Determination of properties of sheet damping material with viscoelastic coupling layer during shear deformation

Full Text

Современный уровень развития технологии производства автомобилей во многом сдерживается свойствами материала, применяемого для изготовления и сборки изделий. В связи с этим все большее распространение получают композиционные материалы, сочетающие в себе преимущества каждого компонента, образующего составную заготовку [1-5]. Перспективными композиционными материалами являются так называемые «сэндвич-панели», состоящие из металлических листов с полимерной связующей прослойкой. Такой материал способен нести такую же нагрузку, как и обычный листовой металл, и в то же время гасить вибрации в полимерной составляющей панели и уменьшать звуковые колебания от работающих агрегатов. Использование данного материала не утяжеляет общий вес конструкции, не ухудшает ее прочностные и жесткостные характеристики. Трудозатраты и время на сборку снижаются, поскольку не возникает необходимости в дополнительном покрытии листового металла шумопоглощающим слоем для снижения уровня шума и в установке защиты от вибрации. Использование такого материала в первую очередь будет направлено на изготовление деталей, защищающих от шума и вибрации, таких как картеры, кожухи, перегородки, капот автомобиля и др. Деформирование таких материалов имеет существенное отличие от однослойных, так как граничные условия, возникающие при штамповке деталей, могут приводить к сдвигу одного металлического слоя относительно другого [4-6]. Для выявления особенностей деформирования проведены испытания на сдвиг полимерной связующей прослойки. Использовались образцы с поперечными пропилами по ширине металлических листов с разных сторон. Схема деформирования представлена на рисунке 1. В результате экспериментов получены данные изменения силы сдвига от перемещения траверсы испытательной машины. Пересчет относительной силы сдвига и угловой деформации производился по формулам: , где: - текущее перемещение, мм, z - толщина связующего слоя, мм; , где: P - сила сдвига, Н, F - площадь, связывающая два металлических слоя, мм2. Рисунок 1. Схема нагружения образца в процессе испытания Рисунок 2. Зависимости изменения относительной силы сдвига от угловой деформации при различных скоростях испытания Образцы были испытаны с различными скоростями при деформации. Обобщенные результаты влияния скорости на относительную силу сдвига от угловой деформации представлены на рисунке 2. Из графиков, представленных на рисунке, видно, что падение относительной силы сдвига () происходит при различной величине сдвиговой деформации (). Величина сопротивления сдвигу возрастает с увеличением скорости смещения металлических слоев. Из графиков видно, что возрастание напряжений сопротивления сдвигу происходит до определенного значения, после которого величина сдвиговых напряжений начинает падать. Это снижение обусловлено потерей адгезионного взаимодействия, одной из причин которой является изменение схемы деформирования из-за искривления образца в процессе испытания и расположения поверхности сдвига не параллельно направлению приложения силы Р. Другим недостатком приведенной на рисунке 1 схемы является уменьшение площади сдвига в процессе испытания. Чтобы предотвратить расслаивание многослойного материала при сдвиге, необходимо обеспечить стабильность деформационной схемы и сохранения площади в процессе сдвига. Для этого была предложена схема деформирования кольцевого образца посредством кручения одного металлического слоя относительно другого в плоскости листа. Чтобы уменьшить влияние неоднородности сдвиговой деформации из за различия скоростей сдвига по радиусу, ширину кольца необходимо выбрать по возможности минимальной [7-8]. Были произведены опыты на кручение кольцевых образцов в плоскости листа по схеме, приведенной на рисунке 3. Применяемая экспериментальная оснастка показана на рисунке 4. Рисунок 3. Схема сдвига слоев кольцевого образца кручением в плоскости листа Для проведения экспериментов образец вырезается из готового многослойного материала на токарном станке в виде кольца. Внутренний диаметр кольца составлял 50 мм, наружный - 70 мм. Общая площадь кольцевого образца - 1884,9 мм2. Экспериментальная оснастка состоит из двух половин, с помощью которых происходит смещения одной части образца относительно другой, при кручении в плоскости листа. Обеспечение соосности данных частей оснастки между собой происходит за счет центрального пальца, по которому осуществляется вращение одной части оснастки относительно другой. На данный палец устанавливается образец, на котором изготавливается уступ, за который фиксируется нижний и верхний слой при вращении оснастки. Испытания проводились на крутильной машине КМ - 50-1. В ходе испытаний фиксировались значения крутящего момента от угла закручивания образца. Соотношение крутящего момента и относительной силы сдвига можно найти из соотношения , где: r1 и D1 - внутренний радиус и диаметр образца, r2 и D2 - наружный радиус и диаметр образца. Имея эти данные, перестроим график зависимости момента от угла закручивания на график напряжения сдвига от угла поворота и напряжения сдвига от угловой деформации. Средняя скорость сдвига слоев при кручении для среднего радиуса кольцевого образца в процессе испытания составляет 93,6 мм/мин Пиковая относительная сила сдвига в этом случае составляет около 0,46 Н/мм2, а последующее выравнивание относительной силы сдвига в процессе деформации находится близко к значению 0,3 Н/мм2. Рисунок 4. Оснастка и установленный образец Площадь при испытании остается постоянной, поэтому при использовании кольцевого образца обеспечивается получение более точных данных. Если в случае со сдвигом по традиционной схеме при уменьшении площади требовалась меньшая нагрузка, то при кольцевом образце нагрузка возрастает до «первичного проскальзывания». Идет смешение клеевой прослойки до разрыва первоначальных связей, а поскольку клей довольно вязкий, происходит образование новых связей. Пиковое значение напряжений при кручении соответствует разрыву первоначальных связей, а выравнивание силы сдвига свидетельствует о стабилизации процесса сдвига слоев при образовании новых связей, что необходимо учитывать при больших деформациях. Рисунок 5. График зависимости относительной силы сдвига от угловой деформации при кручении кольцевого образца с упруго-вязким соединительным слоем Рисунок 6. График зависимости относительной силы сдвига от угловой деформации при кручении кольцевого образца с упругим соединительным слоем Данный вид испытаний был апробирован и для исследования свойств упругого слоя для образцов склеенных клеем ВК 50 [4-5]. Как видно из представленного на рисунке 6 графика испытаний, после достижения пикового значения возникает небольшое падение силы сдвига, что свидетельствует о начале разрушения клеевого слоя, а затем происходит быстрое разрушение связующего слоя звена. Данный характер разрушения свидетельствует о том, что упругий соединительный слой, в отличие от упруго-вязкого, можно испытывать как традиционным способом, так и на предложенной оснастке. Выводы Более точное определение свойств упруго-вязкого соединительного слоя в предложенном испытании позволяет прогнозировать поведение демпфирующего материала в процессах сложной кузовной штамповки, когда на отдельных участках заготовки возможен значительный сдвиг металлических листов относительно друг друга.

About the authors

S. A Tipalin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

+7 495 223-05-23, ext. 1393

N. F Shpunkin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

+7 495 223-05-23, ext. 1393

B. Y Saprykin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

+7 495 223-05-23, ext. 1393

References

Supplementary files