Влияние наличия поры на границе раздела на деформационно - прочностные свойства углепластика с использованием КЭ модели.
Результаты конечно элементного анализа подставлены в виде графических зависимостей. На Рисунок 2.28, Рисунок 2.29 показаны нормальные напряжения на границе волокно-матрица в зависимости от расстояния от поры при трех значениях деформации: 100%, 50%, 25% от разрушающей. Из графиков видно, что максимальное значение напряжения возникает на вершине поры и с увеличением расстояния начинает уменьшаться.
а
б
в
Рисунок 2.28 Нормальные напряжения σх на границе раздела волокно - матрица при деформациях 100% (а), 50% (б), 25% (в) от разрушающей деформации волокна
в зависимости от расстояния от поры.
а.
б.
в.
Рисунок 2.29 Напряжения σу на границе раздела волокно - матрица при деформациях 100% (а), 50% (б), 25% (в) от разрушающей деформации волокна в зависимости от расстояния от поры.
На Рисунке 2.30 показаны напряжения сдвига (txy) на границе волокно-матрица в зависимости от удаленности от поры.
а
б
. 
в
Рисунок 2.30 Сдвиговые напряжения τху на границе волокно – матрица при деформации 100% (а), 50% (б), 25% (в) от разрушающей деформации волокна в зависимости от расстояния от поры.
При разрушении ПКМ армированного длинными волокнами рост поры происходит вдоль волокна по границе раздела. Из полученных функциональных зависимостей видно, что максимальные напряжения при разрушении ПКМ армированного непрерывными волокнами находятся в вершине поры. Далее напряжения с увеличением расстояния от вершины поры снижаются.
Анализ напряженного состояния показал, что в разрушении ПКМ главную роль играют нормальные напряжения и разрушение происходит за счет нормальных напряжений, а сдвиговые напряжения мало влияют на процесс разрушения.
Работоспособность модели можно оценить по согласованию полученных результатов с литературными данными. По сравнению со справочными данными модель дает отклонение не превышающее 5,6 % таблица 2.3.
Таблица 2.3 Сравнение свойств экспериментального ПКМ и промоделированного ПКМ.
| Параметр | Моделирование | Экспериментальные данные [21] | |
| Напряжения σ+ МПа |
Таким образом, предложенная модель является достоверной и адекватной.
Выводы
Разработана модель развития дефекта в виде поры на границе раздела фаз в углепластике на основе эпоксидной матрицы.
С помощью пакета прикладных программ ANSYS получены поля напряжений в материале при сложном одноосном растяжении. Путем анализа полей напряжения были получены графические зависимости изменения напряжений в зависимости от расстояния до дефекта. Анализ этих зависимостей, возникающих в ПКМ при разрушении, показал, при непосредственном контакте матричного полимера с поверхностью волокон в зоне действия адсорбционных сил возникают процессы, изменяющие состав матрицы и ее структуру и создающие напряженность в граничной зоне. Это приводит к преимущественному зарождению пор и их прорастанию по границе контакта матрицы с поверхностью волокон. Разрушение межфазного материала требует затраты энергии: насдвиг в зоне контакта волокон с матрицей (межслойный сдвиг); на отрыв волокон от матрицы ипреодоление сил трения в контактной зоне (выдергивание волокон); на разрушение самих волокон. Из полученных зависимостей видно, что в разрушении ПКМ главную роль играют нормальные напряжения и разрушение происходит за счет нормальных напряжений, а сдвиговые напряжения мало влияют на процесс разрушения при этом нормальные и сдвиговые напряжения не превосходят свои предельные значения, а материал даже при разрушающих деформациях для волокна, сохраняет работоспособность.
Апробация модели показала, что полученные данные хорошо коррелируют со значениями из литературных источников.
Полученная модель может быть использована для дальнейшего усовершенствования путем уточнения начальных условий и исключения допущений, а также оптимизации путем варьирования параметров.
Заключение
В первом разделепроведен анализ литературных данных о природе пористости в углепластиках и выявлено, что поры в них являются в большинстве случаев закрытыми, имеют сложное распределение по конструкции изделия, возникают в результате наличия влаги и летучих компонентов в связующем, технологических отклонениях при изготовлении. Для получения беспористых пластиков необходимо строго соблюдать технологию изготовления образцов и проводить тщательный контроль влажности помещений хранения и сборки пакетов сухих армирующих наполнителей и препрегов.
Рассмотрены методы определения пористости, их преимущества и недостатки.
Выявлено, значительное влияние пористости на физико-механические свойства углепалстика, установлена корреляция между прочностью и пористостью углепластика. Показана необходимость учета пористости углепластика при расчете и проектировании реальных конструкций из этих материалов.
Проведены экспериментальные исследования по определению пористости методом гидростатического взвешивания в углепластике и установлены зависимости пористости от давления формования и схем армирования.
Проведены экспериментальные исследования на физико-механические свойства углепластика при растяжении и сжатии и установлено, что пористость значительно влияет на прочностные характеристики углепластика. На основании полученных экспериментальных данных установлены зависимости снижения прочностных характеристик углепластика от объёмного содержания пор в углепластике с различными схемами армирования. При повышении пористости среднее значение предела прочности при растяжении снижается на 20%, а при сжатии - на 21% по сравнению со средними значениями, полученными при значениях пористости в 3,1 %.
Во втором разделена основании литературных данныхрассмотрен метод конечных элементов при моделировании деформационно-прочностных свойств ПКМ, принципы разбиения моделей на КЭ, микроподход в моделировании ПКМ, аналитические микромеханические модели для прогнозирования роста трещин в ПКМ. Определены теоретическая базовая модель для прогнозирования деформационно-прочностных свойств ПКМ с учётом развития дефекта в виде поры на границе раздела фаз.
В исследовательской части второго раздела решены следующие задачи: сформулированы начальные и граничные условия, обоснованы допущения, построена физическая модель, выбран метод расчета, проанализированы полученные данные, проведена верификация модели на адекватность. Методом конечных элементов проведён анализ предложенной модели. Получены зависимости, характеризующие напряженное состояние ПКМ при различной степени деформирования. Анализ полей напряжений, возникающих в ПКМ при разрушении, показал, что в разрушении ПКМ главную роль играют нормальные напряжения и разрушение происходит за счет нормальных напряжений, а сдвиговые напряжения мало влияют на процесс разрушения при этом нормальные и сдвиговые напряжения не превосходят свои предельные значения, а материал даже при разрушающих деформациях для волокна, сохраняет работоспособность.
Модель хорошо коррелирует с экспериментальными данными, может быть усовершенствована путем уточнения начальных условий, исключения допущений и оптимизирована путем варьирования параметров.
Список литературы
1. Мурашов В.В., Румянцев А.Ф. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов и методы их выявления. Часть I. Дефекты монолитных деталей и мноногослойных конструкций из полимерных композиционных материалов // Контроль. Диагностика. 2007. № 4. 23 - 31 с.
2. Душин М. И., Донецкий К. И., Караваев Р. Ю. Установление причин образования пористости при изготовлении ПКМ// dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2016-0-6-8-8
3. Черемской П.Г., Слезов В.В., Бетехтин В.И. Поры в твёрдом теле. – М.: Энергоатомиздат, 1990.-376 с.
4. Чернин И.З., Смехов Ф.М., Жердев Ю.В. Эпоксидные полимеры и композиции. – М: Химия, 1982.-232 с.
5. ZHU Hong-yan, LI Di-hong, ZHANG Dong-xing, WU Bao-chang, CHEN Yu-yong. Influence of voids on interlaminar shear strength of carbon/epoxy fabric laminates. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 19(2009), 470-475 с.
6. Душин М.И., Хрульков А.В., Платонов А.А., Ахмадиева К.Р. Безавтоклавное формование углепластиков на основе препрегов, полученных по растворной технологии // Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. 43–48 с.
7. Лыков А.В. Теория сушки. – М.: Энергия, 1968. 472 с.
8. Способ изготовления волокнистых композитов вакуумной инфузией и устройство для осуществления способа: пат. 2480335 PU; опубл. 27.04.13.
9. Черемский П.Г. Методы исследования пористости твёрдых тел. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 112 с.
10. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость: пер с англ. 2-е изд. – М.: Мир, 1984. – 306 с.
11. Фандеев В.П., Самохина К.С. Формирование пористой структуры поверхности материала межпозвонкового диска лазерной обработкой // Фундаментальные исследования. – 2015.
12. Классификация методов контроля пористости материалов / А.В. Медведева, Д.М. Мордасов, М.М. Мордасов // Вестник ТГТУ. – 2012. – Том 18. – №3. –749 – 754 с.
13. Ling LIU, Boming ZHANG, Zhanjun WU and Dianfu WANG. Effects of Cure Pressure Induced voids on the Mechanical Strength of Carbon/Epoxy Laminates. J. Mater. Sci. Technol.’ Vol.21, No.1, 2005, 87-91 с.
14. Hongyan Zhuy, Baochang Wu, Dihong Li, Dongxing Zhang and Yuyong Chen. Influence of Voids on the Tensile Performance of Carbon/epoxy Fabric Laminates/ J. Mater. Sci. Technol., 2011, 27(1), 69-73 с.
15. Семенова Г.П., Павлов В.В., Механика полимеров. – М, 1970, 4, 585—593 с.
16. Вольмир А.С., Григорьевич Ю.П., Марьин В.А., Станкевич А.И. Сопративление материалов. Лабораторный практикум: Учеб. Пособие для вузов. – 2-е изд., испр. – М.: Дрофа, 2004. – 352 с.
17. Фудзи Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов / Пер. с яп. яз. С.А. Маслиникова / Под ред. В.И. Бурлаева – М.: Мир, 1982. – 232 с.
18. Баренблатт Г. И. Математическая теория равновесных трещин, образующихся при хрупком разрушении//Изв. АН СССР. ПМТФ. 1961. №4. 3—56 с.
19. Андриевский Р. А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы. // Рос. хим.ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева), 2002-т. XLVI- №5-, 50-56 с.
20. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах – М.: Компьютер пресс, 2002.-224 с.
21. Горбаткина Ю.А. Адгезионная прочность в системах полимер-волокно. М.: Химия, 1987. 192 с.
22. Гуняев Г. М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов. – М.: Химия, 1981.-232 с.
23. Душин М. И., Хрульков А. В., Караваев Р. Ю. Параметры, влияющие на образование пористости в изделиях из полимерных композиционных материалов, изготавливаемых безавтоклавными методами (обзор)// dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2015-0-2-10-10
24. Grunenfelder L.K., Nutt S.R. Void formation in composite prepregs – effect of dissolved moisture // Composites Science and Technology. 2010. V. 70. Р. 2304–2309.