Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивный рост производства полимерных материалов и изделий из них, а также растущие требования к их свойствам, диктуют необходимость создания соединений, позволяющих совместить в одной операции превращение исходной композиции в полимерное изделие, обладающее комплексом заданных параметров. Переход от олигомеров, отверждаемых за счет поликонденсации, к олигомерам, способным превращаться в сетчатые или другие типы жестких или эластичных полимеров на стадии формования изделия, является важнейшим этапом развития химии и технологии синтетических полимеров.
В настоящее время высокомолекулярные соединения - полимеры находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства в качестве конструкционных материалов. Рациональное применение в элементах конструкций как гомогенных, так и гетерогенных (армированных, наполненных) полимеров возможно лишь при использовании инженерных расчетов, которые могут быть успешно разработаны на основе механики полимеров. В свою очередь применение их до некоторой степени тормозится недостаточным развитием механики армированных (наполненных) полимеров, а также полимеров, подверженных широкому диапазону действия температур, для которых необходимо апробированное корректно поставленным экспериментом уравнение, дающее связь между деформацией, напряжением, временем, температурой.
При оценке упруго-пластических и вязкоупругих свойств макронеодно-родных материалов используются традиционно два принципиально различных подхода: феноменологический и структурный. Феноменологический подход требует проведения большого количества испытаний материала при разных сочетаниях нагрузки. Структурные же модели лишены этой общности и применяются главным образом для прогнозирования свойств при одноосных испытаниях. Представляет безусловный интерес сочетание феноменологического и структурного подходов для описания вязкоупругих свойств макронеоднород-ных полимерных материалов в условиях сложного напряженного состояния.
Имеющиеся теоретические работы основаны главным образом на линеаризованных физических соотношениях, которые не позволяют полностью описать механическое поведение полимеров в условии их эксплуатации. Стремление к более полному их описанию приводит к необходимости применения нелинейных физических соотношений.
Таким образом, актуальными и перспективными для решения поставленной проблемы являются методы управления свойств жестких полимеров и композиционных материалов на их основе, сочетающее физическое и математическое моделирование процессов на основе корректного нелинейного уравнения связи между деформациями и напряжениями.
Цель и задачи исследования заключается в исследовании закономерностей деформации жестких сетчатых и линейных полимеров и композитов на их ос-
нове, представляющую собой однородную и неоднородную градиентную структуру, находящихся в условиях температурных полей и статического воздействия. Анализ влияния упругих и релаксационных механических характеристик, являющихся функцией температуры и времени вышеуказанных полимеров на напряженно-деформированное состояние. Разработка методов определения механических характеристик наполненных полимеров по известным свойствам их компонентов, получение для них полной системы уравнений и их численная реализация.
Поставленная цель обусловила необходимость решения комплекса разноплановых, но взаимосвязанных между собой задач:
разработка теоретических основ управления механических характеристик полимера на основе решения обратной задачи для заданного напряженного состояния элементов конструкции и получение при этом функциональных зависимостей механических характеристик от координат с последующим подбором оптимального режима получения изделия с заданным комплексом свойств.
исследование влияния дисперсных наполнителей, распределенных по заданному закону, на реологические, структурные и механические свойства композиционных материалов на основе жесткого сетчатого полимерного связующего, а также методики испытаний и анализ полученных результатов с целью возможной его экстраполяции на другие виды материалов.
исследование на основе одномерных моделей влияние прямой неоднородности основных физико-механических характеристик, как упругих, так и релаксационных, на напряженно-деформированное состояние тел вращения, деформирующихся во времени.
разработка методики расчета и проведение экспериментальных исследований влияния косвенной неоднородности на константы упругой и неупругой деформации жестких сетчатых полимерных стержней, а так же анализ процесса влияние скорости и цикла изменения температуры на величину и кинетику температурных напряжений.
разработка на основе вариационно-разностной постановки эффективной и рациональной методики расчета и алгоритм численной реализации осесим-метричной задачи термовязкоупругости с учетом двумерной неоднородности материала.
разработка методики решения задачи термовязкоупругости для многослойного цилиндра в плоской осесимметричной постановке с учетом непрерывной неоднородности механических характеристик каждого слоя.
разработка методики расчета неоднородных полимерных цилиндров с учетом технологической анизотропии материала.
исследование продольного изгиба жестких полимерных стержней с учетом случайных возмущений и использованием различных критериев устойчивости.
описание, прогнозирование и оценка расчета на длительную трансвер-сальную прочность адгезионных соединений при нормальном отрыве.
Научная новизна. В диссертации впервые:
Впервые теоретически определена функциональная зависимость механических характеристик от радиуса в упругой постановке путем решения обратной задачи, что позволило получить дисперсно-наполненный полимерный цилиндр с заданными свойствами близкий к теоретическому расчету.
Путем экспериментального исследования разработана методика создания наполненных полимеров, с заданными свойствами непосредственно в процессе изготовления, в результате чего образуются градиентные композиты, в которых модуль упругости плавно меняется в пределах одного и того же материала без границ раздела.
Разработана методика эксперимента о влиянии скорости изменения температуры на величину и кинетику температурных напряжений.
Проведен комплексный анализ влияния одномерной и двумерной неод-однородности (прямой и косвенной) на напряженно-деформированное состояние в условиях деформации протекающих во времени.
Проведена оценка влияния упругих и релаксационных констант каждой
в отдельности на напряженно-деформированное состояние и на основе полученных результатов предложены формулы длительной прочности в одномерной постановке.
Разработан эффективный метод для численной реализации нелинейной задачи о продольном изгибе полимерного стержня с возмущением, учитывающих зависимость упругих и релаксационных характеристик от координат и времени в одномерной постановке.
Решены задачи термоползучести для многослойного цилиндра в плоской осесимметричной постановке с учетом непрерывной неоднородности упругих и релаксационных характеристик каждого слоя.
Предложено решение неоднородных полимерных цилиндров с учетом технологической анизотропии материала.
Разработана и описана методика расчетов на длительную прочность адгезионных соединений, дана оценка прочности при нормальном отрыве.
Практическая значимость работы.
-
На основании полученных результатов установлены направления решения важной научно-технической проблемы - получения градиентных полимерных композиционных материалов на основе жесткого сетчатого связующего с заданными свойствами, непосредственно в процессе отверждения.
-
Решена практически важная технологическая задача для неоднородного полимерного цилиндра, находящегося в стадии охлаждения с учетом релаксационных свойств полимера.
-
Показана возможность математического описания сложных релаксационных процессов в элементах конструкций из полимера с учетом прямой и косвенной неоднородности механических характеристик жестких сетчатых и линейных полимеров. На основе разработанных методов и алгоритмов расчета
проведен анализ на напряженно-деформированное состояние различных физических факторов, в том числе нелинейного деформирования материала.
Учет неоднородности материала позволяет снизить материалоемкость и более обоснованно судить о надежности элементов конструкции из полимера, а также решить некоторые проблемы повышения качества эксплуатационных характеристик полимеров в роли новых конструкционных высокотехнологичных материалов в ответственных изделиях аэрокосмической техники, автомобиле и машиностроения, элементов военной техники.
-
Поставлена и решена задача о продольном изгибе полимерных стержней с учетом возмущений в нелинейной постановке и влияние упругих и релаксационных констант на критическое время
-
Предложена методика расчета и решения задач термовязкоупругости для многослойного полимерного цилиндра с учетом зависимости механических характеристик от температуры каждого слоя. Дана оценка возможности расчета неоднородных полимерных цилиндров с учетом технологической анизотропии материала.
-
Показана возможность расчета на длительную прочность адгезионных соединений, дана оценка прочности при нормальном отрыве.
-
Разработанные методики внедрены в учебный процесс подготовки инженеров по специальностям 121000 «Конструирование и производство изделий из полимерных композиционных материалов» и 170506 «Технология переработки пластмасс и эластомеров», в объеме дисциплин «Методы исследований материалов и процессов», «Физикохимия и механика композиционных материалов».
Внедрение результатов работы. Проведенные исследования и результаты опробованы и внедрены в Восточно-Сибирский технологический институт (г. Улан-Удэ), КазПИ им. В.И.Ленина, производственная компания «Boshko technology Industry Co. Ltd» (Хорватия), Туркменский Политехнический институт (Ашхабад, Туркменистан), Испытательный центр лаборатории №4 «Нано-технологии в строительстве» Ростовского государственного строительного университета (Ростов-на-Дону), ООО «Южрегионстрой», ЗАО НИЦ «СтаДиО» (Москва).
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Способ управления механических характеристик полимера на основе решения обратной задачи для заданного напряженного состояния элемента конструкции и полученных при этом функциональные зависимости упругих характеристик от координат, подбор оптимального режима полученного изделия с заданным комплексом свойств.
-
Методика решения задач на основе одномерных моделей, влияние прямой и косвенной неоднородности основных физико-механических характеристик полимера, как упругих, так и релаксационных, на напряженно-деформированное состояние тел вращения, деформирующихся во времени.
-
Эффективный метод получения рецептур композиционных материалов на основе эпоксидной смолы с дисперсными наполнителями, обладающих улучшенными технологическими и эксплутационными свойствами.
-
Методика испытаний и проведенных экспериментальных исследований неоднородных цилиндров на ползучесть.
-
Алгоритм численной реализации на основе вариационно-разностной постановки и рациональная методика расчета осесимметричной задачи термоползучести с учетом двумерной неоднородности материала.
-
Методика оценки влияния упругих и релаксационных констант каждой в отдельности на процесс деформации во времени и на основе полученных результатов - формула длительной прочности в одномерной постановке.
-
Методика решения задачи термоползучести для многослойного цилиндра в плоской осесимметричной постановке с учетом температурной зависимости механических (упругих и релаксационных) констант каждого слоя. Показана оценка возможности расчета неоднородных полимерных цилиндров с учетом технологической анизотропии материала.
-
Алгоритм численной реализации задачи об устойчивости полимерных стержней в нелинейной постановке с учетом внешних возмущений.
9. Методика решения задачи длительной прочности адгезионных соеди
нений с оценкой прочности при нормальном отрыве.
Личный вклад автора. Диссертация представляет собой итог самостоятельной работы автора. Автору принадлежит выбор направления работ, постановка задачи, методов и объектов исследования, трактовка и обобщение полученных результатов, личного проведения большей части экспериментальных работ, обработке и интерпретации полученных результатов.
Соавторы участвовали в обсуждении корректности поставленных задач, теоретических выводов разрешающих уравнений и соответствующих граничных условий и анализа полученных результатов.
Апробация работы:
Диссертация является результатом обобщения опубликованных работ, выполненных автором в период с 1990 по 2009 гг. Основные положения выполненного исследования докладывались, обсуждались и были одобрены на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях и семинарах.
Авторство и публикации
По теме диссертации опубликовано 46 работ, среди них статей в центральной печати и рецензируемых изданиях и сборниках, входящих «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук» -14; статей в других журналах и различных сборниках научно-технических трудов - 24. Основной материал диссертации обобщен в монографии «Некоторые за-
дачи и методы механики вязкоупругой полимерной среды». Новизну разработок подтверждают патенты РФ и Акты внедрения.
Структура и объем диссертации состоит из введения, обзора литературы, 7 глав, выводов и библиографического списка, изложенных на 270 страницах и содержит 9 таблиц, 123 рисунка и библиографический список в количестве 225 наименований.
