Закритическое деформирование, разрушение и живучесть полимерных композиционных материалов в условиях развития трещин при циклических и вибрационных 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 25-29-00760

НазваниеЗакритическое деформирование, разрушение и живучесть полимерных композиционных материалов в условиях развития трещин при циклических и вибрационных воздействиях

Руководитель Третьяков Михаил Павлович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" , Пермский край

Конкурс №102 - Конкурс 2025 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 слова Композиционные материалы, стеклопластик, углепластик, растяжение, усталость, вибрационные воздействия, накопление повреждений, рост трещин, закритическое деформирование, живучесть, ультразвуковая дефектоскопия, инфракрасная термоскопия.

Код ГРНТИ30.19.00, 30.19.57, 30.19.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты выполнения проекта. Первый год выполнения проекта (2025 г.): 1. Методика реализации предварительного усталостного повреждения и оценки степени накопленных дефектов по падению жесткости и прочности образцов композитов; 2. Результаты применения методов активной и пассивной термографии для определения зон и уровня поврежденности стекло- и углепластиковых материалов; 3. Результаты применения метода ультразвуковой дефектоскопии для оценки уровня поврежденности композиционных материалов и наличия макроскопических трещин; 4. Данные о накоплении усталостных повреждений и росте макроскопической трещины при циклическом растяжении образцов стеклопластика с концентраторами; 5. Данные о накоплении усталостных повреждений и разрушении при циклическом растяжении образцов с концентраторами из углепластика со схемой укладки 0/90; 6. Результаты оценки устойчивости равновесного роста трещин в зависимости от параметров дополнительных вибрационных воздействий при растяжении образцов композитов. Второй год выполнения проекта (2026 г.): 1. Опытные данные о накоплении усталостных повреждений и разрушении при циклическом растяжении образцов с концентраторами из углепластика со схемой укладки +45/-45; 2. Данные о накоплении усталостных повреждений и разрушении при циклическом растяжении образцов с концентраторами из углепластика со схемой укладки 0/90; 3. Результаты оценки влияния схемы укладки слоев углепластика на возникновение и эволюцию внутренних повреждений и рост трещины в зоне концентратора; 4. Результаты изучения равновесия процессов закритического деформирования и разрушения при испытании образцов с предварительно выращенной усталостной трещиной различной длины; 5. Данные об устойчивости равновесного роста трещин в зависимости от параметров дополнительных вибрационных воздействий при растяжении образцов композитов. Ожидаемые результаты, полученные для современных композиционных материалов, применяемых в машиностроении и авиационной технике, с использованием оригинальных методик и современного оборудования, соответствуют высокому международному уровню исследований, обладают научной новизной и общественной значимостью в связи с тем, что направлены на развитие методов решения задач конструкционной прочности ответственных конструкций и сооружений с целью прогнозирования и уменьшения последствий возможных повреждений и разрушений на основе комплексного исследования закономерностей закритического деформирования и разрушения конструкционных материалов при наличии повреждений и трещин и соответствующего развития методов прочностного анализа. Полученные численно-экспериментальные результаты и разработанные оригинальные методики будут рекомендованы к использованию в научных и испытательных лабораториях при проведении механических исследований перспективных композиционных материалов. Полученные результаты будут использоваться в существующих и разрабатываемых учебных курсах при подготовке специалистов в области механики конструкционных материалов, студентов, магистрантов и аспирантов ПНИПУ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Реализуемый проект направлен на развитие представлений о закономерностях процессов равновесного накопления повреждений в полимерных слоистых композитах (стекло- и углепластики) на основе получения новых экспериментальных данных о механическом поведении образцов с трещиной или трещиноподобным дефектом и накопленными усталостными повреждениями при комбинированных воздействиях (растяжение после накопленной поврежденности при циклическом нагружении при растяжении и сдвиге, растяжение с дополнительной вибрацией по сдвиговой моде), закритическом деформировании и формировании условий макроразрушения с использованием современных испытательных и диагностических систем (активный и пассивный термографический контроль, ультразвуковая дефектоскопия). В проекте с этой целью предусмотрено проведение экспериментальных исследований процессов накопления повреждений, роста трещин и разрушения композиционных материалов и конструкций на основе представлений о кинетическом характере разрушения с использованием современной экспериментальной и диагностической техники и методик проведения испытаний и контроля повреждений структуры. В первый год выполнения проекта (2025 г.) в соответствии с планом работ получены основные результаты, которые могут быть сформулированы в следующем виде. 1. Получены результаты экспериментальной реализации предварительного усталостного повреждения и проведена оценка степени накопленных дефектов по падению жесткости и прочности образцов композитов при последующих квазистатических испытаниях на растяжение. Разработана методика предварительного циклического нагружения образцов композиционных материалов с краевыми концентраторами при циклическом симметричном и пульсирующем растяжении с заданным числом циклов нагружения, которое приводит к накоплению заданной доли повреждений внутренней структуры композитов. Получены экспериментальные данные о снижении жесткости и прочности образцов стекло- и углепластика с краевыми концентраторами при наличии накопленных повреждений после реализации предварительных циклических воздействий. 2. Получены новые результаты применения методов активной и пассивной термографии для определения зон и уровня поврежденности образцов стекло- и углепластиковых материалов после различных видов квазистатического и циклического механического нагружения, приводящего к возникновению внутренних повреждений и зон разрушения. Получены картины распределения внутренних повреждений исследуемых образцов в зависимости от последовательности квазистатических и циклических воздействий. 3. Получены новые результаты применения метода ультразвуковой дефектоскопии для проведения оценки уровня поврежденности образцов с острыми краевыми надрезами из композиционных материалов и наличия структурных повреждений и макроскопических трещин. Разработана и применена методика, основанная на одновременном применении ультразвуковых датчиков различных диапазонов частот, которая позволила выявить наличие внутренних повреждений различного характерного масштаба и построить картины зон соответствующих внутренних повреждений в области острых краевых надрезов образцов исследуемых композитов (стекло- и углепластиков). 4. Получены новые экспериментальные данные о накоплении усталостных повреждений, их эволюции и росте макроскопической трещины при циклическом растяжении образцов стеклопластика и углепластика со схемой укладки 0/90 с концентраторами в виде двусторонних острых надрезов. На основе примененной методики ультразвукового контроля получены картины распределения внутренних повреждений исследуемых образцов в зависимости от очередности квазистатических и циклических воздействий. Показано, что разрушение образца в результате действия только квазистатического нагружения приводит к формированию более обширных зон внутренних разрушений в области концентраторов, по сравнению с разрушением при растяжении при наличии предварительно накопленных усталостных повреждений. Показана высокая терпимость образцов стеклопластика к возникновению усталостных трещин в вершине острых надрезов, даже при наличии шевронного надреза. Получены картины распределения внутренних повреждений исследуемых образцов в зависимости от последовательности квазистатических и циклических воздействий и полного разрушения, построенные при использовании ультразвуковых датчиков с различными диапазонами рабочей частоты. Вид и площади полученных картин внутренних повреждений подтверждены с помощью применения методов активной и пассивной термографии.

Публикации

1. Гурджиев А.В., Третьяков М.П., Вильдеман В.Э. Evaluation of Damage Accumulation in Fiberglass under Complex Loading Using Thermography and Ultrasonic Testing Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics Publishing model, Gurdjiev, A.V., Tretyakov, M.P. & Wildemann, V.E. Evaluation of Damage Accumulation in Fiberglass under Complex Loading Using Thermography and Ultrasonic Testing. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 89 (Suppl 1), S120–S126 (2025) (год публикации - 2025)
10.1134/S106287382571400X

2. Гурджиев А.В., Третьяков М.П. Исследование ультразвуковыми методами контроля характера повреждений при комбинированном нагружении полимерных композиционных материалов XХIV Зимняя школа по механике сплошных сред : Тезисы докладов. г. Пермь, Гурджиев, А. В. Исследование ультразвуковыми методами контроля характера повреждений при комбинированном нагружении полимерных композиционных материалов / А. В. Гурджиев, М. П. Третьяков // XХIV Зимняя школа по механике сплошных сред : Тезисы докладов, Пермь, 24–28 февраля 2025 года. – Пермь: Пермский федеральный исследовательский центр, 2025. – С. 99. (год публикации - 2025)

3. А.В. Гурджиев, М.П. Третьяков, В.Э. Вильдеман Исследование накопления повреждений в стеклопластике при различных условиях механического нагружения с использованием методов неразрушающего контроля Математическое моделирование в естественных науках : материалы XXXIV Всероссийской школы-конференции (г. Пермь, 8–10 октября 2025 г.) / ФГАОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет». – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та., А.В. Гурджиев, М.П. Третьяков, В.Э. Вильдеман. Исследование накопления повреждений в стеклопластике при различных условиях механического нагружения с использованием методов неразрушающего контроля//Математическое моделирование в естественных науках : материалы XXXIV Всероссийской школы-конференции (г. Пермь, 8–10 октября 2025 г.) / ФГАОУ ВО ПНИПУ. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2025. – С.105-108. (год публикации - 2025)

4. Гурджиев А.В., Третьяков М.П., Вильдеман В.Э. Комплексная диагностика развития повреждений в стеклопластике при комбинированном механическом нагружении Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации – 2025 : материалы XXVI Всерос. науч.-техн. конф., г. Пермь, 19–21 ноября 2025 г. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та., Гурджиев А.В., Третьяков М.П., Вильдеман В.Э. Комплексная диагностика развития повреждений в стеклопластике при комбинированном механическом нагружении // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации – 2025 : материалы XXVI Всерос. науч.-техн. конф., г. Пермь, 19–21 ноября 2025 г. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2025. – С.105-108. (год публикации - 2025)