№4-2014 — Механика композиционных материалов и конструкций

Полные тексты статей
https://elibrary.ru/contents.asp?id=34044779

Власов А.Н., Волков-Богородский Д.Б.

Параметрический метод асимптотического усреднения для нелинейных уравнений термоупругости

В работе развивается метод асимптотического усреднения для нелинейных уравнений термоупругости с быстроосциллирующими коэффициентами. В отличие от традиционного подхода, при асимптотическом анализе уравнений вводится ещё дополнительный параметр, соответствующий нелинейным зависимостям свойств материала от температуры. Процедура усреднения сформулирована таким образом, что функции быстрых переменных рассматриваются в параметрическом пространстве. Для реализации этой процедуры развивается двухуровневая схема решения вспомогательных задач, основанная на аналитико-численном и конечно-элементном подходах для функций быстрых и медленных переменных, участвующих в алгоритме асимптотического анализа уравнений с быстроосциллирующими коэффициентами. Разрабатываемый в работе подход позволяет определять механические характеристики, в том числе композитных материалов с нанонаполнителями и с агрегациями частиц нанонаполнителей.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 491-505

Исследование сходимости результатов расчета свободных колебаний произвольных оболочек на основе неклассической теории

На основе энергетически согласованного подхода получены уравнения движения ортотропной оболочки произвольной геометрии, деформированное состояние которой описывается уравнениями трехмерной теории упругости. Рассматриваются две версии неклассической теории для расчета свободных колебаний оболочек. Приведение трехмерных уравнений к двумерным осуществляется с помощью принципа возможных перемещений и представления компонентов перемещений в виде полиномов по нормальной к срединной поверхности оболочки координате. Сформулированы модифицированные граничные условия для стандартных случаев крепления оболочки. В качестве примеров рассматриваются расчеты собственных колебаний замкнутой круговой цилиндрической оболочки. Приводятся уравнения движения оболочки в перемещениях и краевые условия. Дается решение сформулированных задач методом Бубнова-Галёркина. Проведена оценка сходимости результатов расчета для двух вариантов аппроксимирующих полиномов. Анализируется влияние различных типов краевых условий и геометрических параметров оболочки на величины собственных частот. Дается сравнение результатов расчета с опубликованными данными, соответствующими трехмерной теории упругости. Полученные результаты для ортотропной произвольной оболочки позволяют оценить влияние упругих характеристик композиционных материалов на собственные частоты. Эти результаты могут быть использованы в расчетах и при испытаниях на прочность, долговечность авиационных и ракетно-космических конструкций, а также машиностроительных объектов различного назначения.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 506-518

Оценка параметров фрагментов, возникающих при проникании периодической системы струн в массивную преграду с учетом конечного времени разрушения

In [1-2] we have proposed an elastoplastic model of fragmentation at the high-velocity penetration of a periodic set of strings in a massive target. The model have allowed us to estimate the size, velocity and kinetic energy of the fragments knocked out of the target. However, this model assumed that the fragments formed instantaneously. For a more adequate description of the fragmentation in present paper we propose to take into account the fact that the formation of the fragments occurs in a finite time.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 519-538

Акимов А.В., Браило Н.В., Букетов А.А., Сапронов А.А., Яцюк В.Н.

Исследование влияния модификатора 2-метил-2-тиоцианато-3-(4-тиоцианатофенил) пропиамида на структуру и свойства эпоксидной матрицы

Исследовано влияние количества модификатора на структуру и механические свойства эпоксидной матрицы. Методом ИК- и ЭПР-спектроскопии установлена природа химических связей и механизм межмолекулярного взаимодействия при формировании модифицированной матрицы. Методом оптической микроскопии исследована поверхность излома модифицированной (при разном количестве модификатора) эпоксидной матрицы. Установлено, что для получения матрицы с повышенными адгезионными свойствами необходимо в эпоксидный олигомер вводить модификатор 2-метил-2-тиоцианато-3-(4-тиоцианатофенил)пропиоамид в количестве q =1,00 масс.ч. на 100 масс.ч. олигомера ЭД-20 и 10 масс.ч. отвердителя полиэтиленполиамина (ПЭПА). Для формирования матрицы с улучшенными физико-механическими свойствами необходимо в эпоксидный олигомер ЭД-20 (100 масс.ч.) вводить модификатор в количестве q =0,10…0,25 масс.ч. на 100 масс.ч. олигомера ЭД-20 и 10 масс.ч. отвердителя ПЭПА.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 539-554

Карнет Ю.Н., Козлов Г.В., Микитаев А.К., Яновский Ю.Г.

Фрактальные модели усиления полимерных дисперсно-наполненных наноструктурированных композитов агрегатами наночастиц

Показана применимость модели необратимой агрегации для теоретического описания процесса агрегации наночастиц наполнителя в полимерных композитах. Выявлены основные факторы, влияющие на указанный процесс. Показано, что сильно выраженная агрегация наноразмерных частиц дисперсного наполнителя приводит к резкому (примерно в 4 раза) снижению реального модуля упругости сформированных фрактальных агрегатов. Агрегация наночастиц наполнителя реализуется механизмом кластер-кластер и приводит к существенному снижению плотности сформированных фрактальных агрегатов, что является причиной снижения их модуля упругости. В отличие от композитов, наполненных микрочастицами, нанокомпозиты требуют учета межфазных эффектов для корректного описания модуля упругости в силу большой доли поверхности раздела фаз для них.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 555-567

Зуев М.А., Махсидов В.В., Федотов М.Ю., Шиенок А.М.

К вопросу об интеграции оптоволокна в ПКМ и измерении деформации материала с помощью волоконных брэгговских решеток

В обзоре представлены результаты работ по оценке механических свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) с внедренными оптическими волокнами и определению деформации материала с помощью интегрированных волоконных брэгговских решеток (ВБР). Описываются способы ввода-вывода оптоволокна из материала, конструкция составного чувствительного элемента. Рассматривается математический аппарат для пересчета регистрируемой физической величины в деформацию чувствительного элемента на основе ВБР и стабильность показаний чувствительного элемента. Показана возможность использования ВБР для полимерных оптических волокон.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 568-574

Зинченко А.С., Кузнецова Е.Л., Пегачкова Е.А., Формалев В.Ф.

Метод оптимальной оценки массы тепловой защиты элементов конструкций гиперзвуковых летательных аппаратов

Определение массы (или толщины) тепловой защиты элементов конструкций скоростных летательных аппаратов (ЛА) на стадии проектирования постоянно является актуальной проблемой, поскольку она определяет важнейший проектный параметр — вес ЛА. Оценка оптимальной толщины тепловой защиты ЛА во взаимной связи с теплофизическими характеристиками (ТФХ) позволяет минимизировать толщину и, следовательно, массу тепловой защиты. В работе, на основе аналитического решения задачи теплопроводности и ограничений на температуру несущей металлической конструкции, разработана методика определения оптимальной толщины тепловой защиты в зависимости от температуропроводности, конечного времени прогрева и отношения предельной температуры металлической конструкции к температуре на наружной границе, построены номограммы зависимости толщины теплозащиты от всех перечисленных параметров. По этим номограммам можно быстро определить оптимальную толщину тепловой защиты.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 585-592

Применение метода ритца к расчету осесимметричных колебаний оболочек вращения с жидкостью при произвольных граничных условиях

Рассматриваются осесимметричные колебания гладкой ортотропной оболочки вращения с жидкостью при произвольных граничных условиях на краях на торцах жидкости, совпадающих с этими краями. Движение идеальной несжимаемой жидкости, удовлетворяющее уравнению неразрывности и граничному условию безотрывного скольжения на подвижной поверхности оболочки, описывается на основе вариационного метода в перемещениях в двучленном приближении с учетом плоского вытеснения и депланации поперечных сечений жидкости по заданной форме. Уравнения гидроупругих колебаний получаются по методу Ритца как уравнения Лагранжа в обобщенных координатах с использованием координатных функций, определяемых из решений статической задачи осесимметричной деформации оболочки по безмоментной теории при заданных нагрузках с учетом краевых изгибов для удовлетворения граничных условий. Депланация поперечных сечений жидкости также представляется в виде ряда по заданным функциям осевой координаты с неизвестными коэффициентами. Приведены результаты расчета собственных гидроупругих колебаний полусферической и цилиндрической оболочек при различных граничных условиях с оценками точности.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 593-606

Критические кривые квазихрупкого разрушения полиметилметакрилата

Получены критические напряжения для квазихрупкого материала с краевыми острыми трещинами. Критические напряжения соответствуют необходимым и достаточным критериям разрушения. Для образцов с трещиноподобными краевыми дефектами предложено использовать структурные формулы. Выполнены эксперименты по разрушению образцов из ПММА (полиметилметакрилат) с краевыми трещинами. Экспериментальные результаты по разрушению ПММА хорошо согласуются с теоретическими построениями, когда за основные характеристики квазихрупкого материала выбраны критический КИН и аппроксимация классической диаграммы. Получены оценки эффективных диаметров структур разрушения ПММА. Указаны области разрешенных амплитуд повторных нагрузок при формировании острой трещины в квазихрупких материалах.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 607-623

Задача о контакте цилиндра из сплава с памятью формы с упругой трубой при обратном фазовом превращении

Получено приближенное аналитическое решение задачи об осесимметричном напряженно деформированном состоянии толстостенного цилиндра из сплава с памятью формы (СПФ) при контакте с упругим цилиндром, моделирующее процесс усадки соединительной муфты из СПФ на части упругой трубы за счет обратного фазового превращения так, что образуется прочное соединение.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 624-636

Дорогина Г.А., Игнатьев И.Э., Игнатьева Е.В.

Свойства fe-6%si порошка и полученного из него спеченного магнитомягкого материала при различной длительности размола

Исследовано влияние длительности размола в вибрационном измельчителе ИВ-микро на магнитные свойства Fe-6%Si- порошковой смеси и спеченных из нее образцов. Установлены зависимости плотности, содержания кислорода и кремния, намагниченности, коэрцитивной силы в исследуемом материале от времени дробления порошкового массива. Выявлены факторы, определяющие профили графиков полученных зависимостей.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 637-645

Безруков Л.Н., Гадасин И.М., Мягков Н.Н., Шумихин Т.А.

Тестирование прототипа защиты космического аппарата от метеороидов и частиц орбитального мусора

Проведена серия ударных высокоскоростных экспериментов с целью оценить предельные баллистические характеристики двух прототипов защитных конструкций. Такие конструкции могут быть использованы в космических условиях для предотвращения угрозы нарушения целостности гермооболочки космического аппарата в результате воздействия высокоскоростных частиц естественного и техногенного происхождения (метеороиды и частицы космического мусора). Построены предельные баллистические кривые для этих конструкций. Проведено сравнение предельных баллистических параметров тестируемой конструкции с параметрами защитной конструкции установленной на одной из зон российского модуля «Заря» Международной космической станции.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 646-662

Решение задачи об обратном мартенситном переходе в стержне из сплава с памятью формы, находящемся под дейстием постоянного крутящего момента

В работе решена задача об обратном фазовом переходе (ОФП) под действием постоянного крутящего момента для стрежня сплошного круглого поперечного сечения из сплава с памятью (СПФ) в рамках нелинейной модели деформирования СПФ при фазовых и структурных превращениях. Данный термомеханический процесс реализуется при рабочем ходе силовозбудителя крутящего момента, представляющего собой перспективное устройство генерации углового смещения, а также создания управляющего воздействия для элементов авиационно-космических систем, работающих на кручение. Проведенное численное моделирование в однократно связной постановке позволило установить историю изменения безразмерной крутки от безразмерного параметра температуры для различных значений безразмерного крутящего момента, под действием которого происходит ОФП, а также получить эпюры безразмерных напряжений для различных этапов нагрева стрежня.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 663-674

Карнет Ю.Н., Никитин С.М., Никитина Е.А., Яновский Ю.Г.

Компьютерный подбор модификаций наполнителей для получения композиций на основе полимерных матриц с улучшенными механическими свойствами

В работе в рамках численного моделирования исследовались механизмы взаимодействия эпоксидной матрицы с поверхностью частиц, содержащих металлы и их оксиды. При этом в качестве нанонаполнителей, модифицирующих клеевые композиции, рассматривались алюминий, оксид алюминия, титан и оксид титана. Энергетические и прочностные характеристики межфазных слоев наполненных эпоксидных клеев исследовались в вычислительном эксперименте в рамках кластерного метода и подхода микроскопической координаты трения, реализованных в оригинальном пакете квантово-механических программ NDDO/sp-spd [1]. На основе проведенного компьютерного моделирования были даны рекомендации по использованию наполнителей эпоксидных клеев.

> Том 20 > №4 / 2014 / Страницы: 675-685