Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В первый год научно-исследовательская работа по проекту велась по четырем основным направлениям: 1. разработка технологических основ регулярного искривления нитей (с заданной амплитудой и шагом) в составе сухой преформы или препрега для получения развитого псевдопластического поведения материала; 2. расчетно-экспериментальные исследования механического поведения образцов нелинейных ПКМ при однократном статическом нагружении; 3. расчетно-экспериментальные исследования циклической прочности и саморазогрева образцов ПКМ; 4. расчетно-экспериментальные исследования механического поведения стандартных и гибридных ПКМ при ударном нагружении. В результате работ по гранту получены следующие научные результаты. 1. Для слоистого композитного материала на основе однонаправленных слоев с произвольной укладкой разработан расчетный инструментарий, базирующийся на гипотезе кинематического нагружения каждого слоя с реализацией восходящей и ниспадающей части диаграммы деформирования, который позволяет прогнозировать диаграмму деформирования и разрушающие деформации для стандартных и гибридных ПКМ. Разработанные алгоритмы позволяют подобрать соотношение жесткого и податливого компонента в гибридном композите, обеспечивающее максимальную протяженность участка псевдопластичности при заданных ограничениях по жесткости и прочности материала. Разработанные алгоритмы встроены в модернизированный полуаналитический программный продукт собственной разработки FARGR, который при необходимости может эффективно работать с внешними оптимизаторами. 2. Выполненный расчётно-экспериментальный анализ возможностей получения длинной площадки «текучести» при растяжении композита, состоящего из волокон одного типа, за счёт локального их искривления показал большие перспективы такого метода. В ходе исследований установлено, что введение линейно возрастающей разнодлинности волокон в углепластике с шагом 0,2% для 20 групп нитей позволяет получить предел прочности около 300 МПа и деформацию разрушения более 4%, в то время как разрушение качественных углеродных волокон происходит при деформациях около 1%. Для ткани полотняного переплетения на основе арамидных волокон получено, что индентирование конусами диаметром 2 мм с шагом по основе и утку 5 мм позволяет получить материал с пределом «текучести» около 400 МПа и длиной площадки текучести более 10%, что недостижимо в традиционных тканевых композитах. Такие характеристики позволяют использовать разработанную технологию в авиационно-космических конструкциях в зонах, содержащих концентраторы напряжений в виде отверстий или вырезов, снижая за счёт псевдопластичности концентрацию напряжений и повышая нагрузки разрушения подобно тому, как это имеет место в гибридных композитах. 3. Предложен новый расчетно-экспериментальный метод идентификации параметров мезоуровневых CDM-моделей, не требующий проведения экспериментального исследования инициации и движения трещины в образцах. Метод предполагает проведение испытаний на растяжение образцов гибридных ПКМ относительно простой геометрии без концентраторов и с отверстиями различного радиуса. Гибридный эффект приводит к тому, что для жесткого компонента при растяжении гибридного образца реализуется кинематическое нагружение, что позволяет использовать полученные экспериментальные диаграммы для определения параметров модели путем подбора. При этом полученные данные можно использовать и при моделировании стандартных ПКМ с одним типом волокон. 4. Получены новые экспериментальные данные по кинетике саморазогрева стеклопластика при низко- и высокочастотном циклическом растяжении, мало- и многоцикловом нагружении. Проведен ряд экспериментальных исследований, по оценке вклада реономной и склерономной составляющих в деформации при циклическом нагружении. Установлено, что при числе циклов меньше пяти реономной составляющей можно пренебречь, но при большем числе циклов ее неучет приводит к существенным погрешностям. Разработанная на основе зависимости Рамберга-Осгуда модель циклического деформирования с стеклопластика позволят прогнозировать саморазогрев образца с погрешностью не более 10%, при этом ошибка идет в запас прочности в том случае, если при построении модели использовать верхнюю границу разброса статических кривых однократного деформирования. Использование определенного экспериментально (по экспериментальным петлям гистерезиса) коэффициента рассеяния, определенного при малоцикловом деформировании, дает погрешность менее 5%. Разработана новая форма образцов для испытаний на циклический изгиб, обеспечивающая равномерное выделение тепла по всей рабочей части образца, отработана соответствующая методика испытаний образцов на циклический изгиб, включающая в себя измерение жесткости и поля температур в процессе испытаний. 5. Проведено исследование баллистических характеристик образцов ПКМ на основе угольных и арамидных волокон, а также их комбинации. Установлено, что наивысшей баллистической эффективностью обладают композиты на основе арамидных волокон: поглощаемая ими энергия вблизи баллистического предела более чем в три раза выше, чем для углепластиков той же поверхностной плотности. Замена четырех угольных слоев арамидными в гибридном композите позволила увеличить баллистический предел на 11% и поглощаемую энергию на 30% по сравнению со стандартными углепластиками. Получены новые данные по влиянию предварительной растягивающей нагрузки на баллистические свойства стеклопластика. Полученные результаты свидетельствуют о том, что предварительная растягивающая нагрузка существенно (до 2,5 раз) снижает количество поглощаемой стеклопластиком энергии, но при этом также снижается и площадь расслоений в материале. 6. Разработаны новые мезоуровневые модели стандартных и трехмерно-армированных углепластиков с интерфейсными слоями и разрушаемыми контактами, которые позволяют получать адекватные результаты как по прогнозу поглощаемой композитом энергии, так и по площади повреждения материала. Установлено, что при моделировании механического поведения композитных конструкций при ударе, особенно средне- и высокоскоростном, нельзя говорить только о верификации параметров модели деформирования и разрушения материала, необходимо верифицировать все компоненты расчетной модели – совокупность моделей материалов, сеточные модели, алгоритмы межслойного взаимодействия, поскольку каждый из этих компонентов значительно влияет на результаты расчетов.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В 2019 году научно-исследовательская работа по проекту велась по нескольким направлениям в соответствии с заявленным планом работ: 1. Исследования влияния спектра разнодлинности волокон и драпируемости тканевого наполнителя на получение псевдопластического поведения композита. 2. Модернизация программного модуля FARGR для расчета диаграмм деформирования тканевых стандартных и нелинейных ПКМ, проведение сравнительных расчетов с использованием мезоуровневых CDM-моделей. 3. Разработка подхода к оценке прочности толстостенных ПКМ при объемном напряженном состоянии, в том числе, в зонах концентрации напряжений. 4. Проведение серии испытаний образцов угле-, органопластиков и гибридных ПКМ на саморазогрев при циклическом изгибе. 5. Разработка численных и аналитических расчетных моделей для оценки саморазогрева образцов при циклическом изгибе. 6. Исследования снижения жесткости образцов тканевых ПКМ за счёт накопления рассеянных микроповреждений при однократном и циклическом нагружениях. 7. Проведение расчетно-экспериментальных исследований динамики ударного нагружения гибридных ПКМ с целью выбора рациональных параметров гибридизации: соотношения между податливым и жестким компонентом армирования, расположения слоев в пакете. 8. Расчетно-экспериментальное исследование влияния предварительного нагружения на баллистические свойства угле-, органопластиков и гибридных ПКМ Помимо заявленных работ, в рамках п.2. была проведены расчетно-экспериментальные исследования псевдопластических свойств гибридных углепластиков.В рамках п. 4 были проведены испытания угле- и органопластиков на ДМА, испытания стеклопластика на циклический изгиб. В рамках п. 5. также была проведена доработка ранее полученной аналитической модели для оценки саморазогрева при циклическом растяжении. Коллективом в рамках второго года выполнения работ по гранту достигнуты следующие научные результаты 1. Для композитов на основе угольных и арамидных были получены новые данные по влиянию искусственных дефектов в структуре армирования на нелинейность диаграммы деформирования. Создание спектра разнодлинности волокон в конструкционном композите не способствовало получению устойчивого псевдопластического поведения. В качестве альтернативных вариантов предложено комбинировать в одном пакете ткани разного плетения. Экспериментально показано, что для гибрида на основе высокомодульных и высокопрочных волокон создание дефектов структуры высокомодульного слоя за счет иглопробивной технологии способствует удлинению площадки псевдотекучести. 2. Программа FARGR получила возможность прогноза диаграмм деформирования тканевых композитных пакетов напрямую, без искусственного разбиения на однонаправленные слои. Для повышения эффективности работы был добавлен блок-оптимизатор для автоматического подбора параметров моделей используемых в пакете материалов. Проведенная экспериментальная верификация на угле- органопластиках и гибридных композитах подтвердила прогностические возможности программы. Спроектированные с использованием FARGR гибридные угле-/органопластики с соотношением по массовым долям 1/5 показали развитое и устойчивое псевдопластическое поведение (длина площадки псевдотекучести до 1%), повышенную жесткость по сравнению с традиционными органопластиками. Проведенные расчетно-экспериментальные исследования показали возможность создания псевдопластичных гибридных углепластиков с модулем упругости около 270 ГПа и пределом псевдотекучести около 800 МПа при использовании препрегов стандартной толщины. 3. На основании концепции мезоуровневого моделирования на уровне слоев разработан подход к оценке межслойной прочности толстостенных ПКМ. В ходе расчетно-экспериментальных исследований было показано, что использование неявной схемы интегрирования по времени и интерфейсных слоев является более предпочтительным, чем использование разрушаемых контактов за счет большей скорости расчетов и меньших требований к вычислительным ресурсам при сравнимых результатах. Принято решение параллельно развивать подход, основывающийся на использовании трехмерных критериев разрушения. На примере стеклопластика рассмотрена расчетно-экспериментальная методика определения межслойных модулей сдвига при изгибе. Показано, что для корректного определения указанных характеристик необходимо не только учитывать эффекты, вызванные осадкой образца на опорах, но и разброс свойств при определении изгибного модуля упругости. В противном случае ошибка может превышать 20%. 4. Получены новые данные по кинетике саморазогрева стекло-, угле-, органопластиков и гибридных композитов при циклическом изгибе. Испытания на образцах-балках равного сопротивления из стеклопластика показали, что на темп саморазогрева основное влияние оказывает амплитуда напряжений в цикле. Частота нагружения в большей степени определяет скорость саморазогрева и время выхода на стационарный режим теплоотдачи. В рамках испытаний угле-, органопластиков и гибрида на их основе было установлено, что использование всего лишь одного слоя углепластика на нейтральной линии в гибридном композите на основе арамидных волокон позволяет значительно (примерно в 2,5 раза) уменьшить саморазогрев материала при циклическом изгибе за счет более эффективного отвода тепла. 5. Ранее предложенный термомеханический подход был расширен для оценки саморазогрева ПКМ при циклическом изгибе. Предложено аналитическое решение для определения темпа саморазогрева в нульмерной задаче. С использованием МКЭ и аналитически определенного коэффициента рассеяния решена задача саморазогрева образца в виде балки равного сопротивления. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными показало удовлетворительное качественное и количественное соответствие. Аналитическая модель для прогнозирования коэффициента поглощения при растяжении была доработана. Учет реономной составляющей деформаций в модели позволил точно описывать поведение материала при ползучести и циклическом растяжении. 6. Для стеклопластика получены новые данные о влиянии предварительного циклического изгиба на остаточную прочность и жесткость. Полученные данные позволяют говорить о том, что циклический изгиб оказывает такое же заметное влияние на остаточную прочность и жесткость образца, что и циклическое растяжение. Установлено, что при сравнительно небольших амплитудах напряжений (σ=0,3·σВИ) остаточная прочность при изгибе снижается на 30-40%, а остаточная изгибная жесткость – на 10-15% от первоначальной. Проведенные измерения шероховатости не показали каких-либо заметных изменений шероховатости поверхности материала образцов. 7. Для угле-, органопластиков и гибридов на их основе проведены расчеты ударного нагружения. Для композитов на основе углепластика установлено, что использование арамидной ткани для на внешних сторонах панели и на нейтральной линии позволяет более чем на 30% повысить энергию удара, которую панель способна поглотить без сквозного пробоя. По результатам расчетов гибридный псевдопластичный композит на основе арамидных волокон с добавлением разнесенных слоев углеткани в соотношении 5/1 был выбран для дальнейших экспериментальных исследований ударного нагружения. Дополнительно были проведены расчеты по выбору рационального метода стыковки частей с макро- и мезоуровневым представлением. По результатам расчетов более перспективным и простым в использовании был признан подход с использованием неразрушаемых tied-контактов. 8. Для угольных, арамидных и гибридных композитов на их основе получены новые данные о влиянии предварительной растягивающей нагрузки на энергопоглощение при ударе. Установлено, что гибридный композит уступал по ударной стойкости чистому органопластику той же поверхностной плотности, однако показал наименьшую чувствительность баллистического предела в предварительной нагрузке. Чистый углепластик показал максимальную чувствительность в предварительному растягивающему нагружению: при начальной растягивающей нагрузке 0,6·σВ количество поглощаемой материалом энергии вблизи баллистического предела сократилось на 50%. Для органопластика и гибридного композита падение не превышало 35%.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В 2020 году научно-исследовательская работа по проекту велась по нескольким направлениям в соответствии с планом работ. 1. Расчетно-экспериментальные исследования влияния нелинейности диаграммы деформирования композитного материала на его чувствительность к концентрации напряжений. 2. Расчетные исследования НДС и прочности конструктивно-подобного элемента «замковая часть композитной рабочей лопатки вентилятора» при квазистатическом нагружении. 3. Исследование влияния ультратонких межслойных прокладок (микровуалей) на трансверсально-сдвиговую прочность слоистых ПКМ. 4. Исследование влияния предварительного циклического изгиба на остаточную прочность и жесткость композитного материала при различных частотах и амплитудах напряжений. 5. Расчетно-экспериментальные исследования теплоотдачи при высокочастотном изгибе для уточнения математической модели саморазогрева композита. 6. Разработка математической модели для оценки малоцикловой усталостной прочности композитов, учитывающей реологические свойства полимерной матрицы и геометрические несовершенства волокнистого наполнителя. 7. Расчетные исследования деформирования и разрушения конструктивно-подобного элемента «композитный кожух вентилятора ТРДД» при ударном воздействии (отрыв лопатки). Коллективом в рамках последнего года выполнения работ по гранту достигнуты следующие научные результаты 1. По результатам статических испытаний образцов гибридных композитов показано, что наличие выраженной и устойчивой площадки псевдотекучести не является достаточным условием для снижения чувствительности таких материалов к концентрации напряжений. Предложен новый подход к проектированию гибридных композитов, основанный на создании материалов без протяженного участка упрочнения после площадки псевдотекучести, который позволяет снизить эффективный коэффициент концентрации на 25-30%. 2. Выполнен анализ статической прочности конструктивно-подобного элемента «хвостовик рабочей лопатки вентилятора из ПКМ» с применением трехмерного критерия Дэниела, учитывающего влияние трансверсальных нагрузок на межслойную прочность композита. Установлено, что при выбранном варианте укладки слоев максимальная нагрузка по критерию Дэниела в 2,4 раза больше в сравнении с прогнозируемой по критерию максимальных напряжений. Таким образом, применение критерия Дэниела позволяет реализовать потенциал материала и снизить массу изделия при сохранении заданной прочности. Испытания на комбинированное нагружение при совместном действии межслойных сдвиговых и трансверсальных сжимающих напряжений показали, что рассмотренный критерий может быть применен для тканевого углепластика, однако требуется разработка альтернативных экспериментальных методов испытаний образцов ПКМ при комбинированном нагружении. 3. Экспериментальные исследования влияния полимерных микровуалей на упругие и прочностные характеристики углепластика показали, что предел прочности при межслойном сдвиге снизился на ~25%, а межслойный модуль сдвига – на ~35%. В то же время, было зафиксировано существенное увеличение разрушающих деформаций – на ~40%. Данный эффект может быть использован при создании гибридных композитов с увеличенной стойкостью к расслоениям при разрушении жесткого компонента. 4. По результатам циклических испытаний образцов из стеклопластика в виде балок равной прочности с разными амплитудами на двух частотах установлено, что уже при амплитудах напряжений σа≈0,3σВИ образцы, испытанные частотой 20 Гц (максимальное повышение температуры образца – 14 °C), имели меньшую остаточную изгибную прочность (до 20%) и жёсткость (до 5%) по сравнению с образцами, испытанными на частоте 5 Гц, при одинаковом числе циклов. 5. Экспериментально установлено, что коэффициент теплоотдачи при циклическом изгибе нелинейно зависит от скорости колебаний (амплитуды и частоты колебаний) и изменяется от 13 до 49 Вт/(м2·K) для скоростей обтекания от 0 до 1,1 м/с соответственно. Вывод о том, что коэффициент потерь при знакопеременном изгибе линейно зависит от напряжения, позволяет адекватно прогнозировать кинетику саморазогрева лишь до уровня напряжений σа≈0,3σВИ. При более высоких уровнях напряжения предложенная модель в большинстве случаев дает заниженную оценку скорости саморазогрева и максимальной температуры из-за неучета механизма генерации тепла за счет сухого трения в материале. 6. На основании результатов малоцикловых испытаний композитных образцов с фиксацией одностороннего накопления деформаций и явлений акустической эмиссии была предложена трехэлементная модель учитывающая влияние ползучести на кинетику циклического деформирования и процесс накопления рассеянных микроповреждений. Модель способна адекватно описывать процесс деформирования материала в пульсирующем цикле и удовлетворительно прогнозировать предельное число циклов до перехода в стадию прогрессирующего разрушения. 7. Выполнены расчеты деформирования и разрушения конструктивно-подобного элемента «защитный кожух вентилятора» в случае отрыва рабочей лопатки вентилятора из ПКМ. Показано, что комбинированный мезо-/макроуровневый подход при угле мезоструктурного сектора 180° позволяет получить адекватную оценку по энергопоглощению и перемещениям в запас прочности конструкции, сокращая время счета в 2 раза без потери эффективности масштабирования задачи при высокопроизводительных вычислениях. Опираясь на результаты исследований, проведенных в 2019 году, были спроектированы две укладки гибридного композита (углепластик, усиленный слоями органита), которые позволили значительно повысить энергопоглощение конструкции при неизменной массе.