КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-19-20039
НазваниеОценка влияния сложного напряженного состояния на кинетику деформирования и разрушения полимерных композитов с концентраторами напряжений при статическом и циклическом нагружениях
РуководительСапожников Сергей Борисович, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)", Челябинская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2025 г. |
Конкурс№77 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс).
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые словаПолимерный композитный материал (ПКМ), гибридизация, ударные повреждения, концентрация напряжений, сложное напряженное состояние, прочность, накопление повреждений, нелинейное циклическое деформирование, численное моделирование, метод конечных элементов (МКЭ)
Код ГРНТИ30.19.51
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Полимерные композитные материалы обладают исключительно высокой удельной прочностью и значительно превосходят по этому показателю традиционные конструкционные металлы и сплавы. В то же время, полного замещения металлов на композиты в высоконагруженных конструкциях, к которым предъявляются жесткие требования по весу, так и не произошло. Одной из таких причин является преимущественно хрупкая природа разрушения, что выражается в высокой чувствительности к наличию концентраторов напряжений в случае квазистатического нагружения. Использование гибридных псевдопластичных композитов позволяет частично решить данную проблему, но приводит к образованию вокруг концентратора зоны поврежденного материала. Кроме того, нет данных о влиянии ударных повреждений, также являющихся концентраторами напряжений, на остаточную статическую и усталостную прочность псевдопластичных гибридов.
Существующие методы проектирования и оценки прочности композитных конструкций с концентраторами напряжений в виде отверстий и дефектов на базе МКЭ на данный момент не являются научно-завершёнными. Из проблем можно отметить:
- В инженерных приложениях при анализе напряженно-деформированного состояния конструкций игнорируется фактическое нелинейное поведения композитов, что не позволяет полностью использовать деформационные и прочностные ресурсы материала. Важно отметить, что нелинейность деформирования вызвана, как правило, накоплением повреждений в слоях.
- Использование явной схемы интегрирования по времени при решении краевых задач для исключения проблем сходимости из-за нелинейного поведения композитов в расчетах требует значительных вычислительных ресурсов, что затрудняет применение такого подхода для анализа прочности крупногабаритных конструкций.
- Верификация параметров существующих численных моделей нелинейного поведения в зоне концентрации напряжений выполнятся, во многих случаях, по результатам испытаний образцов с отверстием/дефектом при растяжении или сжатии, в то время как большинство композитных элементов подвергаются воздействию разнонаправленной нагрузки.
В результате конструкция обладает избыточной прочностью даже при использовании гибридных ПКМ, ее вес незначительно отличается от металлического аналога, в то время как стоимость и сложность изготовления могут быть на порядок больше. Данный проект ставит перед собой цель разработать ряд экспериментально-расчетных методов, обеспечивающих повышение адекватности результатов конечно-элементного анализа композитных конструкций с концентраторами напряжений в виде отверстий/ударных повреждений при квазистатическом и ультрамалоцикловом (до 100 циклов) нагружениях.
Впервые планируется провести детальную оценку влияния мезоструктуры композита на его чувствительность к концентрации напряжений. Также впервые будет исследована прочность гибридных псевдопластичных композитов с концентраторами напряжений в виде отверстий и повреждений от локальных ударов при сложном напряженном состоянии. Будут предложены модификации существующих методов испытаний композитов для реализации в образцах с концентраторами различных видов плоского напряженного состояния. Еще одним элементом научной новизны является переход от верификации модели деформирования материала по результатам испытаний стандартных образцов, к верификации расчетной модели (комбинации сеточной модели, модели деформирования и критерия разрушения). Важно отметить, что в проекте не постулируется необходимость полного отказа от традиционных линейных постановок при конечно-элементном решении краевых задач квазистатического деформирования элементов с концентраторами из ПКМ, но предлагается сформировать границы их применимости и оценить целесообразность перехода к нелинейным постановкам в конкретных случаях.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта планируется получить следующие научные результаты:
1. Новые экспериментальные данные о влиянии концентрации напряжений на нелинейное поведение композитов различной мезоструктуры вблизи отверстий различного размера при различных видах напряженного состояния.
2. Новые экспериментальные данные о влиянии ударных повреждений на остаточную статическую и ультрамалоцикловую прочность гибридных псевдопластичных композитов при сложном напряженном состоянии.
3. Новая экспериментальная методика исследования влияния вида напряженного состояния на особенности деформирования слоистого композита при квазистатическом однократном и ультрамалоцикловом нагружении.
4. Новая численно эффективная модель нелинейного деформирования для анализа механического поведения и прочности композитных материалов при квазистатическом и ультрамалоцикловом нагружении.
5. Методические указания по выбору размера КЭ при численном моделировании композитных конструкций с концентраторами напряжений. Будут обобщены результаты квазистатических испытаний с образцов тканевых и однонаправленных композитов различной конфигурации использованием метода цифровой корреляции изображений (DIC) и регистрацией событий акустической эмиссии (АЭ).
6. Данные о границах применимости линейных моделей деформирования при анализе статической прочности композитных конструкций с концентраторами напряжений. Будет проведено сравнение с результатами, полученными на модели, учитывающей накопление повреждений и нелинейность диаграммы деформирования при сдвиге.
7. Методические рекомендации по расчётной оценке остаточной статической и ультрамалоцикловой прочности гибридных композитов с ударными дефектами.
Результаты работы по проекту могут найти применение при разработках:
- сверхзвукового пассажирского самолета из композитных материалов в рамках НЦМУ "Сверхзвук";
- авиационных турбовентиляторных двигателей ПД-35 и ПД-14;
- гражданского самолета МС-21;
- многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя "Корона";
- сосудов давления для высокотехнологичного наземного транспорта.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 году научно-исследовательская работа по проекту велась по нескольким направлениям в соответствии с заявленным планом работ. Ниже представлено описание проделанной работы по каждому из направлений в отчетном периоде.
1. Проведение испытаний на растяжение модифицированных образцов-полосок однородных и гибридных композитов, вырезанных под углом к направлению армирования, для реализации сложного напряженного состояния в рабочей части образца.
2. Разработка универсальной экспериментальной оснастки и численного алгоритма определения рациональной формы и размеров образцов для испытаний однородных и гибридных ПКМ при статическом и ультрамалоцикловом комбинированном нагружении (растяжение/сжатие-сдвиг).
3. Экспериментальное исследование влияния размеров концентратора/дефекта на прочность композита с учетом размера элементарной ячейки плетения материала и сдвижки (нестинга) при испытаниях на растяжение. Разработка методики выбора размера конечного элемента для адекватного прогноза разрушающей нагрузки композита с отверстием с учетом нелинейного характера деформирования.
4. Корректировка численной модели за счет учета влияния многоосевого нагружения на нелинейный характер деформирования материала для получения адекватной оценки напряженно-деформированного состояния.
По результатам работ получены следующие научные результаты.
1. Сравнительные испытания образцов тканевого углепластика на сдвиг по методу Иосипеску и на растяжение под 45° к направлению основы показали, что до деформаций сдвига 5% оба метода дают схожие результаты по прогнозу как упругих характеристик, так действующих сдвиговых напряжений при 5% деформации. В то же время, при больших деформациях сдвига на механическое поведение образцов полосок оказывал эффект разворота волокон, что отражалось в большем упрочнении при аналогичном уровне деформаций. Совокупность эффекта разворота волокон и влияния нормальных напряжений, характерных для образцов полосок значительно снижали предельную сдвиговую деформацию образцов. Результаты испытаний на растяжение образцов, вырезанных под углами к направлению основы тканевого армирующего наполнителя, позволили установить, что кривые сдвига при различных соотношениях σ1/τ12 с приемлемой точностью могут быть описаны единой кривой сдвига, полученный из испытаний на чистый сдвиг, вплоть до деформаций 5%. При этом жесткость композита на начальном участке кривой сдвига (до 0,5% деформаций) можно считать независящей от вида напряженного состояния и прочих факторов.
2. Результаты испытаний образцов гибридного углепластика продемонстрировали снижение влияния гибридизации при повышении доли сдвиговых напряжений, что объясняется определяющей ролью матрицы композита. Также отмечается необходимость использования ортогональных укладок однонаправленных волокон в случае применения их в качестве второго компонента гибридного пакета.
3. Две модели деформирования тканевого композита mFEA и UPF, учитывающие необратимые деформации, вызванные эффектами пластичности и деградации свойств в композите в результате накопления повреждений, были модифицированы и откалиброваны для описания кинетики деформирования в условиях многоосевого нагружения. В обоих случаях было принято предположение о независимости кривой сдвига от вида напряженного состояния и определены границы применимости соответствующего допущения. Представлен простой алгоритм калибровки моделей, не требующий данных о поведении композитов при двухосном нагружении и, при котором, параметры моделей были идентифицированы на основе стандартных испытаний на растяжение и сдвиг. Численное моделирование на базе mFEA-подхода показало свою эффективность при прогнозировании отклика тканевого композита при растяжении под углом до уровня осевых деформаций 2-3%. Погрешность по напряжениям во всех случаях не превышала 10%. Подход, построенный на базе алгоритма FARGR, оказался менее точен для малых углов вырезки, что связано особенностями учета разворота волокон армирующего наполнителя в процессе нагружения. Необходимо отметить, что подход mFEA может быть распространен для анализа прочности конструкций, работающих в условиях циклического комбинированного нагружения, поскольку учитывает накопление пластических деформаций в матрице. Для более точного описания нелинейного отклика в условиях комбинированного нагружения планируется объединить алгоритмы FARGR и mFEA на базе UPF, а также дополнить их правилом Друкера-Прагера. С этой целью был разработан алгоритм структурной модели деформирования, который показал свою эффективность при прогнозировании деформирования образцов углепластика, вырезанных под углом.
4. Были получены новые экспериментальные данные о характере изменения эффективного коэффициента концентрации напряжений для образцов-полосок с отверстиями с диапазоном диаметров от 2 мм до 10 мм. Результаты испытаний на растяжение показали, что при уменьшении размера ячейки плетения наблюдается более быстрый выход эффективного коэффициента концентрации напряжений к значениям, не зависящим от размера концентратора. Данное предположение будет уточнено на следующем этапе выполнения проекта посредствам проведения расширенной серии испытаний на нестандартных образцах увеличенных габаритов.
5. Было проведено моделирование испытаний на растяжение образцов полосок с отверстиями. Для подбора размера конечного элемента была применена методика, основанная на сопоставлении расчетной и экспериментальной нагрузки разрушения для базовой серии испытаний, и дальнейшей верификации на подобных испытаниях с измененными параметрами. На основе полученных расчетных и экспериментальных данных было выдвинуто предположение о необходимом размере концентратора напряжений в базовом испытании. Предполагается, что диаметр отверстия в образце-полоске должен быть не меньше размера элементарной ячейки плетения в случае, если для моделирования будет использован единый размер КЭ. Данное предположение будет проверено на следующем этапе выполнения проекта при численном анализе образцов с отверстиями увеличенных размеров.
Публикации
1. Гусейнов К.А., Силов В.А., Кудрявцев О.А., Сапожников С.Б. Численная оценка сдвиговой прочности композитного элемента при комбинированном нагружении с учетом нелинейного характера деформирования АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА, ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИННОВАЦИИ – 2023. Материалы XXIV Всероссийской научно-технической конференции (г. Пермь, 15–17 ноября 2023 г.), с. 60-61 (год публикации - 2023)
2. Лешков Е.В., Сапожников С.Б. Прогнозирование прочности образцов из углепластика с концентраторами напряжений АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА, ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИННОВАЦИИ – 2023. Материалы XXIV Всероссийской научно-технической конференции (г. Пермь, 15–17 ноября 2023 г.),, с. 130-131 (год публикации - 2023)