Введение к работе
Актуальность темы. Изучение компрессионного отверждения высоконаполненных К0МП031ГГНЫХ материалов (ВКМ), в составе которых 60% -т- 80% - мелкодисперсный наполнитель и 20%-т-40% - связующее, имеет большое прикладное значение для ряда отраслей машиностроения, химического производства и энергетики, например, в ракетостроении при изготовлении твердотопливных ракетных двигателей. В процессе изготовления изделия из жидкотекучего ВКМ путем его отверждения в пресс-форме, в нем протекают сложные физико-химические, фильтрационные и теплофизические процессы, связанные с образованием химических и физических связей. При отверждении в ВКМ возникают технологические напряжения, вызванные температурными и полимеризационными деформациями, которые могут превысить предел прочности, набранный ВКМ, что может приводить к возникновению дефектов в изделиях уже на стадии их изготовления. Исследование эволюции технологических напряжений в отверждаемом ВКМ с использованием физического эксперимента в большинстве случаев малоинформативно и требует больших материальных ресурсов. Поэтов в настоящее время большое значение приобретает математическое моделирование компрессионного отверждения ВКМ. Основные трудности математического моделирования компрессионного отверждения высоконаполненных несжимаемых или почти несжимаемых композитных материалов заключаются:
-
В построении математической модели адекватно описывающей процесс компрессионного отверждения ВКМ с учетом влияния температуры и степени отверждения на его реологические свойства и структуру.
-
Наличием границ сопряжения отверждаемого ВКМ с термоподатливыми оболочкой и центральным профильным телом.
-
Решением плохо обусловленной системы алгебраических уравнений большой размерности.
Основы теории математического моделирования компрессионного отверждения ВКМ заложены в работах Арутюняна Н.Х., Болотина В.В., Васильева В.В., Енико-лопяна Н.С., Жукова Б.П., Малкина А.Я., Манелиса Г.Б., Мержанова А.Г., Москви-тина В.В., Образцова И.Ф., Пальмова В.А., Саковича Г.В., которыми предложены феноменологические модели .макрокинетики реакции отверждения и реокинетиче-ские зависимости для высоконаполненных композитных материалов; исследованы особенности процесса отверждения вязке—упругопластического композитного материала в условиях фронтального и объемного отверждения; путем численного эксперимента исследованы задачи о затвердевании полого шара и длинного полого
цилиндра. Болотнным В.В. предложена теория консолидации , учитывающая мне гокомпонентнын состав ВКМ, вязкоупругое поведение компонентов композита, х» мическую и "термическую" усадки, нелинейность деформативных свойств ком понентов, кинетику отверждения.
Дальнейшее развитие теории математического моделирования компреси онного отверждения ВКМ нашло отражение в работах Альеса М.Ю., Афанасьев Ю.А., Бегишева В.П., Булгакова В.К., Быковцева Г.И., Дроздова А.Д., Клычников Л.В., Кауфмана И.Н., Куличихина С.Г., Липанова А.М., Луканова А.С., Мошєе В.В., Метлова В.В., Наумова В.Э., Няшина Ю.И., Поздеева А.А., Розенберга Б.А Смирнова Л.П., Саковича Г.В., Томашевского В.Т., Трусова П.В., Турусова Р.А. др.
Однако, несмотря на ряд решенных практически важных задач, полное и< следование процессов, происходящих при компрессионном отверждении комго зитных материалов еще далеко до завершения. В настоящее время практически о' сутствуют методики расчета компрессионного отверждения несжимаемых или ПО' ти несжимаемых ВКМ в составных трехмерных оболочечных пресс-формах. П< этому разработка устойчивых вычислительных алгоритмов расчета НДС отве] ждающегося ВКМ в трехмерных составных областях с произвольной геометрие является в настоящее время актуальной задачей. Дель диссертации:
-
Разработка методик расчета пространственных задач компрессионного отвержді ния ВКМ в пресс-формах.
-
Исследование влияния физико-механических свойств отверждаемого ВКМ на эволюцию технологических напряжений в процессе отверждения.
-
Исследование влияния термоподатливости конструктивных элементов пресс-формы (центральное профильное тело, оболочка) на напряженно-деформированнс состояние отверждаемого ВКМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
С использованием метода смешанных конечных элементов2 разработаны метода] численного расчета и комплекс программных средств для исследования трехме ных краевых задач компрессионного отверждения высоконаполненного несжима мого и почти несжимаемого р 0.5) композитного материала с учетом зависим
ста его свойств от температуры и степени отверждения. Учитывается влияние те моподатливости центрального профильного тела и тонкостенной моментной об
Болотин В.В., Воронцов А.Н., Антохонов В.Б. Теория компрессионного формования изделий ці mum зитных материалов. // Механика композитных материилп»-iqg:ir *f"rt " іч-и-ІП^? __цзгякпр РіК—Ч^"тттт і< ц ' '"тт"рн теории метода смешанных конечных элементов для задач гидродинамики. -Хабаровск:. Изд-во ХГТУ, 1999 г.- 283 с.
точки вращения. Предложен трехмерный, div-устойчивый, изопараметрический конечный элемент второго порядка. Исследовано влияние термоподатливости цен-грального профильного тела, уровня начального поддавливания, режима термообработки на эволюцию технологических напряжений в отверждаемом ВКМ. Проверен анализ НДС, возникающего в ВКМ после извлечения центрального профильного тела.
Практическая значимость. Разработанные методики расчета и комплекс программных средств могут быть использованы для исследования процессов отверждения при изготовлении изделий из высоконаполненных полимерных материалов, например в ракетостроении. Результаты численных расчетов могут быть использованы НИИ и конструкторскими бюро, занимающимися разработкой и совершенствованием технологических режимов отверждения композитных материалов.
Достоверность полученных результатов следует из их согласия с известными численными решениями.
Реализация результатов работы. Разработанные программные комплексы проходили апробацию в Федеральном центре двойных технологий "Союз" (г. Дзержинский, Московской области). Данные программы внедрены и используются в Научно-исследовательском институте компьютерных технологий (г. Хабаровск), в учебном процессе специальности "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем" Хабаровского государственного технического университета. Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции "Решетневские чтения", г. Красноярск 1997 г., на научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики", г. Томск 1998 г., на научном семинаре "Математическое моделирование задач тепломассопереноса" в НИИ Компьютерных технологий (г. Хабаровск), на семинаре "Дифференциальные уравнения" кафедры Прикладной математики ХГТУ (г. Хабаровск), на научно-практической конференции "Физика: Фундаментальные исследования, образование", г. Хабаровск 1998 г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 статьях и 3 научно-технических отчетах. Две статьи выполнены при поддержке гранта государственной федеральной целевой программы "Интеграция" № К0560+К0928.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитированной литературы общим объемом 134 страницы (из них 100 страниц текстовой информации и 34 страницы с рисунками и
