1.4 X軸、Y軸、Z軸應力公式的推導
張梓雄、董曾南在《粘性流體力學》一書中指出,當流體靜止時,不同方向上的正應力具有不同的數(shù)值,且有:
公式(14)、(15)、(16)分別是X軸、Y軸、Z軸在一定條件(一定壓強)下的軸向應力計算公式。
2算例
某汽車制動器襯片毛坯厚度為33mm,當壓縮至17mm時,計算各項軸向應力。假設取向比λ=0.4、流動粘度系數(shù)D=0.7、物料壓縮比δ=3、比例系數(shù)k=2。
通過計算得,該汽車制動器襯片橫向剪切強度約為11MPa;縱向剪切強度約為16MPa;壓縮強度約為59MPa。
上述計算結(jié)果可能與實際試驗數(shù)據(jù)存在一些誤差,這說明工藝條件的制約,制品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷、表面紋理、晶格排列、位錯、分子的運動等等,都能影響制品的性能。
3摩擦系數(shù)的估算
摩擦系數(shù)等于材料的剪切強度與壓縮強度之比,即:
可以看出,當λ=0.5時,即制品的橫向特性尺寸與縱向特性尺寸相等時摩擦系數(shù)最小。所以摩擦系數(shù)范圍為:
通過以上論證得出結(jié)論,任何復合材料的摩擦系數(shù)都是由材料本身性質(zhì)決定的,與產(chǎn)生摩擦系數(shù)的外部環(huán)境無關(guān)。
依據(jù)算例,某汽車制動器襯片摩擦系數(shù)值為:
在摩擦系數(shù)范圍內(nèi),如選擇一摩擦系數(shù)為定值,就能確定制動器襯片縱橫比,從而確定制動器襯片的幾何尺寸。
復合材料的一些性能數(shù)據(jù)在配方設計時,通過計算能夠大致掌握,在產(chǎn)品更新?lián)Q代的研發(fā)中可節(jié)約大量人力、物力和財力,縮短試制周期,降低研制費用,達到事半功倍的作用。
樹脂基復合材料在模具內(nèi)各個方向的應力保持平衡是一個理想狀態(tài),這樣能夠減少制品內(nèi)應力,抵御更多外力作用。假設X軸、Y軸、Z軸各軸向應力相等,即:тX= тy= тz
即橫向尺寸與縱向尺寸相等時,就能獲得相等的應力,保證了軸向剪切應力的平衡,減少了制品的內(nèi)應力。依據(jù)算例(其他條件不變),平衡時的剪切應力為:
剪切強度約為14MPa。
汽車制動器襯片橫向尺寸與縱向尺寸趨于一致時,能夠獲得高的剪切應力強度,特別是重載車制動材料的縱橫尺寸比趨于1時,剪切應力趨于平衡。
4結(jié)語
綜上所述,通過對模壓成型過程中模腔內(nèi)樹脂基復合材料所受應力進行計算分析,可推導出材料在X軸、Y軸和Z軸方向的應力公式,從而得出材料在模腔內(nèi)所受的縱、橫向剪切強度和壓縮強度,估算出材料的摩擦系數(shù),確定材料的幾何尺寸。理論計算是在理想狀態(tài)下進行,沒有考慮模壓過程中工藝技術(shù)參數(shù)的波動、樹脂的牌號、模壓的溫度、時間等諸多因素,所以計算結(jié)果與實際測試尚有差距。