Введение к работе
Актуальность проблемы. Введение дисперсных частиц в структуру матрицы или волокон - один из путей модификации композитов. Наибольший интерес с точки зрения изменения физико-механических характеристик композитных материалов представляют инертные жесткие (по сравнению с упругостью компонентов) включения, полые наполнители и пустоты, заполненные воздухом шш газом. Например, в структуру бетонных смесей вводят многофазные включения в виде песка или щебня, что повышает жесткость и прочность материала при сжатии и позволяет сэкономить связующие компоненты . Для создания композитов с малым удельным весом или высокой плавучестью, водонепроницаемостью и высокой удельной прочностью при сжатии в качестве наполнителей широко используются полые микросферические частицы из стекол. В композитах типа углерод-углерод поры образуются в ходе термообработки и занимают значительную часть объема. На практике пустоты всегда имеются в той или иной степени во всем объеме конструкции.
В последние годы все большее внимание к себе привлекают композиционные материалы с пространственной ориентацией арматуры. Введение пространственного каркаса не только ликвидирует недостаток слоистых композиционных материалов, но и локализует в пределах нескольких пространственных ячеек распространение трещин, резко повышает несущую способность материала в толстостенных конструкциях, особенно в зонах приложения сосредоточенных нагрузок, вырезов, ребер при нестационарных силовых и температурных воздействиях, характерных для современной техники.
В связи с перспективой широкого применения таких композитов в различных конструкциях, задачи механики армированных композитов
пространственного строения, упрочненных частицами или порами приобретают научный и практический интерес.
Цепь и задачи работы. Разработать алгоритм для определения эффективных упругих характеристик композитов с пространственно ориентированными волокнами и матрицей, дисперсно упрочненной полыми или сплошными сферическими включениями по данным о свойствах исходных компонентов, разбросах характеристик заполнителей и геометрии структуры в двух случаях: при идеальном контакте между компонентами и при наличии локального разрушения на границе волокон-матрицы, и решить задачи рационального строения, ползучести и термоупругости для сфероволокнистых композитов пространственного строения.
Научная новизна. Предложенный алгоритм в работе, принципиально, в отличие от известных решений, учитывает локальное взаимодействие волокон и частиц с матрицей в приближении однократного статического рассеяния поля напряжений наполнителями, благодаря чему получении новые соотношения для определения интегральных упругих констант сферопластиков, а также других композитов. Обнаружена аномалия в состоянии композита 4Do, армированного в четырех направлениях, когда в следствие пространственной ориентации волокон и вызываемом при этом перераспределении напряжений, усредненное состоянии материала при сдвиге в одной плоскости испытывает напряжения, действующие в других плоскостях. В диссертации впервые предложен вариант теории вязкоупругости сферопластиков и вязкоупругости ортогонально армированных сфероволокнистых композитов, который основан на гипотезе о чистой упругой объемной деформации. Рассмотрена задача о вязкоупругости сфероволокнистых композитов при отсутствии ползучести вдоль волокон. Предлагается уточненное решение о тепловом расширении сфероволокнистых
композитов. Найдено решение задачи о сдвиге сфероволокнистых пластиков с учетом межфазных отслоений на границе волокно-матрица.
Обоснованность и достоверность полученных результатов
обеспечивается применением строгих аналитических и аналитико-численных методов, методов теории вероятности, теории фупкции комплексного переменного и теории армированной среды, а также хорошим совпадением с экспериментальными данными, с соответствующими результатами других авторов в различных частных случаях.
Практическая ценность. Предложенные методы в работе позволяют рассчитать физико-механические и другие характеристики волокнистых композитов пространственного строения с дисперсно упрочненной матрицей, таких как железобетонные или конструкции, например, фундаменты, сфероволокнистые пластики со сферическими полыми стеклянными наполнителями или пористые волокнистые композиты типа углерод-углерод.
В работе установлено, что для ряда случаев при определенных нагрузках возможна эквивалентная по упругим характеристикам замена дорогостоящих армированных материалов на более дешевые дисперсно упрочненные композиты.
Предложенный алгоритм позволяет уменьшить объем экспериментальных исследований по определению физико-механических характеристик материалов на стадии проектирования, а также составляет основу методов расчета напряженного и предельного состояний различных конструкций с пространственными или плоскими схемами ориентации волокон с учетом дисперсного упрочнения матрицы.
Апробация работы. Результаты диссертационный работы докладывались на научных семинарах лаборатории механики композиционных композитов Института машиноведения им.А.А.Благонравова Российской Академии Наук (ИМАШ РАН) 1993-1997 г., на международной конференции по механике
композитных материалов (композит-94) в г.Москве, 1-5 февраля 1994 г., на 9-ой международной конферешцш по механике композитных материалов в г. Риге, Латвия, 17-20 октября 1995 г., на научном семинаре кафедры механики композитов механико-математического факультета МГУ в 1997 г.
Публикация. Основные результаты диссертации опубликованы в 18-ти научных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 231 странице машинописного текста и включает 31 рисунок, 8 таблиц и библиографию из 168 наименований.