Введение к работе
Актуальность темы. Развитие технологических процессов получения современных полимерных композиционных материалов (ПКМ), в том числе и активно развивающемся применении наноразмерных наполнителей, многочисленные области применения таких материалов, требуют ясного понимания закономерностей формирования конечного продукта с требуемыми физико-механическими и эксплутационными характеристиками. Особо важной составляющей этой проблемы является понимание эволюционных процессов изменения свойств материала в ходе технологического цикла. Понимание физических процессов, происходящих на этапе технологического процесса формования изделий из полимерных композиционных материалов с учетом широкого спектра тепловых, диффузионных, кинетических и реологических изменяющихся факторов является весьма актуальным в связи с развитием технологических процессов изготовления конструкций из материалов этого типа.
Современные полимерные композиты обладают рядом механических
свойств, кардинально отличающихся от свойств других материалов,
особенно выражено это отличие при циклических нагружениях (режимы
достаточно часто встречающиеся при эксплуатации изделий). Понимание
физических процессов, происходящих в циклически деформируемом
композите, позволяет оценить эффективность применения тех или иных
типов наполнителя, оптимальную степень наполнения, параметры
техпроцесса получения композита с заданными свойствами, что, в целом,
обеспечивает более высокую эксплуатационную надежность изделий из
ПКМ. Кроме того, для построения определяющих соотношений,
описывающих механическое поведение композитов, необходим ряд
материальных констант, входящих в модель. Для решения этих задач
перспективным является метод молекулярно-динамического (МД)
моделирования, позволяющий исследовать физические процессы,
происходящие в деформируемом материале на атомно-молекулярном уровне
и, используя полученные результаты, прогнозировать макроскопические
характеристики материала. Дополнительным стимулирующим фактором
развития метода МД-моделирования является появление
высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем и разработки алгоритмов параллельного решения задач математического моделирования с их использованием.
Целями настоящего исследования являлись:
развитие реологических моделей структурирования наполненных полимерных систем;
теоретическое исследование изменения реологических свойств материала в процессе полимеризации и математическое моделирование процессов отверждения изделий из полимерных материалов при различных технологических режимах;
используя математический аппарат метода молекулярной динамики исследовать физические процессы, протекающие при циклическом нагружении изделий из полимерных композитов и являющиеся причиной их необычного механического поведения ( "эффект Маллинза", гистерезисные явления при циклических нагрузках и т.д.);
методом молекулярно-динамического моделирования получить эффективные макрохарактеристики полимеров и композитов на их основе;
в рамках механики сплошной среды разработать математические модели и исследовать влияние циклического воздействия внешних факторов окружающей среды на длительную прочность изделий из полимерных композитов с целью выработки рекомендаций по оптимизации режимов хранения таких конструкций.
Научная новизна работы. В работе получены следующие новые результаты:
На основе анализа математической модели процесса полимеризации изделий из полимерных композиционных материалов предложено кинетическое уравнение, описывающее изменение реологических свойств материала в процессе полимеризации.
Предложены вычислительные схемы решения систем проекционно-сеточных уравнений неупругого поведения полимерных изделий в условиях малых деформаций при больших значениях модуля всестороннего растяжения (сжатия). Получены оценки устойчивости предложенных алгоритмов.
Предложен оригинальный алгоритм формирования пакетов начальных данных для задач молекулярно-динамического моделирования линейных полимеров и композитов на их основе.
На основе численного анализа методом молекулярной динамики циклического деформирования полимерных композитов исследованы причины нелинейности вязкоупругого механического поведения этих материалов и их эффективные макрохарактеристики, такие как модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль объемного сжатия.
Исследовано влияние температурного воздействия внешних факторов окружающей среды на величину накопленных повреждений в изделиях из ПКМ.
Достоверность и обоснованность результатов представленной работы обеспечивается адекватностью используемых модельных представлений реальным рассматриваемым физическим процессам; корректностью используемого математического аппарата, фундаментальных принципов механики сплошной среды, термодинамики, молекулярной механики, использованием современных методов численного решения краевых задач; качественным совпадением результатов численных исследований с известными экспериментальными данными.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на конференции "Молодежь Удмуртии - ускорению научно-технического прогресса" (Ижевск, 1987 г.), II Всесоюзной научно-технической конференции "Реология и оптимизация процессов переработки полимеров" (Ижевск, 19-21 сентября 1989 г.), XV Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 27 февраля 2007 - 2 марта 2007 г.), Всероссийской конференции с международным интернет-участием "От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии" (Ижевск, 27-29 июня 2007 г.), XII Всероссийской школе-семинаре "Современные проблемы математического моделирования" (Абрау-Дюрсо, 17-22 сентября 2007 г.), научной конференции-семинаре 2008 "Теория управления и математическое моделирование", (Ижевск, 4-9 мая 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, из них 8 - в ведущих журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения библиографического списка из 89 наименований; содержит 130 страниц, 58 рисунков, 1 таблицу.
