Механика композитных материалов 3 1980

стеклопластиковых плоских образцах исследована [5] механолюминесценция при растя­ жении. Результаты исследования механолюминесценции при растяжении однонаправ­ ленного стеклопластика хорошо согласуются с теоретическими расчетами начальных процессов разрушения, проведенными методом конечных элементов [6].

При проектировании композитных конструкций важно знать ранние стадии деструк­ ции материала при разных видах нагружения. Поэтому основной целью данной работы явилось исследование механолюминесценции, возникающей при плоском напряженном состоянии цилиндрических стеклопластиковых труб, и отработка методики регистрации фотонной эмиссии.

Исследование проводили на стеклопластиковых трубах, изготовленных по техноло­ гии косой продольно-поперечной намотки (КППН, рис. 1; в качестве арматуры исполь­ зована стеклонить ВМ-1; связующий материал — эпоксидная смола ЭДТ-10; метод из­ готовления — мокрый; трубы изготовлены с конически утолщенными концами для обес­ печения потери прочности конструкции в рабочей зоне); па трубах КППН с технологи­ ческими дефектами (образцы имеют неоднородную структуру), а также на стеклоплас­ тиковых трубах со спиральной намоткой на базе полиэфирной смолы ПН-1 и стекло­ нити в виде жгута РБМН-10-1680 (размеры образцов представлены на рис. 1).

Были исследованы упругие и прочностные свойства стеклопластиковых труб КППН. Для установления механических характеристик материала £ц, £ 22, Р12, Ц21 использовали образцы (см. рис. 1) с толщиной стенки бг = 3 мм. Модуль упругости Еп и коэффициент Пуассона Ц12 определяли при растяжении образца вдоль оси 1, Д22 и ц21 — соответ­ ственно при внутреннем давлении. В указанных целях использовали фольговые тензо­ датчики 2ФКТК с базой 10 мм, наклеенные в виде розетки 60°. Эксперимент проводили па испытательной машине ZDM-30. Измерительным прибором служил тензометрический мост ТДА-3 фирмы «Mikrotehna». Запись силы и величины деформации осуществляли на осциллографе Н-700. Необходимо отметить, что данные снимались только с линей­ ных участков зависимостей Стц~ец и ст22~ е 22. Средняя скорость нагружения — 10 кгс/см2 в 1 с. Компонента тензора напряжения <Тц совпадает с направлением оси материала 1, сг22 — 2 (см. рис. 1). При испытании труб на прочность стеклопластиковые образцы подвергали растяжению и сжатию вдоль оси 1, а также внутреннему давле­ нию с компенсацией для выявления прочности при растяжении по оси 2. Снимали диаграмму зависимости напряжения от деформации. Характер разрушения показал, что при всех видах нагружения потери устойчивости не было. Экспериментальные данные упругих и прочностных свойств труб КППН приведены в таблице.

Для измерения интенсивности механолюми­ несценции применяли метод счета фотонов. На рис. 2 приведена блок-схема измерительной уста­ новки. Нагружение осуществляли при помощи стенда ZDM-30. Образец помещали в светонепро­ ницаемую камеру. Максимально близко к образцу помещали корпус для фотоприемника ФЭУ, кото­ рый охлаждался проточной водой до 15° С. Между

Рис. 1.

Рис. I. Геометрия и схема армирования образца.

Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки для измерения механолюмннесценцни: О — об­ разец; 3 — электромеханический затвор света; ФЭУ — фотоэлектронный умножитель типа ФЭУ-79;

* Среднее арифметическое значение и среднеквадратичное отклонение получены из испытания четырех образцов.

камерой и корпусом был установлен электромеханический затвор света 3. Расстояние от наружной поверхности образца до фотоприемника было 50 мм. В качестве фотопри­ емника использовали отобранный экземпляр фотоэлектронного умножителя типа ФЭУ-79. Характеристики ФЭУ: диаметр рабочей поверхности фотокатода 6 мм, область спек­ тральной чувствительности от 300 до 830 нм с максимумом при 400—440 нм, квантовый выход порядка единиц процентов, среднее число шумовых импульсов, при напряжении 1800 В, не превышало 15 единиц в 1 с. Выходные импульсы ФЭУ усиливались усилите­ лем импульсов К (входное сопротивление 50 Ом, коэффициент усиления по напряже­ нию — 100, полоса частот не менее 100 МГц).

Выделение и стандартизацию усиленных фотоэлектронных импульсов осуществляли интегральным дискриминатором Д1 со следующими параметрами: диапазон дискрими­ нации от 10 мВ до 1 В, временное разрешение не ниже 10 нс, амплитуда выходных им­ пульсов на нагрузку 75 Ом — 1,5 В длительностью около 5 нс. Импульсы подсчитыва­ лись электронно-счетным частотомером 41 типа 43-38. Блок управления У подсчитывал циклы счета и по окончании очередного цикла счета запускал частотомер. Интегриро­ вание импульсов происходило через 1 с. Запись результатов измерений велась на двух­ координатном самописце типа ПДС-021 посредством трансформации информации от цифровой формы на аналоговую при помощи двух цифроаналоговых преобразовате­ лей (ЦАП).

Уровень порога дискриминации был равен 100 мВ (при этом потери фотонов при счете не превышали 10%). Однако известно, что при нагружении некоторых видов стек­ лопластика механолюминесценция имеет характер отдельных всплесков. В связи с этим существует вероятность перекрытия импульсов во время интенсивного излучения света. Была проведена проверка возможной погрешности из-за перекрытия импульсов следую­ щим образом: паралллельно описанному выше каналу дискриминации и счета был под­ соединен второй канал (дискриминатор Д2 и частотомер 42 с аналогичными характерис­ тиками). Уровень порога второго дискриминатора был установлен таким, чтобы пропу­ скались только перекрытые во времени импульсы. Одновременные показания частото­ меров 41 и 42 подтвердили, что вероятность появления перекрывающихся импульсов во время всплесков не превышает значения, вычисляемого из функции пуассоновского распределения, описывающей независимые одиночные стохастические события. Из этого следует, что при измерении интенсивности механолюминесценции данного характера ис­ пользованный метод счета фотонов и примененная аппаратура не вносят значительных искажений в результаты измерений исследуемого процесса. Одновременно с регистра­ цией импульсов фотонной эмиссии по методике, описанной выше, фиксировалась диаг­ рамма cs=f(e) (ДЭФ).

При исследовании люминесценции при растяжении образцы подвергали нагруже­ нию вдоль оси 1 (см. рис. 1). Для труб КППН (толщина стенки б| = 1,1 мм) начало появления фотонной эмиссии было определено в интервале 70—82% от разрушающего напряжения (рис. 3), среднее значение интенсивности эмиссии составляло Лнвср = 9±П в 1 с. Суммарное количество условных единиц NKB находится в пределах 100—170. Небольшое значение светосуммы объясняется тем, что использовался ФЭУ с малым

диаметром фотокатода — 6 мм (в работе [5] применяли ФЭУ с размером фотокатода 25 мм и светосумма составляла 600— 1300 уел. ед.).

При синхронном снятии диаграммы tTii=/(en) выявилось, что механолюмннесценцня начинается в выраженно нелинейной части этой кривой. Характерно, что люминесценция начинается значительно раньше относительно разрушающей деформа­

ции (0,42еРаар), чем относительно разрушающего напряжения (0,72сгра:1р). Подобные результаты были получены в работе [5], где механолгампнесценция исследовалась на плоских стеклопластиковых образцах при растяжении.

в среднем в 12 раз больше условных единиц свечения в 1 с, чем стеклопластнковые трубы КППН (см. рис. 3). Общее значение светосуммы N,m= 800—900. Начало свечения наблюдается при напряжении, составляющем 80—90% предельной прочности. Это можно объяснить тем, что при данном виде армирования прочность композита в основ­ ном обусловлена прочностью связующего материала. Подобное явление наблюдалось при растяжении плоского образца [5] с углом армирования ф= 90°.

Из проведенных опытов на растяжение видно, что с ростом неоднородности стекло­ пластика увеличивается светосумма механолюминесценции. На момент появления механолюминесценции значительно влияют структура армирования материала и техно­ логия намотки материала.

При исследовании механолюминесценции в условиях внутреннего давления испыты­ вали трубы КППН (6[ = 0,8 мм) и трубы со спиральной намоткой. Было установлено, что для образцов КППН характер фотонной эмиссии аналогичен установленному при растяжении по оси 1 (см. рис. 3). Однако механолюминесценцня наблюдается раньше, чем при растяжении труб, и фиксируется при напряжениях, составляющих 50—70% от предельной прочности. При исследовании трубчатых образцов со спиральной намоткой (6| = 2,9 мм, <р=±45°) начало свечения наблюдалось при напряжениях, равных 30—50% от предельной прочности, а светосумма механолюминесценцни была в два-три раза больше, чем при испытании труб КППН.

При сжатии вдоль оси 1 (см. рис. 1) испытывали трубы со спиральной намоткой (6, = 2,9 мм, ф = ±70°). Начало появления фотонной эмиссии отмечено при напряжениях, равных 85—95% от а раар, что обусловлено структурой армирования, т. е. здесь так же, как при растяжении, основную нагрузку воспринимает матрица материала. Существен­ ным является то, что при сжатии светосумма механолюминесценцни была на порядок меньше, чем при испытании подобных образцов на растяжение по оси 1 (см. рис. 4).

КППН при растяжении по оси 1. А — 0,71<траэр; Б — 0Н2ера;1р.

1. Бутягин П. 10., Ерофеев В. С., Мусаелян И. Н., Патрикеев Г. А., Стрелец­ кий А. Н., Шуляк А. Д. О люминесценции, сопровождающей механическое деформирова­

с.233—236.

3.Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочности твердого тела. М., 1974. 560 с.

4.Sodomka L. The possibility of strength determination from the mechanoluminescent measurements. — Czech. J. Phys., 1974, vol. 24, N 4, p. 469—470.

5.Крауя У. Э., Лайзан Я. Б., Упитис 3. Т., Тутан М. Я■Механолюминесценцпя при растяжении стеклопластика. — Механика полимеров, 1977, № 2, с. 316—320.

6.Рикарде Р. Б., Чате А. К. Начальная поверхность прочности однонаправленно армированного композита при плоском напряженном состоянии. — Механика полиме­ ров, 1976, № 4, с. 633—639.

чам. В них разработана теория оболочек при произвольных изгибах, про­ ведено качественное исследование напряженно-деформированного со­ стояния оболочек при малых деформациях и произвольных смещениях, дана классификация задач теории оболочек и обоснованы возможные упрощения, построены теория нелинейного краевого эффекта и теория оболочек с начальными несовершенствами формы и начальными напря­ жениями, дано решение многих нелинейных задач прочности и устойчи­ вости оболочек.

В 1957 г. был опубликован фундаментальный труд X. М. Муштари и К- 3. Галимова «Нелинейная теория упругих оболочек». В нем изложены результаты многолетних исследований авторов и их учеников и отра­ жены достижения в области нелинейной теории оболочек отечественных

изарубежных ученых.

Вконце 50-х годов X. М. Муштари даны постановка и решение ряда обратных краевых задач теории оболочек, развита теория плит и оболо­ чек средней толщины. В последующие годы им написан цикл фундамен­ тальных работ по теории трехслойных пластин и оболочек и по механике пластин и оболочек, изготовленных из анизотропных композиционных материалов, развита теория среднего изгиба пологих оболочек. Ряд ра­ бот посвящен вопросам оптимизации и уточнению теории пологих оболо­

чек. Им создана известная научная школа по нелинейной теории оболочек, воспитано большое число кандидатов и докторов наук.

Долгие годы X. М. Муштари совмещал большую научную, педагоги­ ческую и научно-организационную работу с активной общественной дея­ тельностью. Он неоднократно избирался депутатом Казанского город­ ского Совета депутатов трудящихся, участвовал в работе общества «Знание», является членом ученых советов, членом Национального ко­ митета СССР по теоретической и прикладной механике. По поручению Научного совета по проблеме «Научные основы прочности и пластич­ ности» X. М. Муштари ряд лет возглавлял секцию по теории пластин п оболочек.

За заслуги в развитии науки и в подготовке научных и инженерных кадров X. М. Муштари награжден орденами Ленина, «Знак Почета» и медалями, ему присвоены звания заслуженного деятеля науки и техники РСФСР и ТАССР.

Редколлегия журнала «Механика композитных материалов» по­ здравляет Хамида Музафаровича, желает ему здоровья, счастья и но­ вых творческих успехов.

НОВЫЕ КНИГИ

РЕЦЕНЗИИ. АННОТАЦИИ

И . В. Кнетс