Руководство по конструированию

Свойства сопротивления сдвигу

Одним из ведущих факторов при определении толщины слоистой конструкции является прочность на сдвиг. Лабораторные испытания свойств сопротивления сдвигу, тем не менее, несправедливы к некоторым материалам, особенно сотовым. Так как тестовые стандарты ASTM и ISO в отношении устойчивости к сдвигу определяют размер пробы – в сущности тонкая полоска материала, которая подвергается нагрузке на относительно небольшом участке и измеряется – сотовые структуры не в преимуществе, поскольку при тонких полосках структура ячейки разрушается по краям, когда куски образцов отрезаются от панели. Более того, значения устойчивости часто приводятся без указания прогиба и растяжения. Высокая устойчивость к сдвигу может быть замечена при низком растяжении, что может включать переконструированные покрытия для убеждения в том, что небольшие прогибы не вызовут «разрушение заполнителя вследствие сдвига», и, как следствие, катастрофическое разрушение структуры. И напротив, низкая устойчивость к сдвигу может быть замечена при высоком растяжении, соответствуя прогибам, которым не смогут противостоять другие факторы конструкции или ограничения покрытий, из чего следует, что материал с низким сопротивлением к сдвигу никогда бы не разрушился от силы сдвига. Структуры натуральной величины должны оцениваться как целое, при большой панели и растяжении в виде критического анализа. Это отчасти верно при рассмотрении слоистых конструкций с сотовым заполнителем. В начале 1960-х и 1970-х годов многие суда строились с использованием ранней версии пористого материала ПВХ с продольными связями, обладавшей сравнительно низкой прочностью на сдвиг. Некоторые из этих судов все еще ходят, и, вероятно, они были очень удачно сконструированы.

Предположение, что прочность на сдвиг является ключевым параметром в конструировании, неверно. В то время как многие профессионалы могут вспомнить сооружение моделей самолетов из бальзы до изучения стекловолокна, более логичным было бы начать использование жесткой основы и покрытия. С другой стороны, применение высокоэффективных покрытий на любой стороне податливого материала шло против интуиции. Но настоящее поколение молодых авиаконструкторов в действительности использует обвязочную ленту из стекловолокна на поверхности полипропиленового пористого материала. Так укорачивается период сооружения, и, что еще важнее, практически неразрушимая природа получаемой структуры обеспечила куда более подходящий материал. Более того, при проектировании структур с применением полипропиленовых сот необходимо помнить, что в значениях предела текучести при нагрузке и растяжении и предела прочности при сдвиге ощутимая разница. Полипропиленовый

сотовый заполнитель может растягиваться и нести нагрузку без повреждений за гранью предела текучести при растяжении, так что значение предела прочности при сдвиге все же больше, чем предела текучести при растяжении. Важно помнить о том, что основа многих требований проектирования предшествует широкому использованию многоосных основопровязанных арматур, которые в общем прочнее, но не такие толстые, и потому утратили некоторую прочность на изгиб. Тем не менее, при применении в слоистых конструкциях для сообщения необходимой прочности на изгиб в поперечном сечении, многоосные основопровязанные арматуры идеально подходят для слоистых конструкций, больше способствуя уменьшению массы по сравнению с предшествующими слоистыми структурами. Тем более, с тех пор, как было достигнуто увеличение прочности многоосных основопровязанных арматур при больших нагрузках, структурный полипропиленовый сотовый заполнитель «Nida-Core» все больше и больше завоевывает популярность как наиболее подходящий заполнитель. Поэтому кропотливый проектировщик должен признать тест заполнителей в отношении деформации сдвига (в процентах) или растяжения при сдвиге после высшей точки (ISO 1922) как самый важный, который наиболее точно определяет степень упругости особого заполнителя. Неважно, используется ли при проектировании значение предела текучести при сжатии или предела прочности при сдвиге, а важно то, что, основываясь на этих данных, можно учесть точный запас прочности. Используя полипропиленовый сотовый заполнитель, при конструировании можно ориентироваться на более высокую гибкую кривую графика, поскольку запас прочности находится в равновесии с гибким диапазоном кривой, а затем и при растяжении при сдвиге за гранью предела текучести. Этим мы не хотим сказать, что невозможно создать успешные проекты с ПВХ с поперечными связями или бальзой при свойственных им низких коэффициентах растяжения при сдвиге, а просто нагрузка при сдвиге должна быть более низкой, чем по кривой, и не слишком близко к пределу текучести. Однако, даже уравновешенность гибкого дианазона кривой редко достоверна при сильных ударах. В основном следует сосредоточиться на жесткости, но в то же время должен быть соответствующий запас прочности для отступления. Если структура достаточно жесткая, то сотрясение обычно невелико, но жесткость без устойчивости к повреждениям не является желательным свойством.

Различные ключи использовались для достижения критериев для сложных конструкций судов, включая приспособление проектов для древесины с заменой однородными покрытиями, эквивалентными стекловолокну. Некоторые критерии заимствованы от эквивалентных проектов с использованием металлических материалов, преимущественно алюминия. Этот критерий проявляет себя хорошо при работе с некоторыми заполнителями более старого типа, но недостаточно эффективны при НОВЫХ заполнителях, таких как полипропиленовые соты, особенно если используются более тонкие покрытия. Самый большой недостаток наблюдается в областях, где нагрузка превышает диапазон нормальной нагрузки.

Большинство кораблестроителей-проектировщиков в качестве главного козыря имеют структуру с соответствующей жесткостью, а также устойчивостью к прогибам и ударам. Все данные признаки присутствуют у структурного сотового заполнителя «Nida-Core».

Национальная лаборатория Сандия

В начале 1990-х годов Национальная лаборатория Сандия в Альбукерке NM провел серию тестов для определения наиболее подходящего материала для сооружения планируемой взрывной камеры для лабораторных испытаний. Существующие камеры были построены из стали, содержание их обходилось дорого, и, что наиболее важно, они были тяжелы, и их перегрузка занимала массу времени.

Сандия разработал взрывную камеру с легкой секционной конструкцией, в которой соединительные секции поддерживаются штырями.

Серия тестов была проведена для выявления подходящего покрытия для такой взрывной камеры. Аппаратура для испытаний состояла из взрывной камеры закрытого типа диаметром 28" с отверстиями (3) размером 1/2" для вентиляции камеры и установки проводов для передачи детонационного заряда.

Слоистая панель с полипропиленовым сотовым заполнителем «Nida-Core» с Кевларом (KB125X2) и сферическая панель с винилэстеровой смолой «DOW Derakane» с обеих сторон были механически прикреплены к открытой стороне цилиндра с помощью алюминиевого кольца толщиной 5/8" и (4) болтов толщиной 3/4".

Здесь изображен образец оснащения корпуса мегаяхты размером 120' (фото справа). Сооружен мастерами литейных работ Vertorworks в Титусвилле, штат Флорида, полностью заполненный структурным полипропиленовым заполнителем «Nida-Core» (толщиной 38 мм). В результате получается увеличенная жесткость, сокращение потребления смолы и стекловолокна, а также отличная и долговременная структурная устойчивость.

1. 5-граммовый взрывной заряд C-4 был отправлен внутрь цилиндра.
Образец был удален и разрезан на 4 четверти.
ВИДИМОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ НЕ ОБНАРУЖЕНО

2. 10-граммовый взрывной заряд C-4 (пластик) был отправлен внутрь цилиндра. Тестовый образец был удален, разрезан на 4 четверти и осмотрен на предмет повреждений. И снова НЕ ПРОИЗОШЛО ВИДИМОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ ИЛИ РАССЛОЕНИЯ.

3. 15-граммовый взрывной заряд C-4 был отправлен внутрь тестового цилиндра. Тестовый образец был удален, разрезан на 4 четверти и осмотрен. 15-граммовый взрывной заряд C-4 эквивалентен 19.2 граммам тротила. На образце не обнаружено повреждений; алюминиевого кольца толщиной 5/8" деформировалось на 2.5 - 3.5 дюйма, а болты (4) толщиной 3/4 " деформировались и должны были быть отпилены.

Предварительный анализ данных показал следующее:

1. Ударная волна : 112 фунтов на кв. дюйм

2. Нагрузка отдачи (множественная): 220 фунтов на кв. дюйм

Было сделано заключение, что акустическая трансмиссия не показала повреждения образца в виде расслоения. Такие же испытания с альтернативными заполнителями (такими как древесина бальзы) показали катастрофическое разрушение образцов.

На основании данного теста было сделано заключение, что «NidaCore» оказался самым подходящим заполнителем для сооружения легковесных модульных взрывных камер для Национальной лаборатории Сандия.