№1-2008 — Механика композиционных материалов и конструкций

Полные тексты статей
https://elibrary.ru/contents.asp?id=33391766

Володин Ф.В., Гаришин О.К., Кондюрин А.В., Лебедев С.Н., Морозов И.А.

Экспериментальное и численное моделирование эластомерных композитов путем исследования нанослоев полиизопрена на углеродной поверхности

Прямое экспериментальное исследование эластомерных композитов (резины) вблизи границы фаз полимер-наполнитель сопряжено с рядом технических трудностей. Предложена методика изготовления и экспериментального исследования механических свойств нанослоев синтетического полиизопрена на карбонизированной поверхности с помощью атомно-силового микроскопа. Углеродные поверхности получали путем ионно-лучевой обработки слоя полистирола на кремниевой пластине. Затем с помощью центрифугирования на них наносили слои синтетического полиизопрена различной толщины (от 5 до 45 нм). С помощью атомно-силовой микроскопии были получены зависимости отклонения консоли индентора при приближении и вдавливании зонда в полимерные слои. Установлено, что сила Ван-дер-Ваальса между зондом и полимерной поверхностью существенно увеличивается с уменьшением толщины слоя. Получено численное решение задачи о внедрении зонда атомно-силового микроскопа в полимерную пленку, прочно скрепленную с плоской недеформируемой подложкой. При этом считали, что материал пленки является чисто упругим и его механические свойства можно описать с помощью неогукового потенциала. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных свидетельствует о существенном увеличении жесткости нанослоев вблизи карбонизированной поверхности. Это дает основание считать, что аналогичные процессы могут быть характерны и для эластомерных композитов, наполненных углеродными частицами (сажей).

> Том 14 > №1 / 2008 / Страницы: 3-15

Берестова С.А., Ефремов Н.С., Митюшов Е.А.

Параметрическое описание структуры армированных композитов и построение индикатрис их упругих свойств

В статье предлагается методика прогнозирования макроскопических упругих характеристик композиционного материала, армированного волокнами, по материальным константам материалов матрицы и волокон, пространственной структуре укладки волокон и их объемному содержанию. Приведен способ описания произвольного пространственного армирования макроскопически-ортотропного композита с помощью шести безразмерных параметров армирования. Предложен метод определения эффективных тензоров упругости и податливости композиционного материала путем взвешенного среднегеометрического осреднения предельных приближений Фойгта и Ройсса. Проиллюстрирована зависимость анизотропии упругих характеристик композита от схемы армирования и объемного содержания волокон разного типа.

> Том 14 > №1 / 2008 / Страницы: 16-34

Акопьян В.А., Бычков А.А., Рожков Е.В., Соловьев А.Н., Шевцов С.Н.

К определению эффективных свойств полимеркомпозитного материала на основе гармонического и модального анализа

Проведен обзор работ посвященных определению механических свойств композитов. Разработана установка и проведен эксперимент по изучению динамических свойств образца полимеркомпозита, вырезанного из лонжерона, изготовленного способом намотки, лопасти несущего винта вертолета. Разработаны конечноэлементные модели используемых в эксперименте образцов и проведен численный анализ и идентификация форм колебаний, на основе которой разработаны методики уточнения упругих модулей полимеркомпозита, полученных экспериментальным путем с помощью статических испытаний.

> Том 14 > №1 / 2008 / Страницы: 35-48

Определение несущей способности опорных узлов в трехслойных конструкциях с сотовым заполнителем

В работе представлена аналитическая модель определения несущей способности трехслойной панели космического назначения в зоне усиления (опорного узла), предназначенного для передачи сосредоточенной нагрузки, направленной по нормали к панели. В качестве расчетного случая рассматривается осесимметричный изгиб круглой пластины, шарнирно опертой по контуру и нагруженной в центре сосредоточенной нагрузкой. Несущие слои трехслойной конструкции рассматриваются в виде мембран, работающих только на растяжение сжатие, а для описания поведения заполнителя использованы гипотезы Тимошенко. В работе выведены определяющие соотношения напряженно-деформированного состояния трехслойной конструкции в зоне опорного узла, и предложен метод определения критической нагрузки, учитывающий основные параметры конструктивного исполнения опорного узла: диаметр усиления сотового заполнителя, жесткостные характеристики несущих слоев и заполнителя. Наряду с теоретическими зависимостями, работа содержит экспериментальный материал, подтверждающий работоспособность предлагаемой аналитической модели.

> Том 14 > №1 / 2008 / Страницы: 49-64

Афанасьева С.А., Белов Н.Н., Георгиевский В.П., Жейков В.В., Коняев А.А., Соломонов Ю.С., Табаченко А.Н., Толкачев В.Ф., Федосов О.Ю., Югов Н.Т.

Расчетно-экспериментальный анализ поведения ударников из композита вольфрам-никель-железо в условиях высокоскоростного удара

В работе предложен комплексный подход к исследованию физико-механических свойств разрабатываемых композиционных материалов в условиях интенсивного динамического нагружения на основе экспериментального и математического моделировании ударноволновых процессов. Показана высокая поражающая способность ударника из композиции вольфрам-никель-железо, полученного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, содержащей 70 весовых процентов вольфрама, при взаимодействии с разнесенными алюминиевыми преградами. При относительно низкой средней плотности (11,8 г/см3), варьирование параметров твердости и пластичности материала приводит к возрастанию суммарной глубины проникания в разнесенные преграды. Приведены результаты численного моделирования взаимодействия ударника из сплава ВНЖ-80 с алюминиевой трехслойной разнесенной преградой при условиях, аналогичных проведенному эксперименту. Поэтапно описаны процессы деформирования и разрушения трехслойной разнесенной преграды и сферического ударника при взаимодействии с первой и второй пластинами и проникание в третью пластину, когда ударник находится на стадии предразрушения либо частично разрушен.

> Том 14 > №1 / 2008 / Страницы: 65-74

Модель нелинейного деформирования сплавов с памятью формы в активных процессах прямого превращения и структурного перехода

Процессы неупругого деформирования сплавов с памятью формы (СПФ) определяются происходящими в них фазовыми и структурными превращениями. В данной работе предложена одномерная микромеханическая модель процесса деформирования СПФ при структурных превращениях, под которыми понимается процесс переориентации (раздвойникования) мартенсита, феноменологическое обобщение этой модели на трехмерный случай, а также определяющие соотношения, описывающие нелинейное деформирование СПФ в активных процессах прямого мартенситного превращения и переориентации мартенсита. Результаты, даваемые моделью, сопоставляются с экспериментальными данными.

> Том 14 > №1 / 2008 / Страницы: 75-87

Вахничева М.Г., Калюта А.А., Рудзей Г.Ф.

Оценка влияния эксплуатационно-технологических факторов на ресурсные характеристики конструктивных элементов из композиционных материалов

Целью работы является исследование статической прочности и усталостной долговечности конструктивных образцов из стеклопластиков для обоснования ресурса изделий из КМ. Выбор программы испытаний осуществлен с учетом предполагаемых эксплуатационных условий. Определена технология сборки модельных образцов с учетом критериев прочности.

> Том 14 > №1 / 2008 / Страницы: 88-96

Агафонов А.В., Агафонов Д.А., Давыдова О.И., Краев А.С., Падохин В.А.

Электрореологические характеристики дисперсий некоторых полисахаридов в полидиметилсилоксане

Экспериментально с применением электровискозиметра и установки для тестирования механических свойств суспензий изучен электрореологический эффект (ЭРЭ) дисперсий эфиров целлюлозы и крахмала в полидиметилсилоксане при различных скоростях сдвига и напряженностях электрического поля. Проведено исследование влияния влажности и структурных особенностей биополимеров на величину ЭРЭ.

> Том 14 > №1 / 2008 / Страницы: 97-104

Архиреев В.П., Перухин М.Ю., Суханов П.П.

Методика оценки совместимости блочных полимеров

Рассматривается оригинальная методика сравнительной оценки объёмной плотности энергии когезии исходных полимерных компонентов и смесей на их основе, позволяющая не только качественно, но и количественно характеризовать уровень совместимости блочных полимеров. Методика основана на совместном физико-механическом анализе прочностных и упругих характеристик образцов (L, l, σр), позволяющем также учитывать ориентационные эффекты, возникающие при одноосном растяжении. Результаты подобного анализа в обобщённой форме отражают уровень структурно-динамической устойчивости (совместимости) элементов ансамбля макромолекул любого состава в процессе и после воздействия на него механических усилий.

> Том 14 > №1 / 2008 / Страницы: 105-110

Бессонов Д.Е., Ершова А.Ю., Зезин Ю.П., Мартиросов М.И., Рабинский Л.Н.

Экспериментальное исследование деформирования и разрушения зернистых композитов на основе полиэфирных смол

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе полиэфирных смол широко применяются в различных отраслях современной техники. ПКМ обладают рядом преимуществ по сравнению с металлами, бетоном, стеклом и часто становятся эффективной альтернативой традиционным конструкционным материалам. Основным достоинством ПКМ является высокий уровень удельных характеристик. Технологические процессы формования изделий из ПКМ позволяют получать изделия более сложной формы и характеризуются существенно меньшей энергоемкостью. Указанные преимущества относятся и к новому классу полиэфирных зернистых ПКМ — литьевому искусственному камню (ЛИК) [1], предназначенному для замены природного гранита, мрамора и других пород в строительстве и машиностроении. Замена традиционных материалов на композиты сопровождается значительным объемом научно-исследовательских работ, связанных с изучением особенностей механического поведения ПКМ. В настоящее время известны ограниченные исследования механических характеристик ЛИК, необходимых для оценки работоспособности элементов конструкций из этих материалов. В данной работе представлены результаты экспериментального исследования механических свойств ЛИК на основе ненасыщенных полиэфиров, используемого в различных областях современной техники и строительстве. Получены диаграммы растяжения и сжатия материала, кривые ползучести и релаксации напряжений при растяжении. Вязкость разрушения материала определена методом податливости по результатам испытаний образцов — брусов с центральными краевыми надрезами. Проведено сопоставление механических характеристик материала, полученных при различных видах испытаний.

> Том 14 > №1 / 2008 / Страницы: 111-125

Точные и приближенные уравнения статики и динамики стержня-полосы и обобщенные классические модели

Рассматриваются двумерные по пространственным координатам линейные задачи статики и динамики стержня-полосы из линейно упругого ортотропного материала, находящегося под действием произвольных объемных и поверхностных нагрузок, приложенных как к торцевым поперечным, так и лицевым продольным сечениям. Последние представлены разложением на синфазные и антифазные составляющие, приводящим исходные задачи к задачам о синфазных и антифазных видах деформаций, называемым в литературе задачами А и В. С использованием тригонометрических базисных функций, соответствующих выделению из рядов Фурье отдельных нечетных (для задачи А) и четных (для задачи В) гармоник, построены аппроксимирующие по поперечной координате функции перемещений, точно удовлетворяющие статическим граничным условиям на продольных гранях стержня. Установлено, что построенные на их основе уравнения являются абсолютно точными для задач о свободных колебаниях (при отсутствии нулевых гармоник) и абсолютно не пригодными для задач статики стержней. В тоже время при предельном переходе к нулевой гармонике построенные функции перемещений редуцируются в кинематические соотношения, названные соотношениями обобщенной классической модели. Исходя из них, построены также такие кинематические соотношения нулевого приближения, в которых искомыми неизвестными являются две неизвестные функции классической теории. На их основе выведены одномерные по пространственным координатам уравнения статического равновесия и движения, являющиеся различными вариантами уравнений нулевого приближения и обобщающими аналогичные уравнения классической теории. Путем введения единственного упрощающего предположения о равенстве нулю коэффициента Пуассона построены также такие уточненные уравнения первого приближения, основанные на аппроксимации поперечных компонент напряжений тригонометрическими функциями при точном удовлетворении граничным условиям задач А и В на продольных гранях стержня, которые являются корректными для описания процессов как статического, так и динамического деформирования стержней, а так же допускают предельный переход к классическим уравнениям теории стержней.

> Том 14 > №1 / 2008 / Страницы: 126-156