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 23-29-00524
НазваниеЧисленное моделирование физико-механических процессов залечивания трещин в композиционных материалах
РуководительПерельмутер Михаил Натанович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского 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 09 - Инженерные науки, 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые словазалечивание и самозалечивание трещин, механика разрушения, концевая область трещины, полимеры, керамика, композиционные материалы, численное моделирование
Код ГРНТИ30.19.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы механики прочности и разрушения материалов и конструкций – разработку физико-механических моделей и расчетно-теоретическое исследование процессов залечивания и самозалечивания трещин в композиционных материалах.
При моделировании будут рассмотрены композиционные материалы полимерной или керамической матрицей с внутренними и внешними механизмами залечивания трещин. В качестве базовых матриц предполагается рассмотрение эпоксидной смолы и бескислородной керамики.
В результате выполнения проекта будут разработаны:
- кинетические физико-механические модели процессов залечивания и самозалечивания дефектов и трещин в композиционных материалах, позволяющие оценить эффективность восстановления работоспособности материала/изделия;
- аналитические и численные методы для решения задач, возникающих при моделировании процессов залечивания дефектов и трещин в композиционных материалах с учетом условий эксплуатации;
- критерии и методы оценки эффективности залечивания и самозалечивания дефектов и трещин в композиционных материалах;
Теоретическое исследование процессов залечивания и самозалечивания дефектов и трещин в композиционных материалах предполагается проводить с использованием развиваемых авторами проекта моделей, основанных на рассмотрении зоны залечивания как трещины c концевой областью, частично или полностью заполненной связями.
Научная новизна проекта заключается в совместном исследовании физико-механических процессов формирования и залечивания/самозалечивания дефектов и трещин в рамках обобщенной модели трещины со связями в концевой области, без наложения условия равенства нулю коэффициента интенсивности напряжений. Впервые будут разработаны модели кинетики восстановления связей между поверхностями трещины (формирование концевой области трещины) для композиционных материалов с керамической матрицей.
Разработка и исследование теоретических моделей залечивания и самозалечивания дефектов и трещин в рамках концепции концевой области трещины позволит получить решения новых задач механики разрушения, среди которых: взаимодействие трещины и включения, влияние размера концевой области трещины и жесткости связей на трещиностойкость материала, взаимовлияние капсул-включений различной формы и размеров.
Актуальность поставленных задач заключается в необходимости сохранения и восстановления работоспособности материалов и конструкций при термомеханических нагрузках, особенно при наличии экстремальных физических воздействий и агрессивных сред, а также при удаленной эксплуатации конструкций. Применение конструкций с возможностью самовосстановления в процессе эксплуатации позволит сократить расходы на ремонт и замену изделий и конструкций, а также их компонентов, будет способствовать предотвращению катастрофических явлений, связанных с потерей работоспособности изделий (например, отказ электронной техники, разрушение лопаток турбин и т.д.).
Разработка и теоретическое исследование моделей залечивания и самозалечивания трещин в композиционных материалах позволит сопоставлять и прогнозировать эффективность различных методов залечивания трещин; прогнозировать степень восстановления материалов при залечивании и самозалечивании трещин, а также разрабатывать методы управления процессами восстановления композиционных материалов и изделий из них.
В результате работ по проекту появится возможность практического использования методов предотвращения развития дефектов и трещин на начальной стадии их формирования, увеличения надежности промышленных и строительных конструкций.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут разработаны:
- кинетическая модель для анализа высокотемпературных физико-химических процессов залечивания и самозалечивания трещин в композиционных материалах на основе керамики при действии термомеханических нагрузок с учетом агрессивных и поверхностно-активных сред;
- конечно-элементные модели взаимодействия трещин и капсул с залечивающим агентом в антикоррозионных покрытиях; будут получены оценки степени восстановления покрытий;
- алгоритм и программа расчета методом граничных интегральных уравнений теплового и термонапряженного состояний изделий с учетом формирования связей между поверхностями трещины в процессе залечивания;
- вариант нелокального критерия формирования и залечивания трещин с учетом затрат энергии в процессе восстановления связей при залечивании и самозалечивании трещин;
В результате выполнения проекта будут исследованы:
- процессы восстановления работоспособности материала при залечивании трещин (снижение коэффициентов интенсивности напряжений будет использоваться как критерий эффективности процесса);
- влияние механических свойств капсулы с залечивающим агентом и соединительного слоя между капсулой и матрицей на проникновение трещины в капсулу и влияние процентного содержания, механических свойств и размеров капсул на прочность и трещиностойкость композиционного материала;
- влияние толщины покрытия, наличия пор, а также формы границы адгезионного соединения между покрытием и основным телом на процессы формирования и залечивания трещин при термомеханических нагрузках с учетом агрессивных и поверхностно-активных сред;
- пространственные эффекты при залечивании и самозалечивании трещин и выполнен анализ пространственного напряженного состояния конструкций с концентраторами напряжений и трещинами в процессе формирования связей между поверхностями трещины;
Теоретическое исследование процессов залечивания и самозалечивания дефектов и трещин в композиционных материалах предполагается проводить с использованием развиваемых авторами проекта моделей, основанных на рассмотрении зоны залечивания как трещины cо связями в концевой области. Будут выполнены численные эксперименты для оценки эффективности разработанных моделей. Будет выполнено сопоставление численных результатов, полученных на основе разработанных при выполнении проекта моделей, с известными экспериментальными данными.
Значимость задач проекта заключается в необходимости сохранения и восстановление работоспособности материалов и конструкций при термомеханических нагрузках, особенно при наличии экстремальных физических воздействий и агрессивных сред. Повышение долговечности конструкций за счет возможности самовосстановления в процессе эксплуатации позволит повысить надежность ответственных изделий; сократить расходы на ремонт и замену изделий и конструкций, а также их компонентов. В результате работ по проекту появится возможность практического использования методов предотвращения развития дефектов и трещин на начальной стадии их формирования, увеличения надежности промышленных и строительных конструкций.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Изучены механизмы залечивания трещин в полимерных и керамических композиционных материалах. Разработана и численно реализована в форме пакета программ для научных расчетов кинетическая модель для анализа физико-химических процессов залечивания и самозалечивания трещин в композиционных материалах на основе полимеров или керамики при действии термомеханических нагрузок с учетом агрессивных и поверхностно-активных сред. Модель позволяет оценить размер сформированной концевой области трещины и время восстановления работоспособности материала (время формирования концевой области трещины) в зависимости от температуры процесса восстановления и условий эксплуатации для полимерных и керамических композиционных материалов, а также для защитных покрытий деталей машин. Механическая модель формирования концевой области трещины является общей для полимерных и керамических материалов, но физико-химические процессы и описание кинетики формирования связей различаются для этих материалов. Критерии эффективности залечивания трещин зависят от вида материала, организации процесса восстановления связей (температуры, нагрузки), типа залечивающего агента. Универсальным критерием оценки эффективности процесса залечивания трещин является уровень возрастания трещиностойкости материала. Научная новизна разработанной модели заключается в совместном исследовании физических процессов формирования дефектов в материале и процессов их залечивания в рамках единой модели, основанной на объединении кинетической теории деструкции-восстановления связей и модели концевой области трещины. Выполнено параметрическое исследование влияния физико-механических свойств связей, формирующихся в концевой области трещины, на размер восстановленной концевой области и величину модуля коэффициентов интенсивности напряжений.
2. Разработаны конечно-элементные модели композиционных материалов, а также материалов с антикоррозионными покрытиями, содержащие специальные капсулы «залечивающим агентом». Рассмотрены цилиндрические капсулы, как с круговым, так и эллиптическим поперечным сечением, а также сфероидальные капсулы. С использованием программного МКЭ комплекса ABACUS выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния вблизи капсул в антикоррозионных покрытиях и исследовано взаимодействие трещин и капсул с залечивающим агентом. Выполнено численное моделирование влияния адгезионного соединения на границе капсула-матрица на характеристики залечивания трещин и исследовано напряженное состояние в зоне капсулы-включения в зависимости о положения трещины и геометрических характеристик включения. Для цилиндрических капсул расчеты выполнены в постановке плоской деформации задачи теории упругости при одноосном растяжении изотропной пластины с капсулой. Для сфероидальных капсул трехмерная модель рассмотрена в осесимметричной постановке. Учитывалось заполнение капсулы залечивающим агентом. Рассмотрено два типа граничных условий на поверхности раздела капсулы и основного материала (матрицы), соответствующих идеальному и неидеальному соединению между поверхностью капсулы и матрицы. Исследована зависимость коэффициента концентрации напряжений (ККН) на границе между капсулой и матрицей от соотношения модулей упругости материалов и толщины оболочки капсулы. Выполнено моделирование зарождения и развития трещины-отслоения на границе между капсулой и матрицей. Исследованы случаи различной пространственной ориентации относительно трещины цилиндрической капсулы с эллиптическим поперечным сечением. С использованием когезионной модели выполнено моделирование развития трещины в окрестности капсулы для случая неидеального сцепления капсулы и матрицы.
3. Разработана методика и программное обеспечение для численного решения методом граничных интегральных уравнений (ГИУ) задач стационарной теплопроводности и термоупругости в осесимметричной постановке при учете взаимодействия берегов трещин. ГИУ для осесимметричных задач термоупругости получены в результате интегрирования ГИУ для трехмерного случая в предположении, что на тело действует кольцевая нагрузка. Фундаментальные решения для осесимметричной задачи теории упругости представлены с помощью полных эллиптических интегралов первого и второго родов. Для осесимметричной задачи получены выражения для граничных интегралов, учитывающих вклад температурного поля в напряженное состояние конструкции. Взаимодействие берегов трещины моделируется распределенными усилиями, приложенными к берегам трещины и зависящими от ее раскрытия. Полагается, что концевая область является частью трещины, а коэффициенты интенсивности напряжений определяются в вершине трещины, совпадающей с вершиной концевой области. Разработанная методика позволяет исследовать процесс залечивания трещин в упругих телах конечных размеров, обладающих осевой симметрией, при действии осесимметричных стационарных температурных и статических механических нагрузок. Залечивание трещины моделируется как процесс формировании концевой области трещины. Для оценки эффективности процесса залечивания трещины в пространственной постановке рассмотрена задача залечивания дискообразной трещины в круговом цилиндре в предположении, что на внешней поверхности цилиндра и на поверхности трещины заданы значения температур T1 и T2, соответственно, T1> T2. Процесс залечивания трещины (формирования концевой области) начинается от периферии трещины. Получена зависимость снижения модуля коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) при увеличении ширины зоны связей в дискообразной трещине. Выполнено параметрическое исследование влияния параметров связей при формировании концевой области трещины на величину модуля КИН. Снижение КИН при формировании связей используется как критерий эффективности процесса залечивания трещины.
Публикации
1. Перельмутер М.Н. Modeling of cracks healing in composites by bridged zone growth Procedia Structural Integrity, vol. 47, vol. 47, p. 545–551 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.prostr.2023.07.070
2. Перельмутер М.Н. Решение задач о взаимодействии берегов трещин методом граничных интегральных уравнений Математическое моделирование в естественных науках : материалы XXXII Всероссийской конференции. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, с. 261-263 (год публикации - 2023)
3. Перельмутер М.Н., Дудченко А.В. Моделирование залечивания трещин при термическом нагружении АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ СПЛОШНОЙ СРЕДЫ, Материалы VIII международной конференции, 01-05 октября 2023, Цахкадзор, Армения, стр. 213-217 (год публикации - 2023)
4. Перельмутер М.Н., Каспарова Е.А. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАЛЕЧИВАНИЯ ТРЕЩИН В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике : сборник докладов : в 4 т., 21–25 августа 2023 года, Санкт-Петербург: Политех-Пресс, XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике : Сборник докладов, т. 3, стр. 659-660 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18720/SPBPU/2/id23-629
5. Перельмутер М.Н. Программа CRHEAL для моделирования процесса залечивания трещины за счет формирования связей, соединяющих поверхности трещины -, № 2023686358 (год публикации - )