Остаточные напряжения в конструкциях из полимерных композитов при нестационарных термомеханических воздействиях

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 23-29-00425

НазваниеОстаточные напряжения в конструкциях из полимерных композитов при нестационарных термомеханических воздействиях

Руководитель Мишнёв Максим Владимирович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" , Челябинская обл

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; 09-106 - Проблемы механики в проектировании новых материалов

Ключевые слова Полимерные композиционные материалы, стеклопластики, термореактивные связующие, остаточные напряжения, температурные напряжения, термомеханическое воздействие, вязкоупругость, стеклопластиковые газоходы, стеклопластиковые дымовые трубы

Код ГРНТИ67.09.45

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен решению научной проблемы прогнозирования зарождения и развития остаточных напряжений в элементах конструкций из полимерных композиционных материалов при нестационарных термомеханических воздействиях. Перспективной областью применения полимерных композитных материалов являются конструкции газоотводящих трактов промышленных предприятий (дымовые трубы, газоходы и системы газоочистки), подвергающиеся совместному воздействию механических нагрузок, повышенных температур и агрессивных сред. В подобных условиях конструкции из традиционных материалов (железобетона, стали, кирпича) ускоренно разрушаются. Поэтому стойкие к агрессивным воздействиям конструкции газоотводящих трактов из полимерных композитов являются хорошей альтернативой. Температурные режимы эксплуатации рассматриваемых сооружений являются нестационарными. Композитные конструкции состоят из гетерогенных материалов, компоненты которых обладают различающимися коэффициентами температурного расширения, механическими свойствами, что вместе с градиентами температур и стесненностью деформаций приводит к возникновению и накоплению остаточных напряжений, при этом в процессе эксплуатации на температурные напряжения накладываются механические напряжения от внешних нагрузок. Корректная оценка напряженно-деформированного состояния рассматриваемых конструкций возможна только при достоверном прогнозировании уровня остаточных напряжений на протяжении периода эксплуатации после многократно повторяющихся теплосмен. При этом для крупногабаритных оболочечных конструкций уровень внутренних остаточных напряжений важен не только с точки зрения обеспечения прочности элементов. Одним из основных факторов, определяющим деформативные характеристики полимерных композитов, является уровень внутренних напряжений. Переход в вынужденноэластическое состояние термореактивных полимеров происходит при определенном соотношении уровня внутренних напряжений и температуры, при этом жесткость полимера скачкообразно меняется. Для высоконагруженных оболочечных композитных конструкций, длительно эксплуатируемых при нестационарном температурном режиме в какой-то момент в результате накопления остаточных напряжений при определенной температуре, произойдет резкое падение жесткости несущего элемента в результате перехода полимера матрицы в вынужденноэластическое состояние. Это может привести к выключению из работы данного элемента и / или потере его устойчивости. Решение вышеобозначенной проблемы позволит разработать инженерную методику моделирования зарождения и развития остаточных напряжений в элементах конструкций из полимерных композитов при нестационарных термомеханических воздействиях. Решение проблемы планируется построить на экспериментальных исследованиях и моделировании с применением структурной модели, позволяющей описать процесс формирования и накопления остаточных напряжений в многослойных конструкциях из разнородных материалов, а также реологические свойства композитных конструкций с учетом памяти об истории термомеханического нагружения. Научная новизна будет заключаться: - в новых экспериментальных данных и результатах прогнозирования уровня остаточных напряжений, формирующихся в термореактивных полимерах при нестационарных термомеханические воздействиях; - в результатах экспериментальных исследований влияния накопленных остаточных напряжений на механические свойства (модуль упругости, предел вынужденной эластичности) термореактивных полимеров и композитов на их основе в том числе с учетом термического старения материалов; - в экспериментальных данных об уровне остаточных напряжений, формирующихся в цилиндрических стеклопластиковых оболочечных образцах при нестационарных термомеханические воздействиях; - в результатах математического моделирования испытаний стеклопластиковых элементов конструкций при нестационарных термомеханических воздействиях и сопоставлении расчетного НДС с экспериментальным.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мишнев М.В., Королев А.С., Задорин А.А., Асташкин В.М. Cyclic thermomechanical loading of thermoset polymer: experiment and modeling considering accumulation residual stress Preprints.org, Mishnev, M.; Korolev, A.; Zadorin, A.; Astashkin, V. Cyclic thermomechanical loading of thermoset polymer: experiment and modeling considering accumulation residual stress. Preprints 2023, 2023120910. https://doi.org/10.20944/preprints202312.0910.v1 (год публикации - 2023)
10.20944/preprints202312.0910.v1

2. Задорин А.А., Мишнев М.В., Королев А.С. Effect of Thermal Aging on Viscoelastic Behavior of Thermosetting Polymers under Mechanical and Cyclic Temperature Impact Preprints.org, Zadorin, A.; Mishnev, M.; Korolev, A. Effect of Thermal Aging on Viscoelastic Behavior of Thermosetting Polymers under Mechanical and Cyclic Temperature Impact. Preprints 2023, 2023120931. https://doi.org/10.20944/preprints202312.0931.v1 (год публикации - 2023)
10.20944/preprints202312.0931.v1

3. Задорин А.А., Мишнев М.В., Королев, А.С. Temperature stress accumulation in polymer composite shells under cyclic temperature impact Строительство уникальных зданий и сооружений, Zadorin, A.; Mishnev, M.; Korolev, A. Temperature stress accumulation in polymer composite shells under cyclic temperature impact; 2023; Construction of Unique Buildings and Structures; 109 Article No 10920. doi: 10.4123/CUBS.109.20 (год публикации - 2023)
10.4123/CUBS.109.20

4. Мишнев М.В., Задорин А.А., Королев А.С., Алабугина Д. А., Пьянкова А. Ю., Шамбергер А. А., Асташкин В. М. Structural multi-element model of viscoelastic material: concept and experimental testing Строительство уникальных зданий и сооружений, Mishnev, M.; Zadorin, A.; Korolev, A et al. Structural multi-element model of viscoelastic material: concept and experimental testing; 2023; Construction of Unique Buildings and Structures; 109 Article No 10923. doi: 10.4123/CUBS.109.23 (год публикации - 2023)
10.4123/CUBS.109.23

5. Королев А.С., Задорин А.А., Мишнев М.В. The Finite Element Method in Thermosetting Polymers’ and FRPs’ Supramolecular Structure and Thermomechanical Properties’ Modeling Polymers, Korolev, A., Zadorin, A., & Mishnev, M. (2024). The Finite Element Method in Thermosetting Polymers’ and FRPs’ Supramolecular Structure and Thermomechanical Properties’ Modeling. Polymers, 16(23), 3443. https://doi.org/10.3390/polym16233443 (год публикации - 2024)
10.3390/polym16233443

6. Королев А.С., Задорин А.А., Мишнев М.В. The modeling of a thermosetted polymer’s deformations using the finite element method ALFABUILD, Korolev, A.; Zadorin, A.; Mishnev M. The modeling of a thermosetted polymer’s deformations using the finite element method; 2024; AlfaBuild; 32 Article No 3202. doi: 10.57728/ALF.32.2 (год публикации - 2024)
10.57728/ALF.32.2

7. Мишнев М.В., Нугужинов Ж.С., Задорин А.А., Алабугина Д.А., Асташкин В.М. Modeling of viscoelastic response in epoxy fiberglass plastic under cyclic high temperature and load Строительство уникальных зданий и сооружений, Mishnev, M.; Nuguzhinov. Z.; Zadorin, A.; Alabugina, D.; Astashkin, V. Modeling of viscoelastic response in epoxy fiberglass plastic under cyclic high temperature and load; 2024; Construction of Unique Buildings and Structures; 113 Article No 11313. doi: 10.4123/CUBS.113.13 (год публикации - 2024)
10.4123/CUBS.113.13

8. Мишнев М.В., Гурьева В.А., Задорин А.А., Асташкин В.М. Nondestructive method for determining residual stresses in polymers and composites Строительство уникальных зданий и сооружений, Mishnev, M.; Gurieva., V.; Zadorin, A.; Alabugina, D.; Astashkin, V. Nondestructive method for determining residual stresses in polymers and composites; 2024; Construction of Unique Buildings and Structures; 113 Article No 11314. doi: 10.4123/CUBS.113.14 (год публикации - 2024)
10.4123/CUBS.113.14

9. Мишнев М.В., Королев А.С., Задорин А.А., Алабугина Д.А., Маликов Д.А., Зырянов Ф.А. Viscoelastic Memory Effects in Cyclic Thermomechanical Loading of Epoxy Polymer and Glass-Reinforced Composite: An Experimental Study and Modeling Under Variable Initial Stress and Cycle Durations Polymers, Mishnev, M.; Korolev, A.; Zadorin, A.; Alabugina, D.; Malikov, D.; Zyrianov, F. Viscoelastic Memory Effects in Cyclic Thermomechanical Loading of Epoxy Polymer and Glass-Reinforced Composite: An Experimental Study and Modeling Under Variable Initial Stress and Cycle Durations. Polymers 2025, 17, 344. https://doi.org/10.3390/polym17030344 (год публикации - 2025)
10.3390/polym17030344

10. Мишнев М.В., Королев А.С., Задорин А.А. Effect of Thermal Aging on Viscoelastic Behavior of Thermosetting Polymers under Mechanical and Cyclic Temperature Impact Polymers, Mishnev, M., Korolev, A., & Zadorin, A. (2024). Effect of Thermal Aging on Viscoelastic Behavior of Thermosetting Polymers under Mechanical and Cyclic Temperature Impact. Polymers, 16(3), 391. https://doi.org/10.3390/polym16030391 (год публикации - 2024)
10.3390/polym16030391

11. Мишнев М.В., Королев А.С., Задорин А.А., Асташкин В.М. Cyclic Thermomechanical Loading of Epoxy Polymer: Modeling with Consideration of Stress Accumulation and Experimental Verification Polymers, Mishnev, M., Korolev, A., Zadorin, A., & Astashkin, V. (2024). Cyclic Thermomechanical Loading of Epoxy Polymer: Modeling with Consideration of Stress Accumulation and Experimental Verification. Polymers, 16(7), 910. https://doi.org/10.3390/polym16070910 (год публикации - 2024)
10.3390/polym16070910

12. Задорин А.А., Королев А.С., Мишнев М.В. Determination of thermomechanical properties of polymer composites and calculating temperature stresses in structures using finite element structural modeling Строительство уникальных зданий и сооружений, Zadorin, A.; Korolev, A.; Mishnev, M. Determination of thermomechanical properties of polymer composites and calculating temperature stresses in structures using finite element structural modeling; 2024; Construction of Unique Buildings and Structures; 113 Article No 11312. doi: 10.4123/CUBS.113.12 (год публикации - 2024)
10.4123/CUBS.113.12

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках проекта были проведены экспериментальные исследования формирования остаточных напряжений в образцах отверждённого эпоксидного полимера на ангидридном отвердителе и стеклопластика с тем же полимерным матричным связующим и армированием стеклотканью. Исследования выполнялись при циклических термомеханических воздействиях с целью оценки накопления остаточных напряжений. Основные задачи работы включали: • Создание Python-программы для определения механических параметров вязкоупругой трёхэлементной модели Кельвина–Фойгта по экспериментальным данным. • Определение при различных температурах параметров эпоксидного полимера и стеклопластика для этой модели. • Экспериментальные исследования напряжённого состояния образцов из чистого полимера и стеклопластика при циклах нагрева-охлаждения и различных начальных напряжениях. Предложенный подход основывается на трёхэлементной модели Кельвина–Фойгта. В рамках проекта была разработана усовершенствованная методика определения механических характеристик при испытаниях на растяжение при разных температурах. Для определения параметров модели релаксации (E1, E2, η) разработан Python-скрипт, использующий дифференциальную эволюцию, а также библиотеки Pandas, NumPy, SciPy, Matplotlib. Визуализация результатов и анализ ошибок аппроксимации позволяют оценить точность моделирования. Проведены исследования остаточных напряжений при циклах термомеханических воздействий. Для этой цели создан специальный экспериментальный стенд, позволяющий осуществлять циклические нагревы-охлаждения образцов и механо-температурные испытания. Ключевая новизна стенда – устройство неразрушающего определения остаточных напряжений, основанное на локальном нагреве исследуемой зоны до высокоэластического состояния. Это устройство позволяет «снимать» внутренние напряжения без разрушения материала, что применимо к готовым изделиям. Методика работы такова: на поверхность закрепляется устройство с тензодатчиком, проводится замер исходного состояния, затем кольцевая зона локально нагревается до температуры стеклования при одновременном охлаждении прилегающих областей. После этого повторно измеряется деформация, что позволяет определить разность и оценить остаточные напряжения. Завершив процедуру, устройство снимается, материал восстанавливает исходные свойства. Данный новый неразрушающий метод полезен для крупных и сложных конструкций, применим в реальных условиях эксплуатации и не требует разрушения образцов. Он успешно продемонстрирован на практике, что говорит о его перспективности. Эксперименты показали, что в чистом эпоксидном полимере при малых или нулевых начальных механических напряжениях происходит значительное накопление остаточных растягивающих напряжений при циклическом термонагружении. Это особенно проявляется при выдержках при максимальной температуре, указывая на роль релаксационных процессов. При высоких начальных растягивающих напряжениях накопление остаточных напряжений почти не наблюдается, вероятно, из-за баланса термических и механических факторов. В случае стеклопластика накопление остаточных напряжений выражено гораздо слабее, что объясняется армированием и пониженным коэффициентом термического расширения. Однако при длительных выдержках на максимальной температуре небольшое увеличение остаточных напряжений всё же отмечается. Моделирование, выполненное с усовершенствованной многоэлементной моделью, хорошо согласуется с экспериментальными данными для эпоксидного полимера. Учтён «эффект памяти» на термомеханическое воздействие путём введения виртуальных деформаций в «отключаемые» ячейки при определённых температурах. Это дало возможность объяснить механизм накопления остаточных напряжений и их зависимость от начальных условий и параметров термопроцессов. Полученные результаты находятся в соответствии с предыдущими исследованиями, подтверждая сложный вязкоупругий характер поведения полимеров и композитов. Разработанная модель удовлетворительно описывает поведение эпоксидного полимера, учитывает эффект памяти и позволяет прогнозировать накопление остаточных напряжений при циклических термомеханических нагрузках. Возможно дальнейшее расширение модели для учёта перехода в высокоэластическое или вынужденноэластическое состояния, добавляя элементы или критерии отключения ячеек не только по температуре, но и по уровню напряжений. В итоге установлено: • Для чистого эпоксидного полимера при низких начальных механических напряжениях возникает значительное накопление остаточных растягивающих напряжений в условиях циклического термомеханического нагружения. • Для стеклопластика на той же полимерной матрице накопление остаточных напряжений значительно слабее за счёт армирования. • Предложенная модель, учитывающая термомеханическую память материала, согласуется с экспериментом и может применяться для прогнозирования напряжённо-деформированного состояния композитных конструкций при нестационарных термомеханических воздействиях. На основании полученных результатов разработаны рекомендации по моделированию напряжённого состояния оболочечных конструкций газоотводящих трактов из полимерных композитов с учётом накопления остаточных напряжений в реальных условиях эксплуатации.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта обладают значительным потенциалом для практического применения в экономике и социальной сфере. Разработанные методы и модели позволяют более точно прогнозировать напряженно-деформированное состояние полимерных и композитных конструкций, работающих в условиях переменных температур (например, газоотводящих трактов, трубопроводов, строительных оболочек). Это обеспечивает повышение надежности, долговечности и безопасности таких изделий, снижая риск аварийных ситуаций и затрат на внеплановый ремонт или замену. Применение разработанных подходов в промышленности даст возможность оптимизировать технологические процессы изготовления и эксплуатации полимерных композитов, улучшить характеристики выпускаемой продукции, а также снизить себестоимость за счет уменьшения дефектов и сокращения времени на диагностику. Неразрушающий метод определения остаточных напряжений позволит проводить мониторинг состояния конструкций без их разборки или вывода из эксплуатации, что особенно важно для критически важных объектов инфраструктуры и транспорта. В социальной сфере внедрение результатов проекта приведет к повышению уровня промышленной безопасности, защите окружающей среды (за счет увеличения ресурса конструкций и сокращения отходов) и улучшению условий труда. Укрепление научно-технологической базы в области полимерных композитов способствует развитию отечественных компетенций, формированию научно-технологических заделов для дальнейшего экономического роста, повышению конкурентоспособности отечественной продукции на мировом рынке и, в целом, росту качества жизни.