JUSTIFICATION OF USING MULTILAYER COMPOSITE MATERIALS IN SHIPBUILDING
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
(Postgraduate Student of the Department of Shipbuilding and Power Complexes of Marine Engineering Equipment)
Russian Federation
Russian Federation
2.
Astrakhan State Technical University
(Candidate of Technical Sciences; Àssistant Professor of the Department of Shipbuilding and Power Complexes of Marine Engineering Equipment)
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 37
to 47
Status:
Published
Received:
20.05.2019
Accepted:
25.05.2019
Published:
25.05.2019
Subject area:
UDK 629.12
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
shipbuilding, polymer composite materials, fiberglass, mechanical properties, tensile test, ultimate stress
Abstract (English):
The development of modern shipbuilding requires using new structural materials, superior to traditional ones. Polymeric composite materials are among the most promising. The article studies the mechanical properties of multilayer polymer composite materials made of glass fabrics under tension and the effect of the number of layers of glass mat on the tensile strength of the material. The technology of manufacturing samples from polymer composites reinforced with fiberglass plastic is being considered. The size and shape of the samples, the technological parameters of the manufacturing process, which depend on standard requirements, and the technological features of the testing machine are substantiated. It has been stated that fiberglass is the cheapest and most common type of composite materials, which does not require special maintenance, the cost of maintenance of fiberglass structures being significantly lower than that of steel structures. The method of testing the tensile strength of the samples has been studied. For conducting experiments, samples of glass mat brand EMC-600-1250-E were used. According to the study results, the mathematical dependence of tensile strength on the number of layers was established, and the most important stages of statistical processing of test results were laid out using the Minitab 18.1 software package. A graph of the relationship between the number of layers and tensile strength is presented. For all the examined samples the ultimate strength will depend on the number of layers. The results of mechanical properties can be used in solving problems associated with the application of polymer composite materials in shipbuilding, for example, in manufacturing superstructures of dry cargo vessels.
The development of modern shipbuilding requires using new structural materials, superior to traditional ones. Polymeric composite materials are among the most promising. The article studies the mechanical properties of multilayer polymer composite materials made of glass fabrics under tension and the effect of the number of layers of glass mat on the tensile strength of the material. The technology of manufacturing samples from polymer composites reinforced with fiberglass plastic is being considered. The size and shape of the samples, the technological parameters of the manufacturing process, which depend on standard requirements, and the technological features of the testing machine are substantiated. It has been stated that fiberglass is the cheapest and most common type of composite materials, which does not require special maintenance, the cost of maintenance of fiberglass structures being significantly lower than that of steel structures. The method of testing the tensile strength of the samples has been studied. For conducting experiments, samples of glass mat brand EMC-600-1250-E were used. According to the study results, the mathematical dependence of tensile strength on the number of layers was established, and the most important stages of statistical processing of test results were laid out using the Minitab 18.1 software package. A graph of the relationship between the number of layers and tensile strength is presented. For all the examined samples the ultimate strength will depend on the number of layers. The results of mechanical properties can be used in solving problems associated with the application of polymer composite materials in shipbuilding, for example, in manufacturing superstructures of dry cargo vessels.
Keywords:
shipbuilding, polymer composite materials, fiberglass, mechanical properties, tensile test, ultimate stress
shipbuilding, polymer composite materials, fiberglass, mechanical properties, tensile test, ultimate stress
Введение В мировом судостроении развивается интенсивный процесс разработки отдельных конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) для использования на судах. Этот факт объясняется преимуществами данных материалов по сравнению с традиционно применяемыми материалами (сталь, алюминий, дерево). Полимерные композиционные материалы имеют хорошую прочность с малым удельным весом, что позволяет уменьшить вес изделия, также ПКМ не подвергаются коррозии и обладают высокой стойкостью против воздействия агрессивных сред [1]. Рост объёма применения ПКМ тесно связан с изменениями международных и национальных морских правил. Развитие технологии производства ПКМ и увеличение накопленного опыта в секторе ПКМ предоставили возможность внедрения в Правила Российского морского регистра судоходства 2018 г. нового раздела под названием «Конструкция и прочность судов из полимерных композиционных материалов». Правила данного раздела распространяются на водоизмещающие суда из ПКМ длиной от 15 до 70 м и на надстройки из ПКМ водоизмещающих судов с металлическим корпусом [2]. Многослойные ПКМ имеют неоднородную структуру, и на их прочность в большей степени влияют следующие факторы: - количество и порядок укладки слоёв ткани; - свойства и соотношение количеств использованных ткани и смолы; - направление волокна относительно оси воздействия нагрузок; - скорость отверждения смолы; - приемлемый метод изготовления [3]. Целью исследования настоящей работы является изучение влияния количества слоёв ткани на предел прочности при растяжении ПКМ на основании проведённых экспериментов. Материалы образцов для испытания Стеклопластик является наиболее дешёвым и распространённым типом композиционных материалов, который не требует специального обслуживания при его применении, что существенно снижает стоимость жизненного цикла конструкции. По данным фирм HDW, Kockums и др., стоимость технического обслуживания конструкций из стеклопластика в 6-10 раз ниже стоимости обслуживания таких же конструкций из стали [4]. Для изучения влияния количества слоёв на прочность ПКМ при растяжении были изготовлены 5 пластин с разным количеством слоёв (х = 3; 6; 9; 12; 15). Материал изготовленных пластин - композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами. В состав данного материала входят эмульсионный стекломат марки ЕМС-600-1250-Е, смола «Яркопол-110». Технология изготовления образцов для испытания при растяжении Для изготовления образцов используется метод контактного формования с ручной укладкой. Согласно ГОСТ 33345-2015 пластины, из которых будут вырезаны образцы, изготавливаются квадратной формы, длиной и шириной 600 мм [5]. В целях обеспечения отверждения пластин перемешивают смолы с отвердителем марки «Бутанокс М-50» (Butanox M-50), по 1-4 phr от массы смолы (phr-частей на 100 частей смолы). Оформление пластин начинается со смазки матрицы смолой, затем происходит укладка первого слоя ткани, который должен тесно закрепляться к матрице, поэтому валик пропитывают смолой с повышенным добавлением отвердителя. Через 20-25 мин происходит нанесение остальных слоёв ткани в той же последовательности (укладка ткани → пропитка смолой → прокатывание валиком для удаления воздуха). В конце оформления листа его необходимо оставить для высыхания на 48 ч при температуре окружающей среды, затем провести процесс кондиционирования не менее 16 ч при температуре 23 ± 2 °С и относительной влажности 50 ± 5 % согласно ГОСТ 12423-2013 [6]. Для исключения влияния других факторов процесс изготовления пластин производится с фиксированными значениями долей добавленных смол и отвердителя (по требованию технических нормативов изготовленного материала для каждого слоя ткани добавлено 400 см3 смолы, при этом доза отвердителя составляет 4 см3). По окончании процесса кондиционирования пластины извлекаются из матрицы и подвергаются механической обработке, к которой относятся: шлифовка поверхности, обрезка облоя (излишков стеклопластика или отвержденной полиэфирной смолы по краям листов). Обрезают пластину с каждой стороны не менее чем на 10 мм. Структура изготовленных образцов В качестве объекта исследования выбраны плоские образцы без головок. Основные размеры образцов приведены в табл. 1. Таблица 1 Конструктивные элементы образцов Параметр Значение, мм Общая длина l1 Не менее 250 Расстояние между метками, определяющими положение кромок зажимов на образце l2 170 ± 5 Расчётная длина l0 50 ± 1 Ширина головки b1 25 ± 1 Форма образцов, согласно ГОСТ 11262-2017, представлена на рис. 1 [7, 8]. Рис. 1. Форма образцов для испытания Согласно ГОСТ Р 56813-2015 [9] процесс обрезки образцов из пластинок выполняется при помощи ленточной пилы со скоростью резки не менее 915 м/мин; число зубьев на метр ленты - 400-550. Шероховатость поверхности образцов Ra должна быть не более 6,3 мкм. На рис. 2 представлены образцы для испытания. Рис. 2. Изготовленные образцы Методика испытания образцов на растяжение Для определения предела прочности при растяжении изготовленные образцы были испытаны на гидравлической универсальной машине «Амслер» типа 50 SZBDA 223. Методика испытания образцов подробно описана в ГОСТ 11262-2017 [7]. Нагружения осуществляются вдоль оси образцов растягивающей нагрузкой при фиксированной скорости перемещения захватов машины (V = 5 мм/мин). В результате испытаний определены значения силы Fmax, при которых происходит разрыв (или разрушение) образцов. Предел прочности при растяжении определяется по формуле где Fmax - разрушающая нагрузка, Н; A = b×h - площадь поперечного сечения образца, мм2 (рассчитывается после определения средних значений толщины h и ширины b образца, измеряемых в трёх плоскостях: в середине и по краям). Для каждой партии проведена серия экспериментов до получения удовлетворительных результатов создающихся образцов. В расчёте использовались результаты испытания образцов, разрушенных в рабочей части. Образцы, разрушенные вне рабочей части (в захватах машины), не учитывались, и образец исключался из дальнейшего расчёта (рис. 3). а б Рис. 3. Образцы после испытаний: а - исключенные из расчёта; б - принятые для расчёта Результаты испытания образцов на растяжение Результаты испытаний приведены в табл. 2. Для каждой партии предварительно определяется среднее арифметическое значение дисперсия S2 и среднее квадратическое отклонение S. Таблица 2 Результаты испытаний образцов на растяжение* № образца Предел прочности при растяжении Партия А-3 Партия А-6 Партия А-9 Партия А-12 Партия А-15 1 133 134 119 101 129 2 139 119 120 120 105 3 122 143 122 123 128 4 120 119 110 111 118 5 129 108 110 132 112 6 101 106 113 89 138 7 157 120 124 133 99 8 111 107 109 133 86 9 126 108 94 91 122 10 145 123 118 125 130 11 126 108 108 118 124 12 128 105 105 118 76 13 127 116 122 122 126 14 124 104 115 138 131 15 100 105 115 105 95 130,44 117,25 114,56 112,91 109,82 S2 145,86 139,97 74,84 187,08 314,05 S 12,08 11,83 8,65 13,68 17,72 * В выделенных ячейках разрушение образца произошло вне рабочей зоны, результаты в расчёт не принимаются. Обработка результатов проведенных испытаний Для обработки полученных результатов используется пакет статистических программ Minitab 18.1. Программа выполняет все необходимые расчёты статистической обработки данных на основе выбранного исследователем уровня значимости Р. При этом любая нулевая статистическая гипотеза отклоняется, если полученный уровень значимости при расчёте меньше уровня значимости, определённого исследователем. Обработка результатов испытаний происходит путём выполнения нижеследующих этапов. 1. Исключение промахов. Отбрасывание резко выделяющихся результатов испытаний, согласно ГОСТ Р ИСO 5725-1-2002 [10], выполняется с применением критерия Граббса: если сомнение вызывают минимальные значения результатов испытаний. Если сомнительными окажутся максимальные значения результатов испытаний, то используется критерий Затем полученные статистики G1, G2 сопоставляют с табличной величиной критерия (Gтабл = 2,412) [11]. Результаты данного этапа свидетельствуют о том, что отсутствует промах во всех партиях (рис. 4). Рис. 4. Исключение грубых погрешностей: а - партия А-3; б - партия А-6; в - партия А-9; г - партия А-12; д - партия А-15 2. Определение закона распределения. Существуют разные критерии для проверки гипотез о виде функции распределения, при этом более мощным является критерий Андерсона - Дарлинга; полученное значение данного критерия AD сравнивают с табличным (при Р = 0,05 ADтабл = 2,492) [11]. Опытные данные подтверждают предположение о нормальности распределения предела прочности ПКМ на основе стекломата марки ЕМС-600-1250-Е. Результаты выполненного расчёта приведены в табл. 3. Таблица 3 Результаты статической обработки при определении закона распределения предела прочности испытуемого материала при растяжении Закон распределения Партия А-3 Партия А-6 Партия А-9 Партия А-12 Партия А-15 AD P AD P AD P AD P AD P Нормальное распределение 0,457 0,217 0,567 0,112 0,519 0,148 0,422 0,269 0,414 0,281 Экспоненциальное распределение 4,656 < 0,003 4,582 < 0,003 4,793 < 0,003 4,337 < 0,003 3,963 < 0,003 Распределение Вейбулла 0,704 0,055 0,753 0,042 0,301 > 0,250 0,317 > 0,250 0,421 > 0,250 Гамма- распределение 0,408 > 0,250 0,544 0,181 0,588 0,140 0,518 0,205 0,503 0,220 3. Проверка результатов испытаний на однородность. Предварительно проверяется однородность дисперсии по критериям Кочрена и Бартлетта. При этом 95 % доверительные интервалы для среднеквадратичных отклонений приведены в табл. 4. Таблица 4 95 % доверительные интервалы для среднеквадратичных отклонений Партия N S 95 % доверительные интервалы А-3 12 12,0772 (7,7436; 24,8259) А-6 12 11,8309 (7,5857; 24,3197) А-9 12 8,6510 (5,5468; 17,7830) А-12 12 13,6776 (8,7698; 28,1157) А-15 12 17,7214 (11,3626; 36,4283) Оценка однородности дисперсии подтвердила, что ни одно из различий между группами не является статистически значимым и все интервалы сравнения перекрываются. Можно делать вывод о том, что дисперсии предела прочности при растяжении с доверительной вероятностью 0,95 можно считать однородными на всех уровнях количества слоёв (рис. 5). Рис. 5. Проверка однородности дисперсии по критерию Бартлетта 4. Значимости влияния количества слоёв на предел прочности при растяжении. Для изучения влияния количества слоёв на предел прочности при растяжении применяется дисперсионный анализ, то есть анализ равенства средних значений полученных результатов между собой. Результаты дисперсионного анализа приведены в табл. 5 и на рис. 6. Таблица 5 Дисперсионный анализ для проверки значимости влияния количества слоёв на предел прочности Источник DF Adj SS Adj MS F P Фактор 4 3 059 764,7 4,44 0,004 Ошибка 55 9 480 172,4 - - Всего 59 12 539 - - - Рис. 6. Проверка значимости влияния количества слоёв на предел прочности при растяжении Полученный уровень значимости дисперсионного анализа меньше, чем предлагаемый уровень Р = 0,05, откуда следует, что средние значения между партиями отличаются друг от друга. Следовательно, можно сделать вывод о значимости влияния количества слоёв на предел прочности при растяжении. 5. Установление математической модели. Большинство задач, связанных с анализом характеристик механических свойств материала и элементов конструкции, решают в рамках линейной зависимости между изучаемыми величинами [11]. При установлении математических отношений, описывающих влияние изменчивости количества слоёв на предел прочности ПКМ на основе стекломата марки ЕМС-600-1250-Е, предполагают, что значения предела прочности, полученные в результате испытаний на растяжение, являются случайной величиной, а количество слоёв - детерминированной. Оценкой теоретической линии регрессии является эмпирическая линия регрессии, уравнение которой имеет вид: где b - коэффициент регрессии; a - константа уравнения регрессии. В результате выполненного регрессионного анализа программой Minitab 18.1 математическое отношение между количеством слоёв L и пределом прочности при растяжении σВ имеет следующий вид: На рис. 7 представлен график отношения между количеством слоёв и пределом прочности при растяжении, а также вычислен 95 % доверительный интервал для линии регрессии в целях установления теоретической значимости между изучаемыми величинами (х, у). Рис. 7. Зависимость предела прочности при растяжении от количества слоёв Важным элементом регрессионного анализа является проверка адекватности полученного математического отношения. Методика и расчёт для проверки адекватности приведены в табл. 6 [12]. Таблица 6 Проверка адекватности полученного математического отношения Методика расчёта Источник DF SS MS F P Фактор j* - Ошибка i** - 1 - - Всего i - j - 1 Q = Q1 + Q2 - - - Результаты расчёта Источник DF SS MS F P Фактор 1 207,754 207,754 13,21 0,036 Ошибка 3 47,176 15,725 - - Всего 4 254,930 - - - * j - количество изучаемых факторов; ** i - число партий; ***- расчётное значение предела прочности по уравнению регрессии при хi. Так как уровень значимости при расчёте (Р = 0,036) меньше, чем 0,05, можно сделать вывод о том, что выполненный расчёт подтверждает адекватность предлагаемой математической модели. При этом коэффициент детерминации доказывает, что вариация предела прочности при растяжении ПКМ на основе стекломата марки ЕМС-600-1250-Е и смолы «Яркопол-110» на 81,48 % обусловлена изменчивостью количества слоёв стекломата. Заключение Результаты опытов подтверждают предположение о нормальности распределения предела прочности ПКМ на основе стекломата марки ЕМС-600-1250-Е. Во всех исследованных партиях образцов дисперсию предела прочности при растяжении с доверительной вероятностью 0,95 можно считать однородной, то есть предел прочности будет пропорционально зависеть от количества слоёв. Результаты исследования могут быть полезны при выборе материала надстроек транспортных судов на основании выполненных расчётов прочности.
1. Tawfik B. E., Leheta N., Elhewy A., Elsayed T. Weight reduction and strengthening of marine hatch covers by using composite materials // International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2017. № 9. S. 185-198.
2. Kordonec C. M., Kuteynikov M. A. Trebovaniya Rossiyskogo morskogo registra sudohodstva k kompozicionnym materialam. Opyt nablyudeniya, perspektivy razvitiya // Tr. Krylov. gos. nauch. centra. 2018. Spec. vyp. 2. S. 140-143.
3. Vasil'ev V. V., Protasov V. D., Bolotin V. V. i dr. Kompozicionnye materialy. M.: Mashinostroenie, 1990. 512 s.
4. Nikitin V. S., Polovinkin V. N. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy primeneniya kompozitov v zarubezhnom podvodnom korablestroenii // Tr. Krylov. gos. nauch. centra. 2017. № 4 (328). S. 57-74.
5. GOST 33345-2015. Kompozity polimernye. Proizvodstvo plastin dlya izgotovleniya obrazcov dlya ispytaniy. Obschie tehnicheskie trebovaniya. M.: Standartinform, 2015. 24 s.
6. GOST 12423-2013. Plastmassy. Usloviya kondicionirovaniya i ispytaniya obrazcov. M.: Standartinform, 2014. 14 s.
7. GOST 11262-2017. Plastmassy. Metod ispytaniya na rastyazhenie. M.: Standartinform, 2018. 20 s.
8. Sorokina I. I. Vosstanovlenie korpusnyh detaley sel'skohozyaystvennoy tehniki pri remonte polimernymi kompozicionnymi materialami: dis. … kand. tehn. nauk. Kaluga, 2017. 239 c.
9. GOST R 56813-2015. Kompozity polimernye. Rukovodstvo po izgotovleniyu plastin dlya ispytaniya i mehanicheskoy obrabotki. M.: Standartinform, 2016. 27 s.
10. GOST R ISO 5725-1-2002. Tochnost' (pravil'nost' i precizionnost') metodov i rezul'tatov izmereniy. Ch. 1. Osnovnye polozheniya i opredeleniya. M.: Izd-vo standartov, 2002. 32 s.
11. Stepnov M. N. Statisticheskie metody obrabotki rezul'tatov mehanicheskih ispytaniy: sprav. M.: Mashinostroenie, 1985. 232 s.
12. Kremer N. Sh. Teoriya veroyatnostey i matematicheskaya statistika. M.: Yurayt, 2016. 514 s.
