Численные методы моделирования процессов накопления повреждений и разрушения углепластиковых композиционных материалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

 20 6367 468 333

30 6328 451 312

V. I. Slyvynskyi

PJSC «Ukrainian Research Institute of Manufacturing Engineering», Ukraine, Dnipropetrovsk

V. E. Gajdachuk, А. V. Kondratjev, V. V. Gavrilko National Aerospace University «ЕЪЛЪ) named after N. E. Zhukovsky, Ukraine, Kharkov

М. Е. Kharchenko

Dnipropetrovsk National University named after Oles Gonchar, Ukraine, Dnipropetrovsk

CELL BASED ON CARBON FILLERS FOR SPACE

A comparative analysis of the specific mechanical properties of combs of different brands is performed. The effect of different schemes of reinforcement on the properties of carbon filler comb through FEM is evaluated. The direction of carbon plastics production for space is shown.

© Сливинский В. И., Гайдачук В. Е., Кондратьев А. В., Гаврилко В. В., Харченко М. Е., 2012

УДК 629.7.023

И. В. Словцов СП ЗАО «Би Питрон», Россия, Санкт-Петербург

Н. Н. Федонюк ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт имени академика А. Н. Крылова», Россия, Санкт-Петербург

ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ И РАЗРУШЕНИЯ УГЛЕПЛАСТИКОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рассмотрены особенности процессов накопления повреждений и разрушения полимерных композиционных материалах на основе однонаправленных углеродных слоев и ровинговой углеткани полотняного переплетения. Предложены численные методы моделирования рассмотренных процессов. Проведена верификация численной модели по результатам натурных испытаний образцов.

Объектом исследования являются полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе однонаправленных углеродных слоев и ровинговой угле-ткани полотняного переплетения. Предметом исследования являются процессы накопления повреждений и разрушения данных материалов, а также возможность применения численных методов моделирования для исследования особенности деформирования и характера разрушения элементов конструкций и узлов их соединений, выполненных с применением данных ПКМ в условиях воздействия на них силового поля.

Полученные экспериментальные данные позволили выявить сценарии накопления повреждений и разрушения ПКМ в зависимости от структуры армирования и особенности напряженно-деформированного состояния.

При действии значительных нормальных напряжений в направлении армирования оба ПКМ демонстрируют хрупкий характер разрушения, что связанно с разрушением волокна. В то же время при действии значительных касательных напряжений в плоскости слоев и поперечных армированию нормальных напряжений проявляется нелинейный характер деформирования, а также наблюдалась деградация упругих характеристик материала и развитие неупругих де-

формаций. Такое поведение материала характеризуется развитием повреждений и их переходом из одного состояния в другой. Для каждого рассматриваемого типа ПКМ был выявлен свой сценарий накопления повреждений.

В ПКМ на основе однонаправленных углеродных слоев развитие повреждений начинается с зарождения и роста сети микротрещин в матрице и на границе матрица/волокно, что приводит к постепенной деградации модулей сдвига, далее, при достижении критической плотности микротрещин, образуются поперечные трещины, которые, выходя на поверхность раздела монослоев, приводят к образованию зон локального расслоения.

В ПКМ на основе ровинговой углеткани процесс развития повреждений характеризуется зарождением и ростом микротрещин в матрице и на границе матрица/волокно от действия касательных напряжений. Образование поперечных трещин маловероятно, так как в данном материале армирование выполнено в двух направлениях.

В целях реализации возможности проведения численного моделирования процессов зарождения и развития повреждений в исследуемых материалах, вплоть до их разрушения, были выбраны соответст-

Решетневскце чтения

вующие математические модели. Основными критериями выбора данных моделей являлись возможность учета особенностей развития повреждений в исследуемых ПКМ, возможность их применения для проведения численного моделирования с минимальными требованиями к вычислительным ресурсам, а также возможность проведения испытаний ПКМ для определения параметров моделей в условиях минимальной оснащенности лаборатории. Предложенные модели удовлетворяют установленным критериям. Исходя из их описания можно с уверенностью сказать, что они в полной мере отражают особенности повреждений и механизмы их развития в исследуемых ПКМ. Являясь моделями мезо-уровня, они не требует высокой степени дискретизации задачи, тем самым снижая требо-

вания к вычислительным ресурсам. Были разработаны методы испытаний для определения параметров моделей. Данные испытания, могут быть осуществлены в условиях большинства лабораторий, занимающихся исследованием прочности материалов.

Для подтверждения применимости предложенных моделей было проведено численное моделирование разрушения двух образцов, выполненных из исследуемых ПКМ. Моделирование осуществлялось с применением программного комплекса SAMCEF. Полученные результаты моделирования качественно продемонстрировали описанные выше характер и сценарии повреждений в исследуемых материалах. На основе полученных результатов было проведено сравнение особенностей разрушения двух образцов.

I. V. Slovtsov LLC «Bee Pitron», Russia, Saint Petersburg

N. N. Fedonyuk

Krylov Shipbuilding Research Institute, Russia, Saint Petersburg

NUMERICAL MODELING THE PROCESSES OF DAMAGE ACCUMULATION AND FAILURE OF CARBON FIBERS REINFORCEMENT PLASTICS

The features of the processes involved in damage accumulation and failure of composite materials reinforced by unidirectional carbon fibers and woven carbon fabrics are considered. Numerical methods of these simulation processes are proposed. Numerical model based on results of considered materials is verified.

© CJIOB^B H. B., OegoHTOK H. H., 2012

УДК 539.3:621.396.67

Н. А. Тестоедов, В. И. Халиманович, А. И. Величко, Г. В. Шипилов, А. В. Романенко, Д. Б. Усманов, А. С. Евдокимов ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

А. В. Бельков, А. П. Жуков, С. В. Пономарев, В. С. Пономарев Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики Томского государственного университета, Россия, Томск

АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ КОНЦЕПЦИЙ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ

КОСМИЧЕСКИХ РЕФЛЕКТОРОВ

Рассматриваются концепции вантово-оболочечных трансформируемых конструкций рефлекторов.

Необходимость обеспечения мобильной связью всей территории страны, морских и авиационных транспортных средств определяет актуальность развития спутниковой связи с применением крупногабаритных трансформируемых рефлекторов. Потребности в качественном зондировании поверхности Земли приводят к увеличению размеров рефлекторных антенн космических аппаратов. Возрастающие габариты апертуры рефлекторов создают серьезные ограничения по массе и объему в сложенном положении для таких конструкций, что обеспечивается применением современных материалов и механизмов развертывания конструкции. Требование по жесткости конструкции трансформируемого рефлектора предъявляет дополнительные условия к натяжению вантовой фор-

мообразующей структуры и ее силовой опорной конструкции.

При анализе основных концепций крупногабаритных трансформируемых рефлекторов осуществлялось прогнозирование механического поведения всей конструкции рефлектора с использованием метода конечных элементов для проведения необходимых итераций по обеспечению основных требований по точности формы, натяжению вантовой формообразующей структуры, устойчивости силовых элементов конструкции с выявлением критических технологических операций при сборке и настройке рефлектора.

На основе доступных данных из отечественных и зарубежных научно-технических публикаций, а так-