Введение к работе
Актуальность проблемы. В последнее время находят все большее
распространение пространственно-армированные композиционные
материалы (ПАКМ) с крупноячеистыми волокнистыми каркасами на основе углеродных и керамических волокон и хрупкими минеральными поликристаллическими матрицами. Обладая уникальными прочностными свойствами при повышенных температурах и высокой окислительной стойкостью, изделия из таких композитов достаточно широко используются в машиностроительной отрасли. В этих композитах армирующий каркас создается на специальном оборудовании, и только после этого в каркас вводится матрица. Размер армирующей ячейки достигает 3-5 мм и более. Прочность волокон на два порядка и более выше величины прочности керамических матриц. Это обусловливает специфический характер повреждения и разрушения композитов.
При экспериментальном определении механических характеристик таких материалов по стандартным методикам обнаруживается значительно больший разброс свойств, чем для полимерных композитов. Кроме того, многочисленные эксперименты показали, что в натурных конструкциях прочность исследуемых композитов значительно выше, чем определяемая на стандартных образцах. Поэтому до настоящего времени весьма актуальной является задача совершенствования методов определения механических свойств на стандартных малогабаритных образцах. В настоящей работе эта проблема решается с помощью вычислительных экспериментов на математических моделях физических экспериментов по испытанию образцов.
Любая экспериментальная методика определения механических свойств должна обеспечивать максимально однородное напряженное состояние материала в рабочей части образца. Для крупноячеистых композитов это означает использование образцов весьма значительных габаритов. На практике для испытаний на сжатие часто применяют призматические образцы, как наиболее экономичные и простые в изготовлении. Прочность материала определяется делением разрушающей нагрузки на площадь
поперечного сечения образца, не зависимо от реализующегося механизма разрушения. Однако в рабочей зоне этих образцов возникает неоднородное напряженное состояние даже в приближении эффективной однородной среды. Области концентрации напряжений являются очагами зарождения повреждений, прежде всего в матрице в силу ее низкой прочности. Положение очагов в образце определяет механизм разрушения и прочность материала. Существующие методы дают неадекватные значения прочности керамических композиционных материалов. Это связано с действием ряда факторов, проанализированных в работе. При вырезке образца из цельного материала детали неизбежно происходит нарушение целостности армирующего каркаса, положение каркаса относительно граней случайно и различно для разных образцов. Это приводит к тому, что механические свойства материала, определяемые на образцах, вырезанных из различных участков заготовки, во-первых, могут отличаться, во-вторых, они оказываются ниже, тех, что реализуются в конструкции. Так же на однородность напряженного состояния материала влияют конструктивные особенности испытательных приспособлений и условия нагружения (такие как несоосность приложения нагрузки и направлений армирования или осей симметрии образца, трение в узлах приспособлений и др.). Эти условия трудно контролируемы в эксперименте. Детальное математическое моделирование образцов и нагружающих приспособлений как единой конструкции позволяет провести анализ напряженного состояния в элементах образца композиционного материала, спрогнозировать положение очагов повреждений и правильно интерпретировать результаты испытаний. Для этого в настоящем исследовании разработана структурно-феноменологическая модель керамических композитов с пространственной схемой армирования.
Целью работы является исследование факторов, влияющих на поля напряжений стандартных образцов крупноячеистых керамо-керамических волокнистых композиционных материалов с трехмерной ортогональной структурой армирования при испытании на сжатие, а так же разработка рекомендаций для совершенствования методики проведения испытания,
которые позволят снизить влияние изучаемых факторов и повысить
достоверность экспериментально определяемых механических
характеристик.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
построить модели вычислительного эксперимента на сжатие стандартных призматических образцов крупноячеистых керамо-керамических волокнистых композиционных материалов с учетом их внутренней структуры;
проанализировать влияние положения армирующего каркаса относительно граней образца на напряженное состояние в образце в условии эксперимента;
проанализировать влияние трения, возникающего на контактирующих поверхностях образца с нагружающим приспособлением на напряженное состояние в образце при сжатии;
выявить области начального разрушения материала;
предложить рекомендации по совершенствованию методики проведения испытания на сжатие ПАКМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
построены трехмерные компьютерные модели экспериментов механического испытания ортогонально-армированного композиционного материала крупноячеистой структуры на сжатие, явным образом описывающие внутреннюю структуру образца и его взаимодействие с элементами нагружающего приспособления;
выявлены факторы, вызывающие нестабильность (разброс) и низкие значения прочностных свойств пространственно-армированных композиционных материалов при сжатии;
количественно оценено влияние различных факторов (трение между контактирующими поверхностями образца и элементов нагружающей машины, различное положение армирующего каркаса относительно граней призматического образца) на напряженное состояние образцов;
4. предложена модификация методики эксперимента на сжатие пространственно-армированных композиционных материалов, снижающая нестабильность и дающая более адекватные значения прочности.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной постановкой краевых задач и использованием апробированных методов исследования, качественным согласованием с результатами натурных экспериментов. Верификация подтверждается решением тестовых задач и согласованием с точными аналитическими решениями других авторов.
Практическая ценность. Результаты диссертационной работы могут быть использованы научно-исследовательскими и конструкторскими организациями, занимающимися проектированием и изготовлением композиционных материалов и конструкций из них, а также в высших учебных заведениях при подготовке бакалавров и магистров по направлению 151600 «Прикладная механика», 150100 «Материаловедение и технологии материалов».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» (Пермь, 2009); Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2010); 50 Международном научном симпозиуме «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, 2010); X Международной конференции "Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах (НРС-2010)" (Пермь, 2010); XVII Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2011); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2011); Международной конференции по «Вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Алушта, 2011); Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2011).
Работа целиком докладывалась на научных семинарах:
кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского национального исследовательского политехнического университета, руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Ю.В. Соколкин; Института механики сплошных сред УрО РАН, руководитель - академик РАН В.П. Матвеенко; кафедры вычислительной математики и механики Пермского национального исследовательского политехнического университета, руководитель - доктор технических наук, профессор Н.А. Труфанов.
Результаты работы использованы при выполнении НИР в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Госконтракт 16.740.11.0508), гранта РФФИ 09-08-99117-р_офи.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 10 опубликованных работах, в том числе 3 статьи [8-10] опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии, содержащей 70 наименований. Работа содержит 80 рисунков, 73 таблицы. Общий объем диссертационной работы 128 страниц.
