В ПНИПУ научились прогнозировать разрушение композитных конструкций

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета разработали модель и изучили процессы разрушения слоистого композита при закритическом деформировании. Это особая стадия, возникающая после достижения максимальной нагрузки. Модель позволит точнее прогнозировать поведение конструкций, что повысит безопасность технических объектов, сообщает пресс-служба вуза на портале Naked Science.

Эволюция полей деформации образца

Композиционные материалы широко применяются в авиационной, автомобильной, строительной и других отраслях промышленности в связи с высокой прочностью, малой массой и устойчивостью к коррозии. Для повышения надежности конструкций из композитов важно учитывать, как при эксплуатации накапливаются повреждения в структуре материалов.

Обычно конструкции разрушаются, когда достигаются критические деформации, но так происходит не всегда. Материал продолжает накапливать повреждения и может перейти на новую стадию — закритическое деформирование. Это момент, который предшествует полной потере несущей способности (разрушению), когда происходит постепенное падение нагрузки при растущих деформациях.

Композиты — материалы, состоящие из двух или более компонентов с различными физическими свойствами. В их составе выделяют матрицу (основной элемент) и наполнитель с функцией армирования. Эти материалы обладают высокой прочностью при небольшой массе, что, например, позволяет снижать расход топлива самолетами. В сравнении с металлами композиты обладают высокой устойчивостью к коррозии и химическому воздействию, что делает их подходящими для использования в агрессивных средах.

Ученые ПНИПУ экспериментально исследовали закритическое деформирование слоистого композита, армированного углеродным волокном. Этот материал используется при создании легких, но прочных деталей — от хоккейных клюшек до компрессорных лопаток авиационных двигателей. Для выявления закономерностей разрушения политехники провели испытания на растяжение образцов в различных направлениях. Комплексные испытания проведены на базе Центра экспериментальной механики ПНИПУ с использованием современных испытательных установок и систем дополнительного анализа.

«При растяжении в средней части образца появляется сужение или по-другому «шейка», которая приводит к сложному напряженному состоянию. В этом случае для корректного определения свойств материала стандартного оборудования недостаточно, поэтому мы использовали бесконтактную оптическую видеосистему VIC-3D. С ее помощью можно определять перемещения и деформации на поверхности образцов. Нам удалось впервые построить экспериментальные диаграммы деформирования композита, на которых реализуется закритическая стадия», — рассказала старшая научная сотрудница Центра экспериментальной механики ПНИПУ Елена Струнгарь.

«Для анализа механизмов накопления повреждений и разрушения композита мы использовали метод акустической эмиссии. Он основан на регистрации упругих волн, которые распространяются в материале при разрушении элементов его структуры. Этот метод помог выявить, что закритическое деформирование композита сопровождается интенсивным разрушением отдельных углеродных волокон, образованием трещин в полимерной матрице, а еще нарушением связей между матрицей и волокнами», — рассказала аспирантка кафедры экспериментальной механики и конструкционного материаловедения ПНИПУ Екатерина Чеботарева.

Ученые ПНИПУ предложили новую модель механического поведения композитных материалов, учитывающую выявленные закономерности деформирования. Это позволит точнее предсказывать поведение конструкций, повышать надежность, а также снижать катастрофичность при разрушении технических объектов.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, результаты опубликованы в журнале Acta Mechanica Sinica.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru