ВПЛИВ ПАРАМЕТРІВ АРМУВАННЯ НА НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ПОЛІМЕРНО-КОМПОЗИТНИХ ЩОГЛ

Анотація

Метою дослідження є оптимізація структури полімерного композиту з неперервним поздовжнім армуванням для освітлювальних щогл шляхом числового моделювання їхнього напружено-деформованого стану за дії екстремальних вітрових навантажень.
Досліджено тришарову композитну щоглу (епоксидна матриця, армована скловолокном або вуглецевим волокном) із зовнішнім діаметром 90 мм, товщиною стінки 5 мм та висотою 4 м. Порівняння з базовою алюмінієвою конструкцією (сплав 6060-T6) виконано методом скінченно-елементного аналізу (FEA) у комплексі Ansys. Враховано комбіновану дію штормового вітру (25 м/с), маси світильників (5 кг) та аеродинамічного тиску. Варіювали об'ємну частку волокон (40, 60, 80%) і просторове розташування армованого шару (внутрішній, середній, зовнішній) у поперечному перерізі.
Використання полімерних композитів знижує масу щогли на 50–52% порівняно з алюмінієвим аналогом (14,42 кг). Заміна скловолокна на вуглецеве додатково зменшує масу на ~10%. Збільшення об'ємної частки скловолокна з 40 до 80% збільшує масу з 6,70 до 7,86 кг, знижуючи максимальні переміщення вершини щогли з 4,04 до 3,51 мм. Конфігурація з армованим внутрішнім шаром забезпечує найвищу жорсткість: прогини становлять 2,02–2,04 мм, еквівалентні напруження – 1,11–3,42 МПа, а коефіцієнт запасу міцності досягає максимуму 704–824. Армування зовнішнього шару підвищує еквівалентні напруження до 5,22 МПа та знижує запас міцності до ~260. Вуглецеві волокна генерують вищі напруження (до 5,22 МПа проти 3,03 МПа для скловолокна) через вищий модуль пружності та локальну концентрацію навантажень. Їхні вищі ліміти міцності (до 2407 МПа) забезпечують близький до скловолокна середній запас міцності (~575). Базова алюмінієва щогла має найменші прогини (0,07 мм), але суттєво нижчий коефіцієнт запасу міцності (214). Раціональною для вуличного освітлення визначено структуру зі скловолокном у внутрішньому шарі при об’ємній частці 60–80%.
Встановлено закономірності перерозподілу локальної жорсткості трубчастих композитних елементів залежно від конфігурації поздовжніх неперервних волокон. Доведено можливість цілеспрямованого керування міцністю опор без зміни їхньої геометрії, що реалізується у серійному виробництві за допомогою розробленої технології прямотечійної екструзії.