Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе выполнения проекта в 2021г. получены следующие результаты. Группой Сколковского института науки и технологий (далее - Сколтех) разработана оснастка и проведены технологические эксперименты по изготовлению образцов углепластика на эпоксидной основе методами плоской и цилиндрической намотки. Для проведения ударно-волновых испытаний по методу электрического взрыва проводника изготовлены заготовки методами кольцевой и спиральной намотки на стержни из органического стекла. С помощью технологии литья (инфузии) были изготовлены образцы термопластичного ПКМ, хаотично армированные короткими стеклянными волокнами. Для получения референсных значений характеристик ПКМ для последующего экспериментального и теоретического анализа влияния скорости деформации на прочность материалов группой Сколтеха выполнен комплекс квазистатических испытаний термопластичных ПКМ и однонаправленных углепластиков. В результате получены диаграммы напряжение – деформация, упругие и прочностные характеристики при растяжении, сжатии и сдвиге в направлениях главных осей анизотропии. Эти результаты были использованы для построения и верификации теоретической модели ПКМ со свойствами, зависящими от вида напряженного состояния и скорости деформации. Для анализа динамической прочности ПКМ в диапазоне скоростей деформации ~100 1/c группой Сколтеха разработана методика испытаний с использованием вертикального копра. В результате проведения копровых испытаний образцов однонаправленных углепластиков на ударное сжатие получены линейные временные зависимости деформаций, что позволяет с хорошей достоверностью считать скорость деформации практически постоянной до инициации процесса разрушения. Группой лаборатории Динамических испытаний материалов НИИ механики Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского разработана модификация экспериментальной установки для проведения испытаний образцов ПКМ по методу разрезного стержня Гопкинсона и выполнен экспериментальный анализ процессов высокоскоростной деформации и разрушения при реализации различных схем нагружения образцов однонаправленных углепластиков при динамическом сжатии. Группой Научно-исследовательского центра «Динамика» Санкт-Петербургского государственного университета разработана методика ударно-волновых испытаний ПКМ на базе метода электрического взрыва проводника и проведена серия испытаний цилиндрических образцов углепластиков с кольцевой и спиральной намоткой слоев. В результате испытаний на основании полученных интерферограмм скорости движения свободной поверхности определены соответствующие им напряжения при различных энергиях взрыва проводников. Экспериментальные исследования показали, что наиболее достоверные данные о критических напряжениях разрушения цилиндрических оболочек из ПКМ могут быть получены с применением метода лазерной интерферометрии. В ходе исследований были преодолены сложности нанесения отражающих покрытий на поверхности образцов ПКМ, разработаны методики юстировки компонентов системы лазерной интерферометрии при измерениях скорости движения поверхностей цилиндрических образцов. Для учета влияния скорости деформации и вида напряженно-деформированного состояния на поведение ПКМ с различными схемами армирования на основании анализа полученных в течение 2021г. результатов экспериментальных исследований группой Сколтеха разработаны теоретические модели деформирования и накопления повреждений с учетом скоростного упрочнения, а также выполнено численное моделирование процессов высокоскоростной деформации ПКМ. Полученные модели ПКМ с параметрами, определенными на основании результатов статических и динамических испытаний на растяжение, сжатие и сдвиг, были имплементированы в конечно-элементный решатель ABAQUS. Для верификации модели проведены испытания образцов ПКМ на трехточечный изгиб. Для обоснования выбора формы и размеров однонаправленных образцов ПКМ, применимых для проведения как статических, так и динамических испытаний на сжатие, выполнено конечно-элементное моделирование процесса высокоскоростной деформации образцов с ориентацией волокон 0, 45 и 90 градусов относительно направления распространения нагружающего импульса в системе разрезного стержня Гопкинсона. В результате моделирования высокоскоростной деформации однонаправленных образцов углепластика получены распределения напряжений в рабочей зоне образцов и параметров повреждаемости в различные моменты времени, а также импульсы напряжений непосредственно в рабочей зоне образцов и импульсы напряжений, рассчитанные на основании прошедшего импульса с использованием соотношений Кольского. Полученные результаты подтвердили применимость предложенных научным коллективом форм и размеров образцов, а также схем нагружения для проведения динамических испытаний ПКМ.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В течение второго года исследований в рамках проекта выполнены работы, направленные на развитие экспериментальных методов исследования высокоскоростной деформации полимерных композиционных материалов (ПКМ) и получения новых данных о скоростных зависимостях прочностных и упругих характеристик. В соответствии с определенными требованиями к формам и размерам группой Сколтеха выполнены работы по изготовлению образцов ПКМ с применением технологий плоской и цилиндрической намотки. Для изготовления образцов ПКМ использованы исходные компоненты (полимерные связующие, углеродные армирующие волокна), перспективные для изготовления конструкций авиакосмической и автомобильной отраслей. На основании разработанных схем динамического нагружения образцов изготовлена экспериментальная оснастка. С использованием разработанной оснастки исследовательскими группам Сколтеха, НИИ Механики ННГУ и НИЦ «Динамика» проведены динамические испытания образцов ПКМ и апробированы разработанные схемы нагружения. Группой Сколтеха разработана методика проведения копровых испытаний на растяжение в диапазоне скоростей деформации 10-100 1/c на базе вертикального копра и получены результаты испытаний образцов углепластика, см. Файл с дополнительными материалами. Исследовательской группой Сколтеха завершены экспериментальные исследования процессов динамического деформирования и разрушения однонаправленных образцов углепластика при сжатии в направлении вдоль и поперек армирующих волокон в диапазоне скоростей деформации 10-100 1/c с использованием вертикального копра. Группой НИИ Механики ННГУ совместно с группой Сколтеха завершены испытания однонаправленных образцов углепластика при сжатии в направлении вдоль и поперек армирующих волокон в диапазоне скоростей деформации 100-700 1/c с использованием разработанной в рамках проекта модификации метода разрезного стержня Гопкинсона. На основании полученных результатов подготовлена статья «Strain-rate dependency of unidirectional filament wound composite under compression», принятая в 2023г. к публикации в журнале «Computer Modeling in Engineering & Sciences» (Scopus, Q2, Impact factor 2.027). Группой НИЦ «Динамика» совместно с группой Сколтеха завершены испытания на растяжение образцов углепластика по методу электрического взрыва проводника. Группой Сколтеха выполнено моделирование процесса ударно-волнового нагружения образца и показана корректность предположений, реализованных в экспериментальной методике для определения динамической прочности исследуемых образцов. На основании полученных результатов подготовлена статья «Wire explosion method for characterization of dynamic tensile strength of composite materials», направленная в журнал «International Journal of Impact Engineering» (Scopus/WoS, Q1, Impact factor 4.592), см. Файл с дополнительными материалами. Группой Сколтеха предложена схема динамического нагружения кольцевых образцов ПКМ импульсом внутреннего давления. Эта схема была адаптирована к испытаниям в системе разрезного стержня Гопкинсона. Выполнено численное моделирование предложенной схемы нагружения и проведены испытания образцов углепластика с кольцевой и спиральной (±45°) намотками слоев. В результате получены характеристики прочности и упругости материала при растяжении со скоростью деформации ~103 1/c. Предложенная схема нагружения обеспечивает однородность напряженно-деформированного состояния рабочей зоны образца, что позволяет корректно построить динамическую диаграмму деформирования ПКМ, см. Файл с дополнительными материалами. Для анализа удельных характеристик энергопоглощения выполнены испытания на динамическое осевое сжатие трубчатых образцов углепластика с различными схемами намотки слоев с использованием вертикального копра (Сколтех) и метода прямого удара (НИИ Механики ННГУ). Выполнен анализ влияния условий нагружения на энергоемкость разрушения образцов, см. Файл с дополнительными материалами. Группой Сколтеха предложена и теоретически обоснована альтернативная процедура обработки первичных данных при проведении испытаний по схеме прямого удара (схема Драхана - Хаузера). Предложенная процедура позволяет корректно построить динамическую диаграмму деформирования и историю изменения скорости деформации для широкого круга полимеров, металлов и сплавов исключая предположение классического метода прямого удара о постоянстве скорости ударника в процессе деформирования образца. На основании полученных результатов подготовлена статья «On alternative strain rate analysis for direct impact method», для опубликования в журнале «Experimental Mechanics» (Scopus/WoS, Q1, Impact factor 2.794), см. Файл с дополнительными материалами. Группой НИЦ «Динамика» разработана методика измерения температуры образцов в процессе статического и циклического в диапазоне скоростей деформации 0.001-0.01 1/с помощью инфракрасной камеры ThermaCAM SC 3000 с частотой съемки 50 Гц. Разработанная методика апробирована в ходе испытаний образцов углепластика, а также образцов меди М1, титанового сплава ВТ6 и алюминиевого сплава Д16 в направлении вдоль и поперек направления проката. По результатам испытаний опубликована статья Sudienkov Yu.V., Smirnov I.V., Zimin B.A. Influence of metal texture and loading rate on heat release under quasi-static tension (2022) Journal of Physics: Conference Series, 2231 (1), art. no. 012009, DOI: 10.1088/1742-6596/2231/1/012009. Группой Сколтеха разработана и верифицирована модель развития усталостных повреждений, которая феноменологически учитывает изменение жесткости и остаточной прочности слоя ПКМ в соответствии с экспериментальными диаграммами постоянного срока службы (constant life diagram). Полученные результаты указывают на достаточность использования S-N кривых для слоев с ориентацией волокон в направлении 0°, 45° и 90° относительно направления приложения нагрузки для идентификации модели. Модель была верифицирована с помощью кривых усталости (S-N кривые) для ориентаций 10°, 15° и 30°. Была показана применимость модели для прогнозирования усталостной долговечности слоистых ПКМ с произвольной укладкой слоев. Модель реализована в конечно-элементном комплексе ABAQUS в виде пользовательской подпрограммы. На основании полученных результатов опубликована статья Elkin, A.; Gaibel, V.; Dzhurinskiy, D.; Sergeichev, I. A Multiaxial Fatigue Damage Model Based on Constant Life Diagrams for Polymer Fiber-Reinforced Laminates. Polymers 2022, 14, 4985. https://doi.org/10.3390/polym14224985 (Scopus/WoS, Q1, Impact factor 4.967). Группой Сколтеха построена и калибрована модель деформирования и разрушения углепластика, описывающая эффекты анизотропии и скорости деформации в диапазоне 0.001-1000 1/c, см. Файл с дополнительными материалами.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Созданы и апробированы методики динамических испытаний полимерных композиционных материалов на базе модификаций - метода копровых испытаний: схемы испытаний на растяжение и сжатие в диапазоне скоростей деформации 50-200 1/c; - метода разрезного стержня Гопкинсона: схемы испытаний на сжатие и радиальную раздачу цилиндрического образца импульсом внутреннего гидростатического давления в диапазоне скоростей деформации 200 – 1000 1/с; - метода электрического взрыва проводника: схема испытаний на радиальную раздачу цилиндрического образца ударно-волновым импульсом внутреннего давления, скорость деформации до 20000 1/c. 2. Получены экспериментальные кривые деформирования напряжение – деформация – скорость деформации и зависимости прочности однонаправленных углепластиков от скорости деформации при растяжении, сжатии и сдвиге в направлении вдоль и поперек армирующих волокон при скоростях деформации до 10000 1/с. Эти зависимости определены на основании результатов динамических и ударно-волновых испытаний с использованием модификаций методов копровых испытаний, разрезного стержня Гопкинсона и электрического взрыва проводника, разработанных в течение первого и второго года работ по проекту. 3. Поучены результаты экспериментальных исследований процесса тепловыделения при квазистатическом деформировании конструкционных углепластиков. Изучена корреляция изменения термодинамических и механических параметров на различных стадиях развития повреждений материала. Анализ результатов исследований тепловыделения при квазистатическом растяжении материалов показывает, что изменения термодинамических и механических параметров при деформировании композитов и полимеров взаимосвязаны с изменением стадий процесса деформирования. Особенно четко корреляция этих изменений наблюдается на нелинейной стадии процесса деформирования и определяется влиянием ангармонизма сил межчастичного взаимодействия, проявляющимся, по-видимому, как на молекулятном, так и мезо масштабах микроструктуры материалов.То есть, ангармонизм потенциалов взаимодействия определяет переходную нелинейную стадию деформирования материалов и активацию процессов структурных преобразований. Конкретизация поведения латентной энергии требует дальнейших исследований и детализации процесса на различных стадиях деформирования с учетом определяющих микромеханизмов и их вклада в зависимость температуры и термодинамическую функцию состояния. 4. Построена и калибрована модель деформирования и разрушения углепластика, описывающая эффекты анизотропии и скорости деформации в диапазоне 0.001-1000 1/c. Параметры модели были определены на основании экспериментальных кривых деформирования напряжение – деформация полученных для однонаправленных углепластиков при скоростях деформации 0.001…1000 1/c. Модель верифицирована на основании результатов экспериментальных исследований и моделирования процесса динамической усадки трубчатых образцов при осевом сжатии в условиях проведения динамических испытаний с использованием вертикального копра и метода прямого удара на базе мерного стержня Гопкинсона для различных ориентаций слоев материала в образцах. Модель скоростного упрочнения имплементирована в конечно-элементный решатель и выполнено моделирование процесса динамической усадки трубчатых образцов при осевом сжатии в условиях проведения указанных динамических испытаний для ориентаций слоев материала 90, +-45 и +-30 градусов относительно оси образцов. 5. Созданы модификации метода плосковолнового ударного эксперимента на базе метода соударения пластин и нагружения пластины коротким импульсом, инициированным электрическим взрывом фольги на торце короткого стержня-волновода. Эти модификации позволили определить значения откольной прочности ПКМ 45-55 МПа при скорости деформации ~ 50000 1/c.