209 / 397
Материаловедение, динамика и прочность машин и механизмов
209
биться высокой прочности при малом весе, высоких водоотталкивающих и антикоррозион-
ных свойств, диэлектрической, химической и термической стойкости и других положитель-
ных эффектов.
Фланец – плоская деталь круглой или иной формы с отверстиями для болтов и
шпилек, служащая для прочного и герметичного соединения труб, трубопроводной армату-
ры, присоединением труб друг к другу, к машинам, аппаратам и ёмкостям, для соединения
валов и других вращающихся деталей (узлы длинных строительных конструкций, например,
ферм, балок и др.). Данная деталь изготовлена из композиционных материалов без примене-
ния дополнительных клеевых или механических соединений [2]. В процессе формирования
фланца с выступающей частью силовые слои композитной оболочки неоднократно сгибают-
ся. Успешная реализация композиционных материалов при создании композитных деталей
зависит от правильного выбора схемы армирования. Схема армирования выбирается на ос-
нове расчетов на прочность и жесткость. Для расчета фланца из стеклопластика следует учи-
тывать неоднородность конструкции и анизотропию материала [3]. Разрушение фланца из
стеклопластика начинается по механизму расслоения с потерей жесткости и изгибом детали.
Целью работы является расчет напряженно-деформированного состояния фланцев,
выполненных из композиционного материала (стеклопластик) и стали. Задача решается рас-
чета в пакетах Mathcad и Ansys.
Методика.
Объектом исследования является фланец из стеклопластика и фланец из
стали. Разработана 3D-модель фланца в программе SolidWorks. Фланец нагружается давле-
нием в 4 МПа по нижней половине сквозного отверстия. Жесткостные характеристики стали
35:
.3,0μ ;
20000
2
мм
Н
E
Количество слоев детали из стеклопластика – 40, они разбиты
на три пакета, отличающиеся углом укладки и числом слоев в пакете: первый пакет состоит
из 10 слоев с углом укладки 0 градусов, второй – из 10 слоев с углом укладки 90 градусов,
третий – из 20 слоев с углом укладки 45 градусов. Жесткостные характеристики многослой-
ного пакета зависят от жесткостных характеристик отдельных слоев, определенной ориента-
ции слоев и от соотношения толщины этих слоев и общей толщины пакета [4].
Жесткостные характеристики
k
-того слоя (монослоя) для расчета фланца из стекло-
пластика:
016 ,0 μ;31,0 μ;
мм
Н 5150
;
мм
Н 9000
;
мм
Н 180000
21
12
2
12
2
2
2
1
G
Е
E
,
(1)
где
1
E
и
2
E
– модули упругости в направлениях осей координат монослоя 1 и 2,
12
G
–
модуль сдвига,
12
μ
и
21
μ
– коэффициенты Пуассона.
Определяем коэффициенты
ij
С
для каждого из трех пакетов по формулам:
,2 cos
) μ2
(
4
2 sin λ
;2 sin]2 cos
)2 cos
μ 2 cos
2 sin (
2
λ[
;2 sin
)2 sin 2 (cos
μ
cos
sin)
[(λ
;2 sin
)2 sin μ
2
1
cos
sin (λ
;2 sin
)2 sin μ
2
1
sin
cos
(λ
2
12
2 12
2
1
2
66
12
2 12
2
1
2
2
26
2
12
4
4
2 12
2
2
2
1
12
2
12
2
2 12
4
2
4
1
22
2
12
2
2 12
4
2
4
1
11
G E E E
C
G
E
E
E
C
G
E
E E C
G
E
E
E C
G
E
E
E C
k
k
k
k
k
(2)
где
k
– номер пакета,
21 12
μμ1
1
λ
,
– угол укладки волокон.
Далее находим коэффициенты
ij
A
для всего композита по следующей формуле:
m
k
k
ij
k
ij
Cn
n
A
1
1
,
(3)