УДК 678.057: 620.17: 539.37

   Приведенные в литературе немногочисленные опытные данные свидетельствуют об ухудшении прочностных [1-5] и деформационных (при циклическом нагружении) [6] свойств армированных композиционных материалов вследствие технологического отклонения направления волокон от проектируемого (начальная разориентация армирования). Во избежание этого недостатка предлагается установить жесткие допуски на углы армирования композитов [5]. Однако наблюдения показывают, что даже при изготовлении опытных образцов на основе стеклоткани в лабораторных условиях по технологии [7] величина отклонения угла армирования от заданного может достигать 6-8° [6].
   В настоящей работе приводятся результаты экспериментального исследования влияния начальной разориентации армирования на прочность и деформационные свойства тканевых стеклопластиков при статическом одноосном растяжении и при чистом сдвиге.
   Экспериментальная часть исследований была проведена с использованием как трубчатых (с внутренним диаметром 38 мм, толщиной стенки 2.25 мм и длиной 285 мм), так и плоских (с рабочим сечением 10×4 и 25×6 мм) образцов, размеры которых находятся в согласии с требованиями соответствующих рекомендаций [8] и стандартов [9]. На трубчатых образцах определяли прочность , модуль упругости вдоль продольной оси Z, P₁₂ и модуль сдвига G₁₂, а на плоских образцах-прочности , , модули упругости , (по направлениям, соответственно, вдоль и поперек продольной оси образцов) и коэффициенты Пуассона n₁₂, n₁₃.
   Опытные образцы были изготовлены на основе пропитанной модифицированной эпоксидной смолой стеклоткани (пре-прег) полотняного переплетения марки Т-23 (ТУ-II-231-76) с плотностью (число нитей на 1 см длины) 36:20 (основа:уток), производимой Севанским заводом «Электростеклоизоляция» (Республика Армения). Подробные сведения о технологии изготовления труб приведены в работе [10]. Опытные плоские же образцы были вырезаны из листов, полученных методом прямого горячего прессования тканевого пре-прега с удельным давлением 10 МПа. Величина коэффициента армирования образцов m составляет 0.45 (m₁ = 0.29, m₂ = 0.16).
   Для испытания были изготовлены трубчатые и плоские образцы, у которых углы между направлениями основы ткани и их продольной оси составляли j = 0^o и j = 8^o. Повторность опытов в каждом случае испытаний была принята 6-кратной. При этом максимальное значение коэффициента вариации полученых идентичных характеристик не превышало 0.11 для прочности и 0.14 для деформативных характеристик. До проведения исследований образцы в течение 8 лет хранились в лабораторном помещении при температуре 20±6^oC и при относительной влажности 60±8%.
   Согласно полученным экспериментальным данным, величины прочности и модуля упругости при растяжении у стеклотканевых трубчатых образцов оказались больше, чем у плоских, как при угле армирования j = 0^o, так и при j = 8^o, но эта разница несущественна.
   Отметим, что аналогичное явление было обнаружено и при испытании 13-слойных углепластиковых трубчатых и плоских образцов с углом армирования j = 0^o [11].
   Результаты опытов, проведенных в рамках настоящей работы, также показывают, что отклонение угла армирования на 8^o от нулевого его значения практически не влияет на прочность как трубчатых, так и плоских образцов, что находится в согласии с данными, полученными нами ранее, при испытании стеклопластиковых трубчатых образцов в более малом возрасте [6]. Средние значения прочностных характеристик для тканевого стеклопластика можно принять равными P₁₁ = 142, P₂₂ = 77, P₁₂ = 47 МПа.
   Согласно приведенным в таблице данным, экспериментальные значения модуля Юнга во взаимоортогональных направлениях E₁₁ и E₂₂ и модуля сдвига G₁₂ у тканевого стеклопластика при угле армирования j = 8^o оказались соответственно до 30; 24 и 20% меньшими, чем в случае j = 0^o. Значения же коэффициентов Пуассона n₁₂, а также n₁₃ для этих углов армирования практически не отличались друг от друга и составили приблизительно 0.16 и 0.20 соответственно (см. таблицy).
   В таблице приведены также величины упругих характеристик тканевого стеклопластика, рассчитанные на основе упругих постоянных волокон, связующего и коэффициента армирования материала m, согласно формулам, выведенным в работах [12] и [13]: при этом для армирующего стекловолокна принималось E_a = 7 × 10⁴ МПа, n_a = 0.23, а для связующего - E_св = 2.8 × 10³ МПа, n_св = 0.4. Отметим, что величины характеристик стеклопластика с углом армирования j = 8^o были рассчитаны на основе соответствующих характеристик, определенных для случая j = 0^o, с использованием формул преобразования коэффициентов податливости ортотропного тела при переходе от одной системы координат к другой [14].
   Из приведенных в таблице данных следует, что у опытных образцов с нулевым углом армирования расчетные значения модулей Юнга E₁₁ и E₂₂ и сдвига G₁₂, а также коэффициента Пуассона n₁₃ оказались существенно большими, чем экспериментально определенные (максимальное отклонение указанных значений наблюдается у E₁₁ и составляет 36 %). Для n₁₂ эти значения прктически не отличаются друг от друга.
   В случае образцов с углом армирования j = 8^o расчетные величины получаются существенно больше экспериментальных для всех упругих характеристик (см. таблицy). При этом максимальная величина этого отклонения составляет приблизительно 55% у E₁₁ и n₁₂.

Экспериментальные и расчетные значения упругих характеристик
тканевого стеклопластика

   Наблюдаемую существенную разницу между расчетными и экспериментально определенными значениями одних и тех же упругих характеристик тканевого стеклопластика можно объяснить, в основном, искривлением армирующих стекловолокон при вязке стеклоткани. В связи с этим отметим, что в работах [12] и [13] при выведении соответствующих формул для расчета упругих характеристик композиционных материалов предполагается прямолинейность армирующих ниток в материале.
   На рисунке приведены диаграммы напряжения-деформации, построенные на основе данных, полученных в результате испытания трубчатых образцов соответственно на осевое растяжение (a), простое кручение (б) и плоских образцов на растяжение (в).
   Согласно диаграммам, приведенным на правых полях рис. а и б и на рис. в, кривые деформации образцов с j = 8^o проходят ниже соответствующих кривых деформации образцов с j = 0^o. При этом величина отношения деформаций образцов с j = 8^o и j = 0^o, зафиксированных при одном и том же уровне напряжения, составляет 1.25 -1.3 для рассматриваемых здесь случаев испытаний.
   В результате прямых измерений было выявлено, что в случае растяжения труб с углом армирования j = 8^o возникают существенные сдвиговые деформации (см. левое поле рис. а): при уровне напряжения = 0.6 величина сдвиговых деформаций g₁₂ составляет приблизительно 5.8 × 10^-3, в то время как знaчение продольных деформаций этих же образцов e₁₁ составляет 12.6 × 10^-3.
   Было обнаружено также, что в случае кручения труб с углом армирования j = 8^o наблюдаются и осевые деформации (см. левое поле рис. б): при уровне напряжения = 0.6 значение продольных деформаций e₁₁ составляет приблизительно 0.62 × 10^-3, в то время как величина деформации сдвига этих же труб g₁₂ составляет 20.4 × 10^-3.
   В работе [15] теоретически показано, что оболочка, материал которой является ортотропным и главные направления упругости которой не совпадают с ее геометрическими направлениями, под действием равномерно распределенного давления или растяжения претерпевает деформации кручения относительно оси симметрии. И наоборот, при кручении такой оболочки возникают продольные перемещения.
   Из приведенных на рис. а и б диаграмм следует, что теоретические результаты работы [15] подтверждаются результатами экспериментов, проведенных на стеклотканевых тонкостенных трубчатых образцах с углом армирования j = 8^o.
   Таким образом, при проектировании стеклотканевых тонкостенных трубчатых элементов с нулевым углом армирования следует учесть, что в ходе технологического процесса изготовления возможна разориентация армирования, приводящая к существенному уменьшению модулей Юнга и сдвига, а также к возникновению существенных сдвиговых деформаций труб при растяжении и осевых деформаций при кручении.
   Величины упругих характеристик тканевых стеклопластиков, рассчитанные на основе количественного соотношения и упругих постоянных их компонентов с помощью известных формул, выведенных в предположении

Кривые деформирования стеклопластиковых образцов с углом армирования j^o: трубчатых,
подвергнутых осевому растяжению (а), простому кручению (б) и плоских, подвергнутых одноосному
растяжению (в).

прямолинейности ниток в материале, могут значительно превосходить экспериментально полученные данные. Тем не менее при проектировании тканевых стеклопластиков с заранее заданными свойствами и с нулевым углом армирования эти формулы можно использовать в качестве исходных.

   Институт механики НАН РА