдоль направления армирования. Прочность в направлении, перпендикулярном оси волокон, будет в этом слу чае низкой и определится свойствами связующего. Однонаправлен ные ориентированные материалы имеют, кроме того, низкую сдви говую прочность. Анизотропия механических свойств однонаправ ленных ориентированных стеклопластиков очень велика, а их применение неэффективно, поскольку трудно найти пример детали, в которой в процессе эксплуатации сохранялось бы однородное и одноосное напряженное состояние простого растяжения в строго фиксированном постоянном направлении.
Слоистые материалы, создаваемые из различно ориентированных слоев, позволяют получить необходимую прочность в разных на правлениях. Стекловолокно непосредственно используется для ар мирования полимерной матрицы, главным образом в изделиях, из готовляемых методом намотки. В судовом машиностроении чаще при меняются стеклоткани различного переплетения, укладываемые в виде параллельных слоев. Стеклопластики, изготовленные из тканей, носят общее название «стеклотекстолиты». Для повышения их прочности при межслойном сдвиге предложены пространственно сшитые стеклопластики, называемые трехмерноармированными.
Общим недостатком всех стеклопластиков является их значи тельная деформативность, проявляющаяся особенно сильно при дли тельном действии нагрузок. Применение высокомодульных полых волокон из стекла, волокон бора и графита, а также их комбинаций позволяет повысить жесткость стеклопластиков. Пластики на основе кремнийорганических смол, армированные волокнами бора или гра фита, имеют не только большую жесткость, но и более высокую теплостойкость, чем обычные стеклопластики.
Все армированные материалы существенно неоднородны (гетерогенны) на расстояниях порядка поперечных размеров армирующих элементов, но поскольку эти размеры всегда пренебрежимо малы по сравнению с размерами детали, то в расчет вводится гипотеза анизотропной однородной (квазигомогенной) сплошной среды. Ха рактеристики свойств композиционного материала могут быть, вообще говоря, определены в зависимости от характеристик объемного со держания, характера взаимодействия, геометрии расположения со ставляющих материал компонентов и технологии его изготовления. Эти интегральные характеристики могут определяться и экспери ментально по результатам испытания образцов композиционного материала, рассматриваемого как квазигомогенная сплошная среда.
6