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 23-23-00318
НазваниеГибридные биоподобные композитные структуры переменной жёсткости как альтернатива квазиизотропным материалам
РуководительМалахов Андрей Викторович,
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-604 - Многомасштабное компьютерное моделирование структуры и свойств материалов
Ключевые словаКомпозитные материалы, Оптимизация, Переменная жёсткость, Гибридные структуры, 3D печать, Корреляция цифровых изображений, Испытания на растяжение.
Код ГРНТИ30.19.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Несмотря на высокие удельные прочностные свойства полимерных композитных материалов, имеется целый ряд ограничений, которые не позволяют раскрыть их полный потенциал. В первую очередь, эти ограничения связаны с высокой анизотропией материала, поэтому для самого эффективного применения композитов требуется, чтобы основная нагрузка передавалась на волокна, а не на слабую матрицу в виде сдвиговых и поперечных напряжений, приводящих к таким нежелательным механизмам разрушения как растрескивание, расщепление и отслаивание. Однако, избежать этих механизмов разрушения в композитных слоистых структурах невозможно при наличии концентраторов напряжений, при этом оставаясь в рамках старой парадигмы, в которой армирование осуществляется в виде прямолинейных волокон. Таким образом, возникает потребность в развитии новых стратегий проектирования композитных материалов, исключающих недостатки уже существующих методов, и, тем самым, обеспечивающих более эффективное применение композитных материалов.
Данный проект направлен на разработку новых методов проектирования гибридных композитных структур переменной жёсткости, в которых основной вклад в прочность вносят непрерывные и криволинейные волокна. Для выполнения этой цели необходимо будет осуществить переход от прямолинейного армирования к криволинейному с использованием гибридной структуры армирования. Криволинейные траектории волокон для гибридных композитных структур будут формироваться на основе семейств траекторий волокон, ориентированных вдоль максимальных и средних (промежуточных) главных напряжений. Такой подход значительно снизит число разных типов слоёв в гибридной структуре вплоть до одного, что в 4 раза меньше, чем в квазиизотропной структуре, где используются четыре типа слоёв (0/90/+45/-45). Применение только одного типа слоя с криволинейными волокнами, оптимизированными к градиентным полям напряжений, в гибридных композитных структурах приведёт к реализации полного потенциала композитов. Кроме того, будет исследовано влияние анизотропии на механическое поведение композитных материалов с неоднородной структурой армирования, в которых изменение анизотропии будет зависеть от объёмной доли наночастиц, таких как графен и нанотрубки. В итоге по результатам проекта будут разработаны основы моделирования, необходимые для изготовления биоподобных гибридных композитных материалов с криволинейным армированием и с различной структурой на нано-, микро- и макроуровне, что существенно повысит эффективность использования композитных материалов в конструкциях, содержащих разнообразные концентраторы напряжений.
Ожидаемые результаты
По итогам работы по проекту будут получены следующие результаты:
1) Впервые будет разработан метод проектирования гибридных композитных структур переменной жёсткости, благодаря которому получится максимально использовать потенциал композитов, поскольку основная нагрузка будет передаваться на волокна;
2) Из-за применения гибридного армирования достаточно будет только одного типа слоя даже для таких высоконагруженных композитных элементов, в которых применяются болтовые соединения, что позволит увеличить прочность конструкций в 4 раза по сравнению со стандартными квазиизотропными структурами;
3) Впервые будет проведена оценка эффективности (расчёт на прочность) разнообразных смоделированных гибридных композитных структур с помощью ранее разработанного метода деградации свойств материала, учитывающего неоднородность структуры армирования;
4) Использование непрерывных траекторий волокон при моделировании гибридных композитных структур открывает возможность на их основе изготовить композиты с контролируемой ориентаций волокна с помощью таких технологий как, например, 3D печать;
5) Созданные алгоритмы для формирования гибридных композитных структур могут быть легко использованы как для небольших объектов, так и для крупногабаритных;
6) Ожидается, что планируемые испытания на растяжение композитных пластин с неоднородной структурой армирования подтвердят эффективный переход от однонаправленного армирования к гибридной структуре армирования;
7) Результаты моделирования полей деформаций в композитных образцах будут сравниваться с экспериментальными, полученными с помощью корреляции цифровых изображений;
8) Добавление наночастиц в полимерные композитные материалы приводит к повышению свойств в поперечном направлении и при сдвиге, что уменьшает анизотропию и увеличивает нагрузку, при которой начинает разрушаться матрица. Ожидается, что при добавлении наночастиц в гибридные композитные структуры переменной жёсткости ещё больше возрастёт эффективность композитов;
9) Результаты работы будут опубликованы в рецензируемых журналах и доложены на российский и международных конференциях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
За 2023 год в ходе выполнения проекта были получены следующие результаты:
1. Был разработан метод моделирования композитных материалов с гибридным расположением криволинейных волокон, траектории которых укладываются вдоль максимальных и средних главных напряжений. Метод конечных элементов был использован, чтобы реализовать данный алгоритм моделирования композитов переменной жесткости для чего понадобилось применять программный комплекс ANSYS и написать нестандартные программы (макросы) на языке программирования APDL. При моделировании композитов с криволинейным армированием каждому элементу назначалась своя ориентация и объёмная доля волокна с учётом расположения траекторий волокон. Более того, поскольку свойства композитного материала зависят от объёмной доли волокон, они также являются переменными. Из-за изменения свойств материала при моделировании композитов переменной жесткости, меняется напряженное-деформированное состояние и расположение траекторий волокон. Фактически получается итерационный процесс моделирования, и он заканчивается, когда на границе раздела между траекториями, ориентированными вдоль максимальных и средних главных напряжений начнет разрушаться матрица и волокно. Таким образом, в ходе проведенной работы был реализован алгоритм в виде программного кода (программы), позволяющий реализовать главное преимущество композитов: высокие удельные характеристики в направлении волокон.
2. Исследовано влияние разориентации между нормалью поверхности образца и камерами при регистрации полей перемещений в ходе применения корреляции цифровых изображений. Установленная связь позволяет получать поля перемещений для образцов с криволинейной поверхностью с заданной погрешностью.
3. Были смоделированы композитные структуры переменной жёсткости с однонаправленным армированием в доменах для пластины с отверстием, находящейся под действием одноосного растяжения. Показано, что локальное изменение ориентации волокон в домене с однонаправленными волокнами возле отверстия приводит к перераспределению напряжений и их снижает. Это позволяет значительно повысить нагрузку, при которой начинает разрушаться матрица и волокно.
4. Добавление наночастиц в композитные материалы повышает свойства связующего и, таким образом, увеличивает эффективность композитов, поскольку в основном для композитов переменной жёсткости сначала происходит разрушение матрицы, а потом только волокон. Проведенные расчёты для композитных пластин с различными граничными условиями и объемной долей наночастиц показали, что удается повысить нагрузку, при которой происходит разрушение матрицы при добавлении в композиты наночастиц.
5. Были подготовлены образцы для исследования эффекта самолечения в композитах. Данные образцы с матрицей в виде термопластического полимера были напечатаны на 3D принтере Anisoprint COMPOSER A3. Образцы понадобятся для определения оптимального режима нагрева, чтобы реализовать механизм самолечения.
Публикации
1. Малахов А.В., Власов Д.Д., Склемина О.Ю., Плугатарь Т.П., Татусь Н.А. Композитные материалы с гибридным расположением однонаправленных волокон Труды XXXV Международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов (МИКМУС-2023, Москва, ИМАШ РАН, 13-14 ноября 2023) (2023 г.), - (год публикации - 2023)
2. Плугатарь Т.П., Погрешность измерений системы VIC 3D относительно расположения поверхности образца Труды XXXV Международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов (МИКМУС-2023, Москва, ИМАШ РАН, 13-14 ноября 2023) (2023 г.) (2023 г.), - (год публикации - 2023)
3. Власов Д.Д. Устойчивость композитных пластин с криволинейной структурой армирования. обзор Труды XXXV Международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов (МИКМУС-2023, Москва, ИМАШ РАН, 13-14 ноября 2023), - (год публикации - 2023)
4. Склемина О.Ю. Особенности методов проектирования и технологий изготовления композитных конструкций с криволинейным армированием Труды XXXV Международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов (МИКМУС-2023, Москва, ИМАШ РАН, 13-14 ноября 2023) (2023 г.) (2023 г.), - (год публикации - 2023)
5. Малахов А.В., Власов Д.Д., Склемина О.Ю., Плугатарь Т.П., Татусь Н.А. Гибридные композитные структуры переменной жёсткости с локально однонаправленным армированием Сборник тезисов конференции (XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, г. Санкт-Петербург, 21-25 августа 2023 г.), Том 3, Стр. 926-927 (год публикации - 2023)