Южно-Уральский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ:
Первый проректор
__________
" "_____________2006 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины "Механика композитных материалов"
для очной подготовки дипломированных специалистов
по специальности 150301 "Динамика и прочность машин"
Индекс СД.11
(индекс в соответствии с ОПТ)
Факультет - Физический
Кафедра-разработчик - Прикладная механика, динамика и прочность машин
Курс обучения - пятый
Состав дисциплин:
Лекции 34 час., экзамен - ХI семестр.
Зачет Х семестр, лабораторный практикум - 17 час.
Практические занятия - 17 час., самостоятельная работа студентов - 52 час.
ВСЕГО: 120 час.
Рабочая программа соответствует государственному образовательному стандарту специальности 150301.
Рабочая программа утверждена на заседании кафедры ПМ и ДПМ "__" ___ 2006 г., протокол №____
Зав. кафедрой ПМ и ДПМ ......................
Разработчик.............................
Ученый секретарь.........................
Челябинск
2006
Задачи: обеспечить высокий уровень и системность знаний для практической деятельности в области разработки и изготовления изделий широкого спектра применения из современных волокнистых композитных материалов. Системность обеспечивается комплексом нормативных и исследовательских материалов, сочетанием ставших уже классическими методов анализа и новых подходов к расчету на прочность и проектированию элементов конструкции из композитов, литературными исследованиями, в том числе с использованием электронных коммуникаций и современного программного обеспечения.
ОСЕННИЙ СЕМЕСТР - 18 недель
Лекции 9хч
Лабораторные занятия - 18 ч
ВСЕГО: - 36 ч (2 часа в неделю)
СРС под контролем преподавателя (домашнее задание №1 и конспектирование литературы для самостоятельной проработки) – 26 ч
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕМ ЛЕКЦИЙ И РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Введение, особенности композитов по сравнению с металлами (преимущества и недостатки). Природа прочности и трещиностойкости современных композитных материалов. [1,2,5,6,16,19] Компоненты композитных материалов (волокна, ткани, частицы, пластики, металлы, керамика). Обзор методов производства волокон и связующего, из свойства. [1,2,9(т.3)] Механические свойства композитных материалов и их связь с технологией (прессование, выкладка, намотка). [2,5,6,7] Основы теории упругости анизотропных материалов. Виды напряженного и деформированного состояний, закон Гука, формы записи. Количество констант упругости. [1,2,4,6] Слоистые пластины, составленные из ортотропных монослоев. Изменение характеристик упругости при изменении ориентации осей ортотропии в слоях. Типы симметрии укладок слоёв и их значение. (Тема для самостоятельной проработки, конспект). [1,2,4,6] Прямые экспериментальные методы изучения механических свойств композитов. Приборы, установки, ГОСТы, ОСТы. [6,7] Косвенные экспериментально-аналитические методы определения механических свойств монослоёв композитов. [6,7]8,9. Математические модели материалов для прогнозирования деформирования и разрушения слоистых композитов при однородном напряженном состоянии и монотонном возрастании напряжений вплоть до разрушения (склерономные модели). [1,6,8,13-15,20]
СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ И ЛИТЕРАТУРА
ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К НИМ
Работа 1. Исследование структуры композитов. Подготовка компонентов композитов к соединению. Армирующие материалы и матрицы (связующие). Основы технологии выкладки. [1,2,6,9(т.2)]
Работа 2. Намотка ленты на оправку. Сухая и “мокрая” технологии. Оборудование и его параметры (намоточное приспособление, оправки, печи). [1,5,9(т.3)]
Работа 3. Определение упругих и прочностных констант анизотропных материалов. Прямые и косвенные методы. [1,6,9(т.8)]
Работа 4. Определение перемещений и напряжений в балках из анизотропных материалов (влияние низкого модуля сдвига). [7,8,9(т.7)]
Работа 5. Закон Гука для ортотропного материала. Определение напряжений и деформаций в пластинах и оболочках. Программные модули в системе MathCAD. [1,4,6]
Работа 6. Свойства слоистых пакетов, составленных их ортотропных слоёв. Программные модули в системе MathCAD. [6]
Работа 7. Диаграммы деформирования слоистых пакетов с различной укладкой слоёв. Программные модули (ДОС, Фортран). [6]
Работа 8. Исследование влияния дилатационных воздействий на деформирование слоистых материалов. Рассмотреть случай изменения температуры и химическую усадку. [9(т.7)]
Работа 9. Испытание стержневых элементов, полученных методом намотки на растяжение-сжатие и изгиб. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по определению перемещений при изгибе с кручением.
Домашнее задание №1 на тему: "Проектирование материала для изделия из волокнистых композитов" (выбор изделий из списка, определение условий работы, выбор и проектирование материалов, технологии изготовления изделия, обзор и поиск новой литературы). 1-2 листа графики, 15-20 стр. текста пояснительной записки. Защита. Зачет.
План-график изучения первой части курса
N не - N лек - N практ. N лабор. Срок выдачи и
дели ции занятия занятия сдачи работы
(работы)
I 1 Выдача ДЗ №1
II 1
III 2 Контроль СРС
IV 2
V 3 Контроль СРС
VI 3
VII 4
VIII 4 Контроль СРС
IX 5 (Тема для сам. изучения, конспектирование)
X 5 Контроль СРС
XI 6
XII 6 Контроль СРС
XIII 7
XIV 7
XV 8
XVI 8 Контроль СРС
XVII 9
XVIII 9 Защита ДЗ №1. Зачет
ВЕСЕННИЙ СЕМЕСТР - 17 недель
Лекции 8хч
Лабораторные занятия 9хч
ВСЕГО: - 34 ч (2 часа в неделю)
СРС под контролем преподавателя (домашнее задание №2 и конспектирование литературы для самостоятельной проработки) – 26 ч.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИЙ И РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Реологические модели материалов при нагружении с выдержками, при циклическом нагружении, при вибрационном (акустическом) нагружении с учетом тепловой и акустической эмиссии. [9(т.4),11,12]
2. Вопросы конструкционной прочности и механики разрушения композитов (при наличии концентраторов напряжений - вырезов и трещин). Экспериментальные методы, расчетные модели для прогнозирования нагрузок разрушения (критерии) и методы расчета кинетики деформирования и разрушения (с привлечением МКЭ). [6,8,9(т.7,8), 17-19]
3. Устойчивость стержней, пластин и оболочек из анизотропных материалов (основные отличия в расчетных схемах конструкций, изготовленных из анизотропных и изотропных материалов). Учет влияния дефектов производства типа непроклеев и расслоений. [2]
4. Деформирование и разрушение композитных материалов при локальном квазистатическом нагружении. [6] (Тема для самостоятельной проработки, составление конспекта).
5. Ударопрочность тонких слоистых пластин (низко - и высокоскоростной удар), обеспечение заданной ударопрочности (применительно к трехслойным сотовым конструкциям авиационной техники и защитной бронеодежды). [6]
6. Обзор пакетов прикладных программ (COSMOS/M и др.) для расчета напряженного состояния и прочности конструкций из композитных материалов. Типы конечных элементов, особенности использования. [6,8,9(т.8)]
7. Методы производства изделий и агрегатов. Технологические проблемы композитных материалов. [10]
8. Оптимизация материалов и конструкций, критерии качества (ценовые, прочностные, комплексные). Проектирование конструкций из композитов (металлопластики, соединения, стержни, валы, оболочки, пластины, 3D конструкции - фермы). [5]
СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ И ЛИТЕРАТУРА
ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К НИМ
Работа 1. Конструкционная прочность композитов. Изучение прочности растягиваемых пластин с отверстиями различного диаметра, острыми трещиноподобными вырезами. [6]
Работа 2. Расчет на ЭВМ нагрузок разрушения и определение расчетных мод разрушения, сопоставление с результатами экспериментальных исследований. [6]
Работа 3. Экспериментальное определение механических свойств легких заполнителей различной природы (пенопласт, ССП, ПСП и др.).
Работа 4. Экспериментальное исследование контактного деформирования трехслойных панелей с обшивками из тканевого пластика. [6]
Работа 5. Изготовление клеевых и заклёпочных соединений композитных материалов.
Работа 6. Расчет на ЭВМ напряженного состояния и оценка нагрузок разрушения клеевых и заклепочных соединений. [9(т.7,8)]
Работа 7. Изучение механических свойств нитевидной арматуры армированных пластиков при статическом и ударном нагружении.
Работа 8. Изучение реономных свойств связующего в армированном пластике.
Работа 9. Изучение повторно-статического и циклического деформирования армированного пластика. Оценка долговечности элементов конструкций.
Домашнее задание №2 на тему: "Оптимальное проектирование элемента конструкции из волокнистых композитов" (выбор изделий из списка, определение предельных случаев, выбор материала и технологии изготовления изделия, расчеты на прочност, жесткость, устойчивость, долговечность). 2-3 листа графики, 20-30 стр. текста пояснительной записки. Защита. Экзамен.
План-график изучения второй части курса
N не - N лек - N практ. N лабор. Срок выдачи и
дели ции занятия занятия сдачи работы
(работы)
I 1 Выдача ДЗ №2
II 1
III 2 Контроль СРС
IV 2
V 3 Контроль СРС
VI 3
VII 4 (тема для сам. изучения, конспектирование)
VIII 4 Контроль СРС
IX 5
X 5 Контроль СРС
XI 6
XII 6 Контроль СРС
XIII 7
XIV 7
XV 8
XVI 8 Контроль СРС
XVII 9 Защита ДЗ №2.
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Монографии и справочники
и др. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов / , , . - М.: Машиностроение, 1984. Механика конструкций из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 19с. Ванин композиционных материалов. - Киев: Наукова думка, 19с. Теория упругости анизотропного тела. - М.: Наука, 1977. Образцов и др. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов./ , , . - М.: Машиностроение, 1977. Дефекты и прочность армированных пластиков. Монография. - Челябинск: ЧГТУс. , Методы статических испытаний армированных пластиков. - М.: Химия, 19с. , Конструкционная прочность и деформативность стеклопластиков. - Рига: Зинатне, 1966. Композиционные материалы, В 8-ми т. /Пер с англ. Под ред. Л. Браутмана и Р. Крока – М.: Мир, Машиностроение, 1978. – Пер. изд.: Composite materials. New York. 1975. Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб. для вузов /, , и др.; Под ред. и . - 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1986. – 543с. , Пластичность и ползучесть элементов конструкций при повторных нагружениях – М.: Машиностроение, 198с. Работнов элементов конструкций. – М.: Наука, 196с.Статьи
Гольденблат, . Прочность стеклопластиков при сложном напряженном состоянии.// Механика полимеров, 1965. - N 2. Анализ разрушения композитов // Неупругие свойства композиционных материалов / Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - С. Е. М. Прочность и разрушение композитов.// Композиционные материалы / Ред. Л. Браутман и Р. Крок. - Т.5: Разрушение и усталость/ Под ред. Л. Браутмана/ Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - С. 206-266. Течение и потеря несущей способности композитов в условиях двухосного напряженного состояния: сопоставление расчета и экспериментальных данных// Неупругие свойства композиционных материалов/ Ред. К. Геракович/ Пер. с англ.; Под ред. . - М.: Мир, 1978. , Механика разрушения волокнистых композитов // Разрушение / Ред. Г. Либовиц. - Т.7: Разрушение неметаллов и композитных материалов: Ч.1: Неорганические материалы / Под ред. / Пер. с англ. - М.: Мир, 1976. Расчет на прочность элементов конструкций из неупругого поликристаллического материала с трещинами // Прочность машин и аппаратов при переменных нагружениях: Тематический сборник научных трудов. - Челябинск: ЧГТУ, 1991. - С. 75-81. Ограничения в применении подходов механики разрушения к композитам // Серия Механика. Т.16. Неупругие свойства композиционных материалов. - М.: Мир, 1978. - С. 221-248. Анализ разрушения композитов // Неупругие свойства композиционных материалов / Пер. с англ. - М.: Мир, 1978.УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
, Прочность композитных материалов при плоском напряженном состоянии. Учебное пособие. - Челябинск: ЧГТУс.