Дослідження механічних характеристик плетеного вуглепластику

Abstract

Застосування композитних матеріалів в різних галузях сучасної промисловості стрімко збільшується завдяки їхніми високими міцностними властивостями, малою масою та хорошою технологічностю. Велика розмаїтість застосовуваних матеріалів, видів армування і внутрішніх структур викликає потребу в дослідженнях статичних і динамічних властивостей композиційних матеріалів. Завдяки останнім досягненням в області технологій композитні матеріали широко використовуються в різних промислових цілях. В результаті виникає значний інтерес до вивчення та розуміння поведінки композитних структур. Аналіз композитних конструкцій, вивчення резонансних частот, факторів демпфірування та модальних форм зіграв важливу роль у визначенні динамічних характеристик конструкції, виявленні пошкоджень та моніторингу стану структури композиту. В ході даної роботи представлено результати розрахунково-експериментальних досліджень модуля пружності, власних частот та форм коливань, демпфуючі властивості композитного матеріалу. Випробування проводилися над зразками плетеного десятишарового вуглепластика. Досліджуваний вуглепластик, армований вуглецевим волокном, має полотняне плетіння. Зразки були вирізані в трьох напрямках: основи (під кутом 0 °), утка (під кутом 90 °) та під кутом 45 °. Для кожного напряму було заготовлено по дев'ять зразків. Для дослідження модуля пружності було використано установку для випробувань на розтяг, а для визначення власних частот та форм коливань-вібростенд. Демпфуючі властивості розраховані методом Оберста, на основі амплітудно-частотних характеристик зразків. Проведена статистична обробка результатів експерименту та отримано значення математичного очікування, дисперсії та середнього квадратичного відхилення. Побудовано геометричні та скінченно-елементні моделі зразків вуглепластика, визначені їх власні частоти та форми коливань. Проведено порівняння розрахунково-експериментальний даних з численними розрахунками, використовуючи метод скінченних елементів.The use of composite materials in various branches of modern industry is rapidly increasing due to their high strength properties, low weight and good manufacturability. A wide variety of materials used, types of reinforcement and internal structures creates a need for studies of the static and dynamic properties of composite materials. Due to the latest advances in technology, composite materials are widely used in a variety of industrial applications. As a result, there is considerable interest in studying and understanding the behavior of composite structures. Analysis of composite structures, study of resonance frequencies, damping factors and modal shapes played an important role in determining the dynamic characteristics of the structure, detecting damage and monitoring the state of the composite structure. In this paper, the results of computational and experimental researches of the Young’s modulus, natural frequencies and modes of vibration, damping properties of the composite material are presented. The researches were carried out on samples of the woven ten-layer carbon fiber reinforced plastic. The investigated carbon fiber reinforced plastic has a plain weave. Samples were cut in three directions: warp (0 °), weft (90 °) and 45 °. Nine samples were prepared for each direction. To study the Young’s modulus, a tensile testing machine was used, and a vibration stand was used to determine the natural frequencies and modes of vibration. Damping properties are calculated by the Oberst method, based on the amplitude-frequency characteristics of the samples. Statistical processing of the experimental results was carried out and the values of the mathematical expectation, variance and standard deviation were obtained. Geometric and finite element models of сarbon fiber reinforced plastic samples were built, their natural frequencies and vibration modes were determined. Comparison of the computational and experimental data with numerous calculations using the finite element method is carried out.