Розрахунково-експериментальні дослідження механічних характеристик композитних матеріалів

Abstract

Дослідження та використання композитних матеріалів для наукових експериментів, інженерної діяльності, а також для промислових цілей значно розширилося, оскільки розвиток технологій виробництва композитних матеріалів дозволив створювати та досліджувати нові типи та види їх фізичних та хімічних властивостей, схем армування та довжини волокон, і т.д.. У даній роботі представлені результати розрахунково-експериментальних досліджень пружних та демпфуючих властивостей композитного матеріалу. Дослідження проводилися над зразками склопластику СТЕФ, розміри зразків яких складають 160 × 16 × 4 мм, вирізаних в трьох напрямках, в напрямку основи, утка та під кутом 45 градусів, по п'ять зразків на кожен напрямок. Для дослідження механічних властивостей отриманих консольних зразків, був використаний вібростенд. Дослідження демпфуючих властивостей виконано методом Оберста на основі експериментальних амплітудно-частотних характеристик консольних зразків. Визначення модулів Юнга зразків склопластику виконано динамічним методом, а для обчислень використовувалася теорія згинальних коливань стрижневих систем. Проведено порівняння отриманих експериментальних даних з результатами чисельних рішень, виконаних методом скінченних елементів. Побудовано геометричні та скінченноелементні моделі, визначено власні частоти та форми коливань зразків. Наведено амплітудно-частотні та фазо-частотні характеристики. Для зниження похибки за результатами експерименту була проведена статистична обробка. Обчислені значення математичного очікування та середньоквадратичне відхилення коефіцієнта механічних втрат. Оцінка похибки вимірювань зроблена з припущень про нормальність розподілу похибки.

Research and use of composite materials for scientific experiments, engineering activities, as well as industrial purposes has expanded significantly, since the development of technologies for the production of composite materials has made it possible to create and research new types of their physical and chemical properties, reinforcement schemes and fiber lengths, etc. This paper presents the results of computational and experimental studies of the elastic and damping properties of a composite material. The studies were carried out on samples of laminated fiberglass, the dimensions of which are 160 × 16 × 4 mm, cut in three directions, in the direction of the warp, weft and at an angle of 45 degrees, five samples were cut in each direction. To study the mechanical properties of the obtained cantilever samples, the electrodynamic shaker was used. The study of damping properties was carried out by the Oberst method based on the experiment of the frequency response characteristics of cantilever samples. The determination of Young's moduli of laminated fiberglass samples was carried out by the dynamic method, and also the theory of vibrations of continuous systems was used. The experimental data obtained are compared with the results of numerical solutions performed by the finite element method (FEM). Geometric and finite element models were constructed and the natural frequencies and vibration modes of the samples were determined. Frequency and phase response characteristics are given. To reduce the error according to the results of the experiment, statistical processing was carried out. The values of the mathematical expectation and the standard deviation of the mechanical loss coefficient are calculated. The estimation of the measurement error was made on the assumption of the normal distribution of the error.