автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Структурные модели и алгоритмы компьютерной имитации процессов разрушения волокнисто-блочно-слоистых композитов при сжатии

рС 0 ^ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

„. ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ ИМЕНИ А.А.БАЙКОВА

На правах рукописи УДК 669.01а-Ч1Э,Х

БОРЗУНОВ Константин Константинович

СТРУКТУРНЫЕ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ИМИТАЦИИ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ ВОЛОКНИСТО-БЛОЧНО-СЛОИСТЫХ КОМПОЗИТОВ ПРИ СЖАТИИ

Специальность: 05.16.06 - Порошкоиап металлургия и

композиционны« материалы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

19 9 2

Работа выполнена в Институте металлургии им. А.А.Байкова Российской Академии Наук, г.Москаа.

Научный.руководитель - доктор технических наук А.С.Овчинский

Официальные оппоненты!

Ведущая организации - Центральный научно-исследовательский

Зачита диссертации состоится " О " Л 199

в часов на заседании специализированного совета

Д 003.15,03 Института металлургии им. А.А.Байкова РАИ (117334, Москва, Ленинский проспект 49, конференцэал).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института металлургии им. А.А.Байкова РАН.

Вао отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу : 117334, Москва, Ленинский проспект 49, ИМЕТ, ученому секретарю спец.совета.

доктор технических наук

А.Н.Попчпов

докт. техн. наук проф. Б.И.Семенов

Институт специального машиностроении

Автореферат разослан

Ученый секретарь

специализированного совета

Д. т. н

В.М.Блинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

проблем, связанных с оценкой прочности композита* под действием сжимающих нагрузок, обусловлена тем, что несущая способность элементов конструкций часто лимитируется именно наличием в них сжимающих напряжений. При стремлении повысить уровень предельных сжимающих нагрузок возникают чрезвычайно сложные многофакторные задачи механики и технологии композитов.

Специфика оценки прочностных свойств материалов при сжатии состоит в том, что собственно от Сжатия ни материалы, ни конструкции не разрушаются. Но при увеличении сжимающих напряжений в материале возникают повреждения в виде расслоений, сдвигов, выпучивания, и, образно говоря, элементы конструкции всегда находят

I

способ "выскользнуть из-под возрастающей нагрузки".

Важно отметить, что образование и накопление повреждений в композитах, имеющих волокнисто-слоистое строение, происходит на различных структурных уровнях.

В настоящее время в рамках традиционных подходов механики не удается адекватно описать возникновение отдельных повреждений, их накопление и развитие макроразрушения материала или элемента конструкции.

В данной работе предложен оригинальный подход к оценке прочности композитов при сжатии, который основан на методе компьютерного структурно-имитационного моделирования (методе сим). Метод СИМ уже широко применяется при решении разнообразных задач механики и технологии композитов.

Одно из направлений развития| метода СИМ предусматривает создание алгоритмов компьютерной имитации разнообразных механизмов образования повреждений композитов при сжатии (развитие "имитационной" составляющей метода).

Другое направление развития метода СИМ (развитие "структур; ной" составляющей) связано с разработкой компьютерных структурных моделей композитов, отражающих наличие различных структурных уровней в материалах волокнисто-блочно-споистого строения.

состояла в обеспечении создателей и исследователей волокнисто-слоистых композитов алгоритмами многофакторного анализа влияния прочностных, жесткостных и геометрических свойств разнообразных структурных элементов на прочностные свойства материалов и элементов конструкций при сжатии.

Это достигается построением компьютерных моделей композитов

и алгоритмов имитации накопления повреждений на различных структурных уровнях, визуальным наблюдением на мониторе постепенного накопления повреждений и лавинных процессов "выхода из строя" элементов и построением диаграмм деформирования при сжатии.

95Ь§£19Н_И££С9Й225ЙУ5 8 работе являлись композиты волокнис-то-блочно-слоистого строения, однонаправленно и перекрестно армированные. Наиболее распространенными и перспективными среди этих материалов являются полимероматричные композиты с углеродными волокнами (углепластики), при получении которых применяется многостадийная технология пропитки, переработки и соединения жгутов армирующих волокон.

й§^чная_ндвизна_вавоты и •• специфика состоят в синтезе • качественно разнообразной экспериментальной информации о механизмах образования повреждений на различных структурных уровнях с теоретическими моделями и критериями возникновения локальных актов разрушения в композитах при сжатии. '

Отличие полученных в работе критериев потери устойчивости с отслоением структурных элементов состоит в возможности учета локальной прочности связи элементов друг с другом.

Применение компьютерного моделирования (метода СИМ) позволило учесть разброс свойств отдельных элементов на структурных урЬвнях волокон, блоков и слоев. Однако, структурно-имитационное моделирование-в данной работе применяется не только для анализа структур со случайными свойствами отдельных компонентов (то есть при решении традиционных для этого метода задач), а также для решения задач с детерминированными свойствами элементов структуры, которые варьировались на компьютере в диалоговом режиме.

Многофакторные исследования в данном случае проводились не с традиционных позиций так называемого "черного ящика", а, можно оказать, с позиций "прозрачного ящика", когда на мониторе компьютера прослеживались изменения в структуре материала по мере накопления повреждений и развития очагов разрушения.

Й2£12Й§ВЙ2£1Ь_Е§2^ДЫ3125• полученных в настоящей работе, достигнута базированием разработанных структурных моделей материалов и алгоритмов процессов разрушения на: (а) современных физических представлениях о разрушении материалов при сжатии; (б) теоретических моделях механики разрушения; (в) применении методов компьютерного моделирования; а также стабильностью результатов многократно проведенных компьютерных имитационных экспериментов и соответствием расчетных оценок результатам механических испытаний

_ 4 -

образцов исследуемых материалов.

Непосредственно практическую ценность и коммерческое значение имеет комплекс компьютерных программ, позволяющий осуществлять прогнозирование прочностных свойств волокнисто-слоистых однонаправпенно и перекрестно армированых композитов и элементов конструкций (стержней, пластин и оболочек) в зависимости от свойств исходных компонентов и особенностей структуры, связанных с технологией получения изделий..

Разработанный подход открывает также возможность прогнозирования повреждений элементов конструкций, работающих в условиях сжатия (изгиба), в результате их расслоения или отслоения покрытий.

Анализ результатов компьютерной имитации процессов разруше-

t

ния углепластиков позволил дать практические рекомендации по совершенствованию структуры материалов и изменению технологических режимов получения элементов конструкций с целью повышения их эксплуатационных характеристик. »,

Внейренивреэлльтатов^ Согласно договорам о научном сотрудничестве, отдельные программы, модели и алгоритмы были переданы в ВИАМ и в НПО "Композит" и использованы при оптимизации структуры и выборе технологических режимов получения элементов конструкций иэ углепластиков и бороалюминия. Акты об использовании и внедрении в практику результатов исследований приводятся в приложении к диссертации.

Апл£обауия_{>аботы. Основные результаты работы докладывались на XII Научной конференций молодых ученых Института механики АН УССР (Киев, 1988г<), на Конференции по механике полимерных и композитных материалов (Рига, 1990г.), II й V Всесоюзных семинарах по механике и технологии композитов в И6ТТ АН СССР (г.Черноголовка Моск.обл., 1988 и 1990г.г.), на коллоквиумах лаборатории прочности металлических материалов и лаборатории композиционных материалов Института металлургии им. А.А.Байкова РАН (г.Москва, 1990-1992 г.г.).

П^бпик§уиил по теме диссертации опубликовано 4 работы. Слисок публикаций приводится в конце автореферата.

51ВХБ1¥В9_И_9вЬ§!1;Р§551ЙА . Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и основных результатов с выводами. Содержит 154 страницы основного текста, 48 рисунков, 8 таблиц, список литературы на 131 наименование, приложение на 6 страницах. Общий объем работы 230 страниц.

- 5 -

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В_пвдвой_гпавв рассматриваются теоретические и экспериментальные предпосылки применения методов компьютерного моделирования для прогнозирования прочности!х.свойств композитов при действии сжимающих нагрузок.

Экспериментальные исследования поведения композитов при сжатии выявляют многообразие механизмов разрушения, связанных, в частности, с локальной потерей устойчивости, сдвиговыми трещинами, выпучиванием, складкообразованием, расслоением и т.д..

Компьютерная алгоритмизация этих механизмов разрушения опирается, в первую очередь, на методы и модели механики композитных материалов, основы которой Выли заложены-в трудах Ю.Н.Работнова,

В.В.Болотина, В.Л.Бидерм&на, В.В.Васильева, Л.М.Качановаг %

Ю.Н.Тарнопольского, Г.А.Ванина, С.Т.Милейко, В.П.Тамужа, А.Н.Гузя, А.М.Скудры, Б.Розена, А.Келли, Дж.Си, Л.Грещука и ряда, других отечественных и зарубежных ученых.

Анализ применяемых в. настоящее время моделей и критериев разрушения композитов при сжатии выявил два принципиальных момента, требующих на современном этапе уточнения и развития.

Во-первых, хотя имеющиеся модели механики разрушения композитов в определенной мере отражают многообразие ситуаций, возникающих в композитах при их разрушении под действием сжимающих нагрузок, однако, сам процесс разрушения рассматривается лишь как одномоментный акт и, как правило, полностью исключается анализ кинетики накопления повреждений при сжатии.

Во-вторых, несмотря на то, что многими авторами делается попытка введения некоторых структурных параметров в критерии разрушения (в частности, учитывается наличие слабых поверхностей в композитах), в то же • "время практически никак не учитывается реальная структура исследуемых материалов (волокнистая, блочная, слоистая).

4 . Заметим, что, согласно наиболее перспективным физическим концепциям, разрушение материалов рассматривается как процесс накопления определенных повреждений на различных структурных уровнях. Более того, прочностные свойства композитов связаны с их структурой через реализацию тех или иных механизмов разрушения.

Информация о механизмах разрушения была получена на основе комплексных микроструктурных и фрактографических исследований одчрнаправленно и перекрестно армированных углепластиков.

Непосредственно микроструктурные исследования позволили выявить наряду с волокнистой и слоистой организацией структуры наличие блоков - новых структурных элементов, представляющих собой участки с плотно уложенными и пропитанными матрицей волокнами и разделенные между совой тонкими прослойками матрицы. Образование такой волокнисто-Впочно-слоистой структуры обусловлено многоступенчатой технологией переработки армирующих волокон ич получения композита. В частности, углеродные волокна поступают в производство в виде жгутов, которые после пропитки полимерной матрицей образуют блоки. Наличие блочной структуры выявляется и при фрак-тографическом анализе, который показал, что одним из основных механизмов накопления и развития повреждений при сжатии является

потеря устойчивости с отслоением отдельными блоками. В то же вре-

(

мл локальные акты потери устойчивости с отслоением наблюдались и на структурном уровне волокон, и на структурном уровне слоев.

Возможность учета реальной структуры композитов, многообра-эия механизмов разрушения и кинетики накопления повреждений открывает применение современных методов компьютерного моделирования.

Имитационное моделирование отличается от других видов компьютерного моделирования (в частности, от аналитического и численного) тем, что предусматривает организацию информационных потоков внутри моделируемой системы, т.е. операции обмена, перераспределения, взаимодействия между отдельными структурными элементами.

Примененный в данной работе метод структурно-имитационного моделирования (метод СИМ) выделяется среди других методов имитационного моделирования (в частности, молекулярной динамики, пер-коляции, ячеистых автоматов, случайных блужданий) тем, что для каждого структурного элемента в памяти компьютера генерируются индивидуальные значения прочности, жесткости, координаты местоположения, которые в виде массивов чисел собственно и- представляют' собой компьютерную структурную модель материала. Применение метода СИМ включает также алгоритмизацию'критериев возникновения локальных повреждений, алгоритмизацию перераспределения напряжений а композите и. взаимодействия структурных элементов.

Опыт, решения весьма разнообразных задач в работах И.М.Копье-ва, А.С.Овчинского, Ю.С.Гусева, Н.К.Билсагаева, А.Н.Вожжина, А.©.Ермоленко. И.В.Коненкова, . А.С.Добрынина, И.И.Кокшарова, А.Е.Бурова 1среди зарубежных ученых..^ Очи йи, Х.Оуи др.) позво-

лявт говорить о формировании определенного направления в . структурной механике композитов, которая Базируется на структурно-имитационном моделировании.

Задачи, решаемые ранее методом СИМ, не были связаны со сжатием. В этом плане необходимо отметить оригинальные работы П.Г.Кржечковского, в которых разработаны структурные модели и алгоритмы имитации процессов разрушения сферопластиков в условиях всестороннего сжатия, а также работы С.Т.Милейко и В.П.Коваленко, в которых присутствуют элементы имитационного моделирования при анализе процессов разрушения сжатых пластин и трубчатых стержней с продольными трещинами.

В данной'работе метод СИМ впервые применяется к анализу процессов разрушения композитов волокнисто-блочно-слоистого строения при сжатии.

§2_21°Е2й_главе рассмотрены некоторые вопросы механики расслоения композитов при сжатии и получены критерии локальной потери устойчивости с отслоением определенных элементов композитного материала на различных структурных уровнях.

Теоретические основы анализа механизмов расслоения и расщепления композитов при сжатии были заложены в работах Л.М.Качанова, Ю.Н.Работнова и А.Н.Полилова и получили значительное развитие в работах В.В.Болотина, Ю.М.Тарнопольского, а также в последующих работах А.Н.Полилова и М.В.Погарского.

В данной работе получение критериев локальной потери устойчивости опирается на баланс энергий, согласно которому накопленная упругая энергия сжатия при выщелкивании некоторых частей материала переходит в упругую энергию их изгиба и в работу образования новых поверхностей:

исж = иизг + п <1>-

Согласно схеме, предложенной Л.М.Качановым (рис. 1а), величина максимального прогиба отслаивающегося элемента определяется из условия равенства уменьшения его длины, вызванного выпучиванием, уменьшению длины элемента, которое имело место при его сжатии. Эта схема несколько отличается от классической схемы' потери устойчивости стержня по Эйлеру, когда энергия изгиба связывается с работой сил на перемещении концевого участка.

Согласно традиционным подходам к анализу процессов расслоения, напряжения, при которых происходит потеря устойчивости некоторого элемента, минимизируются по толщине отслоения или количе-

ству элементов одновременно выщелкивающихся в боковых направлениях. Таким образом, находится минимальное критическое напряжение, которое и принимается за прочностную характеристику материала при сжатии (рис. 1а).

Принципиальное отличие предлагаемого а данной работе структурного подхода состоит в том, что размеры и форма теряющих устойчивость и отслаивающихся объектов связываются с размерами и формой реальных структурных элементов материала, например, блоков или слоев (рис. 16). Другой особенностью работы является то, что при отслоении некоторых структурных элементов энергия образования новых поверхностей выражается через прочность связи между структурными элементами (блоками или слоями). Эта прочность связи хорошо коррелирует с трансеерсальной прочностью композитов, т.е. с прочностью на растяжение в направлениях,, поперечных действию сжимающей нагрузки.

В результате, критерий потери устойчивости с отслоением и выщелкиванием в боковом направлении некоторого структурного элемента-блока имеет вид:

2 Е- "блЬбл ? 3 °бл 1 + 2Е " бп + 2Е Ь бл (2К оп гп т

где: О^д и - соответственно локальные значения прочности

связи данного структурного элемента-блока с соседями в направлении 3 и 2, Ъ и Ь* - размеры объемов материала, работающего в момент отслоения блока на растяжение.

Развитие представлений об актах локальной потери устойчивости с отслоением на различных структурных уровнях позволило полу-

чить целый набор критериальных выражений, описывающих образование повреждений в композитах в виде отслоения отдельных волокон и их групп, блоков и их групп, а также слоев, армированных под различными углами и разделенных прослойками матрицы.

Задача оценки прочности композита в целом осложняется тем обстоятельством, что прочность связи структурных элементов между собой имеет, как правило, статистический характер. Определенным разбросом обладает и жесткость структурных элементов в силу разнообразных дефектов структуры (обрывы волокон, искривленность, неравномерность укладки и т.д.). Остается открытым вопрос о том, насколько опасны для образца или для конструкции "выход из строя" его отдельных структурных элементов. Наконец, учитывая, что процессы накопления повреждений могут происходить на разных структурных уровнях, оценка прочности композита представляет собой чрезвычайно сложную вероятностную задачу, эффективное решение которой может быть получено только с применением методов компьютерного имитационного моделирования.

1ВЛЁВ_ЕВЗ£9 посвящена непосредственно разработке компьютерных структурных модепей и алгоритмов имитации процессов разрушения композитов при сжатии.

Построенные структурные модели отражают как блочное и слоистое строения однонаправленно армированных, таи и слоистое строение перекрестно армированных волокнистых композитов.

В моделях, отражающих волокнисто-блочное строение углепластиков, структурными элементами, которые могут терять устойчивость с отслоением и выщелкиванием в боковом направлении, являются блоки - характерные объемы материала, содержащие, как правило, по несколько тысяч волокон, плотно уложенных и скрепленных матрицей. Моделируемый материал представляется состоящим иэ одинаковых по размерам и форме блоков в виде стержней прямоугольного поперечного сечения (рис. 2а и б). Предполагается, что каждый блок обладит индивидуальной жесткостью, которая, с одной стороны, отражает жесткостные свойства армирующих волокон с учетом их объемных долей и, с другой стороны, возможную дефектность структуры исходных пучков армирующих волокон (искривленность, обрывы и т.д.). Прочность связи между блоками также задавалась некоторым статистическим распределением, что отражает наличие разброса значений Трансверсальной прочности у данного типа композитов.

Статистические распределения модулей упругости блоков и

прочности связи между ними аппроксимировали известными вёйбуллов-скими функциями. Индивидуальные значения прочности связи между блоками и модулей упругости блоков генерировались компьютером, согласно алгоритмам, основанным на известной методике Монте-Карло: ■

( ^/Р

= гст5т?р> [10 ) (3)-

где вместо Р(Х) подставлялись генерируемые компьютером псевдослучайные числа, равномерно распределенные в интервале от 0 до 1.

Из получаемых индивидуальных значений модулей упругости и прочности связи в оперативной памяти компьютера формировались двумерные массивы чисел, отражающие блочное строение композита и взаимное расположение структурных элементов в обьемв моделируемого матерала (рис. 2а).

При построении структурной модели материалов, обладающих характерным слоистым строением, структурными элементами являются ущв отдельные слои. Модельный материал представляется состоящим из слоев (рис. 2в и г), разделенных тонкими прослойками матрицы. Принималось во внимание, что для композитов слоистого строения в качестве связки между отдельными слоями применялись клеи, отличные по свойствам от свойств матрицы. Учитывались также технологические возможности управления прочностью связи между отдельными слоями. При этом впервые в практике применения метода СИМ был реализован алгоритм формирования слоистой структуры с детерминированно задаваемыми прочностными и жесткостными локальными параметрами. То есть такие параметры, как значения иниви-

дуальной жесткости слоев, локальной прочности их связи между собой и модули упругости отдельных тонких клеевых межслоевых прослоек задавались на компьютере в диалоговом режиме.

При построении компьютерной структурной модели композита, отражающей перекрестно армированное слоистое строение предварительно определялись модули упругости слоев. Жесткость каждого отдельного структурного элемента задавалась не только с учетом наличия разброса, но, в первую очередь, с учетом углов армирования (рис. 2г).

Многоуровневые структурные модели волокнисто-блочно-слоистых композитов строились по принципу вложения менее крупных структурных элементов в более крупные. Непосредственно формирование структурной модели в компьютере начиналось с генерации локальных случайных значений жесткости более мелких структурных элементов. Далее, исходя из уже сформированных значений, определялись жест-костные свойства более крупных элементов вплоть до свойств моделируемого материала в целом. Локальные значения прочности связи структурных элементов разного, уровня задавались с учетом реальных технологических особенностей изготовления композитов.

Компьютерная имитация нагружения материалов осуществлялась пошаговым повышением уровня сжимающих деформаций. По деформациям сжатия (с учетом индивидуальных обьемных допей и жесткостных свойств компонентов) определялись напряжения, возникающие в структурных элементах.

Алгоритмы имитации накопления повреждений предусматривали на каждом шаге нагружения проверку возможности "выхода из строя" структурных элементов, расположенных на поверхности. После потери устойчивости.с отслоением некоторыми элементами нагрузка с них снималась и разномерно перераспределялась на оставшиеся работоспособными элементы. При этом на экране монитора компьютера гра-фичекими средствами отображались изменения, происходящие с моделируемым материалом.

Процесс нагружения в ходе компьютерной имитации прерывался потерей несущей способности моделируемым материалом, о чем, как правило, свидетельстовал лавинный "выход из строя" всех оставшихся структурных элементов. Отслеживалась также возможность потери устойчивости'образца в целом (по классической схеме Эйлера).

Таким образом, моделировалось как постепенное накопление локальных повреждений, так и лавинные процессы макроразрушения материала, а также получались.диаграммы деформирования композитов

_ то _

при сжатии.

Выли проведены комплексные Многофакторные, исследования по влиянию механических свойств'отдельных компонентов и особенностей структуры исследуемых материалов на прочностные, жесткостные и деформационные свойства композитов при сжатии.

0,5 0,53 0,6 йбб 0,1 V, Рас.1?. *

§_ч§тв§втой_глаае, на основе .компьютерных экспериментов, исследуется влияние свойств компонентов и структурных особенностей на прочностные свойства однонаправленно и перекрестно армированных композитов.

Первые результаты компьютерных имитационных экспериментов показали устойчивый рост прочности при сжатии с увеличением объемных долей волокон в структурных" элементах-блоках (точки на рис. 3), что, естественно, связано с увеличением жесткости материала и подтверждается данными механических испытаний композитов (крестики на рис. 3).

Эту задачу можно рассматривать как тестовую, которая подтверждает адекватность разработанных компьютерных моделей и алгоритмов реально наблюдаемым процессам разрушения.

Неожиданный результат получен при анализе влияния модуля упругости матрицы на прочность углепластиков при сжатии.

Оказалось, что с увеличением жесткости матрицы прочность композитов несколько снижается. Этот результат неожидан потому, что согласно известным моделям-"микровыпучивания" с увеличением жесткости матрицы прочность увеличивается' (пунктирная линия на рис. 4).

Установленный эффект можно объяснить тем, что уменьшение жесткости матрицы приводит к увеличению энергетических затрат, требуемых на отслоение элементов,

1100 1500 1300 1101^ 900

МПа

«

а

А.' V

3

м

«Па

зооо г ¡оо ¿кию н£оа Рас. 4

-Ш

теряющих устойчивость.

Построить аналогичную экспериментальную зависимость прочности композита от модуля упругости матрицы в "чистом" вида ив представляется возможным, так как изменение модуля в процессе получения, например углепластика, влечет э» собой изменение прочности связи между Опоками.

В то же время Выла построена серия теоретических зависимостей прочности от модуля упругости матрицы для материалов с различными значениями прочности связи компонентов (условно Ж, М2, МЗ). Определенные из механических испытаний значения прочности для этих материалов пегли на соответствующие кривые (крестики рис. 4), что в целом свидетельствует о правомерности принятых предположений при построении расчетных алгоритмов. >

Однако, влияние жесткости матрицы на прочность композита не столь велико, как влияние прочности связи между элементами (рис. Б). Как и ожидалось, компьютерная имитация выявила сильное влияние прочности связи между блоками на прочность композита при сжатии. Экспериментальные значения прочности для материалов, отличающихся набором параметров, довольно хорошо совпадают с результатами компьютерной имитации, при которой варьировали только прочностью связи (рис. Б). Это обстоятельство можно объяснить определяющим влиянием на прочность при сжатии трансверсапьной прочности композитов в направлении вероятного выщелкивания элементов.

Сопоставление вариантов, отражающих различное распределение прочности свяЗи мв*ду спаями (то есть уменьшение или увеличение прочности связи от слоя "К •■•'спою.) .(ш ад О г1и по установить, что чем выше градиент изменения прочности связи, тем более высокая прочность композита при сжатии реализуется. Этот эффект связан с переходом к павинным процессам "выхода из строя" слоев при более высоких напряжениях.

Практически важные результаты были получены при анализе влияния формы структурных элементов на прочность композитов при сжатии Варьировалась толщина.и ширина блоков так, чтобы оставалась постояня&й площадь структурного элемента. Анализ результатов

2000

1000

МПа ■

V \

V * к

д г У

Г

0. 0,1 0,2 0,Ъ Щ 0,5 Ь-й, Рас. б

показывает, что прочность на сжатие может быть повышена как за счет уменьшения толщины блоков,, так и за счет увеличения их толщины (рис. б).

Повышение прочности за счет выбора блока с формой поперечного сечения Слизкой к квадрату можно объяснить тем, что увеличивается индивидуальная устойчивость отдельных блоков. В то же время повышение прочности за счет выбора более вытянутых блоков объясняется увеличением поверхности, на которой элементы связаны друг с другом, что влечет за собой увеличёние энергетических затрат, необходимых для образования новых поверхностей при -отслоении блоков.

• Анализ механических испытаний углепластиков, полученных с применением различных технологических приемов (палтрузии, намотки на оправку с последующим прессованием, раскатки с прессованием) (крестики на рис. в), подтвердил установленный эффект повышения прочности при формировании более вытянутых блоков.

Более того оказалось, что .в случае утоненных блоков прочность практически не зависит от величины базы испытания образцов- композитных материалов (рис. 7). Это свидетельствует о возможности широкого применения таких материалов в разнообразных конструкционных элементах, в частности, в многослойных конструкциях, работающих на сжатие и изгиб, т.е. испытывающих в своих крайних слоях (обшивках) напряжения как растяжения, так ' и сжатия.

Характер зависимости прочности при сжатии от параметра формы структурных элементов-блоков меняется при переходе от квадратного поперечного.сечения образца к более вытянутому. Может возникнуть

бсЕсп

300 700

500

М Па

*

а)||МИ' * ?

алы (Ши р00

о 0,2, 0,6 1 0,6 о,г о

Рас.?

ситуация, когда, с точки зрения реализации наибольшей прочности, оказываются предпочтительнее образцы в виде пластин (с вытянутым поперечным сечением) по сравнению со стержнями квадратного сечения.

Компьютерные имитационные эксперименты позволили также оценить влияние клеевых прослоек между слоями. Анализ результатов показал, что введение прослоек стабилизирует и повышает прочностные свойства композитов при сжатии. Введение клеевых прослоек тем эффективнее, чем выше модуль упругости матрицы. Предпочтительнее однако применение более тонких прослоек.

■ Анализируя поведение перекрестно армированных слоистых композитов под действием сжимающих нагрузок, следует отметить, что разработанные модели не учитывают всего многообразия эффектов при их разрушении. Однако, на основе разработанных моделей уже можно изучать влияние очередности укладки слоев в пакетах на их прочностные свойства при сжатии и оптимизировать структуры перекрестно армированных слоистых композитов.

Компьютерные имитационные эксперименты позволили выявить некоторые предпочтительные структуры пакетов. Такими оказались структуры, в которых жесткие слои (ориентированные вдоль оси, угол 0°) как бы подпоясаны податливыми слоями (армированными поперек оси, угол 90°). Если.речь идет о слоях с различными углами армирования, (к, следовательно, с различной продольной жесткостью, то следует так строить пакеты, чтобы жесткость отдельных слоев по возможности, увеличивалась от краев пакета в его глубь.

Учет и. варьирование одновременно несколькими факторами, например, распределением прочности связи между слоями, наличием клеевых прослоек со свойствами, отличными от основной матрицы, и определенной укладкой слоев, армированных под разными углами (или содержащих разные компоненты), открывает возможность построения более совершенных структур композитных материалов с учетом реальных условий их нагружения.

В_25£Е!5чении отмечено, что разработанные структурно-имитационные модели волокнистых композитов и алгоритмы компьютерной имитации процессов разрушения при сжатии на различных структурных уровнях вошли составной частью в банк программ компьютерного моделирования, который создан в Институте металлургии им. А.А.Бай-кова Российской Академии Наук.

- 16 -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Микроструктурные и фрактографические исследования композитов волокнисто-Влочно-слоистого строения выявили связь механизмов образования повреждений с особенностями структуры материалов. Установлены характерные структурные элементы, которые при увеличении сжимающих напряжений теряют устойчивость с отспоением : отдельные волокна и их группы с прослойками матрицы; отдельные блоки (структурные элементы с ппотной укладкой волокон, разделенные тонкими прослойками матрицы) и их группы; слои и их группы (армированные под разными углами).

2. На основе энергетических соотношений попучены критериальные выражения, устанавливающие зависимость критических напряжений потери устойчивости с отслоением структурных элементов с их жесткостью, размерами, формой и локальными значениями прочности связи по границам элементов.

.3. Разработаны компьютерные структурные модели композитов волокнисто-блочно-споистого строения, которые позволяют наделять отдельные элементы.случайными локальными свойствами, а также задавать индивидуальные свойства для каждого структурного элемента в диалоговом режиме.

4. Разработаны компьютерные алгоритмы имитации накопления повреждений в композитах на структурных уровнях волокон, блоков и слоев, которые позволяют строить диаграммы деформирования при пошаговом нагружении, оценивать прочность композита при сжа'Гии, на экране монитора визуально прослеживать процесс образования и накопления повреждений на различных структурных уровнях.

5. Анализ влияния отдельных факторов и их совокупности на прочность композитов при сжатии показал, что существенное повышение прочности достигается путем "блокирования" механизмов потери устойчивости с отслоением отдельных структурных элементов. Наиболее эффективными направлениями блокирования этих механизмов разрушения и повышения прочности композитов при сжатии является:

а) увеличение прочности сцепления отдельных структурных элементов ;

б) создание определенных 'распредепений прочности связи по границам структурных элементов, в частности, связь элементов, расположенных у поверхности, должна Выть усилена;

в) увеличение поверхностей сцепления структурных элементов, которое может Выть достигнуто, в частности, за счет большего уто-

- 17 -

нения и вытягивания блоков при получении композита; г) введение клеевых прослоек между слоями с уменьшением их толщин и повышением жесткости матрицы.

в. На основе компьютерного моделирования открываются широкие возможности : управления прочностными свойствами композитов путем вариации технологических режимов • их получения; оптимизации структуры однонаправленно и перекрестно армированных слоистых композитов с учетом реальных условий и режимов нагружения материалов при их использовании в составе конструкций.

Основные результаты диссертации отражены в публикациях:

1. Борзунов К.К., Овчинсхий A.C. Имитационное моделирование на ЭВМ процессов разрушения волокнистых композитов под действием сжимающих нагрузок.^ // Рук. депонирована в ВИНИТИ 27.12.88. -Часть 2. -N9072-B88.

2. Овчинский A.C., Сорина Т.Г., Гусев Ю.С., Хайретди-новА.Х., Борзунов К.К. ■ Структурно-имитационное моделирование на ЭВМ процессов разрушения волокнисто-блочно-слоистых композитов при сжатии. // Механика композитных материалов. -1991. -N2. -С.266-274.

3. Овчинский A.C., Копьев И.М., Гусев Ю.С., Борзунов К.К. Имитационное моделирование накопления повреждений на различных структурных уровнях при сжатии композита вдоль волокон. // Тезисы докладов на II Всесоюзном семинаре по механике и технологии композитов (г. Черноголовка Моск.обл.). -1988. -С.38.

4. Овчинский A.C., Сорина Т.Г., Гусев Ю.С., Хайретди-нов А.Х., Борзунов К.К. Структурно-имитационное моделирование на ЭВМ процессов разрушения волокнисто-блочно-слоистых композитов при сжатии. // Тезисы докладов на VIII Всесоюзной конференции по механике полимерных и композитных материалов. -Рига. -1990. С.123.