В Сколтехе разработали модель прочности термопластичных композитов
Чтобы подобрать параметры модели, ученые минимизировали расхождение между расчетными и экспериментальными кривыми деформирования при одноосном, внеосевом и сдвиговом нагружении.
Источник: Новости науки. Иллюстрация создана с помощью нейросети.
МОСКВА, 1 марта. /Новости науки/. Ученые Сколковского института науки и технологий разработали цифровую модель, которая позволяет точнее прогнозировать, как ведут себя термопластичные композиты с короткими стеклянными волокнами с самого первого момента нагружения. Такие материалы широко применяются в авиации, автомобилестроении и других отраслях, где нужны одновременно легкость, прочность и технологичность.
Результаты исследования опубликованы в журнале Results in Engineering.
Главная проблема заключается в том, что такие композиты начинают деформироваться не по «классическому сценарию». Для обычных материалов инженеры обычно могут достаточно четко определить момент, когда материал перестает деформироваться упруго и начинает необратимо изменяться.
Но у короткоармированных термопластичных композитов этот переход размыт: пластические деформации возникают практически сразу, уже на самых ранних стадиях нагрузки. Из-за этого традиционные модели описывают их поведение недостаточно точно.
Чтобы решить эту задачу, исследователи использовали так называемую эндохронную теорию пластичности. Ее особенность в том, что она не требует жестко разделять деформацию на упругую и пластическую стадии. Вместо этого весь процесс описывается как единая история изменения материала во времени, где учитывается весь путь нагружения. Такой подход особенно удобен для материалов, у которых нет четкой границы начала пластичности.
Авторы работы построили модель для двух распространенных типов композитов — на основе полифениленсульфида и полипропилена, армированных короткими стеклянными волокнами.
Затем они определили параметры модели по экспериментальным данным, чтобы расчетные кривые как можно точнее совпадали с результатами испытаний при разных режимах нагрузки — растяжении, сжатии, сдвиге, нагружении под углом, тестах на усталость и трехточечном изгибе. После этого модель была реализована в виде пользовательской программы для промышленного расчетного пакета ABAQUS.
Проверка показала, что новый подход хорошо согласуется с экспериментом в широком диапазоне условий. Модель смогла корректно описать как статическое, так и циклическое поведение материала, причем без введения так называемой поверхности текучести — одного из ключевых элементов классических теорий пластичности. Именно это делает разработку особенно полезной для композитов с «размытым» началом необратимой деформации.
По сути, речь идет о новом инженерном инструменте, который может упростить проектирование деталей из современных композитов и повысить точность расчетов в отраслях, где такие материалы используются особенно активно, в том числе в авто- и авиапроме.
В дальнейшем ученые планируют дополнить модель учетом температуры, скорости деформации и ползучести, чтобы сделать прогнозы еще ближе к реальным условиям эксплуатации.
Результаты исследования опубликованы в журнале Results in Engineering.
Главная проблема заключается в том, что такие композиты начинают деформироваться не по «классическому сценарию». Для обычных материалов инженеры обычно могут достаточно четко определить момент, когда материал перестает деформироваться упруго и начинает необратимо изменяться.
Но у короткоармированных термопластичных композитов этот переход размыт: пластические деформации возникают практически сразу, уже на самых ранних стадиях нагрузки. Из-за этого традиционные модели описывают их поведение недостаточно точно.
Чтобы решить эту задачу, исследователи использовали так называемую эндохронную теорию пластичности. Ее особенность в том, что она не требует жестко разделять деформацию на упругую и пластическую стадии. Вместо этого весь процесс описывается как единая история изменения материала во времени, где учитывается весь путь нагружения. Такой подход особенно удобен для материалов, у которых нет четкой границы начала пластичности.
Авторы работы построили модель для двух распространенных типов композитов — на основе полифениленсульфида и полипропилена, армированных короткими стеклянными волокнами.
Затем они определили параметры модели по экспериментальным данным, чтобы расчетные кривые как можно точнее совпадали с результатами испытаний при разных режимах нагрузки — растяжении, сжатии, сдвиге, нагружении под углом, тестах на усталость и трехточечном изгибе. После этого модель была реализована в виде пользовательской программы для промышленного расчетного пакета ABAQUS.
Проверка показала, что новый подход хорошо согласуется с экспериментом в широком диапазоне условий. Модель смогла корректно описать как статическое, так и циклическое поведение материала, причем без введения так называемой поверхности текучести — одного из ключевых элементов классических теорий пластичности. Именно это делает разработку особенно полезной для композитов с «размытым» началом необратимой деформации.
По сути, речь идет о новом инженерном инструменте, который может упростить проектирование деталей из современных композитов и повысить точность расчетов в отраслях, где такие материалы используются особенно активно, в том числе в авто- и авиапроме.
В дальнейшем ученые планируют дополнить модель учетом температуры, скорости деформации и ползучести, чтобы сделать прогнозы еще ближе к реальным условиям эксплуатации.
