Гибридные биоподобные композитные структуры переменной жёсткости как альтернатива квазиизотропным материалам

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 проекта 23-23-00318

НазваниеГибридные биоподобные композитные структуры переменной жёсткости как альтернатива квазиизотропным материалам

Руководитель Малахов Андрей Викторович,

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук , г Москва

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 слова Композитные 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)

2. 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)

3. 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)

4. 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)

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)

6. Волкова О., Власов Д. Composite plates with curvilinear reinforcement structure: Production technologies, buckling and vibration resistance BIO Web of Conferences, 138, 02026 (2024) (год публикации - 2024)
10.1051/bioconf/202413802026

7. Го З., Хоу З., Тянь С., Чжу В., Ван С., Луо М., Малахов А.В., Полилов А.Н., Чжи Д., Дин Х., Лань Х. 3D printing of curvilinear fiber reinforced variable stiffness composite structures: A review Composites Part B: Engineering, Vol. 291 (2025) 112039 (год публикации - 2025)
10.1016/j.compositesb.2024.112039

8. Го З., Хоу З., Тянь С., Чжу В., Малахов А.В., Полилов А.Н., Чжи Д., Дин Х., Лань Х. Optimization design and 3D printing of curvilinear fiber reinforced variable stiffness composites based on polar coordinate sweeping Additive Manufacturing, Volume 88, 25 Мая 2024, 104272 (год публикации - 2024)
10.1016/j.addma.2024.104272

9. Власов Д.Д., Татус Н.А. Composite structures with local zones of variable stiffness BIO Web of Conferences, 138, 02019 (2024) (год публикации - 2024)
10.1051/bioconf/202413802019

10. Малахов А.В., Власов Д.Д., Волкова О.Ю., Плугатарь Т.П. Композиты переменной жесткости, армированные криволинейными волокнами и наночастицами Труды МИКМУС-2024 (год публикации - 2024)

11. Волкова О.Ю. Оптимизированный алгоритм 3D-печати с переменной скоростью композитов с криволинейным армированием Труды МИКМУС-2024 (год публикации - 2024)

12. Власов Д.Д., Поляков А.Э., Татусь Н.А. Об эффективных упругих характеристиках полимерных композитов, изготовленных с помощью аддитивных технологий Труды МИКМУС-2024 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
За 2024 год были достигнуты следующие результаты: 1. В ходе выполнения проекта были смоделированы различные композитные пластины с гибридным расположением траекторий волокон. Формирование криволинейных траекторий волокон было основано на семействе линий главных и средних напряжений таким образом, чтобы начало выполняться одновременное разрушение матрицы и волокон. В качестве критерия прочности был выбран критерий Хашина. Рассматривались пластины с разной геометрией и граничными условиями, чтобы оценить эффективность перехода от однонаправленного армирования на криволинейное с гибридным расположением траекторий волокон. Показано, что за счет изменения структуры армирования при переходе на криволинейное удается повысить нагрузку, при которой начинает разрушаться как матрица, так волокна при этом их разрушение выполняется одновременно. 2. С целью установления влияния погрешности регистрации полей перемещений с помощью системы ViC 3D, основанной на принципах корреляции цифровых изображений, для образцов с криволинейной поверхностью были проведены испытания на трехточечный изгиб. Показано, что погрешность не превышает 2% при отклонении нормали образца к направлению камер измерительной системы, но при этом зона расфокусировка камер увеличивается при ростре этого угла. 3. Были смоделированы композитные пластины с отверстием, в которых переменная жесткость формировалась за счет доменов с разным расположением углов ориентации однонаправленных волокон. Форма границы раздела представляла собой эллипс. К пластинам прикладывалась одноосная растягивающая нагрузка. После оптимизации были найдены оптимальные углы ориентации в доменах, находящихся возле отверстия. Показано, что начало с помощью создания локальной переменной жесткости за счет применения доменов удается значительно повысить нагрузку, при которой достигается разрушение матрицы и волокон. 4. Была проведена оценка влияния конечно-элементных сетей на результаты моделирования композитных пластин переменной жесткости. Пластины моделировались с различным числом конечных элементов и их сгущением в окрестности концентраторов напряжений. На основе результатов были выработаны рекомендации по формированию конечных элементов при моделировании композитов переменной жесткости. 5. С помощью аддитивных технологий на 3D принтере Anisoprint COMPOSER A3 для определения свойств материала были изготовлены композитные образцы. В качестве матрицы был выбран термопластический полимер PLA, а армирование выполняли углеродные и базальтовые волокна. После испытаний были установлены свойства композитных материалов, армированных как углеродными так и базальтовыми волокнами. 6. С помощью 3D печати были изготовлена композитные пластины с отверстием, в которых применялось как в качестве армирования гибридное расположение в доменах однонаправленные волокна, так и однонаправленные волокна (всюду). Для оценки влияния армирования были проведены испытания полученных пластин на одноосное растяжение. Результаты испытаний показали, что за счет изменения структуры армирования удается повысить несущую способность (максимальную нагрузку) пластин при переходе на гибридное армирование однонаправленных волокон. 7. Был разработан алгоритм построения точек на криволинейной траектории, в котором учитывается точность моделирования координат в зависимости от радиуса кривизны. Скорость печати изменяется от радиуса кривизны. Она является максимальной при прохождении сопла по прямой траектории от точки до дочки и минимальной при минимальном радиусе между точками (4 мм). Таким образом, стало возможным задавать переменную скорость печати для 3D принтера и изготавливать образцы с контролируемой точностью при переменной кривизне траектории. 8. Был исследован эффект самовосстановления композитов с термопластической матрицей. Для этого были изготовлены на 3D принтере пластины из термопластического полимера PLA, которые крепись между собой с помощью болтового соединения. Однако, при нагреве с различной температурой и выдержкой по времени пластины не склеивались. Более того, они деформировались из-за снятия остаточных напряжений при воздействии на них температуры. Для образов из композита, напечатанных на 3D принтере, также наблюдалось их деформирование после нагрева, что сделало проблематичным их испытания на растяжение. Вероятно, для достижения эффекта самовосстановления придется использовать другие способы нагрева образцов. 9. Полученные результаты были доложены на трех конференциях.

Публикации

Возможность практического использования результатов
На данный момент видеться несколько направлений практического использования результатов проекта в экономике и социальной сфере: 1. Разработанные алгоритмы могут быть включены в дополнительные пакеты программных комплексов, в которых применяется методов конечных элементов для анализа композитных структур; 2. Возможно сотрудничество с производителями 3D принтеров, т.к. разработанные алгоритмы построения непрерывных траекторий волокон могут быть применены в программом обеспечении для принтеров и на основе моделируемых траекторий выполняться печать композитов. 3. Может быть налажено сотрудничество с компаниями из аэрокосмической отрасли для внедрения композитных элементов в их изделия.