КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 17-79-20105
НазваниеРазработка высокоэффективных ударопрочных, вибродемпфирующих и теплозащитных трехслойных конструкций с применением перспективных композиционных материалов.
РуководительСоляев Юрий Олегович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2020 - 06.2022 |
Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые словатрехслойные конструкции, композиционные материалы, гибридные композиты, оптимальное проектирование, моделирование, ударопрочность, вибродемпфирование, теплозащита, многофункциональные конструкции
Код ГРНТИ30.19.51
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Трехслойные конструкции и сэндвич панели широко используются в различных отраслях промышленности - в авиации,
в ракетно-космической технике, в гражданском строительстве. Широкое распространение трехслойных конструкций основано на их высокой эффективности, которая обеспечивается уникальной по своей простоте концепцией: жесткие и тонкие несущие слои обеспечивают высокую мембранную и изгибную жесткость панели, а легкий заполнитель обеспечивает разнос несущих слоев на заданное расстояние, необходимое для повышения момента инерции сечения. В итоге, для сэндвич панелей могут быть получены наиболее высокие показатели удельной жесткости и прочности среди большинства типов силовых конструкций (однослойных, многослойных, подкрепленных, вафельных и т.п.).
В настоящее время, одним из активно развивающихся направлений исследований в этой области является создание многофункциональных трехслойных конструкций, которые помимо высокой массовой эффективности обладают, дополнительно, и другими повышенными характеристиками - теплозащиты, термостойкости, демпфирования колебаний, экранирования электромагнитного излучения и т.п. Кроме этого разрабатываются конструкции, которые могут эффективно использовать внутренне пространство между несущими слоями - для размещения в нем аппаратуры, элементов жизнеобеспечения, элементов системы активного охлаждения.
В связи с тем, что возможности многих стандартных проектировочных методов и классических конструкционных материалов, во многом уже исчерпаны, с точки зрения дальнейшего повышения эффективности и совершенства трехслойных конструкций, актуальным становится использование новых необычных концепций, физических эффектов и специфических материалов несущих слоев и заполнителей. Такие подходы позволят получить дополнительные преимущества в разрабатываемых конструкциях.
В предлагаемых направлениях работы используется ряд новых проектировочных концепций, которые должны позволить разработать следующие новые варианты многофункциональных трехслойных конструкций:
1) Сэндвич панели с несущими слоями из алюмостеклопластика с повышенными параметрами демпфирования колебаний в широких частотных диапазонах до 2000 Гц и выше. Такие панели могут быть использованы в качестве несущих элементов конструкций, которые, одновременно, могут обеспечивать защиту от вибраций и шума, что обеспечит уменьшение массы дополнительных демпфирующих элементов, повышение массовой эффективности конструкции самолета или ракеты, обеспечение акустической защиты аппаратуры, повышение комфорта полета, снижение воздействия вибраций на другие несущие конструкции и повышение их ресурса и т.д. Перечисленные требования являются одними из ключевых при проектировании современных авиакосмических систем. Новизна этого направления работы определяется выявленными механизмами диссипации энергии в рассматриваемых структурах - при, относительно низких частотах эффективно работает вспененный заполнитель, а при высоких частотах, которые плохо гасятся обычными трехслойными панелями, диссипация может быть обеспечена несущими металлополимерными слоями из алюмостеклопластика, в которых при коротковолновых колебаниях возникают интенсивные деформации межслоевого сдвига, локализованного в прослойках из полимерного композита.
2) Панели с заполнителями из механических метаматериалов с повышенными параметрами ударопрочности и энергопоглощения при ударе. Решение такого рода задач сохраняет свою актуальность, так как проблемы обеспечения безтравматичной и неразрушающей остановки быстродвижущихся объектов, проблемы защиты человека и аппаратуры от ударных нагрузок остаются до конца далеко нерешенными. Новизной здесь является предложенные концепции нелокальных метаматериалов, размещаемых в заполнителе, которые обеспечивают существенное (в 2-3 раза) повышение ударопрочности структуры.
3) Развитие методов расчета трехслойных структур с пьезоактивными прослойками ориентировано на создание структур с запрещенными зонами (диапазонами частот) для распространения упругих колебаний в высокочастотных диапазонах. Развиваемое аналитическое и континуальное описание этих процессов должно позволить подбирать геометрию и материалы для получения структур, которые могут быть использованы в качестве эффективных элементов акустической и вибрационной защиты для электронной аппаратуры авиакосмических систем и в других отраслях. Новизну здесь определяют развиваемые градиентные теории, позволяющие учитывать особенности распространения возмущений в неоднородных структурированных средах с возникающими эффектами пространственной дисперсии и с прогнозом параметров для более высокочастотных ("оптических") мод колебаний, помимо тех, которые могут быть рассмотрены в рамках классических теорий. Получаемые аналитические и численно-аналитические решения в рамках развиваемых моделей могут быть использованы для выявление новых существенных эффектов (в первую очередь, для получения запрещенных зон в относительно низкочастотных диапазонах до 5-20 кГц) и для проектирования новых типов такого рода структур.
Ожидаемые результаты
Запланированы следующие результаты:
1) Результаты разработки и результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению динамических характеристик (собственных частот, форм колебаний, коэффициентов демпфирования) трехслойных образцов с несущими слоями из слоистого алюмостеклопластика типа СИАЛ (GLARE) и с заполнителями из вспененного полиимида.
В процессе выполнения завершенного трехлетнего проекта были предложены аналитические и численные методы моделирования и проектирования таких структур. Планируется полностью экспериментально верифицировать разработанную модель для рассматриваемых материалов и далее, на основе расчетов должны быть выбраны оптимальные варианты геометрии и параметров армирования таких трехслойных конструкций для получения повышенных коэффициентов демпфирования (не ниже 0.06 и до 0.15) в диапазоне частот, ориентировочно, до 2000 Гц и выше. Важным является то факт, что собственные коэффициенты демпфирования применяемых вспененных заполнителей имеют значения 0.1-0.2 в диапазоне частот до 100 Гц и далее значительно снижаются, достигая значения 0.01-0.02 при частоте >1000 Гц. Коэффициенты алюмостеклопластиков также невысоки при частотах до 100 Гц и составляют несколько процентов. Однако, как установлено, наличие слоистой структуры в металло-полимерных композитах (алюмостеклопластиков) с разной податливостью слоев, приводит при их изгибе к локализации интенсивных деформаций межслоевого сдвига в прослойках из стеклопластика. Этот эффект существенен при изгибе образцов малого удлинения, а в динамических процессах - при коротковолновых режимах колебаний. Использование этого эффекта позволит создать совершенно новую концепцию конструкций, обладающих многофункцоинальными свойствами для восприятия нагрузки и гашения колебаний (помимо этого вспененные заполнители обеспечивают теплозащиту и т.д.). В настоящее время металлополимерные композиты позиционируются, преимущественно, с точки зрения их превосходства в параметрах удельной жесткости, прочности, ударопрочности, усталостной прочности, огнестойкости. Предлагаемые работы направлены на расширение этих представлений для данного класса материалов, и, вообще говоря, представляет собой разработку многомасштабной слоистой структуры, содержащей слои разной толщины, которые обеспечивают демпфирование колебаний в разных диапазонах частот. Концепция построения таких структур может быть использована в различных отраслях промышленности, помимо авиационных систем, где алюмостеклопластики уже находят применение (обшивка самолетов Airbus А380 и др.).
2) Результаты проектирования и результаты теоретических и экспериментальных исследований трехслойных конструкций с заполнителями в виде нелокальных механических метаматериалов, изготавливаемых методами трехмерной печати.
Для таких конструкций предварительно показана возможность получения существенного повышения параметров ударопрочности (в 2-3 раза по сравнению с обычными облегченными сетчатыми заполнителями). В предлагаемом продолжении проекта должен быть разработан теоретических подход к описанию реализующихся эффектов делокализации сосредоточенных нагрузок в таких материалах. Должна быть предложена новая методика проектирования, которая, как ожидается, будет аналитической и будет основана на использование динамической модели градиентной теории упругости для материала заполнителя. Применение неклассической теории позволит описать влияние эффектов передачи нагрузки внутри структуры метаматериала по механизму изгиба протяженных (нелокальных) связей. Должны быть проведены исследования по влиянию геометрии рассматриваемых метаматериалов, характерных размеров структуры заполнителей, скоростей нагружения. Должны быть рассмотрены новые варианты нелокальных механических метаматериалов, которые раньше предложены не были и которые, потенциально, должны обладать еще более высокими показателями энергопоглощения при ударе.
3) Получение прогнозов на существование запрещенных диапазонов частот упругих волн, распространяющихся в трехслойных структурах с пьезоэлектрическими прослойками. Получение новых решений о распространении продольных волн и волн Лэбма в таких трехслойных структурах в рамках градиентной теории электроупругости в электростатическом приближении (в настоящее время такие решения получены для сдвиговых волн). Построение аналогичных решения для волн сдвига в полном динамическом приближении. Разработка вариантов трехслойных структур с запрещенными зонами в акустическом и в высокочастотных диапазонах.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проведены статические и динамические испытания образцов алюмостеклопластика, облегченного вспененного заполнителя и трехслойных элементов конструкций на их основе. Установлена возможность получения стабильного коэффициента демпфирования рассматриваемых трехслойных конструкций на уровне 0.07-0.09 на частоты до 1 кГц. Установлен эффект повышения коэффициента демпфирования образцов алюмостеклопластика при повышении частоты изгибных колебаний. Результаты экспериментов подтверждены численно-аналитическими расчетами в рамках динамической формулировки модели композитной балки типа Тимошенко и конечно-элементным численным моделированием. Установлена возможность объяснения роста коэффициента демпфирования металлополимерных композитов при повышении частоты изгибных колебаний за счет реализации повышенных деформаций межслоевого сдвига, локализованных в более податливых полимерных слоях материала.
Для трехслойных конструкций с заполнителями в виде нелокальных механических метаматериалов показана возможность повышения ударной прочности в 3-5 раз по сравнению с аналогичными стандартными сетчатыми (lattice) заполнителями при изменении погонной массы конструкции не более чем на 2-4%. Эффект достигается использованием асимметричных связей между элементами в структуре заполнителя, которые обеспечивают снижение концентрации напряжений и уровня триаксиальности напряженного состояния. При этом происходит некоторое снижение несущей способности и жесткости конструкции в условиях статического нагружения, которое, однако, может не превышать 20% при оптимальном выборе типа связей в структуре заполнителя.
Для задач о распространении поперечных электроакустических волн в трехслойных структурах типа проводник/пьезоэлектрик/проводник в рамках теории градиентной электроупругости установлена возможность описания высокочастотных мод колебаний, соответствующих "оптической" ветви дисперсионных соотношений. При этом показано, что для неограниченных областей данный класс решений следует считать нефизичным, так как ему соответствуют чисто мнимые значения коэффициента затухания. Однако для ограниченных областей типа рассматриваемых трехслойных структур предложенная модель может быть использована для оценки высокочастотных динамических характеристик и, в том числе, для анализа возможного существования запрещенных частотных диапазонов.
Публикации
1. Прокудин О.А, Соляев Ю.О, Бабайцев А.В, Артемьев А.В, Коробков М.А Dynamic characteristics of three-layer beams with load-bearing layers made of alumino-glass plastic PNRPU MECHANICS BULLETIN, 2020, номер 4, стр. 260-270 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.4.22
2. Соляев Ю.О., Лурье С.А. Electric field, strain and inertia gradient effects on anti-plane wave propagation in piezoelectric materials Journal of Sound and Vibration, 494, 115898 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.jsv.2020.115898
3. Соляев Ю.О., Лурье С.А., Прокудин О.А., Антипов В.А., Рабинский Л.Н., Серебренникова Н.Ю., Добрянский В.Н. Elasto-plastic behavior and failure of thick GLARE laminates under bending loading Composites Part B: Engineering, Volume 200, 108302 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108302
4. Ю.О. Соляев, А.Д. Устенко On the dispersion relations for the anti-plane surface wave in the second gradient electroelasticity Lobachevskii Journal of Mathematics, №8 (год публикации - 2021)
5. - Специалисты МАИ внесли вклад в разработку нового материала для авиапрома Сайт МАИ, Работа велась под руководством доцента кафедры 602 «Проектирование и прочность авиационно-ракетных и космических изделий» МАИ Юрия Соляева в рамках молодёжного проекта Российского научного фонда (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На втором этапе проекта получены следующие основные результаты:
1) На основе проведенных расчетов установлено, что повышение эффективного коэффициента демпфирования при сохранении общей жесткости образцов трехслойных балок с несущими слоями из алюмостеклопластика и вспененным заполнителем может быть обеспечено выбором симметричной структуры вида [Al/+a/Al/-a/Al/заполнитель/Al/-a/Al/+a/Al] (угол а = 40...50 град.). Повышения эффективного коэффициента демпфирования зависит как от частоты, так и от амплитуды деформаций, и в значительной степени определяется локальной концентрацией деформаций сдвига в слоях стеклопласитка. При повышении частоты колебаний происходит локализация деформаций сдвига в слоях стеклопластика по всей длине образца при длине волны менее 5 толщин несущего слоя. При повышении амплитуд колебаний возникают аналогичные эффекты концентрации вблизи зоны закрепления образцов даже при невысоких частотах (до 50 Гц). На основе аналитических и численных расчетов показано, что происходит рост эффективного коэффициента демпфирования (в диапазоне 4-10%) линейно пропорциональный амплитуде деформаций. Результаты подтверждены в испытаниях образцов алюмостеклопластика на частоты до 60 Гц и трехслойных образцов на частоты до 400 Гц. Получены теоретические прогнозы по реализации аналогичных эффектов для волн Лэмба в рассматриваемых структрах при частотах колебаний до 5 кГц. Параметры моделей (комплексные модули монослоев алюмостеклопластика) определены на основе испытания образцов с различными схемами армирования и решения обратной задачи с минимизацией среднеквадратичной невязки между экспериментальными и расчетными данными.
2) Для трехслойных конструкций с заполнителями-метаматериалами предложены и испытаны 8 новых типов трехмерных ячеек периодичности со смещенной структурой связей для создания ударопрочных сетчатых (lattice) заполнителей. Эти ячейки являются обобщением известных ранее сетчатых структур механических метаматериалов (BCC, FCC, BCT, Octahedron, Cubic, Iso Truss, Octet Truss, Auxetic). Всего изготовлено и испытано более 800 образцов, изготовленных по технологии SLA с размерами ячейки периодичности 1-10 мм. Показано, что для большинства из рассмотренных структур при оптимальном размере ячейки удается повысить ударопрочность образцов в 1.5-3 раза по сравнению со сплошным материалом и по сравнению со стандартной симметричной геометрией ячеек. Предложенная концепция построения сетчатых заполнителей с асимметричными ячейками может быть использована при трехмерной печати облегченных конструкций с высокой жесткостью и ударопрочностью.
3) Построены новые решения о распространении высокочастотных электро-акустических объемных и поверхностных волн в однородных, двухслойных и трехслойных пьезоэлектрических структурах в рамках модели градиентной теории электро-упругости. Проведена идентификация дополнительных параметров модели на основе сопоставления полученных дисперсионных соотношений для высокочастотных объемных волн и известных результатов квантово-механических расчетов для фононного спектра в анизотропных упругих и пьезоэлектрических монокристаллах. На основе построенной модели, фактически, впервые в рамках континуальной теории получены прогнозы для дисперсионных соотношений высокочастотных (>4-6 ТГц) поверхностных волн сдвига с горизонтальной поляризацией в пьезоэлектриках, а также в упругих средах (этот тип поверхностных волн вырождается в объемные при низких частотах, но предсказан теорией для частот выше ~1 ТГц). В полученных решениях не содержится дополнительных неизвестных параметров и полученные результаты могут быть непосредственно использованы для прогноза результатов экспериментов.
Получены прогнозы дисперсионных соотношений для высокочастотных SV волн в трехслойных монокристаллических структурах [пьезоэлектрик/алмазная пленка/кремний]. Показано, что вследствие эффектов пространственной дисперсии (влияния кристаллической структуры материала) фазовая скорость высокочастотных волн может значительно снижаться по сравнению с классическими оценками, что может приводить к возникновению запрещенных частотных зон в рассматриваемых трехслойных структурах. При этом показано, что степень снижения фазовой скорости в значительной степени определяется материалом подложки.
Публикации
1. А.В. Бабайцев Direct observation of plastic shear strain concentration in the thick GLARE laminates under bending loading Composites Part B: Engineering, 224, 109145 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109145
2. Ю.О. Соляев, А.В. Бабайцев, А.Д. Устенко, А.В. Рипецкий, А.В. Волков Static and dynamic response of sandwich beams with lattice and pantographic cores Journal of Sandwich Structures & Materials, 2, 24, 1076-1098 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1177/10996362211033896
Возможность практического использования результатов
Полученные результаты при разработке и исследовании трехслойных материалов с несущими слоями из алюмостеклопластика позволяют утверждать, что данный класс материалов является перспективным для использования в многофункциональных конструкциях с повышенными характеристиками статической прочности и, одновременно, с повышенными характеристиками демпфирования колебаний, в том числе, высокочастотных и высокоинтенсивных колебаний, при которых в значительной степени проявляются эффекты диссипации энергии в слоях стеклопластика вследствие локализации в них деформаций межслоевого сдвига.
Предложена новая концепция создания сетчатых (lattice) облегченных заполнителей для конструкций, изготавливаемых по технологии трехмерной печати. Показано, что для повышения ударопрочности необходимо создавать заполнители с незначительной асимметрией ячейки периодичности, которая легко реализуется в стандартных системах для подготовки моделей для 3д печати. Достигаемый эффект заключается в повышении ударопрочности конструкций при действии локальных воздействий в 1.5...5 раз (в зависимости от типа геометрии ячеек заполнителя) при незначительном снижении статической жесткости.
В части задач, связанных с моделированием трехслойных пьезоэлектрических структур, получены новые результаты, касающиеся прогноза изменения фазовой скорости поверхностных волн Блюстейна-Гуляева, Лява, Рэлея вследствие влияния эффектов пространственной дисперсии (влияния кристаллической структуры материалов). Предложена и реализована методика идентификации всех дополнительных параметров модели, которая может быть использована для уточного прогноза характеристик перспективных микро/нано- электромеханических устройств, работающих в высокочастотных диапазонах.