Полный текст
1. Предварительные сведения
Среди множества различных технологий проектирования, расчета и создания слоистых композитов [1; 2] активно развивается методика, основанная на технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Возможность создавать высокопрочные, устойчивые ко внешним воздействиям слоистые материалы разичных пропорций, упругих, прочностных, геометрических, структурных характеристик [37] нуждается в предварительном определении наиболее оптимальных их соотношений для решения возможных задач промышленности, а также для корректной трактовки результатов экспериментальных исследований создаваемых материлов.
2. Постановка задачи
Рассмотрим балку прямоугольного поперечного сечения из двух слоев различной толщины из упругих однородных материалов в условиях трехточечного нагружения. Нижний слой, противоположный стороне приложения нагрузки обозначим индексом , а верхний слой индексом . Толщина слоев и их пропорции могут быть различными, но сумма толщин равна фиксированной величине толщины балки .
Направим ось горизонтально вдоль оси балки, а ортогонально оси вверх по толщине. Ось направлена ортогонально плоскости по ширине балки (рис. 1), расстояние между опорами при трехточечном нагружении, толщина нижнего слоя, толщина верхнего слоя. Технология изготовления слоистых композитов методом СВС приводит к тому, что зона разделения слоев представляет собой диффузионную прослойку толщины .
Рис.1. Схема двухслойной балки с диффузионной прослойкой
Fig. 1. Scheme of a two-layer beam with a diffusion layer
Для выбраной системы координат рассмотрим нормальные компоненты упругих напряжений по сечению в точке , ортогональному нейтральной оси, координата которой . модуль Юнга, кривизна нейтральной оси. Изменением напряжений по координате пренебрегаем. Также полагаем, что отношение расстояния между опорами к толщине балки достаточно велико, чтобы не учитывать влияние касательных компонент напряжений.
Введем три параметра двухслойности отношение модуля Юнга нижнего слоя к верхнему , отношение толщины нижнего слоя ко всей толщине балки и отношение пределов прочности на растяжение нижнего слоя к верхнему .
Требуется определить область параметров двухслойности , в которой хрупкое разрушение будет начинаться в верхнем слое раньше, чем в нижнем.
3. Решение задачи
В силу особой жесткости получаемых СВС материалов уместно будет решать задачу в рамках гипотезы плоских сечений. Также положим, что в диффузионной прослойке упругие свойства изменяются линейно от материала 1 до материала 2, тогда
(1)
Введем безразмерные координаты и параметры:
(2)
Запишем систему уравнений равновесия продольных сил и моментов (здесь и далее для продольной координаты )
Из уравнения равновесия сил получаем координату нейтральной оси
(3)
Рассмотрим, как расположена нейтральная ось относительно разделительной зоны. Это повлияет на вид уравнений равновесия. Случай, когда нейтральная ось совпадает с диффузионной прослойкой, имеет вид
Мы получили условие на толщину слоев относительно модулей упругости, когда нейтральная ось находится на границе раздела
(4)
Из уравнения равновесия моментов выражаем кривизну:
(5)
Подставляя (5) в (1), получаем
В силу линейного распределения, максимум будет достигнут либо на нижнем крае верхнего слоя 2
(6)
либо на нижнем крае нижнего слоя 1
(7)
При существенной малости толщины диффузионного слоя ( ) мы в дальнейших выкладках пренебрежем им и будем использовать следующие равенства:
В этом случае максимальное напряжение в центральном сечении балки на противоположном точке приложения силы крае балки будет в верхнем слое:
Максимальное напряжение в нижнем слое:
Факт того, что напряжения в верхнем слое 2 достигают максимума раньше в нижнем слое 1, не означает того, что там начнется разрушение. Необходимо ввести сравнение прочностей этих слоев. Получаем условие начала разрушения в верхнем слое 2 ранее нижнего слоя 1
(8)
Область параметров двухслойности от , для которых максимальное напряжение достигает предела прочности на нижнем крае ранее верхнего слоя, а не нижнего, задается совокупностью неравенств, следующих из (8):
(9)
Учитывая положительность параметров, мы получаем зависимость параметров двухслойности , при которых максимальное напряжение достигает предела прочности на нижнем крае ранее верхнего слоя, а не нижнего:
4. Пример определения области параметров, соответствующих началу разрушения балки с края верхнего слоя
Рассмотрим случай , то есть оба слоя с одинаковыми модулями Юнга. Мы определим зависимость параметров двухслойности , при которых максимальное напряжение достигается на нижнем крае ранее верхнего слоя, а не нижнего:
В результате для получена область (на рис. 2. закрашена серым), в которой разрушение начнется в верхнем слое ранее, чем в нижнем:
Рис. 2. Зоны разрушения при
Fig. 2. Fracture zones
Выводы
Мы получили возможность заранее прогнозировать, какой слой, исходя из конкретных параметров двухслойности, запустит механизм хрупкого разрушения. Соответственно зависимость внешней нагрузки от прочности вида материала слоев стоит рассматривать в соотношениях (6) и (7).