Уточненные теоретико-экспериментальные методы определения физико-механических характеристик волокнистых композитов и разномасштабные формы потери устойчивости их структурных элементов при кратковременных и длительных видах нагружения
ползучесть остаточные деформации программа нагружения определяющие соотношения микро-, мезо-, макромеханика деформирования растяжение-сжатие сжатие испытания, растяжение тест-образцы Волокнистые композитные материалы
Проведены экспериментальные исследования и показано, что физически нелинейные свойства волокнистых композитов наиболее ярко проявляются в условиях растяжения (сжатия) в плоских тест-образцах со структурой [плюс/минус45]2s. Для выяснения составляющих деформации таких тест-образцов разработаны и проведены испытания по трем программам нагружения: кратковременное нагружение, длительная выдержка в  нагруженном состоянии, циклическое растяжение. На основе анализа геометрической картины деформирования плоских тест-образцов из косоугольно-армированных волокнистых композитов при их растяжении-сжатии выведены геометрически нелинейные соотношения, позволяющие определить  компоненты деформаций и напряжений в осях ортотропии материала через замеряемую в эксперименте осевую  деформацию образца. Проведены численные эксперименты  путем решения двумерных и трехмерных задач по определению параметров НДС образцов, состоящих из одного и двух монослоев однонаправленного  волокнистого композитного материала со структурами +45 и плюс/минус 45. Для исследования мезо- и микромасштабных форм потери устойчивости (ФПУ)  монослоёв, состоящих из волокон или пучков волокон и взаимодействующих со связующим композита с ослабленными физико-механическими характеристиками, а также макромасштабных ФПУ для тест-образца в целом, разработана иерархическая последовательность расчётных схем. Рассмотрен пример применения выведенных уравнений для решения линейной задачи о плоском напряженно-деформированном состоянии прямого стержня под действием нормальных поверхностных усилий, приложенных к лицевым граничным поверхностям. На основе построенных уравнений дана постановка линейной задачи о формировании начального (докритического) НДС в тест-образцах из однонаправленного волокнистого композита со структурой [90градусов]s при испытаниях на растяжение-сжатие со сдвигом. Показано, что при растяжении (сжатии) в направлении поперек волокон и сдвиге преимущественно формируются нормальные напряжения растяжения (сжатия), постоянные по длине и ширине образца, а касательные напряжения в этих направлениях оказываются переменными. Дана уточненная постановка линеаризованных задач о плоских сдвиговых формах потери устойчивости (ФПУ) тестобразцов из волокнистых композитов со структурой [90градусов]s при их растяжении-сжатии  со сдвигом, а также  микро- и мезомасштабных ФПУ их структурных элементов  в виде волокон и пучков волокон, находящихся в докритическом (невозмущенном) состоянии под действием напряжений сдвига и растяжения (сжатия) в направлении поперек волокон. 6. Разработаны методы и программное обеспечение для  решения прямых задач деформирования тест-образцов, изготовленных перекрестной укладкой слоев, на основе которых созданы  методы решения задач идентификации (определения механических характеристик, входящих в определяющие соотношения).
Проведены экспериментальные исследования тест-образцов в условиях циклического сжатия или длительного сжатия с выдержкой. Экспериментально показано, что косоугольно армированные  волокнистые композиты на основе углеленты ЭЛУР-П и связующего ХТ-118 со схемой укладки [+/-45градусов] обладают разносопротивляемостью при растяжении и сжатии. Исходя из анализа экспериментов на симметричное циклическое нагружение были сформулированы задачи построения для композиционного материала упрощенных определяющих соотношений  связывающих упругие и неупругие части деформации с напряжениями, так как в общем случае эти определяющие соотношения в качестве аргументов содержат большое количество инвариантов. Основным отличием определяющих соотношений в случае нелинейной упругости с учетом разносопротивляемости материала является то, что они зависят от вида деформированного состояния. Для их постановки предложены четыре варианта расчетных схем, основанные на представлении волокна в виде стержня с прямоугольной формой поперечного сечения, на боковых гранях соединенного с четырьмя, двумя, тремя и одним трансверсально мягкими элементами матрицы, имеющими неподвижные периферийные грани в возмущенном равновесном состоянии. Теоретически показано, что в тест-образцах со структурой [+/-45]s наиболее интенсивная и непрерывная перестройка структуры композита из-за реализации и непрерывной смены исследуемых внутренних форм потери устойчивости при непрерывном изменении параметра волнообразования должна наблюдаться в условиях  сжатия образцов (чем, главным образом, и объясняется наблюдающаяся в экспериментах разномодульность волокнистого композита), а в условиях  растяжения такие явления возможны лишь из-за формирования начальных напряжений сдвига. Дана уточненная постановка линеаризованных задач о плоских сдвиговых формах потери устойчивости (ФПУ) тестобразцов из волокнистых композитов со структурой [900]s  при их растяжении-сжатии  со сдвигом, а также  микро- и мезомасштабных ФПУ их структурных элементов в виде волокон и пучков волокон, находящихся в докритическом (невозмущенном) состоянии под действием напряжений сдвига и растяжения (сжатия) в направлении поперек волокон. Показано, что макромасштабная потеря устойчивости по чисто сдвиговой форме возможна только при сжатии, а непрерывная перестройка структуры композита из-за реализации и непрерывной смены микро- и мезомасштабных внутренних форм потери устойчивости с непрерывным изменением параметров волнообразования возможна и при других видах нагружения (сжатии, растяжении-сжатии со сдвигом, чистом сдвиге). На основе анализа как частных, так общих видов циклического нагружения выявлено, что при использовании соотношений наследственной теории упругости с ядром ползучести Абеля отношения вязкоупругих частей деформации в моменты времени, которые сдвинуты на величины, кратные периоду нагрузки, не зависят ни от частоты нагружения, ни от амплитуды нагрузки, ни от параметра, определяющего степень вязкости материала, а зависят только от параметра, определяющего степень затухания скорости вязкоупругой деформации (для анализа напряжения представлены в виде тригонометрических рядов по времени). Для идентификации параметров  вязкоупругих деформаций  при циклических  нагрузках предложен метод последовательного определения параметров ядра Абеля, основанный на использовании отмеченных свойств этого ядра. Для решения задач ползучести об отыскании предельных нагрузок и долговечности конструкций при использовании жестко-ползучих моделей деформирования и наличии больших перемещений применен упрощенный подход Лагранжа. Предложенный подход продемонстрирован на задаче изгиба и потери устойчивости пологой трехслойной панели, у которой несущими являются только внешние слои.
На основе разработанной во второй год выполнения проекта методики испытаний удлинённых тест-образцов на однократное статическое и циклическое сжатие и растяжение-сжатие проведены испытания перекрёстно армированных тест-образцов со структурой [+/-45градусов], изготовленных из однонаправленного волокнистого композита ЭЛУР-П и связующего холодного отверждения ХТ-118. Проведены эксперименты на растяжение плоских тест-образцов из волокнистого композита со схемой укладки [+/45]2s по определению деформированного состояния с использованием системы бесконтактного измерения деформаций. По результатам эксперимента сформулировано предположение, что в случае растяжения (сжатия) тестобразцов со структурой [+/-45]2s волокна в композите находятся под действием не только касательных, но и осевых растягивающих (сжимающих) напряжений. Установлено, что в осях ортотропии каждого монослоя осевые растягивающие напряжения по величине значительно превосходят поперечные, которыми можно пренебречь.  Проведен анализ соотношений, построенных в и позволяющих определить компоненты деформаций и напряжений в осях ортотропии слоистых волокнистых композитных материалов при проведении экспериментов на растяжение и сжатие плоских тест-образцов со структурой [+/-45]2s. Показано, что в центральной зоне образца теоретико-экспериментальная методика, построенная на указанных соотношениях, имеет достаточную степень точности, а ее погрешность становится заметной в областях, близких к торцевым сечениям. На основе анализа результатов решения трехмерных задач выявлено формирование в образце погонного крутящего момента, вызывающего закручивание отдельных зон образца по его длине. На основе анализа результатов авторских экспериментов выявлены некоторые особенности процессов деформирования образцов, изготовленных из углеленты ЭЛУР-П и связующего холодного отверждения ХТ-118 перекрестной укладкой под углом +/- 45градусов, при циклическом нагружении. Сделано предположение, что эти особенности вызваны процессом накопления микроповреждений. Предложены варианты физических соотношений для указанных частей деформации. При этом принималась известная гипотеза о том, что в определяющие соотношения, описывающие развитие каждой части деформации, кроме самой этой части входят только напряжение и время. Получены результаты решения задач идентификации механических характеристик (входящих в предложенные формы определяющих соотношений) по результатам испытаний на циклическое растяжение. На основе сравнения экспериментальных результатов с численными решениями, полученными с помощью предложенных физических соотношений, сделан вывод о том, что использованные при их получении гипотезы позволяют достаточно хорошо описать поведение рассмотренного материала. Методом конечных элементов проведено численное моделирование процесса четырехточечного изгиба трехслойного тест-образца в физически и геометрически нелинейной постановке. Зависимость поперечных касательных напряжений от деформаций поперечных сдвигов, формирующихся в несущих слоях, принята нелинейно упругой и получена в результате обработки данных испытаний на сдвиг материала несущих слоёв. Установлено, что при некоторой нагрузке происходит потеря устойчивости несущего слоя по неклассической поперечно-сдвиговой форме в области приложения локализованной нагрузки, которая имитирует воздействие нагружающего ролика.
Возможность практического использования проекта заключается в том, что полученные результаты позволят специалистам создать более совершенные технологии на этапе изготовления волокон и соответствующих полуфабрикатов из них, а специалистам в области проектирования  более совершенные конструкции из композитов при тех или иных ограничениях на весовые, прочностные и эксплуатационные параметры
Вячеслав
Фирсов В.А.
Анатольевич
профессор
Доктор технических наук
Профессор
-
7006907671
РОССИЯ
Сергей
Михайлов С.А.
Анатольевич
Проректор
РОССИЯ
30.19.15
Теория упругости
30.19.23
Устойчивость упругих систем
30.19.57
Прочность материалов
02.03.AI
ENGINEERING, AEROSPACE
02.03.IU
ENGINEERING, MECHANICAL
Вячеслав
Фирсов
Анатольевич
Общее руководство, постановка задачи, модели волокнистого композита
РОССИЯ
Виталий
Паймушин
Николаевич
Формы потери устойчивости структурных элементов композита.
РОССИЯ
Сергей
Холмогоров
Андреевич
Экспериментальные исследования, численные алгоритмы.
РОССИЯ
Рашит
Каюмов
Абдулхакович
Модели ползучести, остаточные деформации композитного материала.
РОССИЯ
РНФ
Российский научный фонд
1137799022261
Организация
Организации, учрежденные юридическими лицами или гражданами, или юридическими лицами и гражданами совместно
Фонды
КНИТУ-КАИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ"
1021602835275
Организация
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральные государственные бюджетные учреждения