КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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.

НазваниеМногоуровневое моделирование деформационного поведения углепластиков на основе суперконструкционных термопластов

РуководительСтепашкин Андрей Александрович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST)

Аннотация
Среди композиционных материалов, используемых в современных самолетах основную долю составляют углепластики и сэндвичные конструкции на основе углепластиков. В последние годы в области производства и использования углепластиков произошел не только количественный, но и качественный скачек связанный с переходом от технологий на основе термореактивных связующих к термопластичным. Углепластики на основе термопластичных связующих в 4 - 15 раз превосходят традиционные эпоксиуглепластики по значениям ударной вязкости и вязкости разрушения. Вместе с тем особенности термопластичных матриц не только предопределяют их очевидные преимущества, но и создают ряд серьезных проблем, не имеющих к настоящему времени удовлетворительного решения. Степень реализации свойств высокопрочных волокон в композитах на термопластичной основе ниже, чем в традиционных эпоксипластиках. В случае термопластичной матрицы, при обеспечении высокой адгезионной прочности на границах раздела, при сравнительно небольших напряжениях в локальных перенапряженных областях начинается пластическое течение связующего, что может со временем приводить к локальным деформациям и повреждениям, что неприемлемо для нагруженных элементов конструкций. Актуальной является задача усовершенствования структуры композитов на основе термопластичной матрицы, армированной непрерывными углеродными волокнами. Осуществление такой оптимизации с применением чисто экспериментальных методов практически невозможно, поскольку каждое изменение характеристик материала и конструкции потребует проведения длительных испытаний, направленных на выявление временных зависимостей их деформационного поведения. С учетом обилия изменяемых параметров композитов, рациональным подходом к оптимизации их характеристик является использование методов механикоматематического моделирования. В рамках проекта будут проведены на суперкомпьютерах сверхмасштабируемые вычисления в задаче многоуровневого моделирования процессов деформирования и разрушения полимерных нанокомпозитов. Для достижения этого будет использовано современное программное и аппаратное обеспечение. Целью настоящего проекта является разработка методов механико-математического моделирования для оптимизации деформационного поведения конструкций, выполненных из композитов на основе суперконструкционных термопластичных полимеров, армированных непрерывными углеродными волокнами. Междисциплинарный характер исследования определяется взаимодействием в рамках единого научного коллектива широкого круга специалистов как в области математического моделирования материалов и процессов, так и в области экспериментальной разработки композиционных материалов. Новизну проекта составляет использование для создания композиционных материалов, предназначенных для силовых элементов энергетического и транспортного оборудования, термопластичных полимеров, разработка математических моделей расчета деформационного поведения таких конструкций в условиях сложнонапряженного состояния и обеспечивающий возможность оптимизации структуры и технологических параметров производства таких композиционных материалов. Для достижения поставленной цели разрабатываемые математические модели на каждом из уровней будут проходить экспериментальную апробацию на изготавливаемых модельных композиционных структурах, что позволит уточнять параметры моделей и проводить их верификацию.

Ожидаемые результаты
Целью настоящего проекта является разработка фундаментальных подходов механико-математического моделирования для оптимизации деформационного поведения конструкций, выполненных из композитов на основе суперконструкционных термопластичных полимеров, армированных непрерывными углеродными волокнами. Новизну проекта составляет использование для создания композиционных материалов, предназначенных для энергетического и транспортного оборудования, суперконструкционных термопластичных полимеров, разработка математических моделей расчета деформационного поведения таких конструкций в условиях сложнонапряженного состояния и обеспечивающий возможность оптимизации структуры и технологических параметров производства таких композиционных материалов. В результате выполнения проекта будут достигнуты следующие результаты: Модельное описание процессов зарождения и развития структурных трансформаций в конструкциях, выполненных из композитов на основе суперконструкционных термопластичных полимеров, армированных непрерывными углеродными волокнами. Математические модели деформационного поведения однонаправленного монослоя термопластичного препрега «углеродное волокно – полисульфон» при различных внешних воздействиях с целью оптимизации структуры и свойств. Математические модели деформационного поведения однонаправленного монослоя термопластичного препрега «углеродное волокно – полисульфон» будут обеспечивать: возможность использования парных и многочастичных потенциалов межатомного взаимодействия, позволяющих описывать с высокой точностью механические, энергетические и структурные свойства для моделирования поведения исследуемых материалов на микроуровне; использование многочастичного взаимодействия в методе подвижных клеточных автоматов для моделирования на мезо- и макроуровне; возможность распараллеливания вычислительного процесса для проведения расчетов на высокопроизводительных кластерах; варьирование параметрами нагружения, ответственными за сжатие и растяжение моделируемого образца в различных режимах механического нагружения; анализ распределения полей смещений, скоростей и сил в различные моменты времени. Результаты математического моделирования деформационного поведения микропластика с различным содержанием термопластичного связующего (30 – 50 масс.%) и различным содержанием высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон ( жгуты 1К, 3К, 6К, 12К). Результаты верификации математических моделей деформационного поведения однонаправленного монослоя термопластичного препрега «углеродное волокно – полисульфон» Экспериментально определенные значения упруго-прочностных характеристик используемых при верификации моделей исходных материалов Упруго-прочностные характеристики микропластиков, и однонаправленных углепластиков на основе термопластичных связующих Результаты экспериментальной оценки размеров переходного слоя на границе раздела волокно - термопластичный полимер в зависимости от выбранного подхода к его формированию Результаты определения упруго-прочностных характеристик образцов монослоя углеродная ткань – термопластичное связующее для различных типов углеродных волокон и типов плетения Результаты математического моделирования силового элемента - стрингера с учетом построенных математических моделей деформационного поведения образующих его монослоев различной архитектуры. В соответствии с паспортом федерального проекта «Цифровые технологии» национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации» к 2024 году необходимо в 2,5 раза увеличить объем выручки проектов (по разработке наукоемких решений, по продвижению продуктов и услуг по заказу бизнеса) на основе внедрения «сквозных» цифровых технологий компаниями, получившими поддержку федерального бюджета. Осуществление предлагаемого проекта в полной мере согласуется с указанным проектом. Проведение таких разработок стало особенно актуальным в связи с обострившейся проблемой импортозамещения, в настоящее время преодолеваемой госкорпорациями ОАК и Ростех в вопросах проектирования силовых конструкции крыла, частей центроплана и кессона крыла. Данный проект ориентирован на применение самых передовых методов проектирования и исследования новых материалов, основанных на математическом моделировании свойств материала (изделия) и моделировании его поведения, см. раздел 4.5 заявки.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Выполнено модельное описание процессов зарождения и развития локальных структурных трансформаций в конструкциях, выполненных из композитов на основе термопластичного полимера - полисульфона, армированного непрерывными углеродными волокнами. В модельном описании выделены элементы неоднородности, имеющие высокий структурный уровень. Рассмотрены два вида взаимодействия в периодической структуре: взаимодействие, зависящее от расстояния между волокнами и их взаимное расположение, и взаимодействия волокна с матрицей. Рассмотрено разрушение однонаправленного волокнистого композита, путем накопления повреждения в полимерной матрице и обрывов нитей. Модельное описание процессов зарождения и развития локальных структурных трансформаций показало, что взаимодействие, наблюдаемое в структуре композиционной среды, зависит от расстояния между волокнами и их взаимного расположения, углов разориентации волокон . Это взаимодействие приводит к нарастающей концентрации напряжений в композиционной среде с ростом относительного объемного содержания включений. За счет него обеспечивается значительный вклад в величину модулей в высоконаполненных композиционных материалах. Для построения корректной модели деформационного поведения термопластичных полимеров были разработаны методы и алгоритмы, позволяющие формировать структуру композиционной среды на основе данных, полученных при изучении исходных образцов, с учетом особенности их строения. Был сформирован и обработан набор микрофотографий, полученный с продольных и поперечных шлифов микропластиков с увеличениями х100, х200 и х500. Были разработаны: алгоритм решения задачи оценки распределения значений углов разориентации; алгоритм решения задачи оценки расстояний между волокнами (в продольной проекции); алгоритм решения задачи оценки расстояний между волокнами (в поперечной проекции). Для обеспечения работы указанных алгоритмов были продолжены методы очистки изображений от искажений: цифровой шум, геометрические искажения, вызванные поворотом, неравномерность в освещенности, расфокусировка, сдвиг. Были подобраны параметры фильтра, обеспечивающие наибольшее подавление шума в микрофотографиях образцов. Для понижения размерности признакового пространства данных использовался метод главных компонент. Были разработаны алгоритмы поиска замкнутых контуров и расстояний между ними. Были найдены показатели, характеризующие структурные особенности образцов. Получены: распределение значений углов разориентации волокон и функции их плотности; распределение значений углов разориентации волокон, полученное для группы образцов; функция плотности распределения значений углов разориентации, построенная для группы образцов; распределение значений расстояний между волокнами в продольной проекции; функция плотности распределения значений расстояний между волокнами (в продольной проекции) в образце; распределение значений расстояний между волокнами в продольной проекции, полученное для группы образцов; функция плотности нормального распределения значений расстояний между волокнами построенная для группы образцов; распределение значений расстояний между волокнами в поперечной проекции; функция плотности распределения значений расстояний между волокнами (в поперечной проекции) в образце; распределение значений расстояний между волокнами в поперечной проекции, полученное для группы образцов; функция плотности распределения значений расстояний между волокнами (в поперечной проекции) в образце, построенная для группы образцов. Построение моделей термопластичных полимеров на основе данных, полученных при изучении исходных образцов, позволило выделить элементы неоднородности, имеющие высокий структурный уровень. Разработаны алгоритмы, реализующие методы подвижных клеточных автоматов и молекулярной динамики, позволяющие проводить многоуровневое моделирование механического поведения армированных углеродным волокном термопластов. В рамках метода подвижных клеточных автоматов моделируемая среда была представлена ансамблем взаимодействующих элементов конечного размера и определенной исходной формы, которая может изменяться в процессе деформирования. Моделирование механического поведения показало, что для описания поведения материалов со сложной структурой, имеющей тенденцию к перестроению, наряду с классическими методами сплошных сред необходимо привлекать класс методов, позволяющих в явном виде задавать как структуру моделируемой среды, так и законы взаимодействия между структурными элементами. Вовлечение механизмов определенного иерархического уровня, происходящее при достижении некоторого порогового значения внутренних напряжений, не «отменяет» функционирование механизмов низших уровней, но обусловлено их недостаточностью для компенсации роста уровня внутренних напряжений в системе. Разработано программное обеспечение для расчета эволюции заданной физической модели деформационного поведения однонаправленного монослоя термопластичного препрега «углеродное волокно – полисульфон». При выполнении численного интегрирования был использован расчет соответствующего межчастичного взаимодействия, который зависит от выбранной физической модели или потенциала и определяется поведением моделируемой системы. Программный модуль включает систему подготовки данных, расчетные ядра, систему хранения результатов расчетов, систему представления результатов. Были проведены тестовые расчеты процессов зарождения и развития локальных структурных трансформаций в композитах на основе термопластичных полимеров, армированных непрерывными углеродными волокнами, и их сравнение с имеющимися экспериментальными данными. В тестовых расчетах использовались 3D-модели термопластичных полимеров, построенные с учетом информации о структуре композиционной среды, полученной при изучении исходных образцов. Изготовлены тестовые образцы микропластиков на основе высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон и термопластичного связующего - Полисульфон Ultrason S 2010 с содержанием связующего от 15 до 50 масс.% Изготовлены образцы сравнения - микропластики с термореактивной эпоксидной матрицей на основе высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон. Проведены испытания микропластиков и не пропитанных нитей с определением модуля упругости, деформаций при разрушении, предела прочности при растяжении и построением диаграмм "нагрузка-деформация". Исследована структура исходных образцов и поверхностей разрушения с использованием СЭМ. Установлена взаимосвязь структуры образцов с особенностями деформационного поведения микропластиков на основе полисульфона при растяжении. Экспериментальное моделирование показало, что в деформационное поведение микропластиков на основе углеродных волокон пропитанных полисульфоном отличается от характерного для композитов с термореактивными матрицами и деформационного поведения не пропитанных нитей. Диаграммы термопластичных микропластиков содержат два не линейных участка: начальный в интервале напряжений до 150-180 МПа и конечный при напряжениях выше 1200-1500 МПа. Скорость испытания не влияет на прочность композитов с современными высокопрочными углеродными волокнами и матрицей из полисульфона в интервале скоростей перемещения траверсы от 1 до 100 мм/мин., для высокомодульных волокон наблюдается снижение прочности на 30 % при изменении скорости траверсы с 1 до 30 мм/мин. С ростом содержания волокна с 60 до 80 масс.% прочность композитов снижается на 30-35 % для высокопрочных и на 45-50 % для высокомодульных волокон. Разработан метод определения толщины переходного слоя на границе полисульфон-углеродное волокно по данным СЭМ. Толщина переходного слоя по результатам выполненных измерений составляет 0,290-0,410 мкм и не зависит от типа углеродного волокна.

Публикации

1. Степашкин А.А., Хуссам Мухаммад, Макарова Е.Д., Одинцова Ю.В., Лаптев А.И., Чердынцев В.В. Deformation behavior of single carbon fibers impregnated with polysulfone Polymers, - (год публикации - 2022).