Разработка модели и исследование напряженно-деформированного состояния

основе термопластичной матрицы»


Студент: Гапоненко И.В.
Руководитель: Салиенко Н. В.

Москва, 2018
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

Кафедра «Технология композиционных материалов, конструкций и микросистем»

ПКМ
2. Моделирование деформационно-прочностных свойств дискретно-армированных стеклопластиков
2.1. Аналитическое моделирование деформационно-прочностных

свойств термопластичных ПКМ
2.2. Численное моделирование
3. Разработка дискретно-армированных моделей ПКМ с дефектами на границе раздела и исследование деформационно-прочностных свойств
3.1. Разработка физической модели и структуры с дефектом в виде пор на границе раздела
3.2. Методика построения КЭ модели развития дефекта на границе раздела фаз
3.3. Влияние наличия дефектов на границе раздела на деформационно-прочностные свойства
4. Экспериментальная проверка результатов численного моделирования
4.1. Объекты исследования
4.2. Методики исследования
4.3. Результаты их обсуждения
Заключение
Список литературы

ПКМ 1.1 Литературный обзор
Схема основных уровней структуры армированных слоистых ПКМ и

виды типичных повреждений на этих уровнях

Дефекты ПКМ различаются:
по происхождению;
местоположению в детали;
глубине залегания:
размерам

По масштабу:
макро-; сквозные трещины и расслоения по границе раздела элементов конструкции;
мезо- межслоевые трещины и расслоения, макропоры;
микро- (армирующие волокна и матрица), отрывы и извлечение из матрицы отдельных волокон, микропоры.

одними из наиболее применяемых композиционных материалов, что обусловлено их высокими

свойствами и относительно невысокой стоимостью.

Свойства элементарного стеклянного волокна

различных условиях нагружения

роста краевого дефекта (этап2)
для поликапроамидного стеклопластика [1]

Материал без приложения

нагрузки.
Инициирование роста дефекта на торцах волокон в начальный момент приложения нагрузки.
Рост дефекта по мере роста нагрузки, увеличение размеров торцевых дефектов и слияние их в поперечные трещины.

для композитов с учетом указан­ного выше обстоятельства эффективным оказывается блоч­ный

метод.

В блочном методе при разбиении выделяются целые об­ласти, которые затем разбиваются на элементы. Для каждой такой области полагают, что постоянные материала являются неизменными. Следовательно, если имеются разнородные материалы, то в таком случае разбиение на области жела­тельно проводить по материалам.
Одним из блоков является армирующее волокно.

Модель ПКМ, армированного волокном.

1 — матрица (смола)
2 — армирующий элемент (волокно)

Распределение эквивалентных напряжений на конце волокна

Раздел 2. Моделирование деформационно-прочностных свойств
дискретно-армированных стеклопластиков
2.1. Аналитическое моделирование
деформационно-прочностных свойств термопластичных ПКМ

состоят из цилиндрических блоков матрицы и армирующего волокна.
Касательное напряжение, действующее

на границе между волокном и матрицей, можно определить из соотношений

где r0 — радиус поперечного сечения волокна; 2R — расстоя­ние между центрами поперечных сечений волокон; Af — площадь поперечного сечения волокна.

Модель Кокса.

предель­ная длина волокна равна
где λ— коэффициент, зависящий от диаметра волокна,

мо­дуля упругости и содержания армирующего материала в композите; Аm, Af — площади поперечных се­чений матрицы и волокна; Рт — сила

слой, 3 — матрица

основе термопластичной матрицы, армированной короткими стеклянными волокнами.


Задачи работы:
1) Провести

анализ литературных данных по дефектам и их влиянию на физико-механические свойства ПКМ, армированных короткими волокнами.
2) Разработать физическую модель структуры ПКМ с дефектом на торцах армирующих волокон.
3) Разработать КЭ-модель такого ПКМ и методик построения этой модели в программном комплексе ANSYS.
4) Изготовить образцы стеклопластика на основе поликапроамидной матрицы и коротких стеклянных волокон.
5) Провести испытания на растяжение по ГОСТ 25.601-80 и сдвиг.
6) Провести анализ результатов численного моделирования и эксперимента.

раздела и исследование деформационно-прочностных свойств
3.1. Разработка физической модели
и

структуры с дефектом в виде пор на границе раздела

Свойства компонентов ПКМ.

Допущения:
Все волокна расположены в направлении распределения нагрузки регулярно и равномерно.
Краевой эффект моделируется отсутствием взаимодействия между волокном и матрицы на торцах волокон.
Напряжение распределяется в волокне и матрице равномерно.
Разрушение происходит при достижении волокнами предела прочности.
Модель осесимметрична.

Граничные условия:
Модель нагружается вдоль оси Y усилием, соответствующим предельному значению
относительного удлинения стеклянных волокон.
2) Нижняя часть модели закреплена консольно.
3) Левая граница модели ограничена перемещениями по оси X.
4) Правая граница перемещается свободно.

фаз.
Постановка задачи
Назначение типов конечных элементов и их особенности
Определение свойств материала

модели
Задание упругих констант для стеклянного волокна
Создание геометрической модели
Присвоение свойств блокам волокна и матрицы
Разбиение модели на конечные элементы (КЭ)
Задание граничных условий
Расчет
Отображение деформированного и недеформированного состояния модели

Методика построения конечно-элементной модели (КЭ)
в программном комплексе ANSYS:

раздела на деформационно - прочностные свойства стеклопластика с использованием КЭ

модели.

Деформированное состояние стеклопластика а– 25%, б – 50%, в- 100% от разрушающей деформации волокна

а

б

в

25%, 50% , 100% от разрушающей деформации волокна в зависимости

от расстояния от дефекта.

Сдвиговые напряжения τху на границе волокно – матрица при деформации 25%, 50%, 100% от разрушающей деформации волокна в зависимости от расстояния от дефекта.

Нормальные напряжения σx на границе раздела волокно - матрица при деформациях 25%, 50%, 100% от разрушающей деформации волокна в зависимости от расстояния от дефекта.

Объекты исследования
Характеристики поликапроамида
(Полиамид-6)
Объект исследования: Дискретно армированный стеклопластик, на основе

поликапроамидного связующего.

Характеристики стеклянного волокна ВМС 6-7,2x1x2-80

на заготовки.
2. Подготовка формы и сборка пакета из 11 слоёв

(Размер пресс-формы= 200 x 100 мм)
3. Прессование при Т= 240С, Р=2,5 мПа, t=15 мин.
4. Охлаждение под давлением до T=25С
5. Механическая обработка листового ПКМ.
6. Вырубка образцов в виде лопаток для испытаний

1

2

3-4

5

6

25.601-80
Эскиз образца в виде двусторонней лопатки для испытаний на

одноосное растяжение с размерами, выполненными по ГОСТ

1. Предел прочности при растяжении определяется из уравнения:

где
σ+ -предельная прочность на растяжение, МПа
Pmax - максимальная нагрузка до разрушения, Н
A – средняя площадь поперечного сечения, мм2

2. Модуль упругости при растяжении по данным кривой напряжения-деформации рассчитывается по формуле:

где E – модуль упругости при растяжении, ГПа
∆σ - различие в растягивающих напряжениях между двумя деформируемыми точками
∆ε - различие между двумя точками деформации (номинально 0,002)

Образцы для испытаний на растяжение

прочности
при межслоевом сдвиге.
Прочность при межслоевом сдвиге определяется
по формуле:
где
τ

– прочность при межслоевом сдвиге, МПа
Pразр - разрушающее усилие, Н
F - площадь среза, мм2

Прочность матрицы при испытании рассчитывается по формуле:
Pразр - разрушающее усилие,

Н
S - площадь среза, мм2

методы построения КЭ модели ПКМ с учётом развития дефекта в

виде краевого эффекта торцов волокон на границе раздела волокно-матрица. Проанализированы современные подходы механики разрушения для аналитического моделирования деформационно-прочностных свойств полимерной композиционной матрицы.
Исследовано с помощью КЭ моделирования влияние дефекта на границе раздела фаз на деформационно-прочностные свойств стеклопластика и установлено, что предложенная в работе конечно-элементная модель стеклопластика содержащая дефект в виде краевого эффекта торцов волокон на границе волокно-матрица показала хорошую корреляцию с экспериментальными данными. Отклонения данных численного моделирования от экспериментальных соответственно равны: σx= 5,5%, σy= 5,3%, τху= 5,6%.
Проведены экспериментальные исследования на физико-механические свойства стеклопластика при растяжении и сдвиге. Проверка модели на адекватность показала, что полученные данные достоверны. Полученная модель может быть использована для дальнейшего усовершенствования путем уточнения начальных условий, исключения допущений, а также оптимизации путем варьирования параметров.