Повышение стойкости к ударным воздействиям композитных узлов сельхозмашин применением упруговязкопластичных жидкостей

Полный текст

Введение

Для уменьшения массы и увеличения коррозионной стойкости деталей и узлов машин, используемых в сельскохозяйственном производстве, в частности в кормопроизводстве, все чаще применяются полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе различного вида нитей, тканей, рогож с пропиткой синтетическими смолами.

Одним из основных недостатков подобного типа конструкций является небольшая стойкость к ударным воздействиям, сосредоточенным на малой площади. Наиболее широко распространенным вариантом компенсации таких нагрузок в настоящее время является применение комбинированных технологических решений, где наряду с основной композитной частью узла используются детали, в которых при помощи клеевых, неразборных или разборных дискретных соединений крепятся усиливающие металлические элементы в зонах предполагаемых ударов.

Этот способ приводит не только к увеличению массы композитного узла, но и усложняет технологию изготовления, эксплуатацию машины, а также снижает эффективность ПКМ как коррозионностойкого материала.

В качестве примера рассмотрим боковой борт кузова прицепа, применяемого в кормопроизводстве для перевозки полужидких и сыпучих грузов, конструкцию которого было предложено модернизировать [1].

Композитная сэндвич-оболочка борта (рис. 1), изготовленная из нескольких слоев стеклоткани с наполнителем в виде стеклокомпозитных сот, была предназначена к использованию, согласно техническим условиям по эксплуатации (ТУ), только для сыпучих и полужидких грузов. Во время полевых испытаний ТУ были нарушены (погрузка твердых предметов с придачей им ускорения), возникли удары о борт, которые привели к местной потере устойчивости борта и расплющиванию стекловолокна в зоне контакта с твердой частью груза.

 

 

 

 

Рис. 1. Борт прицепной тележки для тяжелых тракторов: 1, 2 – оболочки борта, выполненные из
стеклоткани с пропиткой из синтетической смолы; 3 – композитный силовой профиль;
4, 5 – стальные концевые обоймы с пальцами для фиксации с торцевыми бортами;
6, 7 – петли крепления борта к платформе; 8 – сотовый заполнитель

 

Fig. 1. Trailer bogie board for heavy tractors: 1, 2 – side casing made of fiberglass with impregnation
of synthetic resin; 3 – composite power profile; 4, 5 – steel end clips with fingers for fixation
with end sides; 6, 7 – hinges for fastening the side to the platform; 8 – cell core

 

 

Предложение усиливать борт металлическими листами является деградирующим и приводит к ухудшению многих параметров. Было необходимо применить более прогрессивное конструктивное решение.

Поэтому целью данного исследования является разработка метода усиления сэндвичевой композитной конструкции, состоящей из листов ПКМ, соединенных сотовым заполнителем, без металлического листового подкрепления для компенсации ударных нагрузок.

Обзор литературы

С целью улучшения способности эффективно сопротивляться ударным воздействиям в композитных конструкциях узлов и деталей сельскохозяйственной техники в настоящее время применяют несколько методов.

Так, для повышения ударопрочности элементов узлов и деталей машин, выполненных из полимерных композиционных материалов, наряду с двумерным (листовым) наполнителем, применяют наполнители на основе трехмерного расположения нитей, что ведет к частичному увеличению массы изделия, но полностью не обеспечивает местной прочности материала при сосредоточенной на малой площади большой ударной нагрузке [2].

Предлагается, в частности для сельскохозяйственного машиностроения, применять алюминиевые композиты с металлической матрицей (АММС) с высокой ударной жесткостью и прочностью, но не учитывается стоимость данного материала при больших объемах производства [3].

Подбираются оптимальные сочетания типов матриц и наполнителей для изготовления капота трактора на основе экспериментальных работ, в частности и на ударные воздействия. Исследования, проведенные для узла машины, который не испытывает экстремальных силовых внешних воздействий, корректны, но не решают вопрос о проектировании на основе композиционных материалов высоконагруженных элементов сельскохозяйственной техники, испытывающих сильные удары (типа бортов прицепов тяжелых тракторов) [4; 5].

Результаты ряда работ основаны на предположении о повышении ударопрочности при применении корунда в качестве наполнителя для ПКМ, выполненного из стеклопластика [6; 7]. Были представлены материалы о проведении статических испытаний подобного композита и стало известно, что предел его прочности падает приблизительно на 30 % при добавлении порошка корунда. Было предположено, что микрочастица корунда при достижении материалом матрицы определенной деформации играет роль концентратора напряжений и становится местом начала роста трещины [7]. Поэтому повышение ударопрочности методом, предложенным П. Валашеком и коллегами, представляется сомнительным [6].

В монографии У. Вайдьи подробно рассматриваются способы конструирования композитных узлов транспортных машин, где в основном упор делается на совершенствование армирования наполнителя по трем измерениям. Потеря устойчивости волокна при ударе, расплющивание, появление квазитрещин и изменение формы не ставятся во главу угла [8].

Испытаниям на стойкость к расслоению полимерно-матричных композитов посвящена работа Т. Фиглуса и соавторов, где основное внимание уделено разработке методов испытаний, но не представлены технологические и конструкционные решения предотвращения разрушающих деформаций при сосредоточенных ударах по поверхности ПКМ [9].

В совершенно другой области, в военном деле, рассматривается стойкость композитных бронежилетов с прослойкой из неньютоновской жидкости при ударе пули, выпущенной из пистолета¹.

Применяются останавливающие пулю комбинации кевларовых пластин и слоев неньютоновской жидкости, химический состав которой не раскрывается. Подчеркивается, что при ударе пули о такую конструкцию жидкость в месте удара затвердевает, а остальная часть, будучи вязкопластической, передает часть энергии удара на кевлар, и деформация бронежилета становится, в отличие от обычных жестких бронежилетов, большей по площади, но меньшей по глубине (в сторону тела человека) (рис. 2).

 

 

 

Рис. 2. Место удара пули о кевларовый бронежилет со слоем неньютоновской жидкости:
квадрат – кевларовая пластина, первой принимающая удар; овальное пятно – зона затвердевания
неньютоновской жидкости

Fig. 2. Point of impact of a bullet against a Kevlar vest with a layer of non-Newtonian fluid: square –
Kevlar plate, the first receiving impact; oval spot – zone of hardening of non-Newtonian fluid

 

Идея поглощать энергию удара с помощью ее перераспределения слоем неньютоновской жидкости в машиностроительных конструкциях, в частности в узлах сельскохозяйственных машин, представляется актуальной, так как плотность таких жидкостей гораздо меньше плотности как усиленных композитов, так и стальных листов, подкрепляющих место ударов, а стоимость вполне соизмерима с последними².

Материалы и методы

Для компенсации ударных воздействий на сэндвичевый композитный борт транспортного средства выбрано композиционное вещество – упруговязкопластическая неньютоновская жидкость на основе полисиликона, которая в момент ударного на нее воздействия в месте приложения динамических сил приобретает упругие свойства, а в состоянии покоя является вязкопластической. К подобному типу жидкостей относится дилатантная жидкость, имеющая коммерческое название Silly Putty (SP), – материал, созданный компанией Corning Incorporated на основе силиконовых полимеров, который состоит из 65 % полидиметилсилоксана (PDMS), 17 % диоксида кремния (кристаллический кварц), 9 % тиксотрола ST (производное касторового масла), 4 % диметилсилоксана (гидрокси-концевой полимер с борной кислотой), 1 % глицерина и 1 % диоксида титана.

В ряде работ рассмотрены некоторые характеристики дилатантных жидкостей, созданных на основе полисиликонов: вязкость, магнитные свойства и проводимость при добавлении различных частиц, а также их влияние на поведение дилатанта в целом³ [10; 11]. Однако большинство физических и механических свойств являются неизученными, как и возможность взаимодействия полисиликона с различными материалами [12; 13].

Для их исследования необходимо провести экспериментальное лабораторное тестирование: пикнометрическим, пьезоэлектрическим, силовым методами; испытаниями образцов композитных сэндвичевых параллелепипедов, пустотелых и наполненных неньютоновской жидкостью SP, до разрушения с помощью маятникового копра; статистическими методами обработки полученных результатов.

Результаты исследования

Сельскохозяйственные машины, применяемые в кормопроизводстве, особенно предназначенные для эксплуатации вне помещения, подвержены воздействию температуры, которая, предположительно, может меняться от –25 °С до +40 °С.

При этом исследуемое вещество, заполняющее внутреннюю полость конструкционного элемента, не должно резко менять свой объем (разбухать или усыхать). Поэтому очень важно изучить изменение плотности SP в зависимости от температуры.

Для нахождения плотности полисиликона SP были проведены экспериментальные исследования пикнометрическим методом при изменении температуры SP от +40 °С до –25 °С.

На основании статистической обработки результатов экспериментов сделаны следующие выводы:

1. Плотность SP не зависит от температуры и равна ρ = 1 195,27 кг/м³.
2. При воздействии температуры в пределах от +40 °С до –25 °С изменение объема образцов SP практически соответствовало изменению объема стеклопластикового сосуда, в котором находился полисиликон.

Как отмечалось в работах исследователей, в момент удара жидкость SP принимала упругое состояние, то есть ее деформация в месте удара в течение ограниченного промежутка времени начинала линейно зависеть от внешних сил, иными словами, за время поглощения энергии удара полисиликон SP, предположительно, подчинялся закону Гука, а после удара приобретал вязкопластическое состояние [10; 11].

Компенсация энергии удара путем ее аккумуляции в объеме полисиликона в виде энергии упругой деформации происходила за время удара, что в дальнейших проектировочных расчетах не позволяет применить гипотезу о том, что модуль Юнга материала, испытывающего удар, постоянен как до удара, так и после него.

Таким образом, для решения прикладной задачи создания компенсатора ударов в композитных конструкциях сельхозмашин важно исследовать механические свойства полисиликона SP, возникающие только в момент удара, когда рассматриваемая дилатантная жидкость превращается в твердое упругое вещество, поведение которого в данный момент времени можно оценить на основе понятий теории упругости и определить: предел прочности, модули продольной и поперечной упругости, коэффициент Пуассона.

Для нахождения некоторых из вышеперечисленных механических характеристик и величины потенциальной энергии деформации дилатантой жидкости SP при ударе проведены экспериментальные исследования на удар свободно падающим стальным шаром о плоскую поверхность цилиндрического образца из полисиликона SP (рис. 3).

 

 

 

 

Рис. 3. Установка для испытания образца полисиликона SP на удар стальным шаром:
1 – платформа для установки шара на нужную высоту; 2 – цилиндрический образец из
полисиликона SP; 3 – пьезодатчик; 4 – осциллограф; 5 – миллиметровая шкала

 

Fig. 3. Installation for testing a specimen of SP polysilicon on impact with a steel ball:
1 – platform for installation of a ball at the necessary height; 2 – cylindrical sample from SP polysilicon;
3 – piezo sensor; 4 – oscillograph; 5 – millimeter scale

 

 

Образцы полисиликона SP имели следующие характеристики: масса – 0,02 кг; форма – цилиндр с диаметром основания 0,02 м и высотой 0,035 м.

Падение шара осуществлялось с высоты h = 0,15 м. Шары стальные полированные имели массу m: 5; 10; 20; 50; 100; 200; 500; 1 100 г.

С заданной высоты шары падали на предварительно сформованный цилиндр полисиликона SP, опирающийся своим основанием на пьезодатчик ЗП-3, подключенный к осциллографу OWON SDS6062. Температура полисиликона была постоянной и равнялась +25 °С.

В момент удара полисиликон SP принимал упругое состояние, шар отскакивал от него, на осциллограф передавался сигнал удара (кривая зависимости напряжения U, B, от времени t, c).

В процессе экспериментальных исследований велась видеосъемка, при которой осуществлялся замер изменений геометрической формы образцов полисиликона SP. Результаты замеров частично представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 Механические и электрические характеристики исследования деформации полисиликона SP при ударе

Table 1 Mechanical and electrical characteristics of the study of deformation of SP polysilicon upon impact

 

Масса груза m, г / Weight of the cargo m, g	Среднее значение напряжения при ударе на полисиликон  U, В / Average impact stress on polysilicon U, V	Среднее значение напряжения при ударе на пьезодатчик без полисиликона U', В / Average impact stress on a piezo sensor without polysilicon U', V	Разница напряжений ΔU = U' − U, B /Voltage difference ΔU = U' − U, V	Энергия электрического поля, Дж $W_{Э}=\frac{c_{п}\cdot \Delta U^2}{2}$  /Electric field energy, J $W_{Э}=\frac{c_{п}\cdot \Delta U^2}{2}$	Изменение диаметра цилиндра после удара Δd, мм /Change of cylinder diameter after impact Δd, mm	Изменение высоты цилиндра после удара, Δl, мм /Change of cylinder height after impact Δl, mm
5	7,87	61,4	53,53	2,44 · 10–6	0	0
10	13,48	64,0	50,52	2,17 · 10–6	0	0
20	18,04	76,0	57,60	2,82 · 10–6	0,3	0,5
50	24,40	98,4	74,00	4,66 · 10–6	0,5	0,8
100	32,40	140,6	108,20	9,95 · 10–6	0,8	1,1
200	43,60	224,0	180,40	27,54 · 10–6	1,0	1,3
500	44,68	474,0	429,32	156,44 · 10–6	1,2	1,6
1 100	48,20	974,0	925,72	728,85 · 10–6	1,7	2,7

 

Энергия удара шара mgh (где g – ускорение свободного падения, м/с²; h – высота падения шара, м) передавалась деформирующимся полисиликоном на пьезодатчик, который воспринимал эту энергию в виде энергии электрического поля.

 $W_{Э}=\frac{c\cdot \Delta U^2}{2},$                   (1)

где с – емкость цепи «пьезодатчик – осциллограф», Ф; U – напряжение цепи, В.

При ударе шаром о пьезодатчик без полисиликона замерялось напряжение электрического поля U'. Тогда ΔU = U' − U будет показывать приращение напряжения за счет изменения емкости пьезодатчика c_п при условии, что емкость оставшейся части электрической цепи не меняется.

В результате формулу (1) можно представить в виде:

 $W_{Э}=\frac{c_{\text{п}}\cdot \Delta U^2}{2} .$             (2)

Работу внешних сил при ударе, равном энергии W_э упругого деформирования цилиндра из полисиликона, можно вывести на основании известной формулы Клайперона без коэффициента 0,5, так как работа осуществляется за небольшой промежуток времени, то есть она не является работой статистически приложенных сил (3).

$W_{М}=\int \frac{N^{2}dl}{EA},$               (3).

где N – внутренняя продольная сила сжатия цилиндра из полисиликона SP, H; l – длина цилиндра, м; E – модуль Юнга (модуль продольной упругости) полисиликона во время удара, Па; A = 025 · π · d² – площадь поперечного сечения цилиндра из полисиликона, м²; d – диаметр цилиндра.

Решив интеграл (3) как определенный на отрезке от 0 l или способом Симпсона, получим:

 $W_{М}=\frac{N^{2}l}{EA},$                      (4)

откуда, подставив в (4) выражение (2), будем иметь:

 $W_{М}=W_{Э} \Rightarrow E=\frac{N^{2}l}{W_{М}A} .$       (5)

По данным таблицы 1 и результатам, подсчитанным по формулам (2), (5), построены графики Δl = f(N), ΔU = f(m), на основе которых можно получить классическую зависимость σ = Eɛ для полисиликона SP в момент удара (рис. 4‒6), где: $\epsilon =\frac{\Delta l}{l}$  – относительная деформация полисиликона; σ – нормальное напряжение в поперечном сечении относительно вертикальной оси образца SP.

 

 

Рис. 4. График Δl = f(N)

Fig. 4. Graph Δl = f(N)

 

 

 

 

Рис. 5. График ΔU = f(m)

Fig. 5. Graph ΔU = f(m)

 

 

 

 

Рис. 6. График σ = f(ɛ)

Fig. 6. Graph σ = f(ɛ)

 

 

Из графика на рисунке 6 видно, что, начиная со значения ɛ = 0,042, модуль Юнга не изменяется, а состояние полисиликона SP является линейно-упругим.

Так, например, при падении шара массой m = 1,1 кг, падающего с высоты h = 0,15 м на полисиликон SP с указанными выше размерами, модуль Юнга последнего вычисляется по формулам (2), (5) при условии, что замеренная емкость пьезодатчика с_п = 1,7·10^‒9 Ф.

$E=\frac{{11}^2\cdot \mathrm{0,031} }{728854\cdot {10}^{-9 }\cdot \mathrm{0,00346}}=15\cdot {10}^6 Па,$

что в два раза выше модуля Юнга каучука и приблизительно равно модулю Юнга плотной резины с наполнителем из сажи.

Для упругого состояния полисиликона SP на основании данных таблицы 1 построен график изменения коэффициента Пуассона ν в зависимости от массы падающего груза (рис. 7) при условии, что $v=\frac{{\epsilon }^{\prime }}{\epsilon }$  где ${\epsilon }^{\prime }=\frac{\Delta d}{d},\epsilon =\frac{\Delta l}{l}.$ 

 

 

 

Рис. 7. График v = f(m)

Fig. 7. Graph v = f(m)

 

В случае сдвига полисиликона модуль поперечной упругости G определяется по формуле:

 $G=\frac{E}{2\left(1+\nu \right)},$                 (6)

а его зависимость от массы шара G = f(m) представлена на рисунке 8

 

 

Рис. 8. График G = f(m)

Fig. 8. Graph G = f(m)

 

Для рассмотренной выше деформации полисиликона SP при массе шара m = 1,1 кг и v = 0,977 (рис. 7), G = 3,79 · 10⁶ Па.

Следует заметить, что рассмотренные механические характеристики полисиликона SP справедливы только в упругом его состоянии, то есть за время деформации при ударе твердого тела о поверхность образца.

Очевидно, что слой полисиликона SP должен плотно прилегать к внутреннему слою стеклокомпозитного борта и принимать внешнюю нагрузку от ударов твердых частиц перевозимого груза. При этом очень важно располагать слой полисиликона так, чтобы его затвердевшая при ударе часть опиралась на упругое основание конструкции, которое можно создать в виде трехслойной сэндвич-плиты, представляющей внутреннюю перегородку борта. Конструктивное решение его поперечного сечения исходит из технологических возможностей сборки борта и должно учитывать, что в ненагруженном состоянии полисиликон SP является дилатантной жидкостью, обладающей вязкопластическими свойствами и способностью принимать форму сосуда, в который она помещена.

Для уточнения конструктивно-технологических решений было проведено лабораторное тестирование на удар модели композитного борта с полисиликоновым наполнителем и без наполнителя.

Ударные нагрузки, испытываемые композитным бортом транспортного средства во время его эксплуатации, согласно ТУ, направлены обычно по нормали к внутренней поверхности борта. Поэтому его моделью во время лабораторного тестирования может служить композитный сэндвич-параллелепипед, состоящий из внешней и внутренней пластин ПКМ на основе стеклоткани, соединенных сотовым заполнителем (рис. 9).

 

 

 

Рис. 9. Композитный сэндвич-параллелепипед для сравнительных испытаний борта:
1 – пластины из ПКМ на основе стеклоткани; 2 – соты из стеклотканевого препрега (размеры в мм)

Fig. 9. Composite sandwich parallelepiped for comparative tests of the side: 1 – PCM plates based on
fiberglass; 2 – cells made of fiberglass prepreg (dimensions in mm)

 

В качестве испытательного стенда для лабораторного тестирования образцов был выбран маятниковый копер МК-300 с пневмоподъемом молота. Максимальная энергия маятника 450 Дж. Результаты испытаний фиксировались на аналоговой шкале и микропроцессорном блоке ПО-4Т, с помощью которого автоматически определялась работа удара.

Лабораторное тестирование проводилось согласно ГОСТам для десяти групп образцов⁴. Первые две группы (1 и 2) представляли собой: пустотелый параллелепипед из папиросной бумаги, служащий формой для полисиликонового параллелепипеда, и такой же бумажный параллелепипед, но заполненный полисиликоном SP; вторые две группы (3, 4) (рис. 10) изготавливались на основе стеклопластиковых сот, пропитанных эпоксидной смолой, смешанной с дибутилфталатом и полиэтиленполиамином, причем образцы группы 4 имели четыре продольных сквозных отверстия в стенках сот.

 

 

 

Рис. 10. Стеклопластиковые соты с пропиткой эпоксидной смолой (образец группы 3)

Fig. 10. Fiberglass cells with impregnated with epoxy resin (group sample 3)

 

Третьи две группы (5, 6) представляли соты, заполненные полисиликоном SP, причем группа 6, как и группа 4, имела продольные отверстия, которые необходимо было ввести, учитывая то, что, согласно работе К. С. Боланда и коллег, длинные молекулы полисиликона SP до удара запутаны и имеют слабые водородные связи, а во время удара распрямляются [13]. Можно предположить, что такие распрямленные длинные молекулы ведут себя во время удара, как балки на упругом основании, поэтому расположение полисиликона SP по длине образца в продольных отверстиях может привести к большему поглощению энергии удара. Соты верхней и нижней частей образцов были заклеены папиросной бумагой (рис. 11) во избежание утечек полисиликона SP.

 

 

 

Рис. 11. Стеклопластиковые соты, заполненные полисиликоном SP, с продольными отверстиями

Fig. 11. Fiberglass cells filled with SP polysilicon with longitudinal holes

 

 

Группы 7, 8 моделировали варианты борта прицепа без полисиликона. Группа 7 представляла собой пустотелые стеклопластиковые параллелепипеды, группа 8 – параллелепипеды, заполненные стеклопластиковыми сотами.

Последняя группа образцов (9, 10) повторяла конструкцию образцов 7, 8 соответственно, но заполненных полисиликоном SP (рис. 12).

 

 

 

 

Рис. 12. Образцы для испытаний на удар сэндвичевой сотовой конструкции с заполнением
полисиликоном SP

Fig. 12. Impact test specimens of sandwich cells structure filled with SP polysilicon

 

 

На рисунке 12 верхняя пластина стеклопластика подпилена для уменьшения работы маятника копра при ударе. Разрушение образца из группы 10 показано на рисунке 13.

 

 

 

Рис. 13. Разрушение образца из группы 8 при ударе маятником копра

Fig. 13. Destruction of a sample from group 8 upon impact by a copra pendulum

 

Способность материала сопротивляться ударным нагрузкам характеризуется ударной вязкостью, которая определяется отношением величины работы, затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения в месте излома.

Все испытанные образцы имели одинаковые размеры внешнего контура поперечного сечения, поэтому о стойкости к удару можно судить по величине работы маятникового копра при их разрушении. Результаты испытаний десяти групп образцов после соответствующей статистической обработки представлены в таблице 2.

 

Таблица 2 Результаты испытаний на удар

Table 2 The results of the impact tests

 

Номер группы / Group number	Описание групп / Description of groups	Математическое ожидание работы по разрушению образца на копре, Дж / Mathematical expectation of sample destruction work with piling machine, J
	Пустой копер без образца / Empty piling machine without sample	0,59
1	Параллелепипед из папиросной бумаги без заполнения полисиликоном SP / Parallelepiped of cigarette paper without SP polysilicon filling	0,67
2	Параллелепипед из папиросной бумаги, заполненный полисиликоном SP / Parallelepiped of cigarette paper filled with SP polysilicon	2,53
3	Соты без продольных отверстий, не заполненные полисиликоном SP / Cells without longitudinal holes not filled with SP polysilicon	3,62
4	Соты с продольными отверстиями, не заполненные полисиликоном SP / Cells with longitudinal holes not filled with SP polysilicon	3,62
5	Соты без продольных отверстий, заполненные полисиликоном SP / Cells without longitudinal holes filled with SP polysilicone	4,73
6	Соты с продольными отверстиями, заполненные полисиликоном SP / Cells with longitudinal holes filled with SP polysilicone	6,77
7	Стеклопластиковый параллелепипед пустотелый / Fiberglass hollow parallelepiped	74,17
8	Стеклопластиковый параллелепипед, заполненный сотами / Fiberglass parallelepiped filled with cells	97,95
9	Стеклопластиковый параллелепипед, заполненный полисиликоном SP / Glass fiberglass parallelepiped filled with SP polysilicon	118,31
10	Стеклопластиковый параллелепипед, заполненный стеклопластиковыми сотами и полисиликоном SP / Fiberglass parallelepiped filled with fibreglass cells and SP polysilicon	106,28

 

 

Обсуждение и заключение

На основе анализа результатов испытаний на ударную вязкость композитных конструкций с полисиликоном SP и без него можно сделать следующие выводы:

1. Полисиликон SP в месте удара приобретает механические характеристики плотной резины, то есть играет роль упругой прокладки между прилегающими частями конструкции, а после удара становится вязкопластической жидкостью с малой жесткостью.
2. Появление распрямленных длинных молекул в полисиликоне SP во время удара предполагает возникновение упругого слоя SP достаточно большой площади, который перераспределяет энергию упругой деформации на несущее основание, а значит необходимо конструирование поддерживающей опоры для слоя полисиликона.
3. Для эффективного «затвердевания» полисиликона SP при ударе следует расположить его слой между упругими конструкционными элементами, которые кроме передачи нагрузок должны выполнять функции стенок сосудов, для ограничения течения дилатантной жидкости (полисиликона SP) в случае отсутствия ударных нагрузок.

Основываясь на этих выводах и на материалах, имеющихся в работах М. В. Астахова, можно рекомендовать следующую конструкцию поперечного сечения А-А борта транспортного средства (рис. 14), вид спереди для которого представлен на рисунке 1 [14; 15].

 

 

 

Рис. 14. Конструктивное решение сечения А-А борта прицепа, представленного на рисунке 1:
a) расположение полисиликона в больших шестигранных ячейках; b) расположение полисиликона
в прямоугольных (квадратных) ячейках; 1 – пластина из ПКМ внешней части борта;
2 – пластина из ПКМ внутренней части борта; 3 – мелкие стеклопластиковые соты;
4 – крупные шестигранные или квадратные соты; 5 – полисиликон SP;
6 – верхний силовой профиль из ПКМ; 7 – внутренняя перегородка из ПКМ

 

Fig. 14. Constructive solution of the section A-A of the side of the trailer shown in Figure 1:
a) location of polysilicon in large hexagonal cells; b) location of polysilicon in rectangular (square) cells;
1 – PCM plate on the outer side of the board; 2 – PCM plate on the inside of the side; 3 – small fiberglass
cells; 4 – large hexagonal or square cells; 5 – polysilicon SP; 6 – upper power profile from RMB;
7 – internal partition from PCM

 

 

Так как в ненагруженном состоянии полисиликон SP обладает текучестью, его необходимо заключить в контейнеры, изготовленные из полиэтиленовой или полистирольной пленки, повторяющие форму либо большой шестигранной, либо прямоугольной ячейки. Размеры ячеек (длина и ширина) ориентировочно не должны быть меньше длины продольного отверстия в образце (рис. 9), так как распрямление длинных молекул полисиликона SP повышает его ударную вязкость (табл. 2), а мелкие соты ограничивают такое распрямление.

Стальные концевые обоймы и петли присоединения борта к грузовой платформе прицепа следует закрепить в пластинах 1 и 2 (рис. 14) крепежными элементами [16].

Из-за того, что боковые удары твердыми телами о композитный борт при загрузке прицепа полужидким или сыпучим грузом сообщают конструкции энергию меньшую, чем при ударе свободно падающим вниз телом, коэффициент динамичности k_д, найденный по известной формуле , где f_ст – статический изгиб борта в месте удара, будет определять динамическое напряжение «в запас».

Так как при статическом приложении внешних сил полисиликон SP не влияет на изгибную жесткость борта, последний можно рассчитать на прочность как многослойную анизотропную прямоугольную пластинку с дискретным шарнирным опиранием в местах крепления к платформе и торцевым бортам, нагруженную линейно переменной по высоте борта и постоянной по его длине нормально распределенной нагрузкой.

 

 

¹           Неньютоновская жидкость в качестве брони [Электронный ресурс]. URL: https://topwar.ru/73725-nenyutonovskaya-zhidkost-v-kachestve-broni.html (дата обращения: 14.04.2020); «Жидкому» бронежилету быть! [Электронный ресурс]. URL: https://warspot.ru/9049-zhidkomu-bronezhiletu-byt (дата обращения: 14.04.2020).

²           Пульс цен: полидиметилсилоксан [Электронный ресурс]. URL: https://www.pulscen.ru/price/040451-dimetilsiloksan  (дата обращения: 14.04.2020).

³           Астарита Дж., Марруччи Дж. Основы гидромеханики неньютоновских жидкостей. М.: Мир, 1978. 312 с.

⁴           ГОСТ 10708-82. Копры маятниковые. Технические условия (с Изменениями N 1, 2); ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах (с Изменениями N 1, 2).

 

Об авторах

Михаил Владимирович Астахов

Калужский филиал ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана»

Email: mvastahov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8675-1611

профессор кафедры колесных машин и прикладной механики, доктор технических наук

Россия, 248600,г. Калуга, ул. Баженова, д. 2

Екатерина Викторовна Славкина

Калужский филиал ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана»

Автор, ответственный за переписку.
Email: e.v.slavkina@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5889-5957

ассистент кафедры колесных машин и прикладной механики

Россия, 248600, г. Калуга, ул. Баженова, д. 2

Список литературы

Дополнительные файлы