ИСТИНА

Проблемы обеспечения прочности, надежности и живучести изделий из волокнистых композитов с полимерной матрицей (ПКМ) типа стекло-, угле-, органопластиков связаны не только и не столько со свойствами компонентов, сколько с невозможностью реализовать оптимальные конструктивные решения в рамках традиционных технологий намотки или выкладки препрегов. Математический аппарат механики композитов и опирающиеся на него технологии ориентированы на квазиоднородные ортотропные материалы, получаемые из полуфабрикатов (препрегов, монослоев, жгутов) с однонаправленным армированием. Трубы и оболочки наматываются вдоль винтовых линий – и это тоже дань технологии намотки, представляющей собой сочетание вращения и поступательного перемещения. Совершенно иначе строятся природные живые материалы, в которых направления сильных связей согласуются с полями возникающих напряжений. Учиться у Природы принципам построения прочных и надежных «материалов-конструкций» - одна из наиболее интересных и перспективных фундаментальных задач механики композитов. Цель данного проекта – довести компьютерное моделирование композитных элементов конструкций с криволинейным армированием до универсальных алгоритмов и программ, а также получить экспериментальное подтверждение эффективности применения природных «решений» при создании композитных элементов и узлов их соединения. Конкретные планы проекта связаны с: 1) компьютерным моделированием напряженных состояний, оптимальных схем криволинейного армирования и механизмов разрушения для профилированных пластин с отверстиями, для узлов крепления и для трубных элементов; 2) экспериментальными исследованиями НДС и прочности композитных элементов с криволинейным армированием, 3) разработкой технологических рекомендаций по изготовлению композитных деталей с оптимальными размерами, формой и структурой, определенными на основе локальных и энергетических критериев прочности, учитывающих специфические, направленные механизмы разрушения волокнистых композитов.

Исследования в рамках данного проекта в 2015 году проводились в пяти основных направлениях: 1) создание моделей композитных биоподобных структур, 2) обоснование уточненных локальных и энергетических критериев прочности, 3) разработка программ для компьютерного моделирования структуры криволинейного армирования, 4) экспериментальные исследования, 5) формулировка технологических рекомендаций на базе компьютерного моделирования. В области построения моделей биоподобных структур с криволинейным армированием проведена итерационная процедура проектирования рациональных, равнонапряженных траекторий волокон в зоне соединения композитной пластины через жесткую шпильку. Рассчитаны необходимые размеры однонаправленной пултрузионной композитной трубы (или звена бамбука), которые обеспечивают достаточное сопротивление расщеплению при кручении за счет стеснения депланации сечений. В области обоснования критериев прочности, учитывающих направленный характер разрушения композитов, проведена оценка эффективного коэффициента концентрации напряжений, определяющего снижение прочности около отверстия по сравнению с гладким образцом, с учетом двух механизмов разрушения: разрыва волокон и расщепления вдоль волокон под действим в основном касательных напряжений, практически исчезающих при рациональном криволинейном армировании. В области создания компьютерных программ реализован итерационный алгоритм построения криволинейных траекторий при произвольной форме пластины с отверстиями или с выточками и при общем случае нагружения. В области экспериментальных исследований отработана методика испытаний деревянных образцов, имеющих сучки, огибаемые волокнами, или аналогичные отверстия в прямослойной древесине. В области разработки технологических рекомендаций по созданию рациональной структуры композитных деталей рассчитаны рациональные расстояния между скрепляющими кольцами для однонаправленных композитных труб, работающих на сжатие или на кручение. Создана на 3-D принтере модель рациональных траекторий волокон, огибающих отверстие. Подобные траектории рекомендовано реализовать с применением современных технологических роботов, способных укладывать волокна по произвольным заданным траекториям.