Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В 2021 году научно-исследовательская работа по проекту велась по нескольким направлениям в соответствии с планом работ: 1. Расчетно-экспериментальное исследование влияния различных типов укладок и технологических приемов на чувствительность гибридных композитов к концентрации напряжений. 2. Разработка новой экспериментальной методики определения межслойной сдвиговой прочности ПКМ при наличии трансверсальной сжимающей нагрузки. 3. Разработка и верификация численной модели для оценки прочности и физико-механических характеристик композитов с дефектами структуры. 4. Интеграция алгоритма накопления повреждений в композитном материале при плоском напряженном состоянии в качестве пользовательской модели деформирования в ANSYS WB. 5. Экспериментальное исследование влияния технологических параметров на упругие, вязкоупругие, теплофизические характеристики и кинетику саморазогрева композита при высокочастотном циклическом нагружении. 6. Разработка аналитической модели генерации тепла при циклическом деформировании, учитывающей реономные свойства материала матрицы и наличие сухого трения в композите. 7. Экспериментальные исследования особенностей механического поведения образцов композитных материалов при ультрамалоцикловом пульсирующем растяжении. 8. Разработка и верификация аналитической модели, описывающей поведение ПКМ при ультрамалоцикловом пульсирующем растяжении. 9. Разработка и верификация численной модели представительной ячейки композита, учитывающей упруго- вязкопластические свойства матрицы и мезоструктуру материала, и описывающей поведение ПКМ при ультрамалоцикловом пульсирующем растяжении. 10. Разработка методики идентификации параметров мезоуровневых расчетных моделей деформирования и разрушения ПКМ при высокоскоростном ударе по результатам испытаний на низкоскоростной удар. Коллективом в рамках выполнения работ по гранту в 2021 году достигнуты следующие научные результаты: 1. Установлено, что гибридные композитные материалы, не обладающие протяженным участком упрочнения после площадки псевдотекучести, обладают более низким эффективным коэффициентом концентрации напряжений. Также отмечено положительное влияние использования тонких полимерных вуалей на границе раздела армирующих наполнителей и поворота слоев жесткого компонента на углы ±10°. Применение данных приемов позволило снизить эффективный коэффициент концентрации в гибридных стекло- и углепластиках на 15-20% по сравнению с исходными композитами, что эквивалентно повышению весовой эффективности конструкции на 10-12%. 2. Разработаны и апробированы установка и форма образца для определения межслоевых трансверсально-сдвиговых характеристик при комбинированном воздействии сжатия и сдвига, позволяющие проводить испытания в диапазоне углов от 20° до 40° с сохранением межслоевого характера разрушения. Экспериментально установлено, что трансверсальное сжатие оказывает значительное влияние не только на межслойную прочность, но и приводит к существенно-нелинейному характеру деформирования материала. 3. По результатам расчетно-экспериментальных исследований установлено, что дефекты микроструктуры типа смоляных карманов не оказывают статистически значимого влияния на распределение деформаций в образцах при простых видах нагружения. Сделан вывод, что при моделировании механического поведения композитов с дефектами необходимо использовать более сложные модели материалов, рассматривающие нелинейное поведение материала, для учета перераспределения напряжений. 4. Модель материала, лежащая в основе модуля FARGR-2, была интегрированная в ANSYS Mechanical с помощью модуля UPF. Исходный алгоритм был переработан на случай кинематического нагружения. Реализована возможность задания укладки композита за счет средств ANSYS Mechanical c использованием элемента SHELL 181. Распределение прочностных свойств волокон задавали непрерывной функцией, как и в исходном алгоритме. 5. Испытания образцов углепластика, изготовленных по разным технологиям показали, что коэффициент рассеяния в слоях, расположенных под углом 45° к оси нагружения, на два порядка больше, чем в слоях, расположенных под 0°. Испытания на циклический изгиб полностью подтвердили полученный результат. При этом для конструкций, работающих при высокочастотном нагружении, необходимо использовать максимально теплостойкие связующие без пластификаторов, поскольку это позволяет не только обеспечить работоспособность при высоких температурах, но и минимизировать вклад в саморазогрев гистерезисного трения. 6.Модель саморазогрева композита при знакопеременном изгибе была дополнена учетом реономной составляющей деформаций и сухого трения. Установлено, что коэффициент конверсии нелинейно возрастает с ростом частоты и амплитуды нагружения. Модифицированная модель позволила предсказывать максимальную температуру композита с погрешностью менее 2°С. 7. Экспериментальные данные и результаты расчетов с применением аналитической и конечно-элементной моделей показали, что основным фактором, определяющим ультрамалоцикловую прочность материала, является ползучесть. Накопление рассеянных микроповреждений за счёт разрушения волокон играет второстепенную роль при малом количестве циклов и низкой частоте нагружения. Разрушение матрицы или границы раздела с волокном с соответствующим снижением жёсткости актуально для слоев, направление армирования которых расположено под углом к оси нагружения. 8. Предложена и апробирована методика определения параметров прочности расчетных моделей для описания деформирования и разрушения композита при высокоскоростном ударе по результатам низкоскоростных ударных испытаний. Погрешность определения баллистического предела с использованием верифицированных моделей не превышала 11% и снижалась с увеличением толщины композита.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В 2022 году научно-исследовательская работа по проекту велась по следующим направлениям: 1. Исследование эффективности использования раздельных жгутов из высокомодульных углеродных волокон, специальных включений в матрице и дефектов жесткого компонента, а также их комбинации с ранее рассмотренными методами на чувствительность гибридных композитов к концентрации напряжений. 2. Верификация разработанной модели материала для модуля UPF в ANSYS Mechanical, учитывающей нелинейное деформирование композитного материала за счет накопления повреждений. 3. Экспериментальные и расчетные исследования нелинейного деформирования и разрушения ПКМ при комбинированном нагружении для уточнения новой методики определения межслойной сдвиговой прочности. Разработка соответствующей численной модели для оценки межслойной сдвиговой прочности в условиях комбинированного нагружения, учитывающей нелинейный характер деформирования. 4. Разработка расчетной методики учета влияния дефектов различного типа на межслойную прочность при комбинированном нагружении. Апробация разработанной методики при оценке статической прочности конструктивно-подобного образца «хвостовик РЛВ». 5. Экспериментальные исследования кинетики саморазогрева при циклическом изгибе образцов углепластика, изготовленных по различным технологиям, вязкоупругих свойств и кинетики саморазогрева при циклическом изгибе образцов углепластика с различными углами укладками ткани. Экспериментальное исследование влияния концентраторов напряжений на усталостную долговечность углепластиков при циклическом изгибе с низкими частотами. Модификация аналитической модели саморазогрева для учета укладки слоев в композитном пакете. Апробация расчета кинетики саморазогрева углепластика с разными углами укладки в МКЭ-пакете ANSYS Workbench. 6. Определение усталостной прочности углепластиков с концентраторами и без при ультрамалоцикловом растяжении. Разработка комплексного критерия характеризации видов повреждений в ПКМ на основании событий, полученных с помощью метода акустической эмиссии при испытаниях на растяжение. Верификация и доработка численной мезоуровневой модели для прогнозирования ползучести и накопления микроповреждений в ПКМ при циклическом нагружении под углом к направлению армирования. 7. Разработка методики верификации параметров расчетных моделей высокоскоростного ударного нагружения углепластика для обеспечения корректной оценки энергопоглощения и площади повреждения в композите на основе результатов низкоскоростных ударных испытаний. Полученные результаты: 1. Установлено, что использование полых стеклянных микросфер на границе раздела компонентов гибрида, применение разнесенных жгутов и дефектов в жестком компоненте не имеют положительного эффекта. Однако, технология нанесения дефектов на жесткий компонент позволяет избежать его катастрофического разрушения с последующим отслоением. Такое поведение композита актуально при циклическом нагружении конструкции. 2. Разработанная модель материала была апробирована при моделировании механического поведения как линейных вплоть до разрушения композитных материалов, так и демонстрирующих развитое нелинейное деформирование. Модель материала, дополненная критерием выбора размера КЭ, обеспечивает достаточную для выполнения инженерных расчетов точность при прогнозе разрушающей нагрузки изделий из ПКМ при растяжении/сжатии и изгибе (ошибка в запас менее 5% для классических композитов и менее 15% для композитов с развитой нелинейностью деформирования). 3. Для случая, комбинированного нагружения разработана методика определения пределов деформирования ПКМ. Установлено, что отличие оценок прочности материала, определенных по максимальной нагрузке и по максимальной сжимающей деформации зависит от вида нагружения и достигает 20% при максимальном уровне трансверсальных сжимающих напряжений (α=20°). Оценка прочности композитов на этапе проектирования по уточненной экспериментальной методике позволит существенно снизить риск преждевременного выхода из строя композитных элементов при эксплуатации. 4. Экспериментально установлено, что наличие встроенного в структуру композита включения оказывает незначительное влияние (не более 10%) на межслойную сдвиговую прочность. Разработан и апробирован подход учета дефектов мезоструктуры при нелинейном деформировании путем введения поправочного коэффициента, корректирующего степень упрочнения ПКМ в условиях комбинированного нагружения. Предложенный подход позволил учесть существенное изменение напряженно-деформированного состояния хвостовика РЛВ. Показано, что ошибка в запас прочности по максимальной нагрузке при использовании простой линейно-упругой модели материала составила 25%. 5. Испытания образцов углепластика, изготовленных по разным технологиям, на циклический изгиб показали, что коэффициент рассеяния в слоях, расположенных под углом 45° к оси нагружения, на порядок больше, чем в слоях, расположенных под 0°. Также стоит отметить, что образцы, изготовленные по технологии холодного отверждения, нагревались намного сильнее, чем образцы с матрицей горячего отверждения. Ранее разработанная аналитическая модель саморазогрева композита при знакопеременном изгибе была дополнена учетом угла укладки слоев и упругодиссипативными характеристиками (УДХ) композита и сухого трения. Модифицированная модель позволила предсказывать максимальную температуру композита с погрешностью менее 2°С. Модель также может быть использована для численного анализа кинетики саморазогрева композитных деталей сложной формы с помощью МКЭ, при этом основным ограничивающим фактором в численном анализе является сложность задания граничных условий в области соединений. 6. При проведении ультрамалоцикловых испытаний на растяжение образцов с отверстием по (коэффициент асимметрии R=0,1 и уровень максимальных напряжений 92-97% от статической прочности) было получено, что все образцы выдержали 100 циклов без разрушения. Напряжения дорыва (остаточная прочность после предварительного циклического нагружения) превысили статическую прочность до 10%. Выявлено, что при циклическом нагружении тканевого углепластика на этапах разгрузки сигналы акустической эмиссии продолжают наблюдаться (эффект Кайзера отсутствует), что указывает на фрикционный характер образующихся микроповреждений. При обработке данных акустической эмиссии показано, что комплексным критерием для тканевого композита, определяющим разрыв волокон и одновременное отслоение их от матрицы, может быть произведение энергии Э импульса на его длину Т, лежащее в диапазоне Э.Т > 2000 eu.s. Разработанная численная (МКЭ) мезоуровневая модель для прогнозирования ползучести и накопления микроповреждений, в которой каждый конечный элемент составлен из нескольких простых виртуальных материалов (фаз), показала качественное и количественное согласие с экспериментальными данными. 7. Установлено, что при использовании испытаний стандартных образцов ПКМ для построения модели ударного нагружения композита по-прежнему остается необходимой дополнительная калибровка модели. Предложенный алгоритм калибровки модели ударного нагружения композита на основании низкоскоростных ударных испытаний, а также введение деградации свойств, предшествующей удалению конечного элемента из расчета, позволили адекватно описывать энергопоглощение и картину разрушения композита во всем рассмотренном диапазоне энергий удара. Учет нелинейного деформирования и накопления повреждений от растяжения по направлениям основы и утка позволили добиться более физичного описания процесса развития трещины и расслоения в образцах углепластика при низкоскоростном ударе. Погрешность определения оценки баллистического предела с использованием откалиброванной модели не превышала 5%.