Помощь студентам в учебе
Расчетная оценка деформирования и разрушения стеклопластика с использованием мезоуровневого подхода
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1 Основные механизмы рассеяния энергии в конструкционных
ПКМ при ударном нагружении 8
1.2 Модели, применяемые при аналитическом моделировании
ПКМ, подверженных высокоскоростному ударному нагружению 11
1.3 Подходы, применяемые при численном моделировании
ПКМ, подверженных высокоскоростному ударному нагружению 15
1.3.1 Макроуровневый подход к моделированию
механического поведения ПКМ при ударном нагружении 15
1.3.2 Мезоуровневый подход к моделированию
механического поведения ПКМ при ударном нагружении 18
1.3.3 Микроуровневый подход к моделированию
механического поведения ПКМ при ударном нагружении 21
1.3.4 Комбинированный подход к моделированию
механического поведения ПКМ при ударном нагружении 22
1.4 Влияние скорости деформирования на свойства
стекловолокна и стеклопластиков 24
1.5 Общие выводы по результатам литературного обзора 26
1.6 Постановка цели и задач дипломной работы 28
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКА
ЮУоГУ-150303.2020.004.00 ПЗ
2.1 Статические испытания 29
2.1.1 Определение модулей упругости и пределов прочности стеклопластика при статическом
растяжении 29
2.1.2 Определение коэффициента Пуассона при
растяжении 32
2.1.3 Определение модуля сдвига в плоскости 33
2.1.4 Определение межслойного модуля сдвига
стеклопластика при изгибе* 35
2.1.5 Оценка межслойной сдвиговой прочности
стеклопластика** 35
2.2 Баллистические испытания 38
2.2.1 Образцы для баллистических испытаний 38
2.2.2 Процедура баллистических испытаний 38
2.2.3 Результаты баллистических испытаний 40
2.3 Мезоструктура материала 46
3 РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКА ПРИ
ВЫСОКОСКОРОСТНОМ УДАРЕ 48
3.1 Основные гипотезы и допущения, используемые при численном моделировании механического поведения
образцов композитных материалов при высокоскоростном
ударе 48
3.2 Численное моделирование механического поведения
образцов СТЭФ толщиной 2 мм при ударе 49
3.2.1 Описание сеточных моделей и граничных условий 49
3.2.2 Описание моделей материалов и контактных
алгоритмов 51
3.2.3 Результаты расчетных исследований деформирования и разрушения образцов СТЭФ толщиной 2 мм при высокоскоростном ударе 53
3.3 Верификация расчетной модели стеклопласта для образцов
разной толщины 57
3.4 Исследование влияния параметров сеточных моделей на
результаты численного моделирования 58
3.4.1 Описание сеточных моделей 58
3.4.2 Построение регуляризационных кривых 61
3.5 Верификация модели деформирования и разрушения многослойного стеклопластика на основании данных о
площадях расслоения 63
3.5.1 Определение рациональных параметров межслойных
контактов 63
3.5.2 Влияние формы ударника на картину разрушения 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 75
ПРИЛОЖЕНИЕ А 86
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1 Основные механизмы рассеяния энергии в конструкционных
ПКМ при ударном нагружении 8
1.2 Модели, применяемые при аналитическом моделировании
ПКМ, подверженных высокоскоростному ударному нагружению 11
1.3 Подходы, применяемые при численном моделировании
ПКМ, подверженных высокоскоростному ударному нагружению 15
1.3.1 Макроуровневый подход к моделированию
механического поведения ПКМ при ударном нагружении 15
1.3.2 Мезоуровневый подход к моделированию
механического поведения ПКМ при ударном нагружении 18
1.3.3 Микроуровневый подход к моделированию
механического поведения ПКМ при ударном нагружении 21
1.3.4 Комбинированный подход к моделированию
механического поведения ПКМ при ударном нагружении 22
1.4 Влияние скорости деформирования на свойства
стекловолокна и стеклопластиков 24
1.5 Общие выводы по результатам литературного обзора 26
1.6 Постановка цели и задач дипломной работы 28
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКА
ЮУоГУ-150303.2020.004.00 ПЗ
2.1 Статические испытания 29
2.1.1 Определение модулей упругости и пределов прочности стеклопластика при статическом
растяжении 29
2.1.2 Определение коэффициента Пуассона при
растяжении 32
2.1.3 Определение модуля сдвига в плоскости 33
2.1.4 Определение межслойного модуля сдвига
стеклопластика при изгибе* 35
2.1.5 Оценка межслойной сдвиговой прочности
стеклопластика** 35
2.2 Баллистические испытания 38
2.2.1 Образцы для баллистических испытаний 38
2.2.2 Процедура баллистических испытаний 38
2.2.3 Результаты баллистических испытаний 40
2.3 Мезоструктура материала 46
3 РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКА ПРИ
ВЫСОКОСКОРОСТНОМ УДАРЕ 48
3.1 Основные гипотезы и допущения, используемые при численном моделировании механического поведения
образцов композитных материалов при высокоскоростном
ударе 48
3.2 Численное моделирование механического поведения
образцов СТЭФ толщиной 2 мм при ударе 49
3.2.1 Описание сеточных моделей и граничных условий 49
3.2.2 Описание моделей материалов и контактных
алгоритмов 51
3.2.3 Результаты расчетных исследований деформирования и разрушения образцов СТЭФ толщиной 2 мм при высокоскоростном ударе 53
3.3 Верификация расчетной модели стеклопласта для образцов
разной толщины 57
3.4 Исследование влияния параметров сеточных моделей на
результаты численного моделирования 58
3.4.1 Описание сеточных моделей 58
3.4.2 Построение регуляризационных кривых 61
3.5 Верификация модели деформирования и разрушения многослойного стеклопластика на основании данных о
площадях расслоения 63
3.5.1 Определение рациональных параметров межслойных
контактов 63
3.5.2 Влияние формы ударника на картину разрушения 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 75
ПРИЛОЖЕНИЕ А 86
Полимерные композитные материалы (ПКМ) широко применяются во многих отраслях промышленности. Одним из самых распространенных видов ПКМ является стеклопластик. Данный материал обладает высокой прочностью, коррозионной и химической стойкостью, устойчив
к атмосферным воздействиям, ультрафиолетовому излучению, водной среде, а также радиопрозрачен и не проводит электрический ток.
В СССР исследования в области создания композитов на основе стекловолокон и полимерных связующих были начаты во второй половине 1940-х годов. В 1947 году на московском заводе «Изолит» было начато серийное производство мембранного стеклотекстолита СТМ-1
для топливных авиационных агрегатов. В США начало широкого применения конструкционных стеклопластиков было связано с осуществлением программы «Polaris» во второй половине 1950-х годов, целью которой было создание первой твердотопливной ракеты ВМФ США для подводного старта.
Данный материал представляет собой полимерную термореактивную или термопластичную матрицу, армированную стекловолокнами. Также при армировании могут быть использованы как однонаправленные волокна, так и стеклоткани различного плетения (полотно, саржа и т.д.).
Все слоистые полимерные композитные материалы отличаются ярко- выраженной ортотропией свойств, низкой трансверсальной прочностью (в направлении, перпендикулярном плоскости армирования), и стеклопластик не является исключением. Интегральные свойства стеклопластика в значительной степени зависят от пространственной структуры армирования: объемной доли волокон, размера представительной ячейки, укладки слоев армирования, кривизны нитей в композите и т.д. Эти особенности заставляют инженеров во многих случаях использовать подходы к расчетной оценке механического поведения ПКМ, отличающиеся в определенных аспектах от таковых для металлов, полимеров и технических керамик.
Использование композитных элементов в современных конструкциях требует уже на этапе проектирования наличия соответствующего расчетного инструментария для оценки механического поведения элементов конструкций из таких материалов при эксплуатационных и аварийных условиях. Как и в случае моделирования ударного нагружения металлов, модель композитного материала должна быть верифицирована. Однако проблема заключается в том, что волокнистый композитный материал сам по себе уже является конструкцией и может быть смоделирован различными способами: без рассмотрения слоистой структуры (гомогенный подход), с учетом мезоструктуры (на уровне слоев или на уровне нитей), с учетом микроструктуры (на уровне волокон). В каждом случае будут отличаться требования к исходным данным, количество параметров, определяемых в процессе верификации, трудоемкость создания геометрических моделей и т.д.
В данной работе были рассмотрены некоторые особенности разработки и верификации численных моделей для расчетов высокоскоростного ударного нагружение стеклопластика. Выполнена оценка чувствительности результатов расчетов с использованием верфицированной модели к изменению формы ударника и его положению при подлете в случае нормального удара.
Данная работа выполнена в рамках хозяйственного договора с РФЯЦ- ВНИИТФ имени академика Е.И. Забабахина «Модель упруго-пластики и разрушения многослойных стеклопластиков (типа СКН) и стеклотекстолита типа СТЭФ при пробитии ударниками различной формы (сфера, куб, оживало и т.д.) со скоростью до 0,9 км/с».
к атмосферным воздействиям, ультрафиолетовому излучению, водной среде, а также радиопрозрачен и не проводит электрический ток.
В СССР исследования в области создания композитов на основе стекловолокон и полимерных связующих были начаты во второй половине 1940-х годов. В 1947 году на московском заводе «Изолит» было начато серийное производство мембранного стеклотекстолита СТМ-1
для топливных авиационных агрегатов. В США начало широкого применения конструкционных стеклопластиков было связано с осуществлением программы «Polaris» во второй половине 1950-х годов, целью которой было создание первой твердотопливной ракеты ВМФ США для подводного старта.
Данный материал представляет собой полимерную термореактивную или термопластичную матрицу, армированную стекловолокнами. Также при армировании могут быть использованы как однонаправленные волокна, так и стеклоткани различного плетения (полотно, саржа и т.д.).
Все слоистые полимерные композитные материалы отличаются ярко- выраженной ортотропией свойств, низкой трансверсальной прочностью (в направлении, перпендикулярном плоскости армирования), и стеклопластик не является исключением. Интегральные свойства стеклопластика в значительной степени зависят от пространственной структуры армирования: объемной доли волокон, размера представительной ячейки, укладки слоев армирования, кривизны нитей в композите и т.д. Эти особенности заставляют инженеров во многих случаях использовать подходы к расчетной оценке механического поведения ПКМ, отличающиеся в определенных аспектах от таковых для металлов, полимеров и технических керамик.
Использование композитных элементов в современных конструкциях требует уже на этапе проектирования наличия соответствующего расчетного инструментария для оценки механического поведения элементов конструкций из таких материалов при эксплуатационных и аварийных условиях. Как и в случае моделирования ударного нагружения металлов, модель композитного материала должна быть верифицирована. Однако проблема заключается в том, что волокнистый композитный материал сам по себе уже является конструкцией и может быть смоделирован различными способами: без рассмотрения слоистой структуры (гомогенный подход), с учетом мезоструктуры (на уровне слоев или на уровне нитей), с учетом микроструктуры (на уровне волокон). В каждом случае будут отличаться требования к исходным данным, количество параметров, определяемых в процессе верификации, трудоемкость создания геометрических моделей и т.д.
В данной работе были рассмотрены некоторые особенности разработки и верификации численных моделей для расчетов высокоскоростного ударного нагружение стеклопластика. Выполнена оценка чувствительности результатов расчетов с использованием верфицированной модели к изменению формы ударника и его положению при подлете в случае нормального удара.
Данная работа выполнена в рамках хозяйственного договора с РФЯЦ- ВНИИТФ имени академика Е.И. Забабахина «Модель упруго-пластики и разрушения многослойных стеклопластиков (типа СКН) и стеклотекстолита типа СТЭФ при пробитии ударниками различной формы (сфера, куб, оживало и т.д.) со скоростью до 0,9 км/с».
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были получены следующие результаты:
1. Экспериментально определены упругие и прочностные характеристики стеклопластика при различных видах статического нагружения.
2. Проведены баллистические испытания, построены баллистические кривые и определены баллистические пределы для образцов двух толщин (2 и 4 мм).
3. Разработана и верифицирована численная модель для анализа механического поведения стеклопластика при высокоскоростном ударе.
4. По результатам численных исследований установлено, что верификация расчетных моделей, описывающих деформирование и разрушение слоистого композита при ударе, не может быть выполнена только лишь на основании данных статических и динамических тестов стандартных образцов. Требуется проведение ударных испытаний образцов материала нескольких толщин с регистрацией поглощенной образцом энергии и размера поврежденной зоны. Эти данные должны служить основой для построения регуляризационных кривых, которые позволят подбирать параметры сеточных моделей и контактных алгоритмов, используемых при расчетах реальных конструкций.
5. Исследовано влияние количества эквивалентных слоев и размера конечных элементов на результаты расчетов высокоскоростного ударного взаимодействия образцов стеклопластика и стального сферического ударника. Результаты данного исследования показали, что следует выбирать параметры сеточных моделей исходя из задач, которые стоят перед пользователем.
6. Предложена методика верификации модели деформирования и разрушения многослойного стеклопластика на основании данных о площадях расслоения.
7. Исследовано влияние формы ударника на картину разрушения, в результате которого было установлено, что разработанная модель позволяет учитывать влияние формы ударника на энергопоглощение композитной пластины и размер зоны повреждения.
Общий вывод по результатам расчетных исследований заключается в том, что нельзя лишь на основании механических испытаний стандартных образцов определить и верифицировать параметры расчетной модели, позволяющей прогнозировать деформирование и разрушение изделий сложной формы при высокоскоростном ударном нагружении. Необходима обширная многоэтапная расчетно-экспериментальная верификация, включающая в себя испытания конструктивно-подобных элементов (КПЭ), прежде чем численная модель позволит проводить адекватное сравнение различных вариантов полномасштабной конструкции. Другими словами, расчеты не позволяют отказаться от экспериментов, но делают возможным минимизировать количество чрезвычайно затратных испытаний полноразмерных прототипов за счет большего числа экспериментов на недорогих образцах и КПЭ.
1. Экспериментально определены упругие и прочностные характеристики стеклопластика при различных видах статического нагружения.
2. Проведены баллистические испытания, построены баллистические кривые и определены баллистические пределы для образцов двух толщин (2 и 4 мм).
3. Разработана и верифицирована численная модель для анализа механического поведения стеклопластика при высокоскоростном ударе.
4. По результатам численных исследований установлено, что верификация расчетных моделей, описывающих деформирование и разрушение слоистого композита при ударе, не может быть выполнена только лишь на основании данных статических и динамических тестов стандартных образцов. Требуется проведение ударных испытаний образцов материала нескольких толщин с регистрацией поглощенной образцом энергии и размера поврежденной зоны. Эти данные должны служить основой для построения регуляризационных кривых, которые позволят подбирать параметры сеточных моделей и контактных алгоритмов, используемых при расчетах реальных конструкций.
5. Исследовано влияние количества эквивалентных слоев и размера конечных элементов на результаты расчетов высокоскоростного ударного взаимодействия образцов стеклопластика и стального сферического ударника. Результаты данного исследования показали, что следует выбирать параметры сеточных моделей исходя из задач, которые стоят перед пользователем.
6. Предложена методика верификации модели деформирования и разрушения многослойного стеклопластика на основании данных о площадях расслоения.
7. Исследовано влияние формы ударника на картину разрушения, в результате которого было установлено, что разработанная модель позволяет учитывать влияние формы ударника на энергопоглощение композитной пластины и размер зоны повреждения.
Общий вывод по результатам расчетных исследований заключается в том, что нельзя лишь на основании механических испытаний стандартных образцов определить и верифицировать параметры расчетной модели, позволяющей прогнозировать деформирование и разрушение изделий сложной формы при высокоскоростном ударном нагружении. Необходима обширная многоэтапная расчетно-экспериментальная верификация, включающая в себя испытания конструктивно-подобных элементов (КПЭ), прежде чем численная модель позволит проводить адекватное сравнение различных вариантов полномасштабной конструкции. Другими словами, расчеты не позволяют отказаться от экспериментов, но делают возможным минимизировать количество чрезвычайно затратных испытаний полноразмерных прототипов за счет большего числа экспериментов на недорогих образцах и КПЭ.
