Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Реализация проекта направлена на решение фундаментальных научных проблем: описание математических моделей термовязкоупругого поведения материалов; создание эффективной расчетной методики для анализа деформационного поведения ответственных узлов трения мостовых строений в условиях термоциклического воздействия с учётом физико-механических, реологических свойств материалов элементов конструкции; формирование ряда рекомендаций по эффективному использованию современных полимерных и композиционных материалов для увеличения долговечности, износостойкости конструкции и минимизации экономических затрат на основе компьютерного инжиниринга. В рамках реализации проекта проведен широкий комплекс исследований по созданию теоретической и практической базы о методике проведения экспериментов для определения параметров, позволяющих описать нелинейное поведение полимерных/композиционных материалов на широком диапазоне температур. Расширены возможности численной параметризированной процедуры идентификации математических моделей поведения материалов за счет внедрения новых баз данных о термомеханике, теплофизике и реологии материалов в широком диапазоне температур эксплуатации и скоростей деформирования, а также имитационных моделей экспериментов на свободное сжатие и температурное деформирование цилиндрических образцов. Наработан большой объем вычислительных экспериментов на модельных и тестовых задачах. Проведено исследование по использованию разных математических моделей для описания термомеханического поведения полимерных/композиционных материалов на численных моделях реальной конструкции в статической и квазистатической постановках. Это позволяет собрать определенную базу данных о свойствах и поведении исследуемого набора полимерных/композиционных материалов (ПТФЭ; МАК (Ф4БР40М2); СВМПЭ; Арфлон AR-200; Арфлон AR-202; Арфлон AR-204 и Суперфлувис SF-1). На первом этапе проекта выполнено: 1. Техническая и математическая постановки экспериментальных исследований термомеханики и теплофизики современных полимерных/композиционных материалов в широком диапазоне температурно-силовых воздействий, сформированы методики эмпирических исследований о свободном сжатии цилиндрических образцов, а также экспериментов на ДМА, направленных на определение коэффициентов термического расширения материалов и температурные зависимости термомеханических и реологических свойств. 2. Проведена серия экспериментальных исследований набора современных полимерных материалов и композитов, пригодных в качестве относительно тонких защитных антифрикционных прослоек в несущих элементах транспортно-логистических систем, работающих в условиях сложного деформирования и контактного взаимодействия, в широком диапазоне температурно-силовых воздействий. Для обеспечения статической значимости результатов проводилось не менее 3 экспериментов для каждого типа термосилового нагружения. 3. Выполнена обработка, анализ и верификация результатов исследований на базе математического аппарата статистического анализа, построены сложные механические модели поведения материалов в рамках широкого диапазона нестационарных температурно-силовых воздействий для компьютерного моделирования исследуемых объектов и систем. • В качестве первого приближения для описания вязкоупругого поведения материалов выбрана математическая модель на основе тела Максвелла с разложением ядра релаксации рядами Прони. • Проведена идентификация упруговязкопластической модели поведения материала, найдены неизвестные коэффициенты для численного описания поведения материала. Первоначально модель подобрана для одного материала. 4. Созданы новые/уточнены ранее созданные численные алгоритмы обработки экспериментальных данных и идентификации свойств моделей поведения полимерных материалов и композиций с учетом реологии в широком диапазоне температур и нагрузок: определение эффективных характеристик, коэффициентов аппроксимации для функций релаксации. 5. Построены численные аналоги экспериментальных исследований и имитационных моделей для верификации и проверки параметров для описания термовязкоупругого поведения материалов. 6. Выполнена апробация численных алгоритмов для построения вязкоупругой и упруговязкопластической моделей поведения материалов на основе баз данных результатов натурных экспериментов (ДМА, ОНС), выполнено уточнение модели поведения антифрикционных материалов с учетом термомеханических, теплофизических и реологических свойств материалов. Цифровые аналоги материалов в рамках теории вязкоупругости построены для всего исследуемого набора материалов и учитывают температурно-временную аналогию. Цифровой аналог упруговязкопластического поведения материалов построен на примере СВМПЭ, на котором отработаны эксперименты, численные алгоритмы, процедуры и имитационные модели. 7. Проведена верификация уточненных математических моделей поведения материалов с учетом новых данных о термомеханических, теплофизических и реологических свойствах на тестовых задачах, в том числе в рамках термоциклического нагружения в условиях квазистатики: 7.1. Выполнено моделирование частного случая задачи Герца (о внедрении стального сферического штампа в полимерное/композиционное полупространство) в 2D постановке с учетом температурного и временного фактора (выдержка статической нагрузки в течение определенного времени). 7.2. Выполнен анализ термовязкоупругого поведения материалов слоя скольжения при статическом и периодическом нагружениях осесимметричной модели сферической опорной части мостового сооружения, учтены температурный и временной факторы. 7.3. Выполнена серия численных экспериментов для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) слоя скольжения из СВМПЭ при воздействии циклической нагрузки в рамках рассмотрения осесимметричной модели сферической опорной части. Синусоидальное увеличение уровня нагрузки происходит каждые 10 минут: минимальный уровень – отсутствие нагрузки на опорную часть моста от транспорта, с учетом веса мостового пролета (≈ 1/3 от номинальной); синусоидальное увеличение нагрузки соответствует прохождению транспорта по опорной части моста, движение поезда, максимальная нагрузка ≈ 2/3 от номинальной. Модель позволяет оценить НДС конструкции в первом приближении для различных моделей поведения слоя скольжения в условиях многоциклового нагружения. Выполнено сравнение вязкоупругой и упруговязкопластической модели поведение материалов. Установлены новые зависимости эволюции контактного НДС элементов опорной части моста в широком диапазоне температур эксплуатации при разном характере нагружения. В первом приближении выполнен сравнительный анализ поведения современных антифрикционных полимерных/композиционных материалов с контрольным образцом из чистого ПТФЭ.