Расчет на прочность углепластиков - зачем это нужно?

Расчет на прочность углепластиков — зачем вообще это заказывать?

Мы недалеко убежим от истины, утверждая, что люди отказываются от изделий из углепластика только по причине нехватки средств или в случае полной нецелесообразности этой затеи. К примеру, чтобы наливать суп, казалось бы, не имеет принципиального значения, из чего сделан половник. Хотя эстетов даже в этом плане появляется всё больше — иначе не было бы на рынке огромного количества роскошных наборов карбоновой посуды.

Но характеристики прочности для карбоновой тарелки и монокока гоночного болида имеют разное значение для пользователя. Именно поэтому, чтобы получить от изделия из карбона всё, ради чего пришлось раскошелиться, нужен строго научный подход. А это — анализ и расчет прочности.

Зачем нужны расчеты, если и без того материал прочный?

Большому кораблю — большая торпеда ©

Поломать можно всё. Вопрос в прилагаемом усилии. О чем бы ни шла речь (автомобили, водный транспорт, летательные аппараты, объекты строительства или мн. др.), всё испытывает те или иные нагрузки при эксплуатации, поэтому только правильный расчет прочности может дать ожидаемый результат.

Общая классификация нагрузок

По характеру приложения они делятся на:

сосредоточенные — передаваемые через очень маленькую площадь. Классический пример: давление ж/д вагона на рельсы, происходящее в точках контакта, совокупная площадь которых слишком мала;

распределительные — наоборот, воздействуют через большую площадь. Например, тяжелый станок, вес которого через станину воздействует на фундамент, на котором он установлен.

По продолжительности действия:

постоянные — нагрузки, действующие на протяжении всего периода эксплуатации. Например, собственный вес сооружения и давление грунта на него;

переменные — нагрузки, которые делят, в свою очередь, на:

1. длительные,

2. временные

3. и особые (например, сейсмическое воздействие, взрыв и т. п).

По характеру действия:

• статические — или безынерционные;

• динамические — наоборот, вызывающие инерционные силы воздействия.

Что касается практических расчетов, принимаются во внимание не только основные действующие нагрузки, а часто и их сочетания. Изучением всех видов нагрузок занимается наука о прочности и надежности конструкций с самым страшным для технаря-студента названием — сопромат (сопротивление материалов). Но именно эта наука обобщила в свое время инженерный опыт во многих отраслях промышленности и строительства, а также помогла и помогает избегать фатальных поломок, катастроф и прочих неприятностей.

Особенности расчетов нагрузок для углепластиков

Физико-механические характеристики карбона находятся в прямой зависимости от ряда его параметров: структура, тип, марка и другие. Вообще, при проведении инженерных расчетов прочности для деталей или конструкций из любых материалов учитываются самые невыгодные комбинации параметров, нагрузок или условий эксплуатации. А в случае с углепластиками расчеты становятся решающими еще для выбора препрега или технологии. Ведь дефекты и повреждения снижают прочность и являются предшественниками последующего разрушения изделия.

Наиболее частые дефекты углепластиков такие:

1. Нарушение сплошности. Дефект проявляется по-разному: расслоение, инородные включения, воздушные и газовые раковины, непроклеенные области и т. д.

2. Дефекты микроструктуры: появление зон повышенной пористости, малая степень отверждения связующего, несоблюдение оптимального соотношения матрицы и армирующего вещества, неправильная ориентация волокон, возникновение складок и подмятин, царапины и прочее.

Также у углепластиков есть интересное отличие — даже минимальные отклонения от номинальных параметров могут резко снижать прочностные характеристики изделия. Например, пористость. Всего 1 % отклонения от нормы снижает на 5 % прочность изделия при статических нагрузках и на 50 % усталостную долговечность.

Поэтому перед тем, как запустить в производство изделие из углепластика, пользуются самым лучшим методом предварительных расчетов — это метод расчетного моделирования. Ведь сегодня уже накоплен большой объем знаний о физико-механических свойствах карбона и его поведении при разных нагрузках и деформации — например, при сжатии, растяжении, смятии или сдвиге. А характеристики композитов определяются заданными свойствами составляющих его материалов. Поэтому сегодня можно весьма точно определить ресурс любого изделия и срок его эксплуатации.

Так, зная, что углепластик чувствителен к локальной концентрации напряжений, можно, меняя структуру армирования и направление воздействия нагрузки относительно ориентации волокон, полностью добиться требуемой прочности.

Как со всем этим справляться, и решают инженеры нашей компании Carbon Composites при проведении предварительных расчетов. Берутся во внимание прочностные расчеты, акустические, тепловые, гидродинамические — ибо чем больше исходных требований, тем точнее расчеты.

Компьютер или мозг?

Несмотря на стремительное увеличение вычислительных мощностей и появление компьютерных алгоритмов, мозг инженера всё еще очень ценен и незаменим. Компьютер помогает смоделировать поведение той или иной детали с учетом заданных условий эксплуатации и испытываемых нагрузок. Человек же способен действовать нестандартно, систематизировать полученные результаты и принимать окончательные решения, которые часто переходят в ранг научных и технологических открытий.

Но даже если приходится сталкиваться с тривиальными задачами, предварительный расчет всех параметров изделия перед производством принесет свой профит.

• Расчет прочности снижает затраты на разработку, чем увеличивает маржинальность продукта.

• Полученный результат дает возможность упростить конструкцию и повысить ее надежность. Это приводит к тому, что вы уменьшаете/оптимизируете расходы и получаете продукт с ожидаемыми характеристиками.

• Вы получаете готовые расчеты для запуска производственного процесса без необходимости создания полноразмерного прототипа и проведения дополнительных испытаний.

Современные методы позволяют рассчитать прочность будущего изделия, независимо от его габаритов, толщины материала и сложности геометрии. Главное — правильный инженерный подход!