Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,686

МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДЛЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ ДРЕВЕСНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Стородубцева Т.Н. 1
1 ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Изучен процесс ползучести древесного композиционного материала, в частности, при изгибе, наличие которой всегда сдерживала возможность применения композиционных материалов в несущих конструкциях. Рассмотрен этот процесс на примере образцов из древесного композиционного материала, погруженных в воду. Исследование процесса ползучести образцов при изгибе из композиционного материала, помещенных в воду. Экспериментальные и теоретические исследования разработки методики получения значений коэффициентов длительности и длительных деформационных коэффициентов на любой срок эксплуатации композиционного материала. Подтверждение гипотезы о практическом равенстве значения предела длительного сопротивления условному пределу пропорциональности.
древесина
деформации
прочность
композиционный материал
коэффициенты длительности
1. Бухонов Ю.Н. Сопротивляемость и деформативность композиционного материала на основе древесины при изгибе: автореф. дис… канд. техн. наук. – Воронеж, 1998. – 20 с.
2. Потапов Ю.Б. Ползучесть щебенчатого пластобетона на смоле ФАМ при растяжении и изгибе. // Теория сооружений и конструкций: Сб. тр. / ВИСИ. – Воронеж, 1967. – Вып. 2 – № 13. – С. 9–14.
3. Стородубцева Т.Н. Обеспечение трещиностойкости композиционного материала на основе древесины для железнодорожных шпал при отверждении и всестороннем увлажнении: автореф. дис… канд. техн. наук. – Воронеж, 1999. – 20 с.
4. Стородубцева Т.Н. Композиционный материал на основе древесины для железнодорожных шпал: Трещиностойкость под действием физических факторов [Текст]: Науч. изд. – моногр. / Т.Н. Стородубцева.– Воронеж: Изд-во Воронежского гос. ун-та, 2002.– 216 с.
5. Харчевников В.И. Стекловолокнистый полимербетон. – Воронеж: Изд. ВГУ, 1976. – 116 с.
6. Харчевников В.И. Длительная прочность стекловолокнистого полимербетона на смоле ФАМ при изгибе и одновременном действии воды / В.И. Харчевников, Т.И. Елисеева // Изв. вузов. Стр-во и архитектура (Новосибирск). – 1977. – № 6. – С. 73–76.
7. Эффективные композиционные строительные материалы и конструкции / Соломатов В.И., Потапов Ю.Б., Чощиев К.Ч., Бабаев М.Г.; Под ред. И.Е. Путляева. – Ашхабад: ЫЛЫМ, 1991.– 266 с.

Длительная прочность древесного стекловолокнистого композиционного материала базового состава, т.е. с заполнителем в виде щепы с длиной элементов 150…200 мм, изучалась на образцах-балках размерами 80´80´700 мм, подвергавшихся изгибающему действию двух сосредоточенных сил, симметрично приложенных в средней трети пролета и погруженных в воду.

Выбор этого варианта древесного композита обусловлен тем, что полученные данные можно было сравнить с результатами исследований на ползучесть аналогичных образцов, но при постоянных температуре и влажности [1].

Испытания проводили на созданном в ВГЛТА рычажном устройстве, которое позволяло создать зону чистого изгиба в средней части образца, где и проводились замеры прогибов индикатором часового типа с ценой деления 0,001 мм. Рычаги устройства позволяли увеличивать прикладываемую нагрузку в 40 раз. Методика установки индикатора и струбцины с площадкой, в которую упирался его шток, размеры пролета П-образной скобы и размеры, определяющие точки приложения нагрузки, были те же, что и при кратковременных испытаниях при проведении эксперимента по определению коэффициента стойкости древесного композита в воде [3], но без длительного приложения постоянной нагрузки.

За счет различных величин грузов устройство позволяло создавать в зоне чистого изгиба образца условные постоянные напряжения, составляющие определенные доли от среднего предела прочности при изгибе, равного 22,0 МПа, а именно нормальные напряжения составили (МПа): 16, 15, 14, 12, 11, 10, 9 и 8. Число образцов в серии для каждой ступени нагружения равнялось трем.

Немедленно после приложения нагрузки в середине зоны чистого изгиба образцов на базе 100 мм (пролет П-образной скобы) измеряли мгновенный, упругий прогиб и подсчитывали мгновенный модуль упругости – st01.wmf(табл. 1).

Далее для построения кривых ползучести (рис. 1) через определенные промежутки времени снимали отсчеты с индикаторов и по величине прогиба подсчитывали секущие модули упругости (деформации) Есек.чи.в(t). В случае разрушения образца фиксировали величину его предела прочности на время t – sсек.чи.в (t). равного sчи.

Таблица 1

Подсчет величин мгновенных модулей упругости древесного композита по величинам прогибов, замерявшихся при установке образцов-балок на исследование процесса ползучести при изгибе

Постоянное напряжение – st02.wmf, кгс/см2 (МПа)

Мгновенный упругий прогиб – st03.wmf, см

Значение мгновенного

модуля упругости st04.wmf, кг/см2 (МПа)

σ01 = 160 (16)

0,00510

st05.wmf = 0,98∙105(0.98∙104)

σ02 = 150 (15)

0,00480

st06.wmf = 0,98∙105(0,98∙104)

σ03 = 140 (14)

0,00450

st07.wmf = 0,97∙105(0,97∙104)

σ04 = 120 (12)

0,00385

st08.wmf = 0,98∙105(0,98∙104)

σ05 = 110 (11)

0,00350

st09.wmf = 0,98∙105(0,98∙104)

σ06 = 100 (10)

0,00320

st10.wmf = 0,98∙105(0,98∙104)

σ07 = 90 (9)

0,00290

st11.wmf = 0,97∙105(0,97∙104)

σ08 =80(8) (теор.)

0,00265

st12.wmf = 0,98∙105(0,98∙104)

st13.wmf

st14.wmf = 0,00550

st15.wmf = 0,98∙104 МПа

stor1.tif

Рис. 1. Кривые ползучести образцов-балок из древесного композиционного материала, помещенных в воду

Конечной целью опытов было определение времени от момента загружения образца до его разрушения или до полного прекращения ползучести; построение кривых зависимости прочности и упругости древесного композита от времени (рис. 2, 3); фиксирование появления на них точек перегиба; получение величины предела длительного сопротивления sчи.в и величины длительного модуля деформации Есек.чи.в (табл. 2), являющихся фиксированными значениями этих величин на 260 сут. экспозиции в воде, а также теоретических значений тех же величин на конец данного срока эксплуатации шпал – 40·365 сут.; получение соответствующих минимальных коэффициентов длительности – Кчи.в и длительного деформационного коэффициента – nчи.в [3, 4].

Ранее Кчи.в и по кривым ползучести определяется лишь приближенно.

Действительно, если имеем кривые затухающей и нарастающей ползучести, то величина длительной прочности будет заключена между величинами постоянных напряжений двух образцов, один из которых разрушается, а другой дает кривую затухающей ползучести [2, 5, 7].

Более точно этот коэффициент может быть получен при построении графика зависимости постоянно действующих напряжений по времени появления на кривых ползучести точек перегиба (по методу, разработанному под руководством В.И. Харчевникова) [6].

stor2.tif

Рис. 2. График зависимости постоянно действующих напряжений при испытаниях образцов-балок из древесного композита, погруженных в воду, на ползучесть при чистом изгибе от времени появления на кривых точек перегиба (к методике определения предела длительного сопротивления)

Таблица 2

Подсчет величин секущих модулей деформаций древесного композита по данным испытаний образцов-балок на момент появления точки перегиба на кривых ползучести при изгибе (расчетная формула:

st16.wmf)

Постоянное напряжение – st02.wmf, кгс/см2 (МПа)

Время достижения полного упругого прогиба – st14.wmf,

сут

Значение мгновенного модуля упругости st04.wmf, кгс/см2

(МПа)

1

2

3

σ01 = 160 (16)

10

st05.wmf = 0,91·105(0,91·104)

σ02 = 150 (15)

15

st06.wmf = 0,85·105(0,85·104)

σ03 = 140 (14)

20

st07.wmf = 0,80·105(0,80·104)

σ04 = 120 (12)

40

st08.wmf = 0,68·105(0,68·104)

σ05 = 110 (11)

60

st09.wmf = 0,63·105(0,63·104)

σ06 = 100 (10)

90

st10.wmf = 0,57·105(0,57·104)

σ07 = 90 (9)

130

st11.wmf = 0,51·105(0,51·104)

σ08 = 80 (8)

260

st12.wmf = 0,46·105(0,46·104)

Данный подход использован и для определения величин длительных секущих модулей деформаций (табл. 2, рис. 3), когда, зная фиксированный полный упругий прогиб – fп = 0,0067 см (рис. 1) и величины постоянных напряжений в образцах-балках, можно подсчитать названные модули [3] с помощью коэффициента 3,125, который зависит от размеров поперечного сечения образца, расчетной схемы его нагружения и имеющий ту же размерность, что и прогиб.

С уменьшением величины постоянного напряжения увеличивается время до момента достижения изгибаемым образцом этого прогиба (рис. 1, 2 и 3), а зависимость носит криволинейный характер.

Уточним, что величина fп есть ордината прямой, параллельной оси абсцисс и являющейся геометрическим местом точек перегиба кривых ползучести (рис. 1) образцов из древесного композита при изгибе.

С применением ЭВМ нами были подобраны аппроксимирующие функции, с большой точностью представляющие экспериментальные данные и позволяющие получить значения напряжений, соответствующих пределу длительного сопротивления древесного композита (рис. 2) – st28.wmf, а также коэффициента длительности – st29.wmf:

st30.wmf, (1)

st31.wmf, (2)

где Р1 ≅ 17,16 МПа ≅ st32.wmf, Р1–Р2 = 17,16 – 8,01 = 9,15 МПа ≅ st33.wmf,

Р4 = 8,88 МПа ≅ st34.wmf, Р4 + Р5 = 8,88 + 8,95 ≅ 17,83 МПа = st35.wmf, т.е. эти коэффициенты имеют физический смысл. Р3 = 0,18 и Р6= – 0,25 – релаксационные коэффициенты.

Сумма квадратов отклонений для функции (1) равна 3,725∙10-3 , а для функции (2) – 1,905∙10-3, т.е. с точки зрения точности аппроксимации функция (2) предпочтительнее.

Для подсчета коэффициента длительности использовали среднее значение предела длительного сопротивления

st36.wmf (9,15 + 8,88) / 2 = 9 МПа (рис. 2):

st37.wmf (t = 15∙103 сут.) = st38.wmf/st39.wmf= 9,0/22,0 = 0,41; (3)

st40.wmf (t = 260 сут.) = st41.wmf/st42.wmf= 9,78/22,0 = 0,45.

Аналогичные действия были выполнены и в отношении длительного модуля деформации, а именно: подобраны аппроксимирующие функции, позволяющие вычислить его значение на 260 сутки (время завершения экспозиции в воде) и ожидаемые (теоретические) значения на 40∙365 сутки, т.е. через 40 лет (рис. 3):

st43.wmfst44.wmf; (4)

stor3.tifРис. 3. График зависимости секущих модулей деформации, соответствующих точкам перегиба на кривых ползучести, от времени при испытаниях образцов-балок из древесного композита, погруженных в воду, на чистый изгиб

st45.wmfst46.wmf, (5)

где st47.wmf = 0,503∙104 МПа = st48.wmf, st49.wmf = 0,207∙104 МПа = st50.wmf, т.е. и эти коэффициенты имеют физический смысл.

Сумма квадратов отклонений для функции (4) равна 7,213·10-4, для функции (2) – 1,437∙10-4, т.е. с точки зрения точности аппроксимации функция (5) предпочтительнее, хотя трудно предположить, что шпала, например, будет 40 лет находиться в воде, так что полученные значения модулей очевидно занижены.

Как и для коэффициентов длительности подсчитывали среднее минимальное значение длительного секущего модуля деформаций древесного композита – st51.wmf = (0,503  + 0,207)∙104/2 = 0,36∙104 МПа.

Длительный деформационный коэффициент – st52.wmf равен:

st53.wmf(t = 40·365 сут.)= st54.wmf/st55.wmf = 0,36∙104/0,98∙104 = 0,37; (6)

st56.wmf(t = 260 сут.) = st57.wmf/st58.wmf = 0,45∙104/0,98∙104 = 0,46.

Приведенные теоретические расчеты значений коэффициентов длительности и длительных деформационных коэффициентов через 40 лет эксплуатации шпал показывают, что в целом соотношения между ними реальные, т.к. значение первого несколько выше, чем второго, т.к. st59.wmf = 0,41 > st60.wmf = 0,37. Напомним также, что образцы, исследовавшиеся на ползучесть в воде, не подвергались обработке гидрофобизирующими составами, что, безусловно, создает дополнительные резервы по прочности и жесткости, например железнодорожных шпал различного назначения.


Библиографическая ссылка

Стородубцева Т.Н. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДЛЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ ДРЕВЕСНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 11-2. – С. 177-181;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=6097 (дата обращения: 21.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252