Введение к работе
Актуальность проблемы. Существенное шжение материалоемкости общественного производства можно іеспечить только за счет кассового применения эффективных виїв металлопродукции, пластических масс и особенно композитов, чизлу перспективных композитов следует отнести сферопластик Щ) - легковесный; натериал, структура которого состоит из попе сферических включений, внедренных в полимерную матрицу.
Изготовленный в начале 50-х годов в США сферопластик находит яе применение от наполниіеля в строительстве для имитации из-!лий из дерева и мрамора до конструкционного материала в авиа-!и и ракеткой технике, и» особенно широко пр-меняется этот, імпозит в судостроении, где он используется, в частности, для здания объемов дополнительной плавучести глубоководных аппа-1»в. Сргвдеяие свойств СП и других материалов, используемых с ой же целью показывает значительные преимущества последнего.
В настоящее время из-за возрастающих требований со стороны юектантов глубоководной техгепси к эксплуатационным свойствам Хфопластиков - плотности, гидростатической прочности, скиыае-сти, потере плавучести и т.п. - перед разработчиками ставит-і проблема создания новых марок ^композита, удовлетворяших им требованиям. Как показывает практика, для решения целесо-іразда предварительно разработать микромеханику деформирования разрушения материала, что позволят:
составить технические требования к физико-ыеханичееккм ха-.ктеристикаы матрицы и полых сферических включений, позволят^ : полупить комлззот с задг; txj комплексом свойств;
наиболее эффективно использовать исходные свойства матря-і и включений при создании СП, а также его модификаций - сфе-пдаст:жов с дополнительной пористостью \СД1) и композитных гковесньк заполк:і?глей (КЛЗ), состолзкх кз матрицы-сфероглае-
ткка и наполнителя - И&лых макросфер.
Целью работы является разработка инженерного метода решения проблемы микромеханики разрушения и деформирования сферопластиков, позволяющего наиболее полно реализовать в композите физические и механические свойс^за іюмпонентов, в такте разработка научцр обоснованных рекомендаций по перспективе создания кизкоплотных композитных материалов с определенным комплексом свойств для эксплуатации при задаток гидростатических наг4 зках.
Решение рассматриваемой проблемы проведено в основном теоретическим путем. Экспериментальные исследования выполнялись а объеме, необход! ом для проварки подученных реаений иди для более правильного понимании физики процесса разрушения с целью построения уточненных аасчетных моделей.
Оскоми для реализации поставленной цели послужил накоплен нкй в научной практике опыт по исследованию деформирования к разрушения волокнистих, слоистых и гранулированных композитов в сочетании с особенностями структуры сферопластиков и :?*рак-тероы их работы в эксплуатационных условиях. В работе применяются методы осреднения в механике деформируемого твердого тела, а также статистические подходы к исследованию процесса разрушения композитных материалов, реализуемые с помощью структурно-имитационного моделирования (GHM) на ЭВ1.
Научную н о в и з к j р а-б о t ы составляют;
разработч^ модели aj-я расчета эффективных упругих констант'сферопластиков и ;ругих многофазных матричных зернистых композитов, учитывающей основные физические и геометрические свойства матрицы к наполнителя, в том числе его упаковку;
установление взаимосвязи иежду некоторыми моделями, пред ложенныыи различными авторами для определения оффектаьных кон стант зернистых композитов.,и теоретическое объяснение трудное тей, встречающихся при их применении;
расчет осредненных полей напряжений и деформаций в сферо пластиках и многофазных матричных зернис-гых композитах с уче том ближнего порядка в расположении включений;
определение температурных и усадочных напряжении в компо центах с$еропластика, а также коэффициента температурного пас -гл&енйл как ыкогофазной смеси.
- :аа?аоотка. л экспериментальная проверка критериев пооч-
їсти при сложном напряженном состоянии;
применение структурно-имитационного моделирования на ЭВМ ня описания процесса разрушения сферопласт^тов при всесто-эннем равномерном давлении, позволившее проследить все сть-ии процесса разрушения, начиная от диффузионного накопления ївреждениЯ отдельных микросфер до перехода в лавинообразное із рушение;
приближенное решение задачи о nepej: гспределении напряже-ий в микросферах при разрушении рядом расположенных включе-«й с учетом динал; веского характера процесса;
результаты исследования с помощью ЭШ таких вопросов, ис влияние отбраковки микросфер и дисперсности наполнителя
> плотностям, жесткости связупцего, а также микропористости і величину предела гидростатической прочз юти композита;
установление , двойственной причины масштабного эффекта адростатической прочности. СП: влиянием технологических «торов и микромеханическим эффектом торможения процесса роз-гшения, идущего снаружи материала во внутрь вследствие кон-иста поверхности композита с рабочей средой;
оптимизация деформационных и прочностккх свойств СП по )анудометрическому .составу наполнителя и физико-механическим юйствам матрицы и включений для заданной плотности компози-i.
Достоверность результатов год-юрхдена сравнением с экспериментальными данными автора и гугих отечественных и зарубежная исследователей, а также в ікоторьпс случаях с точными решениями теории упругости.
Практическую ценность составляют раэ-іботанньте в диссертации теоретические расчеты и методы экс-іриментального определения упругих и прочностных характерис-ік сферо пластиков, используемое в научно-исследовательских .ботах в организациях, занишщихся разработкой и изготовле-іем еысо неэффективных легковесных заполнителей для объемов авучести, изделий и конструкций из сферопластиков судостро-, ельного назначения. lb материалам диссертации автором раэ-.ботада и внедрена в промьиленноёть шесть методик испытание еропласткка, три из которых использованы при проведении ме*-домстеенннх испнтаииЯ композита. Полученные результаты уч-ад, при разработке технических условий на сферопластики Ї 5.,966-2Д14-83 и. ЗУ 5.955-II320-86).
Выполненный го результатам диссертации в приложении к" не анализ основных налраЕгікий разработки легковесных композитны ыатериалов на основе полых сферических включений с позиций ми ро и макромеханики разрушения передан для внедрения в организ цию, занимающуюся разработкой данного класса композитов.
Результаты диссертационной работы позволили обеспечит; вь сокое качество и эксплуатационную надежность натурных издел* из сферопластиков для проектируемых в настоящее время заказої
На защиту выносятся:
микромеханика реформирования сферопластиков и решение проблемы о. шшзации жесткостных свойств композита заданной плотности в зависимости от физических свойств компонентов;
разработка кр'*териев прочности СП при сложном напряжение состоянии и их экспериментальная проверка;
алгоритм структурно-имитационного моделирования на ЭН процесса разрушен;... сферо, ластиков при гидростатическом сю тии и построение диаграммы с определением предела прочности;
численное решение на ЭШ практических задач по прогнози рованию влияния различных технологических факторов и фкзико< механических свойств компоненто» на гидростатическую прочность сферопластиков;
реаение проблемы оптимизации прочностных свойств СП за данной плотности в зависимости от свойств компонентов;
применение структурно-имитационного моделирования для и с.адованил масштабного эффекта гидропрочности композита -прочности сфСіОпластиков с дополнительной пористостью;
-.разработка алгоритма расчета прочности СП на бинарных смесях мини- и микросфер;
- анализ перспективных направлений разработки легковесных
композитных материалов на основе сферопластика для эксплуата
ции на заданном уровне внешнего эксплуатационного давления.
Апробация работы. Материалы диссертации j локены, обсуждены и одобрены на: Всесоюзных совещаниях "Про; ность материалов и элементов конструкций при сложном напрям ном состоянии" (Киев, 1977, 1984, 1989 г.г.); ІУ-й, УІ-й и УП-Й Всесоюзных конференциях по механике композитных и пол; мерных материалов (Рига, 1980, 1986, 1990 г.г.); Всесоюзных совещаниях "Новые способы получения газонаполненных полимерс и областии их применения" (Едадимир, 1978, 1982 г.г.); Ш-ы Всесоюзной симпозиуме по механике конструкция из композитны:
материалов (Іенкнакан, 1979 г.); ІУ-Й Be- казной конференции "Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана"(Владивосток, 1983 г.); П-й В. ісосзно'й конвенции "Ползучесть в конструкциях" (Новосибирск, 1984 г.); Семинарах по механике деформируемого твердого тела Новосибнр-зкого государственного университета (г.Ногаскбирск, 1980, 1990 г.г,); Семинаре "Микромеханика композитных материалов" ин.ахад.В.Н.Работнова института мастшоведения АН СССР под руководством Г.А.Ванина (Москва 1990 г.); Объединенном семинаре сектора композитных материалов ЦНИИ им.Крылова и отделения композитов организации ЦНИИ КМ "Прометей" (г.С.-Петербург, 1988 г.); Объединенном семинаре "Механиха и технология полимерных и композиционных материалов и конструкций" при Централь ом правлении БНГО им.акад.А.Н.Крылова и семинаре по механике деформируемого тела им.акад.В.В.НоБояилова при Ленинском Научном центре АН СССР (С.-Петербург, 1990 г.); Семинаре сектора прочности ютмпозитных ютериалов института металлургии им.А.А.Байкова АН СССР (Ыосква, 1990 г.); Научных конференциях профессорско-преподавательского состава Николаевского кораблестроительного института (Николаев: ГавО-1988 г.г.). Публикации. По результатам теоретического и экспериментального изучения сферопластиков, композитных легковесных заполг отелей и общей теории композитных материалов опубликовано 35 научных работ. Список 15 основных работ по теме пкесертации помещен в конце автореферата;"""
Структура и объем работы. .Диссертация состоит из введения, шести глав, обэкх выводов, списка использованной литературы из 21*2 наименований и приложения. Диссертация изложена на 296 стр. клинописного текста,' содержит 57 рисунков (графики, схемы, &тсграфик), 29 таблиц и прилоае-ниэ ка 39 стр.