Монография посвящена новому направлению в исследовании и прогнозировании прочностных свойств композиционных материалов, основанному на структурно-имитационном моделировании микро- и макромеханизмов разрушения на ЭВМ.
Дается постановка и решение оригиначьиых задач по распределению напряжений в композиционных материалах, по исследовшию динамических эффектов, сопутствующих отдельным актам накопления повреэкдеНий. Приводятся структурно-дискретные модели материалов и алгоритмы имитации на ЭВМ процессов разрушения при кратковременных и при длительных постоянных и циклических нагрузках. Систематизированы примеры прогнозирования првчнсстных свойств бороалюминия, угле-алюминия, направленно кристаллизованных эвтекгических и слоистых композиционных материалов. Содержатся алгоритмы для ЭВМ, позволяющие проводить многофакторные исследования по влиянию микр>осгруктурных параметров на процессы разрушения и прочностные свойства композиционных материалов.
Монография рассчитана на материаловедов м механиков, занимающихся созданием, исследованием и применением новых материалов. Может быть использована в учебном процессе.
Ил. 140. Библиогр. 282 назв.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Композиционные материалы представляют собой такой класс материалов, которые можно конструировать, т.е. создавать не эмпирически - путем подбора легирующих элементов, а именно конструировать., выбирая компоненты с нужными свойствами и создавая определенные структуры. Однако возможность конструирования композиционных материалов можно реализовать лишь при соответствующей технологии их изготовления. В силу этого создание материалов с требуемыми свойствами включает в себя не только подбор компонентов, их объемных долей, расположение волокон, но и выбор технологических режимов с целью достижения оптимального физико-химического взаимодействия компонентов.
Однако оптимальное конструирование композиционных материалов не должно сводиться к получению свойств материала, вытекающих из аддитивного вклада свойств компонентов. Необходимо стремиться к созданию таких материалов, в которых в результате кооперативного взаимодействия матрицы, волокон и границ раздела удается получить синергичес-кий эффект повышения эксплуатационных свойств материала. В оптимально сконструированных композиционных материалах должны выявляться дополнительные ресурсы прочностных свойств компонентов.
В настоящее время на различных стадиях исследования, производства и применения находятся композиционные материалы с полимерной, металлической и керамической матрицами. Промышленное использование пока н-.шли в основном четыре типа волокон: стекловолокна, борные, углеродные и полимерные. Больших перспектив следует ожидать от гибридных композиционных материалов, поливолокнистых или полиматричных. Именно в оптимально сконструированных гибридных композиционных материалах, в которых сочетаются, например, жесткие, но хрупкие волокна с пластичными, наиболее полно проявляются отмеченные синергические эффекты.
Применение композиционных материалов в летательных аппаратахпозво-лило снизить их массу, повысить эксплуатационные характеристики. Современные композиты являются перспективными материалами не только для авиационной и космической техники, но могут быть с успехом использованы в автомобилях, трубопроводах, сосудах и аппаратах химических производств, судостроении, сельскохозяйственном машиностроении и легкой промышленности.
Создание этих материалов и широкое их внедрение связано как с дальнейшими фундаментальными исследованиями в классических областях материаловедения и механики, так и с разработкой новых междисциплинарных подходов, основанных на системном анализе, синергетике, имитационном моделировании на ЭВМ. з
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.................................... 3
Введение...................................... 6
Принятые обозначения.............................. 11
Глава 1. Теоретические и экспериментальные предпосылки имитационного моделирования на ЭВМ' процессов разрушения композиционных материалов. ...................................... 13
1. Методологические аспекты моделирования на ЭВМ процессов разрушения композиционных материалов..................... 13
2. Анализ микромеханизмов разрушения композиционных материалов
на основании фрактографических и структурных исследований .... 19
3. Механика взаимодействия компонентов при деформировании ком-
-----_„„,.„, „ „,„ пгтпежпений....... 29
ПОЗШЩОШ1ЫЛ гаакфиидч.*. ..-------
4. Статистические подходы к исследованию процессов разрушения композиционных материалов........................, . 33
5. Влияние физико-химического взаимодействия компонентов на мак-
-----— ~"—™nmii.rv мятепиапов......... 38
Глава 2. Перераспределение напряжений при накоплении повреждении в волокнистых композиционных материалах.................. 47
1. Одномерные модели перераспределения напряжений в композиционных материалах с дискретными или разрушенными волокнами. .... 47
2. Построение модели перераспределения напряжений при разрыве волокна в композиционном материале..................... 55
3. Перераспределение напряжений в композиционном материале с разрушенным волокном при упругом деформировании компонентов . . 59
4. Перераспределение напряжений в композиционном материале с разрушенным волокном при упругопластическом деформировании матрицы......................f . ,.............. 66
5. Влияние предварительного растяжения и осевой нагрузки, воспринимаемой матрицей, на перераспределение напряжений при разрыве волокна в композиционном материале.................... 72
6. Влияние уровня нагрузки и объемных долей компонентов на перераспределение напряжений при разрыве волокна в композиционном материале с упругопластической матрицей. .............. 78
7. Перераспределение напряжений в композиционном материале с разрушенным волокном, вызванное ползучестью и релаксацией напряжений в матрице. .................,............... 82
8. Распределение напряжений в композиционном материале с надрезом. 85
9. Критериальные зависимости, применяемые при моделировании микромеханизмов разрушения на ЭВМ...................... 91
275
Глава 3. Динамика процессов разрушения и «ммоекия волокон в композиционных материалах.......... - , , ,................. 94
1. Модели, учитывающие динамические эффэекгы: пр>я разрыве волокон
в композиционных материалах......................... 95
2. Уравнения движения разрушившегося во локла и волокон, его окружающих....................................... 97
3. Динамика перераспределения напряженна в разрушившемся волокне при упругом деформировании гамшошеитав композиционного материала.................. , ,__............... 105
4. Динамика перераспределения напряжений:» разрушившемся волокне
при упрутопластическом деформиров.шию[м*трицы ........... 111
5. Динамика отслоения разрушившегося вимокиа от матрицы. ...... 117
6. Динамика перераспределения напряжешшй в хопокнах, соседних с разрушившимся................_ ................. 124|
7. Влияние динамических эффектов, сопутствующих разрывам и отслоениям волокон в композиционных мажержалаз, на взаимодействие микромеханизмов разрушения......._................. 132
8. Динамические эффекты, учитываемые impa моделировании микромеханизмов разрушения на ЭВМ......_................. 138
Глава 4. Структурные модели композиционны л материалов и имитационное
моделирование на ЭВМ микромехаииэвов разрушения.......... 140
1. Имитация на ЭВМ процессов разрушения в материалах на микроструктурном уровне............, _................. 141
2. Построение структурных моделей к«шм» ишоиных материалов с хрупкими волокнами..........._ _................. 145
3. Имитация на ЭВМ дробления волокож код действием волн напряжений (линейная модель)............................. 152
4. Имитация на ЭВМ перехода от этапа накопления повреждений к макроразрушению композиционного материала (плоская модель). Алгоритмизация перераспределения напряжений.............. 157
5. Моделирование на ЭВМ композицдоиню яакриалов с различными видами укладки волокон. Введение неравномерности и дефектов укладки волокон.............„................... 169
6. Алгоритмизация процессов отслоения: разрешившихся'во локон от матрицы и процессов развития микрэршцюг в матрице......... 173
7. Моделирование на ЭВМ накопления позр-ежкенкй в композиционном материале при разрушении отдельных, волок «н и отслоении 'их от матрицы (объемная модель) .'...„..................... 176
8. Моделирование на ЭВМ взаимодействуя: различных микромеханизмов разрушения (квазиобъемная модепвЭ ,'• . о .............. 179
9. Имитация на ЭВМ макромеханизмов раз§)гшнил и прогнозирование прочностных свойств бороалюминия и ртсеалюминия при активном
растяжении вдоль волокон........................... 187
Приложения к главе 4.............................. 200
Глава 5. Моделирование на ЭВМ процессов деф>рмирсваиия и разрушения
композиционных материалов при различие.» ус ловнях нагружения . . 208
1. Моделирование на ЭВМ процессов полжузесги и прогнозирование длительной прочности композиционных м.агер»иалов........... 209
2. Построение на ЭВМ кривых ползучести хирахленно кристаллизованных эвтектических композиционных ма-жршалов............. 216
3. Моделирование на ЭВМ механизмов разр ушмия и прогнозирование времени до разрушения композиционен^ материалов под действием постоянной растягивающей нагрузки . _................. 224
4. Моделирование на ЭВМ зарождения н ров игия трещин в слоистых материалах при циклическом нагружежни и построение структурных моделей композиционных материалов с жр угости компонентами и
пор истыми границами между ними...................... 233
77В
5. Моделирование на ЭВМ механизмов разрушения слоистых композиционных материалов при циклическом нагружении и прогнозирование их усталостной прочности........................ 239
6. Моделирование на ЭВМ процессов разрушения композиционных материалов с учетом макронеоднородности напряженного состояния (надрезы, трещины, эксцентриситет приложения нагрузки)....... 247
7. Применение структурно-имитационного моделирования процессов разрушения на ЭВМ к решению технологических задач обработки композиционных материалов давлением (учет сложного напряженного состояния при имитации накопления повреждений)........ 254
Заключение..................................... 259
Литература..................................... 264
Цена: 300руб.
