Stanisław OCHELSKI, Paweł BOGUSZ
Wojskowa Akademia Techniczna
Wydział Mechaniczny
E-mail: sochelski@tlen.pl;
pbogusz@wat.edu.pl
WPŁYW WYPEŁNIENIA RUREK KOMPOZYTOWYCH
ELASTOMERAMI O RÓśNEJ TWARDOŚCI NA WARTOŚĆ
ENERGII ABOSORBOWANEJ
Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badań doświadczalnych elastomerów
o twardościach: 40; 60; 70 i 90 w stopniach określonych metodą Shore’a w skali A.
Z prób rozciągania i ściskania elastomerów, określono napręŜenia przy odkształceniach
ε
= 0,2; 0,3 i 0,5 oraz określono stałe spręŜystości. Natomiast z badań przy zmiennych
wymuszeniach dynamicznych, o częstotliwości: 0,01; 0,1; 1,0 i 3,0 Hz otrzymano
zaleŜności siły i odkształceń od czasu, z których określono pętlę histerezy [σ(ε)].
Z badań określono teŜ zaleŜności od twardości elastomeru i częstotliwości zmian
obciąŜenia oraz zmiany modułu zespolonego i modułu zachowawczego oraz modułu
rozproszenia. Określono teŜ wraŜliwości badanych elastomerów na prędkość
obciąŜenia. Z badań energochłonnych próbek w postaci kompozytowych rurek
wypełnionych elastomerami, określono wpływ na energię absorbowaną stopnia
wypełnienia rurek i twardości elastomerów.
THE INFLUENECE OF ELASTOMER FILLING WITH DIFFERENT
HARDNESS OF THE COMPOSITE TUBES ON THE ABSORBED ENERGY
Summary. In this paper, elastomers with different hardness factors were examined.
The following hardness numbers, measured in Shore A hardness scale, were
investigated: 40; 60; 70 and 90º. Basic mechanical tests i.e. axial tension and axial
compression have been performed in order to calculate elastic properties and stress
values corresponding to the fixed strains: ε = 0,2; 0,3 and 0,5. Dynamic load tests with
loading frequencies 0,01; 0,1; 1,0 and 3,0Hz were performed to determine the hysteresis
loop and to obtain force and displacement dependences in time. From those results the
following factors were calculated: relative damping coefficient and mechanical loss
angle, as well as their dependence on load frequencies. The influence of hardness on
both in-phase and out-of-phase components of the normal modulus were investigated.
The sensitivity of the examined elastomers to the loading rate was also investigated.
From the energy absorbing tests of composite tubes filled with elastomers, the influence
Wpływ wypełnienia rurek kompozytowych ...
243
of the elastomer hardness and the filling degree on Energy Absorption factor (EA)
was evaluated.
1. WSTĘP
Elastomery wykazują stan wysokoelastyczny, szczególnie, gdy mają twardość rzędu
40ºShA i podczas rozciągania niszczą się przy odkształceniach większych od 200%.
W pracy [1] podano, Ŝe elastomery mimo łańcuchowej budowy są materiałem jednorodnym
(największy wymiar łańcucha wynosi 1 µm). Dalej, w pracy tej zakłada się, Ŝe elastomery
są materiałami izotropowymi i współczynnik Poissona wynosi 0,5. Badania własne wykazały,
Ŝ
e wraz ze wzrostem twardości elastomerów współczynnik ten nieznacznie się zmniejsza.
W tej pracy przedstawiono molekularną strukturę gumy, która jest elastomerem. Opisano
podstawowe właściwości fizykomechaniczne gumy, metody badań w róŜnych stanach
obciąŜeń statycznych i dynamicznych. Tłumienie drgań mechanicznych opisano w pracy
[2], natomiast metody badań właściwości mechanicznych opisano w pracy [3]. Obszerne dane
dotyczące gumy przedstawiono w pracy [4]. Do badań właściwości mechanicznych
elastomerów wykorzystano normy [6 – 13]. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki
doświadczalnych badań wpływu wypełnienia rurek elastomerami na zdolność pochłaniania
energii uderzenia. Próbki w kształcie rurek wykonanych z kompozytu epoksydowego
wzmocnionego tkaninami z włókien węglowych i szklanych wypełniano elastomerami
o twardościach: 40, 60, 70 i 90 stopni Shore
,
a w skali A. Przeprowadzone badania mają
wykazać, jakie efekty powoduje wypełnienie elastomerami elementu energochłonnego
w postaci rurek oraz określić wpływ twardości elastomeru na zdolność pochłaniania energii.
Określono teŜ właściwości mechaniczne przyjętych do badań elastomerów, a w szczególności
stałe spręŜystości i wytrzymałość przy rozciąganiu i ściskaniu, oraz właściwości tłumiące
w zaleŜności od częstotliwości zmian obciąŜenia.
2. PRZEDMIOT BADAŃ
Przedmiotem badań właściwości mechanicznych były próbki wykonane z elastomerów
o twardościach w ºShA: 40; 60; 70; 90. Elastomery wytworzone były przez Spółdzielczy
Ośrodek Technologii Gumy w Szczecinie z kauczuku nitrylowego, stearyny, bieli cynkowej,
ś
rodka przeciwstarzeniowego, sadzy, zmiękczacza, siarki i przyspieszacza organicznego.
244
S. Ochelski, P. Bogusz
Przyjęty do badań kształt próbek był nieco inny od zalecanych przez PN, poniewaŜ
pomiar duŜych odkształceń odbywał się za pomocą kamery wykonującej 100 tysięcy zdjęć
na sekundę. Kształty próbek przyjętych do badań przedstawiono na rysunku 1.
b)
10
10
20
A
C
B
D
a)
10
10
280
A
C
B
D
l
0
c)
160
100
10
A
C
B
D
l
0
Rys. 1. Kształty i wymiary próbek przyjętych do badań: a) na statyczne rozciąganie, b) na ściskanie,
c) do obciąŜeń okresowo zmiennych o cyklu symetrycznym
Fig. 1. The shapes of the examined specimens: a) tension test, b) compression test,
c) symmetric changing load test
Przyjęty do badań energochłonnych kształt próbek przedstawiono na rysunku 2.
Do wytworzenia próbek przyjęto na osnowę Ŝywicę epoksydową E-53 i włókna, w postaci
tkaniny szklanej rowingowej o gramaturze 350 g/m
2
marki STR-012-350-110, oraz tkaniny
węglowej marki TENAX HTA. Badaniom poddano próbki w postaci rurek o średnicach
wewnętrznych ø40 mm oraz długości 50 mm. Grubości ścianek rurek wynosiły: 1,0; 1,5; 2,0;
2,5; 3,0 i 4,0 mm, w celu zbadania wpływu grubości na mechanizm niszczenia i wartość
energii absorbowanej (EA). Wytwarzania próbek w kształcie rurek z kompozytu C/E i S/E
metodą laminowania ręcznego, opisaną w pracy [5].
Rys. 2. Kształt próbek zastosowanych w badaniach energochłonnych kompozytów wypełnionych
elastomerami
Fig. 2. The shape of the specimens filled with elastomers used in the energy absorbing tests
Badania doświadczalne były prowadzone na standardowej maszynie wytrzymałościowej
Instron 8802, w temperaturze 20ºC i wilgotności 60%. Do prób rozciągania i ściskania próbek
przedstawionych na rysunku 1 a) i b) wstawiono pomiędzy uchwyty maszyny Instron
siłomierz o zakresie pomiarowym 1 kN, w celu zwiększenia dokładności pomiaru siły –
rysunek 3. Badania statyczne prowadzono przy prędkości obciąŜenia (prędkości trawersy
Wpływ wypełnienia rurek kompozytowych ...
245
maszyny) równej 200 mm/min. Odkształcenia w zaleŜnościach siły od odkształceń
były określone dwoma sposobami: z przemieszczeń rejestrowanych przez kamerę pomiędzy
punktami AB i CD (rysunek 1) i zapisane automatycznie w komputerze maszyny.
Z wyników prób statycznego rozciągania i ściskania określono napręŜenia umowne
i rzeczywiste odpowiednio ze wzorów:
0
A
P
u
=
σ
,
(1)
x
rz
A
P
=
σ
,
(2)
gdzie:
P – siła rozciągająca lub ściskająca,
A
0
– początkowe pole przekroju poprzecznego próbki,
A
x
–pole przekroju poprzecznego próbki przy określonym wydłuŜeniu lub skróceniu.
Współczynnik Poissona określono metodą przedstawioną w normie PN-78/C-01604,
ze wzoru:
∂
∂
−
=
ε
ν
V
V
1
1
2
1
,
(3)
gdzie:
V – objętość próbki w m
3
,
ε
– odkształcenia.
PoniewaŜ elastomery są materiałami izotropowymi, moduł spręŜystości poprzecznej
określono ze wzoru:
(
)
ν
+
=
1
2
1
E
G
.
(4)
Moduł spręŜystości wzdłuŜnej przyjęto z badań okresowo zmiennych obciąŜeń.
E
1
przyjęto, jako część rzeczywistą modułu zespolonego, czyli moduł zachowawczy.
Do określenia rozproszenia energii, w badaniach obciąŜeń okresowo zmiennych
wykorzystano
dwie
równorzędne
metody.
Wyznaczono
współczynnik
stratności
mechanicznej (tg
φ
) i współczynnik rozproszenia energii (ψ). Współczynnik stratności
mechanicznej jest tangensem kąta przesunięcia fazowego (tg
φ
). Metodę określenia
kąta φ przedstawiono na rysunku 4.
246
S. Ochelski, P. Bogusz
Rys. 3. Zdjęcie urządzenia zamontowanego na maszynie wytrzymałościowej INSTRON przy
rozciąganiu i ściskaniu: 1 – głowice maszyny wytrzymałościowej; 2 – siłomierz do 1 kN;
3 – rewersor; 4 – próbka na ściskanie
Fig. 3. The picture shows the testing machine with the additional force indicator: 1 – test machine
heads; 2 – force gauge 1kN; 3 – reverse; 4 – a compressed specimen
Rys. 4. Wykres zmian napręŜeń i odkształceń w czasie
Fig. 4. The diagram of stress and strain in time dependence
Odpowiednie oznaczenia na rysunku 4 to:
σ
0
, ε
0
– amplitudy odkształceń i napręŜeń; φ – kąt opóźnienia fazowego; ω = 2πf;
f – częstotliwość; t
φ
– czas opóźnienia fazowego.
E
2
E
1
E
φ
Wpływ wypełnienia rurek kompozytowych ...
247
Moduł zespolony rozkłada się na składowe E1 i E2, gdzie:
ϕ
ε
σ
cos
0
0
1
=
E
– część rzeczywista modułu (moduł zachowawczy),
ϕ
ε
σ
sin
0
0
2
=
E
– część urojona modułu (moduł rozproszenia).
Współczynnik rozproszenia energii jest określany jako:
ob
od
ob
L
L
L
w
w
−
=
=
1
2
ψ
,
(5)
gdzie:
w
2
– energia rozproszona, czyli energia dyssypacji jednego cyklu obciąŜeń,
w
1
- energia odkształcenia spręŜystego.
Energie w
2
i w
1
określa się z pętli histerezy: L
ob
– praca obciąŜenia, L
od
– praca
odciąŜenia. Prace te określa się ze wzorów:
∫
=
l
obc
obc
dl
P
L
0
,
(6)
∫
=
l
odc
odc
dl
P
L
0
.
(7)
P
l
krzywa
obciąŜenia
krzywa
odciąŜenia
Rys. 5. Pętla histerezy we współrzędnych siła – przemieszczenie przesunięta do dodatniej
ć
wiartki układu współrzędnych
Fig. 5. The hysteresis loop for a symmetric load cycle adjusted to the first quarter of the
coordinate system for L
obc
and L
odc
calculations
Pętla histerezy przedstawiona na rys. 5 została przesunięta, w taki sposób, Ŝe jej koniec
znajduje się w początku układu współrzędnych.
Pomiędzy współczynnikiem rozproszenia energii, a współczynnikiem stratności
mechanicznej istnieje zaleŜność:
ϕ
π
ψ
tg
⋅
=
2
.
(8)
248
S. Ochelski, P. Bogusz
3. WYNIKI BADAŃ
Wyniki badań właściwości mechanicznych z badań elastomerów o róŜnych twardościach,
przedstawiono w tabeli 1 i na rysunkach 6÷10. Ze statycznych badań rozciągania i ściskania
określono napręŜenia w zaleŜności od odkształceń oraz stałe spręŜystości. Natomiast z prób
przy obciąŜeniach okresowo zmiennych określono właściwości tłumiące badanych
elastomerów w postaci współczynnika rozproszenia energii i współczynnika stratności
mechanicznej.
Tabela 1
Właściwości mechaniczne określone w badaniach elastomerów
Twardość w ºShA
Lp.
Wielkości określone w
badaniach
40
60
70
90
Częstotliwość
w Hz
1
Wytrzymałość na
rozciąganie (R
r
) [MPa]
1,95
(ε=2,5)
7,8
(ε=2,5)
9,0 (ε=2,5)
12,7
-
2
Umowna wytrzymałość na
ś
ciskanie (R
c
) [MPa]
2,5
(ε=0,5)
4,5
(ε=0,5)
6,0
(ε=0,5)
14,6
(ε=0,5)
-
3
Moduł zachowawczy (E
1
)
[MPa]
21,4
28,5
36,6
73,5
-
4
Moduł rozproszenia (E
2
)
[MPa]
0,783
1,18
1,92
3,7
-
5
Moduł spręŜystości
poprzecznej (G) [MPa]
7,13
9,5
12,2
24,5
-
6
Współczynnik Poissona (ν)
0,493
0,497
0,498
0,498
-
0,24
0,26
0,34
0,35
0,01
0,23
0,26
0,33
0,316
0,1
0,206
0,142
0,32
0,302
1,0
7
Współczynnik
rozproszenia energii (ψ)
0,2
0,108
0,28
0,292
3,0
0,0382
0,0414
0,054
0,056
0,01
0,0366
0,0414
0,0525
0,0503
0,1
0,0328
0,0226
0,0509
0,048
1,0
8
Współczynnik stratności
mechanicznej (tg
φ
)
0,0318
0,0172
0,0446
0,046
3,0
Na rysunkach 6 i 7 przedstawiono wykresy, średnie z trzech prób, zaleŜności napręŜeń
umownych
od
odkształceń
dla
róŜnych
twardości
elastomerów;
odpowiednio
przy rozciąganiu oraz przy ściskaniu. Krzywą rozciągania moŜna opisać, jako parabolę
wypukłą, natomiast przy ściskaniu otrzymano parabolę wklęsłą. Na rysunku 9 przykładowo
przedstawiono jedną z szesnastu zaleŜności (były określone dla 4 róŜnych twardości
i 4 częstotliwości) napręŜeń od czasu dla częstotliwości 0,1 Hz, przy amplitudzie odkształceń
równej 30% i twardości elastomeru 60º ShA. Początek pętli histerezy został przesunięty
do początku układu współrzędnych dla uproszczenia obliczeń.
PoniewaŜ próbki były rozciągane, ze względu na ograniczony ruch trawersy maszyny
wytrzymałościowej, podano w tabeli napręŜenia przy odkształceniach 250%.
Wpływ wypełnienia rurek kompozytowych ...
249
ZaleŜność umownych napręŜeń od prędkości odkształceń wyznaczono z pierwszej
ć
wiartki wykresów ε(t) i P(t) dla róŜnej częstotliwości i róŜnej twardości elastomeru.
Przy odkształceniach 30%, przemieszczenie wynosiło 6 mm i odbywało się w czasie
wynikającym z częstotliwości zmian obciąŜenia. Wyniki przeliczeń przedstawiono
na rysunku 12.
Rys. 6. ZaleŜność napręŜeń od odkształceń elastomerów przy rozciąganiu
Fig. 6.
The dependence engineering stress – strain under tension load for the examined elastomers
Rys. 7. ZaleŜność napręŜeń od odkształceń elastomerów przy ściskaniu
Fig. 7. The dependence stress – strain under compression load for the examined elastomers
Wyniki badań energochłonnych próbek w postaci rurek wykonanych z tkaniny węglowej
w osnowie z Ŝywicy epoksydowej (C/E) oraz z tkaniny szklanej w osnowie z Ŝywicy
epoksydowej (S/E), o róŜnym stopniu wypełnienia elastomerami o róŜnej twardości przyjęto
jako średnie z trzech prób i zestawiono je w tabeli 2. Na rysunkach 13÷20 przedstawiono
przykładowo kilka próbek o róŜnym składzie. Wypełnione rurki o róŜnej grubości ścianek
były badane na maszynie INSTRON 8802, przy obciąŜeniach quasi–statycznych z prędkością
ruchu trawersy maszyny wytrzymałościowej równą 40 mm/minutę. Stopień wypełnienia
elastomerami próbek jest określony przez procentowe wypełnienie wewnętrznej objętości
rurki przez elastomer o róŜnej wielkości perforacji (zmienną jest liczba i średnica otworów
wykonanych w elastomerach).
250
S. Ochelski, P. Bogusz
Rys. 8. ZaleŜność napręŜeń od czasu dla częstotliwości 0,1 Hz, przy amplitudzie odkształceń 30%
i twardości elastomeru 60º ShA
Fig. 8. The time function of actual stress and strain for frequency 0,1Hz, amplitude 30%
and elastomer hardness 60º ShA
Rys. 9. Pętla histerezy określona z danych przedstawionych na rysunku 8
Fig. 9. The hysteresis loop for the same data as in Fig. 8
a)
b)
c)
Rys. 10. Zdjęcia
próbek
podczas
badania:
a)
przy
rozciąganiu,
b)
przy
ś
ciskaniu,
c) przy obciąŜeniach zmiennych
Fig. 10. The pictures of the specimens during tests: a) tension, b) compression, c) changing load
Wpływ wypełnienia rurek kompozytowych ...
251
Rys. 11. ZaleŜność właściwości mechanicznych od twardości elastomeru: 1 – wzdłuŜny moduł
spręŜystości, 2 – moduł spręŜystości poprzecznej, 3 – wytrzymałość na rozciąganie,
4 – wytrzymałość na ściskanie dla odkształceń ε = 0,5
Fig. 11. The influence of hardness on elastomer mechanical properties: 1 – elastic modulus,
2 – shear modulus, 3 – tensile strength, 4 – compression strength for strains ε = 0,5
Rys. 12. ZaleŜności napręŜeń umownych od prędkości odkształceń badanych elastomerów
Fig. 12. The dependence of actual stress on load ratio for the examined hardness factors
Rys. 13. ZaleŜność siła przemieszczenie próbki C/E o grubości ścianki 3,0 mm, 70,5% wypełnienia
elastomerem o twardości 40º
Fig. 13. The load – displacement dependence for the carbon/epoxy specimen of 3 mm wall thickness
and 70,5% of ShA 40º elastomer filling
252
S. Ochelski, P. Bogusz
Tabela 2
Wyniki badań energochłonnych rurek S/E i C/E wypełnionych elastomerami
G
ru
b
o
ść
śc
ia
n
k
i
ru
rk
i
S
to
p
ie
ń
w
y
p
eł
n
ie
n
ia
S
ił
a
m
ak
sy
m
al
n
a
S
k
ró
ce
n
ie
p
ró
b
k
i
T
w
ar
d
o
ść
el
as
to
m
er
u
E
A
R
o
d
za
j
k
o
m
p
o
zy
tu
G
ru
b
o
ść
śc
ia
n
k
i
ru
rk
i
S
to
p
ie
ń
w
y
p
eł
n
ie
n
ia
S
ił
a
m
ak
sy
m
al
n
a
S
k
ró
ce
n
ie
p
ró
b
k
i
T
w
ar
d
o
ść
el
as
to
m
er
u
E
A
R
o
d
za
j
k
o
m
p
o
zy
tu
[mm]
[%]
[kN]
[mm]
[ºShA]
[kJ]
[mm]
[%]
[kN]
[mm] [ºShA]
[kJ]
C/E
1
100
30,3
3,6
40
0,05
C/E
2
100
74,9
4,3
70
0,14
C/E
1
73,4
22,0
11,1
40
0,19
C/E
2
73,4
53,4
13,1
70
0,51
C/E
1
70,5
25,9
14,2
40
0,25
C/E
2
70,5
53,5
14,1
70
0,55
C/E
1
65,2
20,7
17,7
40
0,30
C/E
2
65,2
51,1
16,2
70
0,60
C/E
1
58,9
19,9
20,1
40
0,33
C/E
2
58,9
43,1
19,5
70
0,72
C/E
1
48,5
19,6
28,1
40
0,44
C/E
2
48,5
46,4
26,6
70
0,88
C/E
1
36,8
15,9
30,0
40
0,42
C/E
2
36,8
38,9
30,0
70
0,97
C/E
1
0
15,93
30,0
brak
0,41
C/E
2
100
68,0
2,6
90
0,16
C/E
1
100
30,3
3,4
60
0,04
C/E
2
65,2
67,8
15,0
90
0,61
C/E
1
73,4
27,4
10,9
60
0,22
C/E
2
58,9
63,7
18,1
90
0,75
C/E
1
70,5
26,6
15,0
60
0,30
C/E
2
36,8
47,6
19,6
90
0,73
C/E
1
48,5
21,4
22,0
60
0,41
C/E
C/E
1
36,8
19,2
29,6
60
0,47
C/E
3
100
82,7
4,0
40
0,07
C/E
1
100
36,2
4,4
70
0,08
C/E
3
73,4
93,5
8,9
40
0,44
C/E
1
65,2
26,6
14,5
70
0,29
C/E
3
70,5
93,2
12,4
40
0,59
C/E
1
58,9
22,3
18,8
70
0,35
C/E
3
65,2
87,9
17,7
40
0,85
C/E
1
48,5
19,6
22,0
70
0,37
C/E
3
65,2
87,6
17,5
40
0,87
C/E
1
36,8
17,8
30,0
70
0,47
C/E
3
58,9
80,7
21,7
40
1,13
C/E
1
100
49,4
3,2
90
0,08
C/E
3
36,8
70,7
28,2
40
1,17
C/E
1
65,2
30,1
13,7
90
0,29
C/E
3
0
49,9
30,0
brak
1,11
C/E
1
58,9
26,8
15,1
90
0,31
C/E
3
100
113,4
2,3
60
0,12
C/E
1
36,8
19,9
14,3
90
0,23
C/E
3
73,4
94,8
9,6
60
0,49
C/E
3
70,5
90,0
12,3
60
0,63
C/E
2
100
68,0
4,6
40
0,41
C/E
3
65,2
68,7
17,4
60
0,83
C/E
2
73,4
62,2
10,5
40
0,16
C/E
3
58,9
70,4
22,6
60
1,06
C/E
2
70,5
60,1
12,4
40
0,38
C/E
3
48,5
71,6
26,8
60
1,27
C/E
2
65,2
60,9
17,6
40
0,46
C/E
3
36,8
63,0
29,9
60
1,33
C/E
2
58,9
55,9
23,0
40
0,65
C/E
3
100
120,0
2,4
70
0,18
C/E
2
48,5
64,8
26,8
40
0,76
C/E
3
73,4
83,1
10,8
70
0,59
C/E
2
36,8
54,6
29,2
40
0,91
C/E
3
70,5
77,5
12,6
70
0,62
C/E
2
0
32,94
30,0
brak
0,94
C/E
3
65,2
79,8
19,0
70
0,93
C/E
2
100
84,6
3,4
60
C/E
3
58,9
63,1
23,2
70
1,18
C/E
2
73,4
55,0
10,9
60
0,09
C/E
3
48,5
67,8
26,1
70
1,27
C/E
2
70,5
53,5
14,7
60
0,39
C/E
3
36,8
66,0
30,0
70
1,47
C/E
2
65,2
46,1
17,3
60
0,54
C/E
3
100
124,3
2,6
90
0,13
C/E
2
58,9
46,1
25,6
60
0,57
C/E
3
73,4
84,4
7,8
90
0,47
C/E
2
48,5
44,0
26,4
60
0,70
C/E
3
70,5
87,8
11,8
90
0,72
C/E
2
36,8
40,2
30,0
60
0,90
C/E
3
65,2
75,6
15,8
90
0,80
0,96
C/E
3
36,8
53,6
13,0
90
0,84
Wpływ wypełnienia rurek kompozytowych ...
253
cd.Tabeli 2
G
ru
b
o
ść
śc
ia
n
k
i
ru
rk
i
S
to
p
ie
ń
w
y
p
eł
n
ie
n
ia
S
ił
a
m
ak
sy
m
al
n
a
S
k
ró
ce
n
ie
p
ró
b
k
i
T
w
ar
d
o
ść
el
as
to
m
er
u
E
A
R
o
d
za
j
k
o
m
p
o
zy
tu
G
ru
b
o
ść
śc
ia
n
k
i
ru
rk
i
S
to
p
ie
ń
w
y
p
eł
n
ie
n
ia
S
ił
a
m
ak
sy
m
al
n
a
S
k
ró
ce
n
ie
p
ró
b
k
i
T
w
ar
d
o
ść
el
as
to
m
er
u
E
A
R
o
d
za
j
k
o
m
p
o
zy
tu
[mm]
[%]
[kN]
[mm]
[ºShA]
[kJ]
[mm]
[%]
[kN]
[mm] [ºShA]
[kJ]
S/E
2
100
62,0
4,3
40
0,12
S/E
2
100
58,9
0,14
70
0,14
S/E
2
73,4
55,0
11,1
40
0,34
S/E
2
73,4
56,0
0,50
70
0,50
S/E
2
70,5
57,1
14,6
40
0,45
S/E
2
70,5
55,5
0,47
70
0,47
S/E
2
65,2
58,3
18,2
40
0,57
S/E
2
65,2
54,3
0,60
70
0,60
S/E
2
58,9
43,4
20,8
40
0,63
S/E
2
58,9
48,6
0,69
70
0,69
S/E
2
48,5
53,9
26,6
40
0,84
S/E
2
48,5
48,0
0,85
70
0,85
S/E
2
36,8
53,8
28,7
40
0,83
S/E
2
36,8
39,7
0,84
70
0,84
S/E
2
0
27,3
30,0
brak
0,68
S/E
2
100
60,2
2,6
90
0,14
S/E
2
100
55,1
2,3
60
0,06
S/E
2
65,2
60,7
15,6
90
0,67
S/E
2
73,4
53,0
10,9
60
0,36
S/E
2
58,9
60,4
17,5
90
0,67
S/E
2
70,5
54,5
15,3
60
0,50
S/E
2
48,5
39,8
18,7
90
0,65
S/E
2
65,2
57,3
18,2
60
0,62
S/E
2
36,8
46,1
17,3
90
0,60
S/E
2
58,9
43,4
20,8
60
0,63
S/E
2
48,5
53,9
26,6
60
0,84
S/E
2
36,8
40,9
30,0
60
0,85
Rys. 14. ZaleŜność siła – przemieszczenie dla próbki S/E o grubości ścianki 2,0 mm,
65,2% wypełnienia elastomerem o twardości 40ºShA
Fig. 14. The load – displacement dependence for the glass/epoxy specimen of 2 mm wall thickness
and 65,2% of ShA 40º elastomer filling
Oznaczenia na rysunkach 13, 14 oraz 17 opisują punkty charakterystyczne wykresów.
Fragment krzywej od początku układu współrzędnych do punktu A (odcinek 0A)
odzwierciedla niszczenie progresywne próbki. Odcinek AB przedstawia katastroficzne
pęknięcie rurki kompozytowej wzdłuŜ jej wysokości (przedstawione na zbliŜeniu
rysunku 14), któremu towarzyszy nagły spadek siły niszczącej. Odcinek BC przedstawia
ś
ciskanie elastomeru oraz fragmentów pękniętej rurki.
254
S. Ochelski, P. Bogusz
Rys. 15. ZaleŜność siły niszczącej od przemieszczenia kompozytów C/E wypełnionych elastomerem
o twardości 40º ShA, dla róŜnego stopnia wypełnienia. Grubość ścianek rurek 2mm. Znak
„x” – niszczenie gwałtowne rurek
Fig. 15. The load – displacement dependence of carbon/epoxy tubes filled with 40º ShA elastomers,
for investigated filling degrees. Wall thickness – 2 mm. The sign „x” corresponds to
catastrophic crush of the specimen
Rys. 16. ZaleŜność siły niszczącej od przemieszczenia kompozytów S/E wypełnionych elastomerem
o twardości 40º ShA, dla róŜnego stopnia wypełnienia. Grubość ścianek rurek 2 mm. Znak
„x” – niszczenie gwałtowne rurek
Fig. 16. The load – displacement dependence of glass/epoxy tubes filled with 40º ShA elastomers, for
investigated filling degrees. Wall thickness – 2 mm. The sign „x” corresponds to catastrophic
crush of the specimen
Rys. 17. ZaleŜność siły od przemieszczenia rurek C/E, o grubości ścianki 3 mm, wypełnionych
elastomerem o twardości 90º i stopniu wypełnienia 100 oraz 73,4%
Fig. 17. The load-displacement dependence for 3 mm carbon/epoxy tubes filled with 90º ShA
elastomers of 100 and 73,4% filling degree
Wpływ wypełnienia rurek kompozytowych ...
255
Rys. 18. Wpływ stopnia i twardości wypełnienia na EA rurek wykonanych z kompozytów C/E
o grubości ścianki 2 mm
Fig. 18. The influence of the hardness and filling degree on the EA for carbon/epoxy composites of
2 mm wall thickness
Rys. 19. Wpływ stopnia wypełnienia rurki i jej grubości na EA dla twardości 60º ShA
Fig. 19. The influence of the filling degree and the wall thickness on EA for 60º ShA hardness
Rys. 20. Porównanie EA wypełnionych rurek kompozytowych z C/E i S/E przy róŜnym stopniu
wypełnienia elastomerami o twardości ShA 40º i grubościach ścianek rurek 2 mm
Fig. 20. The EA comparison of C/E and S/E specimens at a different degree of filling with elastomers
of 40º ShA hardness and at 2 mm wall thickness
256
S. Ochelski, P. Bogusz
Z przedstawionych wyników badań zamieszczonych w tabeli 2 i na rysunkach 13÷20
moŜna stwierdzić, Ŝe wypełnienie rurek z kompozytów C/E i S/E elastomerami o róŜnej
twardości powoduje wzrost siły niszczącej (dla C/E średnio o 22%). Wraz ze wzrostem
stopnia wypełnienia rurek bardzo maleją przemieszczenia niszczące próbki, co bezpośrednio
wpływa na spadek wartości EA (rys. 19 i 20).
Rurki wypełnione elastomerami wykonane z kompozytu C/E wykazują większe EA
niŜ analogiczne rurki wykonane z kompozytu S/E poniewaŜ wytrzymałość na ściskanie
kompozytu C/E jest znacznie większa. Efekt ten wykazały badania rurek C/E i S/E o równej
grubości ścianki (rys. 20). Natomiast na wielkość EA elastomery wypełniające rurki,
o róŜnych twardościach (40, 60, 70 i 90 stopni ShA), wywierały nieznaczny wpływ – rys. 18.
Wpływ grubości ścianki rurki kompozytów polimerowych na EA jest rosnący
dla wszystkich badanych przypadków stopnia wypełnienia rurek i twardości elastomeru.
Efekt ten spowodowany jest niszczeniem próbek przez zginanie warstw, a wytrzymałość
na zginanie zaleŜy od grubości w potędze drugiej. Przedstawione na rysunku 18 punkty
oznaczają wyniki doświadczalne, natomiast linie ciągłe powstały w wyniku opisania punktów
wielomianami
trzeciego
stopnia
otrzymanymi
metodą najmniejszych kwadratów.
Aproksymacje zaleŜności stopnia wypełnienia na wartość zaabsorbowanej energii wykazują,
Ŝ
e EA rośnie do stopnia wypełnienia około 22%, natomiast powyŜej 22% EA znacznie
maleje. Przyczyną tego efektu są napręŜenia obwodowe, wywołane przez ściskanie
nieściśliwego elastomeru, który zwiększa ciśnienie wypełniacza wywierane na ścianki rurki.
NapręŜenia obwodowe dominują w niszczeniu próbek, co uwidocznione jest na rysunku 14.
4. WNIOSKI
1. Wpływ rodzaju kompozytu (C/E, S/E) rurek wypełnionych na EA jest nieznaczny.
Wypełnione elastomerami rurki wykonane z kompozytów C/E wykazały większe EA
od rurek wykonanych z kompozytu S/E, dla tych samych stopni wypełnienia. Wpływ
rodzaju kompozytu na EA jest podobny jak dla rurek niewypełnionych.
2. Wpływ grubości ścianki rurek wypełnionych na EA jest znaczny. Dla przyjętych
do badań próbek o średnicy 40 mm wykonanych z kompozytu C/E i S/E średni wzrost
EA wynosi 126%, przy wzroście grubości ścianki rurki od 1 do 4 mm. Wpływ
grubości ścianki rurki na EA jest podobny jak w przypadku próbek niewypełnionych.
3. Wypełnienie rurek elastomerami powoduje róŜne efekty, w zaleŜności od stopnia
wypełnienia rurki. Wyniki badań wykazują, Ŝe EA rośnie do stopnia wypełnienia
około 22%, natomiast powyŜej tej wielkości znacznie maleje EA, co uwidoczniły
przykładowe wyniki badań przedstawione na rysunku 18.
Wpływ wypełnienia rurek kompozytowych ...
257
4. Wraz ze wzrostem twardości elastomeru znacznie wzrasta jego wytrzymałość
na rozciąganie i ściskanie (rysunki 6 i 7), a takŜe wzrastają moduły spręŜystości
wzdłuŜny zachowawczy (E
1
) i poprzeczny (G). Natomiast od twardości nieznacznie
zaleŜy współczynnik Poissona, który do obliczeń dla badanych twardości elastomeru
moŜna przyjąć ν = 0,5. Wyniki badań energochłonnych wykazały, Ŝe wpływ twardości
na EA jest nieznaczny (rys. 18).
BIBLIOGRAFIA
1. Pękalak M., Radkowski S.: Gumowe elementy spręŜyste, PWN, Warszawa 1989,
str. 143.
2. Osiński Z.: Sprzęgła i hamulce, PWN, Warszawa 1985.
3. Krawczuk A. S., Majboroda V. J., UŜuncew U. S.: Mechanika polimerowych
i kompozytowych materiałów, Nauka, Moskwa 1985.
4. Praca zbiorowa: Guma. Poradnik inŜyniera i technika, WNT, Warszawa 1981.
5. Gotowicki P.,: Wytwarzanie próbek do badań właściwości mechanicznych
z kompozytów polimerowych, VII Konferencja Naukowo-Techniczna „Polimery
i Kompozyty Konstrukcyjne”, Istebna 2006.
6. Norma PN-ISO 37: Guma i kauczuk termoplastyczny – Oznaczenie właściwości
wytrzymałościowych przy rozciąganiu.
7. Norma PN-54/C-04253: Guma – Oznaczenie odkształcenia przy ściskaniu.
8. Norma PN-80/C-04290: Guma – Oznaczenie trwałego odkształcenia przy ściskaniu.
9. Norma PN-92/C-04251: Guma wulkanizowana lub termoplastyczna – Oznaczenie
trwałego wydłuŜenia względnego w powietrzu o normalnej i podwyŜszonej temperaturze.
10. Norma PN-87/C-04289: Guma – Oznaczenie tłumienia względnego w warunkach
napręŜeń ściskających.
11. Norma PN-78/C-1604: Guma – Terminologia właściwości dynamicznych.
12. Norma
PN-61/C-04218:
Guma
–
Oznaczanie
wytrzymałości
zmęczeniowej
przy obciąŜeniu okresowo zmiennym.
13. Norma PN-78/C-04338: Guma – Oznaczenie odporności na wielokrotne rozciąganie.