Автореферат (Исследование особенностей разрушения композитных панелей с учётом структурной неоднородности и поврежденности)

На правах рукописиЛЕ КИМ КЫОНГИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХПАНЕЛЕЙ С УЧЁТОМ СТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ И ПОВРЕЖДЕННОСТИСпециальность01.02.04 – Механика деформируемого твердого телаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2012Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)”Научный руководитель:- доктор технических наук, профессорЛурье Сергей АльбертовичОфициальные оппоненты:- доктор технических наук, профессорЗверяев Евгений Михайлович,Московская государственная академия коммунальногохозяйства и строительства, кафедра «Прикладная математика и вычислительная техника», заведующий кафедрой.- кандидат физико - математических наукБелов Петр Анатольевич,ОАО «Московский Машиностроительный Экспериментальный Завод – Композиционные Технологии», начальник отдела прочности.Ведущая организация:Московский государственный открытый университетим.

В.С. ЧерномырдинаЗащита диссертации состоится «20» июня 2012г. в 1630 на заседании диссертационного совета Д 212.125.05 Московского авиационного института (национального исследовательского университета) по адресу: 125993, Москва, А-80, ГСП, Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского авиационного института (национального исследовательского университета).Автореферат разослан ___ _____________2012 г.Ученый секретарьдиссертационного советаГ.В.

Федотенков2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертации.Композиционные материалы (КМ) широко используются в конструкциях летательныхаппаратов, судостроении, различных отраслях машиностроения, строительстве. КМ в настоящее время являются наиболее перспективными материалами ибо обладают высокимиудельными механическими характеристиками и решены многие проблемы технологии производства, нестабильности механических характеристик и пр. Это позволяет более широкоиспользовать КМ в силовых элементах самого широкого назначения. Однако, решение проблемы обеспечения прочности, необходимой жесткости, надежности, обеспечения необходимых величин механических характеристик во время эксплуатации агрегатов по-прежнемуостро стоит перед наукой и производством для успешного широкого внедрения в силовыеэлементы конструкции.Использование КМ в реальных элементах требует проведения необходимых прочностных расчетов, учитывающих конструктивную особенность композиционных материалов.Для этого должны быть использованы соответствующие расчетные модели, учитывающиеспецифику композитов, а также свойственные этим материалам, процессы изменения механических свойств из-за накопления рассеянных повреждений.

В слоистых композитных материалах процессы деградации свойств фактически начинаются с начального этапа нагружения из-за наличия, в основном, технологических пор и поэтому должны учитываться длявсех элементов конструкции с относительно длительным временем эксплуатации. При этом,как показывает накопленный опыт эксплуатации композитных конструкций и анализ механизмов разрушения КМ оказывается, что процесс накопления повреждений в слоистых композитах определяется главным образом трансверсальным растрескиванием слоев из-за наличия пор и развитием трещин расслаивания.Для решения подобных исследований должны быть привлечены соответствующиерасчетные модели, учитывающие анизотропию свойств композитов, сравнительно низкиетрансверсальные прочностные характеристики КМ, а также свойственные этим материалам,процессы изменения механических свойств из-за накопления рассеянных повреждений.В связи с широким использованием элементов композитных конструкций различногоназначения, актуальным является решение комплексной проблемы, которая включает в себяи разработку эффективных аналитических и численно-аналитических расчетных методов определения напряженно-деформированного состояния (НДС), и разработку метода оценки де-3градации свойств материала для обоснованной оценки прочности конструкций в зонах действия максимальных напряжений.Именно эти задачи и решаются в диссертационной работе для характерного конструктивного композитного элемента - лонжерона из композиционного материала, в котором силовым функциональным элементом является слоистая композитная панель.

Поэтому темадиссертации, в которой строится методика численно- аналитического расчета напряженнодеформированного состояния, разрабатывается модель деградации свойств слоистой композитной панели из-за наличия технологических дефектов типа пористости, а также развивается методика влияния пористости в связующем на развитие трещиностойкости в композитнойслоистой структуре на самом опасном этапе деградации эффективных свойств слоистойструктуре, контролируемом развитием трансверсальных трещин является актуальной.Цель диссертационной работы.

Цель диссертационной работы состоит в разработкекомплексной методики численно-аналитического расчета напряженно-деформированногосостояния композитного силового лонжерона, роль силового элемента в котором играетслоистая композитная панель (наряду с подкрепляющими стержневыми элементами); с разработкой моделей поврежденности и моделей деградации свойств в эпоксидном связующем(а значит и во всей слоистой системе) из-за характерного для эпоксидной матрицы типа поврежденности- пористости; и в разработке методов учета влияния этой поврежденности нахарактеристики разрушения, связанные с развитием межслойных трещин расслаивания вслоистом композите.Поставленная цель достигается на основании решения следующих задач:1.

Разработка алгоритма построения численно-аналитического решения для экспрессаоценки напряженного состояния в слоистом композитном пакете, позволяющего определять высоконагруженные области в силовом композитном пакете и определятьуровни напряжений, определяющие предельные состояния при прогрессирующемросте дефектности и разрушении.2. Разработка моделей роста поврежденности в материале, учитывающих как концентрацию рассеянных микродефектов типа пор, так размер самих микродефектов.3.

Построение моделей изменения (деградации) свойств материала матрицы (модулейупругости и коэффициентов Пуассона), определяемых условиями нагружения, характеристиками пористости и справедливых в широком диапазоне концентрации пор.4. Разработка методики использования характеристики разрушения Г-интеграла дляоценки влияния поврежденности - пористости в слоистом композите и на предельныехарактеристики разрушения межслойных трещин расслаивания (коэффициенты вяз-4кости разрушения, предельные напряжения развития трещин) и на сравнительныйанализ трещиностойкости слоистого композита, в зависимости от структуры композита, условий нагружения и пр.Научная новизна полученных результатов:1.

Построено приближенное аналитическое решение в усилиях для определения напряженно-деформированного состояния в типовых плоских подкрепленных панелей изкомпозиционного материала, которое расширяет класс точных решений важных прикладных задач. Построенное решение является основой для исследования НДС конструкции, определения наиболее нагруженных областей, где ожидается существенноеразвитие поврежденности в элементах композитных конструкций.2. Предложена модель деградации материала из-за рассеянных повреждений - распределённых полей дефектов, сформулирован общий алгоритм учета поврежденности наоснове модели сред с полями дислокаций.3.

Предложены прикладные приближенные модели деградации с учетом интегральныххарактеристик дефектности (пористости), т.е. концентрации пористости.4. Предложены приближенные модели деградации свойств, контролируемой пористостью при однородном поле деформаций для трехмерного случая и для случая плоского напряженного состояния.5.

Получены соотношения для оценки характеристик трещиностойкости для межслойных трещин в слоистом композитном пакете с использованием техники Г-интеграла.Установленные соотношения учитывают структуру слоистого пакета, глубину залегания трещины расслоения, влияние характеристик структуры (в том числе и анизотропии) и толщины слоев примыкающих к трещине.6. Проведен анализ трещиностойкости слоистых структур для межслойных трещин сучетом параметров нагружения, характеристик слоистых структур (толщины слоев,углы укладки), чередование слоев структуре и место расположения трещин в слоистой структуре, а также с учетом возможной приобретенной анизотропии.7.

Предложен алгоритм оценки влияния поврежденности (пористости) на предельныехарактеристики разрушения (коэффициент вязкости, предельные напряжения) и предельную несущую способность композитного материала.Достоверность результатов основана на использовании обоснованных теоретическихподходов при решении поставленных задач, на сопоставлении теоретических результатованалитических решений с результатами других авторов и экспериментальными данными,приведенными в литературе.5Практическая значимость. Полученные в диссертации методики определения напряженного состояния, модели поврежденности и модели деградации механических характеристик, методики определения характеристик механики разрушения для трещин расслаивания позволяют получать обоснованные данные по учету эффектов деградации свойств слоистого композита при наличии характерных для эпоксидных матриц микродефектов-пор, дают возможность оценивать влияние такого рода технологических дефектов на деградациюмеханических свойств многослойных волокнистых материалов и на изменение их характеристик разрушения.