Автореферат (Двухуровневый метод в механике толстостенных намоточных оболочек из армированных полимеров (при их создании и эксплуатации))

На правах рукописиХамед МемарианфардДВУХУРОВНЕВЫЙ МЕТОД В МЕХАНИКЕ ТОЛСТОСТЕННЫХНАМОТОЧНЫХ ОБОЛОЧЕК ИЗ АРМИРОВАННЫХПОЛИМЕРОВ(ПРИ ИХ СОЗДАНИИ И ЭКСПЛУЦАЦИИ)Специальность 01.02.04 – Механика деформируемого твердого телаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномобразовательномучреждениивысшегообразования«Национальныйисследовательский Московский государственный строительный университет».Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорТурусов Роберт АлексиевичОфициальные оппоненты:Кузнецов Сергей Владимирович, докторфизико-математическихнаук,профессор,ведущий научный сотрудник Института проблеммеханики им.

А.Ю. Ишлинского Российскойакадемии наук (ИПМех РАН).КурбатовАлексейСергеевич,кандидаттехнических наук, старший научный сотрудникГНЦ ФГУП «Центр Келдыша».Ведущая организация:Федеральноегосударственноебюджетноеучреждение науки Институт машиноведения им.А.А. Благонравова Российской академии наук(ИМАШ РАН).Защита состоится «26» апреля 2017 года в 15:00 на заседании диссертационногосовета Д.212.125.05 ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)» по адресу: 125993, г. Москва,Волоколамское шоссе, д.

4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО МАИ (НИУ) и насайте http://mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=76149.Автореферат разослан «13» марта 2017 года.Ученый секретарьдиссертационного советаФедотенков Г.В.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования.

Перспективы применения толстостенныханизотропных оболочек из армированных полимеров: глубоководные аппараты истроительныеконструкции,корпусалетальныхаппаратов,посадочныешассикосмических аппаратов, специальные контейнеры, включая супербаллоны для храненияи транспортировкигазов. Этим определяется научная новизна, актуальностьипрактическая значимость данной диссертационной работы. Здесь будут решатьсяпроблемынапряженно-деформированногосостояниятолстостенныхоболочекицилиндров из армированных пластиков на этапах формирования и эксплуатации взависимости от характера анизотропии, толщины и диаметра цилиндра.В толстостенных цилиндрах в процессе изготовления из-за анизотропиимеханическихсвойстввозникаютрастягивающиенапряженияврадиальномнаправлении, что может привести к формированию кольцевых трещин. Решениепроблемы технологической монолитности толстостенных намоточных изделий изармированных полимеров позволяет повысить их коэффициент массового совершенствав несколько раз.

Для достижения этой цели необходимо разработать методыпрогнозированияостаточныхтемпературныхнапряжений(технологическихнапряжений) с исследованиями не только на макро-уровне, но и на микро-уровне.Степень исследованности проблемы. Решение задачи по определениюнапряженно-деформированного состояния анизотропных толстостенных цилиндроввпервые описано вработеС.Г Лехницкого.

Он решил задачу на основе теорииупругости анизотропной сплошной среды. Турусов Р.А, Коротков В.Н, и Розенберг Б.Арешили задачу о температурных напряжениях в ортотропном цилиндре в вязкоупругойпостановке с учетом фактического распределения температуры по сечению изделия сиспользованиемобобщённогонелинейногоуравненияМаксвеллавпроцессеохлаждения цилиндра.

Турусов Р.А, Коротков В.Н. с сотрудниками в 1986 году в своихэкспериментальныхвозникающиеитеоретическихвследствиехимическойработахусадкиучитывалимакронапряжения,связующего.Авторыширокоиспользовали численные методы для того, чтобы более подробно исследоватьостаточные напряжения в толстостенных намоточных оболочках в процессе охлаждения4и отверждения с однородным и неоднородным распределением температуры и с учетомнеупругого поведения материала. Все эти исследования в совокупности дали оченьмного интересных результатов, но они были сосредоточеныи ограниченыанализом макронапряжений в анизотропной сплошной среде, Большинство этих работ,ограничивалось исследованием однонаправленных намоточных цилиндров, и оказалисьне в состоянии объяснить некоторые экспериментальные артефакты.Цели и задачи работы: Из-за сложности и неравномерности поля напряжений, вреальной микроструктуре композиционных материалов использованные аналитическиеметоды, так же как и метод анизотропной сплошной среды не могут полностью иподробно представить реальные остаточные напряжения.

Это дает основаниепредположить, что нарушение (разрыв) в композиционных материалах по-видимомупроисходит вследствие значительной концентрации напряжений в матрице. Для этогонеобходимо исследовать распределение микронапряжений в композите. Однако анализвсей структуры в микро-масштабе потребует большого времени и огромного количествакомпьютерных ресурсов. Но можно поступить иначе и применить многомасштабный(многоуровневый) анализ напряжений для нахождения поля микронапряжений винтересующей исследователей подозрительной зоне, а не во всейструктуре.

Внастоящей работе использован именно такой подход и внимание сосредоточено наисследовании микронапряжений в изделии в процессе изготовления и эксплуатации.Настоящаяработапосвященаразработкеиразвитиювычислительного многомасштабного метода и алгоритманелинейногодля прогнозированияостаточных макронапряжений и локальных микронапряжений в толстостенныхнамоточных оболочках из армированных полимеров в процессе их охлаждения иотверждения с цельюсозданиякокона, находящегося под действием внешнегодавления.В композитах материал неотделим от конструкции. Кокон представляет собойтолстостенный цилиндр с полусферическими заглушками по торцам.

К нему приложеновнешнее давление (например, 650 атмосферРазработка модели кокона предполагает- корпус глубоководных аппаратов),прогнозированиеполногонапряжённо-деформированного состояния макро- и микро структуры материала кокона в процессахохлаждения и отверждения изделия и затем во время его эксплуатации.5Научная новизна: Впервые исследованы остаточные напряжения в толстостенных намоточныхцилиндрах из армированных полимеров на макро и микроуровне. Для точного прогнозалокальногонелинейногоповедениятолстостенныханизотропныхнамоточныхцилиндрических оболочек из армированных полимеров на основе метода конечныхэлементов (МКЭ) с использованием реалистичных Представительных ЭлементовОбъёма. Разработан нелинейный вычислительный многомасштабный алгоритм дляпрогнозирования остаточных локальных микронапряженийв микроструктуре (впредставительном элементе) толстостенных намоточных толстостенных оболочек впроцессе отверждения и охлаждения.

В этом алгоритме нелинейное вязкоупругоеповедения материала во времени (в каждом шаге по времени) реализуется в полимернойматрице (в представительном элементе). Исследовано на всех уровнях совокупное действие остаточных температурныхнапряжений и механической нагрузки, на стадии эксплуатации изделия.Объектисследования.Коконсостоитизнамоточноготолстостенногоанизотропного цилиндра с полусферическими заглушками из титана по его торцам.Эмпирическаябаза.Использовалисьэкспериментальныерезультаты,полученные Турусовым Р.А. с сотрудниками и В.Ф.Бабичем.Структура исследования. Данная диссертационная работа состоит из введения,четырех глав, и списка литературы.В первой главе диссертационной работы проводится обзор научной литературыизвестных научных исследований по расчету остаточных напряжений и результатамэкспериментальныхданных.Наоснованиианализалитературныхданныхобосновывается необходимость решения сформулированной выше задачи в связи сперспективной необходимостью создания толстостенных намоточных цилиндрическихоболочек из армированного полимера.Наглядно отраженыих преимущество посравнению с такими структурами из металлов и сплавов.

Изложен ряд проблем,возникающих при создании толстостенных намоточных оболочек. В конце этой главы6дан обзор работ, посвященных постановкам задач и методам их решения.Вторая глава диссертации содержит применяемые методы исследования,формулировкирасчетных схем, разработку физико-математических моделей, ивычислительный многоуровневый алгоритм для решения задач о напряженнодеформированном состоянии макро- и микроструктуры толстостенных композитов изармированных полимеров в процессе изготовления изделия.В третьей главе моделируется модель кокона высокого давления (намоточныйтолстостенный цилиндр с полусферическими заглушками по торцам) в целом ирассчитываются остаточные температурные макро- и микронапряжения на стадииотвержденияиохлаждения, азатемпридействиимеханическойнагрузкисиспользованием разработанного и описанного во второй главе вычислительногоалгоритма.Четвертая глава содержит выводы и обсуждение полученных результатов, всопоставлении с результатами исследований других авторов.

И в конце работы приведенсписок литературы.Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы могутиспользоваться для прогноза напряженно-деформированного состояния толстостенныхнамоточных цилиндрических оболочек из армированных полимеров в процессахотверждения, охлаждения и эксплуатации на макро– и микроуровне. Результаты этогоисследования также можно использовать для прогноза остаточных термическихнапряжений в макро– и миккромасштабах в любых конструкциях из композиционногоматериала.На защиту выносятся: Результаты аналитической дискретной (микро) модели для прогноза остаточныхнапряжений в толстостенных однонаправленных намоточных изделиях при плоскомнапряженном состоянии. Разработанныенелинейныечисленныемногомасштабныемоделидлягомогенизации и локализации механического поведения композиционных материалов изармированного полимера.7 Методика и результаты решения остаточных технологических (температурных)напряжений в толстостенных намоточных цилиндре из армированных полимеров намакро- и микро-уровнях. Результаты расчёта напряжённо деформированного состояния в коконе изанизотропного армированного полимера под действием внешнего давления с учетомостаточных технологических напряжений.Методология и методы исследования.

При подготовке диссертации былииспользованы аналитические методы и современные нелинейные многомасштабныечисленные методы на основе метода конечных элементов.Апробация работы. Основные результаты исследований, представленные вдиссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих научнотехнических конференциях:‒ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕНАУКИВСОВРЕМЕННОМСТРОИТЕЛЬСТВЕ,посвященная десятилетию образования ИФО МГСУ 31 марта 2015 года.‒ VI МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕМАТЕРИАЛОВ И НАНОМАТЕРИАЛОВ» 10-13 ноября 2015 г. Москва, ИМЕТ РАН.Публикации.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7работах, 3 из них опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК;и, 2 статьиопубликованы в зарубежном журнале, входящем в список, индексируемых в SCOPUS иISI Web.Достоверность результатов. Содержащиеся в работе экспериментальныеисследованиятрещинообразованиявтолстостенных гладкихцилиндрическихоболочках из стеклопластика однонаправленной и продольно-поперечной структурыпроведены вИнститутехимической физики РАН (ИХФ РАН) с использованиематтестованного оборудования и поверенных средств измерений.