Крайові ефекти в балках із композитів

Abstract

Балки з композитів широко використовуються у конструкція літальних апаратів, різномані- тних машинах та механізмах. Досвід експлуатації, ремонту таких об’єктів свідчить про те, що при проектуванні балок та лонжеронів обов’язково слід брати до уваги такі ефекти як вплив термічних напружень та додаткового вкладу коефіцієнтів Пуасона у напружений стан елементів балок як у напрямку довжини, так і вздовж ширини елементів балок. Чисельні дослідження, що присвячені оцінці напружено-деформованого стану несучих конструкцій з композитів демонструють висновки, що ефекти термічного розширення (звуження) різнорідних з’єднаних елементів та вплив коефіцієнтів Пуасона дають значні прибавки напружень. Величина цих прибавок може складати до десятків відсотків від базового навантаження (тобто без врахування цих ефектів). В роботі запропоновано інженерну математичну модель, яка дозволяє оцінити величину нормальних та дотичних напружень від термічного навантаження та напружень Пуасона. Проведено аналіз розподілу цих напружень вздовж довжини та ширини елементів балки. При використанні конструктивно-технологічного рішення балок з заплечиками запропонована методика дозволяє обгрунтовано обрати клей або сполучне для надійного зєднання полиці з заплечиком, а також коректніше обґрунтувати геометричні розміри елементів балок. Також цю методику можливо використовувати для розробки нових конструктивно-технологічних рішень балок та інших несучих елементів (нервюр, стінок, перетинок, накладок, нахлесткових з’єднань деталей з композитів). Ще одним прикладним напрямком використання розробленої методики можна вважати розробки та оптимізацію існуючих технологічних процесів вироблення деталей та агрегатів з композитів, у яких використовується, так звана, гаряча полімеризація сполучного (при підвищених температурах). Методика дозволяє оцінити рівень термічних напружень, що виникають при виготовленні агрегату. Загалом, запропонована методика дозволяє зрозуміти принципи виникнення додаткових напружень, оцінити їх абсолютні значення та збільшити точність оцінки напружено- деформованого стану елементів балок.

Beams made of composites are widely used in aircraft structures, various machines and mechanisms. The experience of operation and repair of such objects shows that when designing beams and spars, one must take into account such effects as the influence of thermal stresses and the additional contribution of Poisson's coefficients to the stressed state of beam elements both in the length direction and along the width beam elements. Scientific studies devoted to the assessment of the stress-strain state of load-bearing structures made of composites demonstrate the conclusions that the effects of thermal expansion (contraction) of heterogeneous connected elements and the influence of Poisson's ratios give significant increases in stress. The value of these increases can be up to dozens of percents of the base load (that is, without taking these effects into account). The paper proposes an engineering mathematical model that allows estimating the value of normal and shear stresses from thermal loading and Poisson stresses. An analysis of the distribution of these stresses along the length and width of the beam elements was carried out. When using the structural-technological solution of beams with sub-shoulders, the proposed method allows you to reasonably choose adhesive or binder for reliable connection of the cap with sub-shoulder, as well as more correctly justify the geometric dimensions of the beam elements. Also, this technique can be used to develop new structural and technological solutions for beams and other load-bearing elements (ribs, walls, webs, doublers, overlapping joints of composite parts). Another applied direction of using the developed methodology can be considered the development and optimization of existing technological processes for the production of parts and units of composites, in which the so-called hot polymerization of the binder (at elevated temperatures) is used. The method makes it possible to estimate the level of thermal stresses that occur during the manufacture of the unit. In general, the proposed technique makes it possible to understand the principles of additional stresses occurrence, to estimate their absolute values, and to increase the accuracy of estimating the stress-strain state of beam elements.