Введение к работе
Актуальность темы. Конструкциопные композиционные материалы широко применяются в различных областях промышленности, используются для создания элементов строительных конструкций (балки, рамы, трубы, панели), в авиационной и космической технике. Компогшты представляют собой неоднородные среды, состоящие из матрицы и жесткого наполнителя в виде волокон плп дисперсно - распределенных частиц различном геометрии. Для учета явлении на границе раздела фал прпнято учитывать также дополнительную фалу, называемую межфапным слоем и отличающуюся по свойствам от матрицы и наполнителя.
Существует большое количество моделей структуры мсжфапного слоя для различных композитов, одни из которых предполагают, что межфаз-ный .слон образуется в матрице, другие учитывают также и изменение структуры наполнителя около поверхности. Межфазный слон может рассматриваться как однородный пли как неоднородный, обладающий анизотропией или структурными дефектами. Механические свойства меж-фг.лного слоя вблизи области предельных деформации неоднократно измерялись, однако экспериментальное определение упругпх свойств меж-фалного слоя встречает очевидные затруднения, поэтому упругие характеристики межфазных слоев для конкретных пар матриц и наполнителей, которые необходимы для проектирования композиционных материалов, в настоящее время изучены Недостаточно. Определение размеров межфазного слоя также требует уточнения, поскольку оно основывается на микрофотографиях, а в процессе обработки поверхности образцов для их получения может исказиться реальная структура материала.
Цель работь? заключается в исследовании общих закономерностей изменения макроскопических характеристик однонаправленных композитов и параметров межфазного слоя при упругом деформировании на основе гипотезы о его неоднородности, для чего была разработана структурно-аналитическая модель элемента композита, моделирующего волокно с неоднородным межфалным слоем. Разработанный метод позволяет, как при известных свойствах межфазного слоя определить макроскопические свойства композита, так п найтп эффективные параметры межфазного слоя из померенных свойств композиционного материала, матрицы п наполнителя.
Метод исследования включает в себя оригинальное точное аналитическое решение задачп об определении упругих констант ортотропного
тела, моделирующего элемент структуры "волокно с- неоднородным межфазным слоем", что делает возможным учет межфазного слоя при дальнейшем численном решении задачи для элементарной ячейки периодичности однонаправленного композита, поскольку исчезает нсоблодпмость разбиения области межфааного слоя на мелкую конечно-разиостную сетку.
Научная новиана полученных реоультатоп заключается: - в постановке и решении актуальных задач строительной механики и механики композитов, связанных с исследованием межфааного слоя на границе волокна с матрицей и его влияния на упругие свойства композитов;
в получении аналитического решения для определения упругих констант ортотронного цилиндрически-симметричного тела, которое используется при моделировании структуры композиционного материала;
в разработке оригинального метода определения аффективных пари-метров межфазного слоя для различных композиционных материалов;
в разработке нового метода определения механических характеристик композитов с учетом неоднородного межфазного слоя с Использованием полученного аналитического решения и численных методов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью разработанной математической модели с использованием фундаментальных законов и положений строительной механики и механики композитов, строгостью математических формулировок в сочетании с использованием хорошо отработанных алгоритмов для ЭВМ, согласованием полученных теоретических результатов с имеющимися оксиеримен-тальными п расчетными данными.
Практическая ценность результатов. Разработанные в днесер тации математические модели, алгоритмы и прикладные программы для ЭВМ позволили учесть влияние межфааного слоя на свойства создаваемого композиционного материала на стаднн.его проектирования н, следовательно, дают возможность уточнить или скорректировать ожидаемые свойства готового материала. Внедрение результатов диссертационной работы позволит ешкшгь количество дорогостоящих экспериментов, необходимых на стадии проектирования композита для получения материала с заданными свойствами, заменив часть из них расчетами по раз-работ.шной модели, что показало использование реольтатов диссертационной работы во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ) и Московском институте теплотехники (МИТ).
На защиту выносятся следующие основные результаты работы: - полученное аналитическое решение задачи об определении упругих констант цилиндрически ортотропного тела; - разработанная математическая модель для определения упругих констант различных композитов с учетом неоднородного межфазного слоя иа границе раздела фаз; - метод определения эффективных упругих характеристик и толщины межфаз-них слоев различных композитов; - результаты расчета упругих свойств стеклопластиков с учетом неоднородного межфазного слоя по разработанной модели.
Аппробация работы. Основные положения п результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и симпозиумах: 1. Всероссийская научно-техническая конференция "Аиро-коемнческая техника и высокие тохиологпн-2000", Пермь, 2000. 2. Второй международный семинар им. С.Д. Волкова "Механика микронеоднородных материалов и разрушение", Пермь, 2000. 3. Международным семинар "Фракталы и прикладная синергетика", Москва, 1999. 4. International Conference on Composite Materials ICCM-12, Paris, Prance, 1999. 5. Всероссийская научная конференция "Байкальские чтения по математическому моделированию процессов в спиергетнческнх системах", Улан-Уда, 1999. 6. XV научно-техническая конференция "Конструкции и технология получения изделий но неметаллических материалов", Обнинск, 1998. 7. 10 Международная конференция "Механика композиционных материалов" (МСМ-98), Рига, Латвия, 1998. 8. Ежегодная конференция преподавателей п сотрудников МГОУ, Москва, 1997. 9. Русско-китайская конференция по проблемам композитов, Калуга, 199G. 10. International Conference on Composite Materials ICCM-10, Vankouver, Canada, 1995.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура И объем работы. Диссертационная работа состоит из введення, четырех глап, заключения п списка литературных источников из 101 наименовании. Работа изложена на 106 страницах, включая 30 рисунков, 7 таблиц.