Оценка несущей способности резьбовой пары из углерод-углеродных композиционных материалов на основе иглопробивного каркаса и пироуглеродной матрицы

Выполнено экспериментальное исследование несущей способности резьбового крепежа из углерод-углеродных композиционных материалов на основе иглопробивного каркаса и пироуглеродной матрицы. Определена несущая способность одновинтовой резьбовой пары при нормальной и высоких температурах. Проведена обработка диаграмм деформирования. Выполнено экспериментальное исследование прочности материала на срез, имитирующее нагружение одного витка в резьбовом соединении в зависимости от размеров области среза. Определено влияние масштабного эффекта материала на его прочность при срезе. Полученные результаты сопоставлены с данными для резьбового крепежа, изготовленного из пространственно-армированного УУКМ.
EDN: KULPPZ, https://elibrary/kulppz

Литература

[1] Ozel A., Yazici B., Akpinar S. et al. A study on the strength of adhesively bonded joints with different adherends. Compos. B Eng., 2014, vol. 62, pp. 167–174, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2014.03.001

[2] Kim K.S., Yoo J.S., Yi Y.M. et al. Failure mode and strength of unidirectional composite single lap bonded joints with different bonding methods. Compos. Struct., 2006, vol. 72, no. 4, pp. 477–485, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2005.01.023

[3] Turan K., Pekbey Y. Progressive failure analysis of reinforced-adhesively single-lap joint. J. Adhes., 2015, vol. 91, no. 12, pp. 962–977, doi: https://doi.org/10.1080/00218464.2014.985379

[4] Da Silva L.F.M., Adams R.D. Adhesive joints at high and low temperatures using similar and dissimilar adherends and dual adhesives. Int. J. Adhes. Adhes., 2007, vol. 27, no. 3, pp. 216–226, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2006.04.002

[5] Guilpin A., Franciere G., Barton L. et al. A numerical and experimental study of adhesively-bonded polyethylene pipelines. Polymers, 2019, vol. 11, no. 9, art. 1531, doi: https://doi.org/10.3390/polym11091531

[6] Anasiewicz K., Kuczmaszewski J. Adhesive joint stiffness in the aspect of FEM modelling. Materials, 2019, vol. 12, no. 23, art. 3911, doi: https://doi.org/10.3390/ma12233911

[7] Egan B., McCarthy C.T., Gray P.J. et al. Modelling a single-bolt countersunk composite joint using implicit and explicit finite element analysis. Comput. Mater. Sci., 2012, vol. 64, pp. 203–208, doi: https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2012.02.008

[8] McCarthy C.T., McCarthy M.A., Lawlor V.P. Progressive damage analysis of multi-bolt composite joints with variable bolt–hole clearances. Compos. B Eng., 2005, vol. 36, no. 4, pp. 290–305, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2004.11.003

[9] Egan B., McCarthy C.T., McCarthy M.A. et al. Stress analysis of single-bolt, single-lap, countersunk composite joints with variable bolt-hole clearance. Compos. Struct., 2012, vol. 94, no. 3, pp. 1038–1051, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2011.10.004

[10] Nezhad H.Y., Egan B., Merwick F. et al. Bearing damage characteristics of fibre-reinforced countersunk composite bolted joints subjected to quasi-static shear loading. Compos. Struct., 2017, vol. 166, pp. 184–192, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.01.029

[11] Mei H., Cheng L., Ke Q. et al. High-temperature tensile properties and oxidation behavior of carbon fiber reinforced silicon carbide bolts in a simulated re-entry environment. Carbon, 2010, vol. 48, no. 11, pp. 3007–3013, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.01.056

[12] Li S., Chen X., Chen Z. The effect of high temperature heat-treatment on the strength of C/C to C/C–SiC joints. Carbon, 2010, vol. 46, no. 3, pp. 3042–3049, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.04.030

[13] Guan Z., Mu J., Su F. et al. Pull-through mechanical behavior of composite fastener threads. Materials, 2014, vol. 22, no. 3, pp. 251–267, doi: https://doi.org/10.1007/s10443-014-9404-5

[14] Bruneton E., Narcy B., Oberlin A. Carbon-carbon composites prepared by a rapid densification process I: Synthesis and physico-chemical data. Carbon, 1997, vol. 35, no. 10–11, pp. 1593–1598, doi: https://doi.org/10.1016/S0008-6223(97)00118-8

[15] Захаров М.Н., Любченко М.А. Исследование предельных нагрузок для резьбовых соединений деталей из углерод-углеродных композиционных материалов. Конструкции из композиционных материалов, 2017, № 4, с. 82–87.

[16] Захаров М.Н., Любченко М.А., Магнитский И.В. Критерий разрушения резьбовых соединений деталей из композитных материалов. Вестник машиностроения, 2018, № 12, с. 3–6.

[17] Захаров М.Н., Любченко М.А., Магнитский И.В. Несущая способность резьбовой пары из пространственно-армированных углерод-углеродных композиционных материалов при высоких температурах. Вестник машиностроения, 2021, № 6, с. 30–34.

[18] Любченко М.А., Магнитский И.В., Тащилов С.В. и др. Масштабные эффекты в резьбовых деталях из пространственно-армированных углерод-углеродных композиционных материалов. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2023, № 9, с. 14–22, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2023-9-14-22

[19] Lim D.W., Kim T.H., Choi J.H. et al. A study of the strength of carbon–carbon brake disks for automotive applications. Compos. Struct., 2008, vol. 86, no. 1–3, pp. 101–106, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2008.03.017

[20] Li K.Z., Shen X.T., Li H.J. et al. Ablation of the carbon/carbon composite nozzle-throats in a small solid rocket motor. Carbon, 2011, vol. 49, no. 4, pp. 1208–1215, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.11.037

[21] Christin F. Design, fabrication, and application of thermostructural composites (TSC) like C/C, C/SiC, and SiC/SiC composites. Adv. Eng. Mater., 2002, vol. 4, no. 21, pp. 903–912, doi: https://doi.org/10.1002/adem.200290001

[22] Windhorst T., Blount G. Carbon-carbon composites: a summary of recent developments and applications. Mater. Des., 1997, vol. 18, no. 1, pp. 11–15, doi: https://doi.org/10.1016/S0261-3069(97)00024-1

[23] Kumar S., Kushwaha J., Mondal S. et al. Fabrication and ablation testing of 4D C/C composite at 10MW/m2 heat flux under a plasma arc heater. Mater. Sci. Eng. A, 2013, vol. 566, pp. 102–111, doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.12.059

[24] Магнитская М.В., Магнитский И.В., Тащилов С.В. и др. Влияние высокотемпературной обработки на механические характеристики углерод-углеродных композиционных материалов на основе пироуглеродной матрицы. Вестник ПНИПУ. Механика, 2022, № 4, с. 5–12, doi: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2022.4.01

[25] МВИ № 02262-11-2008. Установка УВТК для механических испытаний материалов. Методика выполнения измерений при определении прочностных, упругих и деформационных свойств неметаллов при одноосных нагружениях в интервале Т (20–2700) °С (изм. 2016 г.). 40 с.

[26] Магнитский И.В., Пономарев К.А., Миронихин А.Н. и др. Доработка и настройка установки для механических испытаний композиционных материалов при высоких температурах. Мат. ХIХ науч.-тех. конф. молодых ученных и специалистов. Королев, РКК Энергия, 2012, с. 231–235.

[27] Магнитский И.В., Пономарев К.А., Миронихин А.Н. и др. К вопросу о численном моделировании упругих свойств композиционных материалов с учетом схемы армирования. Инженерный журнал: наука и инновации, 2012, № 8, doi: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2012-8-455

[28] Магнитский И.В. Структурный критерий прочности пространственно армированных углерод-углеродных композиционных материалов. Вестник ПНИПУ. Механика, 2020, № 3, с. 48–59, doi: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.3.06