Введение к работе
Актуальность работы. Технический прогресс нового тысячелетия, в том числе и в строительном материаловедении, будет во многом определен использованием материалов нового уровня эксплуатационных свойств, в числе которых ведущая роль несомненно принадлежит композиционным материалам.
Особый интерес для использования в строительстве представляют собой конструкции из многонаправленных слоистых композитов с полимерными матрицами. Такие конструкции соединяют в себе высокую удельную (по отношению к плотности) прочность и жесткость с хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами, радиопрозрачностыо, стойкостью к высоким и низким температурам, агрессивным средам и эрозии. Надежность конструкций из композитов, высокие демпфирующие свойства, низкая чувствительность к концентраторам напряжений сочетаются с хорошей технологичностью.
К сожалению, во многих отраслях, в том числе и в строительной индустрии, степень использования композитных материалов с полимерной матрицей пока очень мала. В значительной степени это связано с недостаточным развитием теоретических расчетов анизотропных материалов, которые позволяли бы давать надежный прогноз их поведения в конструкции. Внедрение композиционных материалов в строительной индустрии сдерживается также из-за существенного влияния технологии изготовления на прочностные характеристики композитов.
Механика деформирования и разрушения композитов и конструкций из них не может считаться завершенной. Сложность процессов деформирования многонаправленных слоистых полимерных композитов определяется многопараметричностью таких систем, что обуславливает особенности их разрушения. Уже при относительно невысоких значениях
эксплуатационных нагрузок в некоторых слоях начинается растрескивание полимерного связующего, материал расслаивается. При этом резервы по прочности могут оставаться весьма значительными.
Эти два аспекта: целесообразность применения в строительстве композитов как материалов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, с одной стороны, и недостаточная изученность механики их разрушения для оценки несущей способности и надежности конструкций, с другой, — определяют актуальность работы.
Целью диссертации является анализ и разработка теоретических положений структурной механики композиционных материалов, которые позволяют прогнозировать особенности их эксплуатационного поведения и научно обосновать перспективность расширения области применения многонаправленных слоистых композитов с полимерной матрицей, в том числе в строительной индустрии, что должно привести в своем развитии к принципиально новым высокоэффективным технологиям нового тысячелетия.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать теоретические аспекты проблем, ограничивающих использование композиционных материалов в строительстве и других областях техники;
разработать новую физическую модель исследования кинетики разрушения многонаправленного слоистого композита с полимерной матрицей, позволяющую изучить концентрацию напряжений вблизи поперечных к слоям трещин в композите сложной структуры; разработать новую модель деформирования и разрушения однонаправленного слоя в составе многонаправленного слоистого композита;
на базе разработанных моделей деформирования и разрушения композитных материалов дать оценку несущей способности и надежности конструкций из многонаправленного слоистого композита; экспериментально определить эрозионную стойкость различных композиционных материалов и на этой основе выявить новые области применения композитов в строительных конструкциях.
Методы исследований.
В работе применен комплекс методов исследований, включающий:
- научный анализ и обобщение материалов проектных и строительных
организаций, а также данных, опубликованных в технической лите
ратуре отечественными и зарубежными учеными и специалистами по
структуре и технологии композиционных материалов, их прочност
ным показателям и механизмам разрушения;
- математическое моделирование процессов деформирования и разрушения многонаправленных слоистых композитов с полимерной матрицей;
сопоставление результатов расчетов по разработанным методологиям с данными экспериментально-лабораторных исследований, с результатами работ, выполненных другими авторами;
выполнение расчетов конструкций при проектировании конкретных объектов.
Научная новизна работы:
- проведен анализ и предложены новые теоретические положения
структурной механики многонаправленных слоистых композитов с
полимерной матрицей, которые позволяют прогнозировать их экс
плуатационное поведение (прочность, трещиностойкость) и обосно-
вывают необходимость их широкого применения в различных областях техники, в том числе в строительной индустрии;
проведено сравнение макроструктурного и феноменологического подходов в механике слоистых композитов, отмечены границы применения каждого. Развит вариант теории многослойных конструкций на основе принципа континуализацни (по В.В.Болотину) - перехода от слоистой среды к сплошной анизотропной. Применены критерии прочности анизотропного армированного материала, ориентированные на оценку несущей способности и надежности конструкций;
предложена новая физическая модель исследования кинетики разрушения многонаправленных слоистых композитов на полимерных связующих в произвольном внешнем поле нагрузок;
установлены закономерности процесса трещинообразования композитных материалов в произвольном внешнем поле макронапряжений с использованием предложенного обобщения преобразования Фурье-Стилтьеса. На базе разработанной модели впервые изучена концентрация напряжений вблизи поперечных к слоям трещин в композите сложной структуры. Дан анализ механизмов разрушения многонаправленных слоистых композитов в произвольном поле макронапряжений;
предложена новая нелинейная модель деформирования и разрушения однонаправленного слоя в составе многонаправленного слоистого композита. Модель реализована применительно к методу конечных элементов и учитывает частичное сохранение несущей способности слоя с трещинами и моментное взаимодействие слоев. Адекватность модели доказана сравнением расчетных процессов нелинейного деформирования и разрушения многонаправленных слоистых оболочек с экспериментальными данными;
предложена экспериментальная методика исследования эрозионного износа композитов в различных средах, позволяющая определить новые возможности их применения;
научно обоснована возможность и разработана технология изготовления из слоистых композитов энергетических градирен и других строительных конструкций, обоснованы преимущества таких проектов перед традиционными (по весу, динамическим характеристикам, долговечности и т.д.).
Достоверность полученных результатов определяется:
использованием аппарата классической механики деформирования и разрушения и апробированной теории слоистых сред;
использованием математических методов интегральных преобразований и метода конечных элементов;
хорошим совпадением результатов анализа с экспериментальными данными по разрушению композитов в тестовых примерах;
воспроизводимостью экспериментальных результатов по изучению новых свойств композитов.
Практическая ценность-Использование материалов проведенных исследований определяет новые высокоэффективные, прогрессивные технологии третьего тысячелетия, повышает эксплуатационную надежность конструкций из КМ, т.к. позволяет:
прогнозировать процесс трещинообразования в композитах сложной структуры с полимерными матрицами;
учитывать частичное сохранение и изменение в процессе разрушения несущей способности слоя не только относительно нагружения вдоль волокон, но и относительно поперечных и сдвиговых нагружений;
учитывать механизмы межслойных разрушений, связанные с мо-ментными эффектами.
Разработанный программный комплекс рекомендуется для обоснования проектных решений при расчете конструкций из многонаправленных слоистых композитов с учетом процессов трещинообразования.
Созданная на базе тепловой схемы ВНИИАМ установка позволяет исследовать эрозионный износ различных композитных материалов при широком диапазоне изменения скоростей и температур движущихся сред. Впервые получены данные об эрозионной стойкости различных композитных материалов, показавшие, что по этому параметру при температурах до 100 С материалы на тканевой основе и углепластик существенно превосходят лучшие легированные стали и соответствуют сталям со специальными антиэрозионными покрытиями.
Реализация результатов работы осуществлялась при выполнении проекта крупногабаритной энергетической градирни из слоистых полимерных композитов и при разработке технологии изготовления подобных строительных сооружений. Проведенное сравнение проектов железобетонной и композитных градирен показало несомненное техническое преимущество последних практически по всем показателям (весу, прочности, фундаменту, долговечности и т.д.).
Проведен сравнительный расчет возможности замены стали в аппаратах, работающих под давлением (газовые сосуды, автоклавы) на многонаправленные слоистые композиты с полимерной матрицей, который показал возможность уменьшения массы в 1,5-2 раза. В других конструкциях, например центробежных насосах, такая замена может привести к увеличению производительности до 50% или к уменьшению габаритов.
Новизна работы защищена четырьмя авторскими свидетельствами и патентами, материалы диссертации реализованы в учебном процессе на кафедрах "Строительные материалы и технологии" и "Прочность мате-
риалов и конструкций" Петербургского государственного университета путей сообщения.
Личный вклад автора состоит в создании комплекса теоретических, методических, алгоритмических разработок и программных средств, обеспечивающих прогнозирование процесса деформирования и разрушения многонаправленных слоистых композитов в произвольном внешнем поле нагрузок, постановке теоретических и лабораторных исследований по теме диссертации, анализе результатов выполненных исследований, теоретическом обобщении и обосновании всех защищаемых положений, использование которых в практике строительства позволит перейти к высокоэффективным и прогрессивным технологиям.
Апробация работы. Основные результаты были доложены на
Международной научно-технической конференции «Современные проблемы строительного материаловедения», Самара, 1995;
IX Международной конференции «Проблемы механики железнодорожного транспорта: динамика, надежность и безопасность подвижного состава», Днепропетровск, 1996;
II Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта», Москва, МИИТ, 1996;
L Международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов, Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 1996;
- Научно-практической конференции «Промышленная экология-97»,
Санкт-Петербург, 1997;
- I Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности», Нов
город, 1997;
Международной конференции «Численные и аналитические методы расчета конструкций», Самара, 1998;
III Международной конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте», Санкт-Петербург, 1997;
XVI Международной конференции BEM&FEM-98 «Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Методы граничных и конечных элементов», Санкт-Петербург, 1998;
XXXV Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности», Псков, 1999;
- IV Межвузовской научно-методической конференции «Актуальные
проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», Мо
сква, РГОТУПС, 1999;
IV Международной конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте», Санкт-Петербург, ПГУПС, 1999;
III Российской конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию, Сочи,1999;
Международной научно-теоретической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», Росгов-на-Дону, Ростовский гос. ун-т путей сообщения, 1999;
V межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», Москва. РГОТУПС, 2000.
Публикации. Содержание диссертации опубликовано более чем f 40 работах и одной монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения шести разделов, выводов и списка литературы.
