Прогнозирование механических свойств композиционных материалов на основе 3D-тканей методами математического моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.19.01, кандидат наук Балашов Андрей Борисович

• Балашов Андрей Борисович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Балашов Андрей Борисович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АКТУАЛЬНОСТЬ ЗАДАЧ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ЭБ-ТКАНЕЙ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ТЕКСТИЛЬНОЙ, ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Строение и свойства химических нитей

1.2. Преимущества применения тканых материалов в композитах

1.3. Применение химических нитей и волокон в композиционных материалах

1.4. Обзор методов и программного обеспечения для решения задач прогнозирования механических свойств композиционных материалов на основе текстильных армирующих каркасов

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НИТЕЙ

2.1. Разработка математической модели различных форм поперечного сечения углеродных нитей

2.2. Учет поворота утков в геометрической модели структуры 3Б-ткани

2.3. Реализация разработанной модели в программном обеспечении «Преформа». Примеры построения различных 3Б-структур

2.4. Проверка адекватности разработанной модели методами компьютерной томографии

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА ОТ ЕГО ПОЛОЖЕНИЯ В КОМПОЗИТЕ

3.1. Обоснование необходимости разработки методики для определения механических свойств углеродного волокна от его положения в композиционном материале при различных НДС

3.2. Разработка методических основ выполнения экспериментальной части для определения механических свойств 3О-тканых структур

3.3. Методика подготовки образцов и проведение эксперимента

3.4. Разработка алгоритмов определения ориентации нити для 3Э-тканых структур в программном обеспечении «Преформа»

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА НОВОЙ МЕТОДОЛОГИИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ 3Э ТКАНЫХ СТРУКТУР

4.1. Разработка новой концепции расчета композиционных материалов на основе 3Э тканых структур с использованием воксельного подхода

4.2. Разбиение цельнотканой преформы на зоны анизотропии

4.3. Интеграция программного обеспечения «Преформа» с САЕ системой ЬБ-Оупа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт внедрения результатов работы

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты испытаний

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ЕАЭС - Евразийский экономический союз

ТУ - технические условия

ТЗ - техническое задание

ПО - программное обеспечение

1111 - программные продукты

СТС - сложные технические системы

ПТП - проектирование технологического процесса изготовления изделий CAD - (Computer-aided design) автоматизированное конструкторское проектирование

CAE - (computer-aided engineering) автоматизированная инженерная система CAM - (Computer-Aided Manufacturing) подготовка технологического процесса производства изделий, ориентированная на использование ЭВМ PLM - (Product lifecycle management) управление жизненным циклом изделия PDM - (Product Data Management) организационно-техническая система управление всей информацией об изделии

VHD - (Virtual Product Development) виртуальная разработка изделий

RTM - (Resin Transfer Moulding) технология изготовления композиционных

материалов методом инжекции связующего в закрытую форму

RVE - (Representative Volume Element) представительский объем

НМ - нетканый материал

КМ - композиционный материал

ПКМ - полимерный композиционный материал

ДСК - дифференциальный сканирующий калориметр

ИК-спектроскопия - инфракрасная спектроскопия

СКТ - суперкомпьютерные технологии

ПЭО - представительский элемент объема

РКТ - рентгеновская компьютерная томография

НДС - напряженно-деформированное состояние

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование механических свойств композиционных материалов на основе 3D-тканей методами математического моделирования»

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях рыночной экономики встает вопрос сокращения сроков жизненного цикла на этапе подготовки и вывода на рынок новой наукоемкой продукции. При подготовке нового вида продукции производители сталкиваются с необходимостью наращивания затрат и совершенствования производственных процессов. Чтобы предприятиям конкурировать на мировом уровне необходимо внедрять современные инженерные концепции четвертой промышленной революции «Индустрия 4.0». «Индустрия 4.0» это результат цифровой трансформации товаров и услуг, внедрение информационных технологий в промышленность, а также применение инновационных цифровых бизнес-моделей.

В настоящее время концепция «Индустрия 4.0» активно внедряется в стратегические планы развития коммерческих предприятий и национальные программы государственного уровня. Цифровизация экономики является одной из самых актуальных задач на текущий момент в Российской Федерации, реализуется под названием «Цифровая экономика» в виде проектов, направленных на создание цифровой среды во всех сферах социально-экономической деятельности. Процессы цифровой трансформации различных направлений ставят на повестку новую задачу - создания цифровых двойников.

Современные рыночные условия к бизнес-модели предприятия предъявляют достаточно жесткие требования по сокращению времени выхода на рынок новых материалов с заданными эксплуатационными свойствами. Для решения данных задач необходимо использовать материаловедческие подходы и развивать соответствующий инструментарий. Важной задачей является сохранение полного жизненного цикла материала как при разработке, так и при использовании на предприятии. Эта ситуация привела к появлению концепции проектирования материалов ICME (Integrated Computational Materials Engineering - комплексная инженерия вычислительных материалов), которая используется для разработки новых материалов. ICME - это интегрированное решение для комплексного взаимодействия между процессами изготовления,

микроструктурой материала, свойствами материала, характеристиками изделия с управлением данными по материалу на всех уровнях проектирования и изготовления. По сути, данное направление в науке является некоторой трансформацией подходов, ранее описанных в литературе, под названием «цифровое материаловедение». Технология 1СМЕ позволяет выполнить виртуальное моделирование материала и натурные виртуальные испытания, за счет чего снижается использование физических прототипов. 1СМЕ объединяет этапы жизненного цикла проектирования материала и позволяет спроектировать материал, смоделировать процесс изготовления, определить как влияет характеристика материала на изделие, рассчитать конструкцию частично или полностью в сборе. Свойства материалов очень сильно зависят от микроструктуры материала, которая определяет тензор ориентации армирующих волокон и прочностные характеристики изделия. При построении цифрового двойника изделия все данные, использованные при проектировании материала, должны между собой взаимодействовать, иметь возможность управления и быть согласованными с физическими испытаниями реальных объектов.

Виртуальная разработка материала позволяет выполнить исследование микроструктуры и определить влияние технологических компонент на свойства материала. После создания модели материала можно выполнить виртуальные испытания, значительно сократив затраты на испытания реальных образцов. В дальнейшем результаты испытаний материалов можно сохранить с целью верификации и управления прочностными характеристиками для расчета будущей конструкции. Это направление позволяет использовать точные данные напрямую от разработчика материалов для проектирования изделий конструкторам. Учет технологии изготовления позволяет определить влияние технологических параметров на конечные характеристики изделия. Точное многоуровневое моделирование материалов дает возможность использовать достоверные модели на всех этапах проектирования, от испытания образцов с возможностью калибровки модели материала до проектирования на уровне

изделия. Еще одним направлением виртуального моделирования является использование искусственного интеллекта для прогнозирования характеристик нового материала, который получается комбинацией микроструктуры или изменением различных технологических фаз изготовления.

На современных производствах, которые начинают использовать концепцию 1СМЕ сложилась устойчивая тенденция внедрения принципа сквозного проектирования. Технология сквозного проектирования позволяет объединить все этапы жизненного цикла в единую информационную систему -от этапа постановки задания и заканчивая этапом создания документации. Использование этого технологического подхода дает возможность управлять цифровой моделью на любом этапе жизненного цикла, в результате чего заказчик получает не только готовую модель изделия, но и комплексную процессную модель предприятия. При разработке изделий сложной геометрической формы и формировании заданной микроструктуры материала сквозная технология определяет организационно-техническую систему предприятия, управление инженерными данными, технологические процессы, использование оборудования и формообразующую оснастку.

Степень разработанности темы.

В направлении разработки методов прогнозирования строения и свойств текстильных материалов известны работы ученых: Шустов Ю.С., Хамматова В.В., Кирсанова Е.А, Соловьев А.Н., Севостьянов П.А., Панин И.Н., Ломов С.В., Кирюхин С.М., Примаченко Б.М., Гусев Б.Н., Коробов Н.А., Трещалин М.Ю, Куличенко А.В., Макаров А.Г., Рымкевич П. П., Вознесенский Э.Ф., Абрамов А.В., Киселев А.М. и др. Однако современные химические нити и волокна сегодня уже используются не только как материал для традиционных изделий текстильного и бытового назначения, но и для технических целей с целью создания армирующих структур для получения высокопрочных композиционных материалов и изделий из них. Более широкое и углубленное исследование текстильных армирующих структур в композиционных материалах является существенным отличием от имеющихся в настоящее время

работ в области текстильного материаловедения. Работа представляет собой продолжение направления исследований, выполненных Киселевым А.М. и расширяет ее далее на композиционные материалы.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение точности прогнозирования механических свойств композиционных материалов на основе 3Б цельнотканых преформ за счет высокоточного описания их геометрической структуры на уровне нити и новой методологии компьютерного моделирования.

Задачи исследования:

1. Анализ современного состояния моделирования геометрии структуры цельнотканых 3D-преформ и методов прогнозирования свойств композиционных материалов на их основе.

2. Совершенствование геометрической модели структуры цельнотканых преформ с целью повышения адекватности. Разработка моделей различных форм поперечного сечения углеродных нитей и учет поворота нитей утка.

3. Проверка адекватности разработанных моделей методами компьютерной томографии.

4. Разработка методики определения механических свойств углеродного волокна в композиционном материале.

5. Разработка новой методологии прогнозирования свойств композиционных материалов на основе 3Б тканых структур.

6. Реализация разработанных методик и моделей в виде программного обеспечения для ЭВМ.

Методы и объекты исследования. Для разработки теоретических моделей в работе использовались положения механики сплошных сред и механики разрушения, метод конечных элементов в объемной постановке, аналитическая геометрия и статистические методы обработки результатов экспериментов. Для оценки адекватности разработанных моделей сравнением с экспериментальными данными испытания исследуемых образцов материалов при деформации растяжения, сжатия и сдвига выполнялись на машине МИ-

40КУ. Томографические исследования 3D текстильных структуры выполнялись на компьютерном томографе GEv|tome|xm300.

Для построения геометрических моделей и их последующей обработки использовалось программное обеспечение (ПО): SolidWorks, SpaceClaim и оригинальное программное обеспечение «Преформа». Для виртуальных испытаний образцов использовалось ПО Ls-Dyna. Для выполнения статистического анализа использовалось ПО StatisticaV 7.0. Разработка оригинального программного обеспечения выполнялась с применением ПО Visual Studio на языках программирования C++.

Объектами исследования являлись химические нити, в частности углеродные, их строение и механические свойства; ткани, изготавливаемые по технологии 3D-ткачества, как полупродукт готового изделия текстильной промышленности, их строение и механические свойства; методы проектирования механических свойств углеродных химических нитей и 3D-тканых армирующих текстильных структур на их основе.

Диссертационная работа соответствует пунктам паспорта научной специальности 05.19.01 Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности (технические науки): п. 1. «Строение, свойства и показатели качества натуральных и химических волокон, нитей и полупродуктов прядения, ткачества и отделки», п.2 «Строение, свойства и показатели качества тканей, трикотажа и нетканых материалов», п.8 «Методы проектирования и прогнозирования свойств и показателей качества материалов и изделий текстильной и легкой промышленности».

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методологии прогнозирования свойств композиционных материалов на основе цельнотканых объемных преформ, включающей комплекс новых научно-обоснованных методик компьютерной обработки 3D-тканых текстильных материалов и совершенствования математических моделей их геометрического строения.

1. Разработана новая методология прогнозирования свойств

композиционных материалов на основе цельнотканых BD-преформ, позволяющая снизить трудоемкость решения задачи.

2. Разработана математическая модель выделения «представительского объема» материала в цельнотканой преформы сложного объемного строения, позволяющая получать геометрическую модель материала для дальнейшего определения ее свойств методом гомогенизации.

3. Разработаны модели поперечного сечения углеродной нити различной формы и модель поворота утков в 3D цельнотканых преформах, позволяющие повысить точность построения их геометрической модели.

4. Разработана методика определения свойств углеродной нити в композиционном материале, как ортотропного тела, при различных углах ее ориентации в пространстве.

Практическая значимость и реализация результатов работы

1. Разработана новая методология прогнозирования свойств композиционных материалов на основе цельнотканых 3D-преформ, позволяющая снизить трудоемкость решения задачи. Методология ориентирована на получение свойств композиционных материалов для последующего расчета в CAE системах для конкретного изделия. Она реализована в виде оригинального (разработанного в рамках диссертационного исследования) программного обеспечения готового к применению.

2. Разработан комплекс экспериментальных методик и математических моделей, позволяющих снизить трудоемкость и сроки решения задачи прогнозирования свойств композиционных материалов на основе цельнотканых преформ и повысить адекватность их геометрической структуры. Разработанные экспериментальные методики могут быть выполнены в условиях обычной заводской лаборатории и не требуют специального оборудования. Все разработанные модели реализованы в виде оригинального программного обеспечения, которое может быть использовано любым промышленным предприятием, занимающимся разработкой композиционных материалов с новыми эксплуатационными свойствами.

Результаты диссертационной работы внедрены на ПАО «ОДК-Сатурн» (г.Рыбинск).

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель строения цельнотканых ЭЭ-преформ на уровне нити различных поперечных сечений и их поворота вокруг своей оси.

2. Разработка методики определения механических характеристик углеродной нити, как ортотропного тела, от ее положения в композиционном материале.

3. Алгоритм и программное обеспечение разбиения структуры цельнотканой ЗЭ-преформы на зоны анизотропии.

4. Методология прогнозирования свойств композиционных материалов на основе ЭЭ-тканых структур с использованием воксельного подхода. Степень достоверности и апробация результатов Достоверность научных результатов, представленных в работе,

обусловлена выполнением экспериментальных исследований, корректным использованием классических положений механики сплошных сред, применением современного программного обеспечения, объективного томографического метода контроля объектов исследования, позволяющих получать сопоставимые результаты расчетных и экспериментальных данных, корректным использованием статистических методов обработки получаемых результатов, а также внедрением результатов диссертационного исследования в реальные процессы проектирования материалов на производстве.

Основные положения диссертационной работы и ее результаты доложены, обсуждены и получили положительную оценку на научно-технических конференциях и симпозиумах: Международной научно-практической конференции «Текстильная химия: традиции и новации - 2019» (Иваново, ИГХТУ, 2019 г.); Международной научной конференции, посвященной 110-летию со дня рождения профессора А.Г. Севостьянова (Москва, РГУ им. А.Н. Косыгина, 2020 г.); Национальной молодёжной научно-технической конференция «Молодые ученые - развитию Национальной технологической

инициативы» (ПОИСК - 2020), (Иваново, ИВГПУ, 2020г.); Международной научно-практической конференции «Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы» (SMARTEX) (Иваново, ИВГПУ, 2020г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения профессора Н.А. Васильева (Москва, РГУ им. А.Н. Косыгина, 2020 г.).

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов кандидатских и докторских диссертаций, 6 статей в других научных изданиях, 2 тезиса докладов.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, разработке методологии прогнозирования свойств композиционных материалов на основе цельнотканых преформ, разработке методик экспериментального исследования образцов композиционных материалов с применением информационных технологий, разработке математических моделей различных форм поперечного сечения углеродной нити и поворота утка, разработке оригинального программного обеспечения, статистической обработке результатов исследований, проведении виртуальных испытаний образцов композиционных материалов, формировании общих выводов по работе. Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы. Основное содержание работы изложено на 185 страницах машинописного текста и содержит 22 таблицы, 133 рисунка. Приложения представлены на 11 страницах, список используемой литературы содержит 79 наименований.

Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Костромской государственный университет».

Диссертационная работа выполнялась в рамках: - научно-исследовательских работ по Договору № 204ГРЦТС10-D5/65198от 24.12.2020 с Федеральным государственным бюджетным

учреждением "Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере" (Фонд содействия инновациям, г. Москва) по теме: «Разработка программно-аппаратного экспериментального цифрового комплекса для реализации технологии фронтального 3D-ткачества», 2020 год;

- хоздоговорной работы с ПАО «ОДК-Сатурн» (информация конфиденциальная в соответствии с Договором МОА), 2019-2021 гг.

ГЛАВА 1. АКТУАЛЬНОСТЬ ЗАДАЧ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СВОЙСТВ

3Б-ТКАНЕЙ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ТЕКСТИЛЬНОЙ, ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Задачи проектирования изделий текстильной и легкой промышленности всегда стояли перед производственными предприятиями, целью которых было сокращение сроков производственного цикла выпускаемой продукции, снижение ее себестоимости и расширение ее ассортимента. Постоянно увеличивающаяся сложность текстильных изделий требует развития технологий их проектирования и изготовления. Среди большой номенклатуры выпускаемых текстильных тканей можно выделить группу многослойных тканей, требующих специализированных технологий производства и методов проектирования сложной тканой структуры. Применение многослойных тканей нашло широкое применение в текстильной и легкой промышленности. В диссертационном исследовании [22] рассмотрено применение льносодержащих текстильных материалов для однослойных и многослойных тканей, применяемых для изготовления верха обуви. Рассмотрены также вопросы проектирования мелкоузорчатых переплетений в многослойных тканях для текстильных изделий. В работе [14] дается обоснование экономической целесообразности замены дублированных текстильных материалов на многослойные текстильные структуры. Рассмотрены вопросы создания многослойных тканей, предназначенных для производства обуви и одежды, и оптимизации технологии их получения на двух-навойном ткацком станке. Диссертационное исследование [15] посвящено разработке структур и технологии производства одного из видов многослойной ткани со слоисто-каркасной структурой. Разработанная технология нашла применение для изготовления утепленных стелек для обувной промышленности. Известно большое количество патентов, посвященных совершенствованию технологии получения многослойных тканей с различными структурами, которые применяются для различных текстильных изделий с заданными эксплуатационными свойствами. Например, в [35] разработана

технология получения многослойного материала для одежды, которая содержит текстильные лицевой и подкладочный слои, простегнутые непересекающимися строчками с образованием теплоизолирующих ячеек. Предложенный материал относится к текстильной промышленности и может быть использован для изготовления одежды различного назначения. Развитие технологий получения многослойных тканей совершенно очевидно имеет преимущества перед собираемыми пакетами из однослойных тканей. Меняя структуру переплетений внутри многослойной ткани можно очень эффективно управлять как их механическими, так и теплофизическими свойствами. При этом производительность процесса автоматизированного ЭЭ-ткачества существенно выше, чем ручное формирование пакетов материалов из однослойных тканей. В диссертации [10] приводится пример применения многослойной ткани для изготовления боевой защитной одежды пожарного (см. рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Защитный костюм пожарного из многослойной ткани [10]

В данной же работе сделан вывод о том, что многослойная ткань может быть изготовлена из различных материалов текстильных нитей, что делает их востребованными не только для традиционных областей применения в текстильной и легкой промышленности, но и в широком спектре других отраслей народного хозяйства. Сущность сегодняшних изменений в отношении

применения текстильных технологий и материалов в различных отраслях народного хозяйства заключается в том, что традиционное применение данных технологий ранее ориентировалось на бытовой текстиль, производство которого основано на переработке натурального сырья - льна, хлопка и др. Появление широкого спектра химических волокон и нитей (см. рис. 1.2) резко изменило соотношение применения текстильных технологий и материалов от бытового назначения к техническому текстилю в сторону последнего.

Рисунок 1.2 - Классификация текстильных волокон [23]

В работе [16] также подтверждается, что технологии многослойных тканей сегодня востребованы в таких отраслях как оборонная, космическая и авиационная отрасли, строительство, транспорт, медицина и др. Важным фактором для перспективности применения многослойных тканей в различных отраслях народного хозяйства является то, что сама технология 3Э-ткачества является универсальной по отношению к материалу нити, что делает ее пригодной и для классического применения в текстильной и легкой промышленности из натуральных волокон и нитей, и для других высокотехнологичных отраслей, где применяются химические нити и волокна. Конечно, существует специфика переработки нитей из различных материалов, особенно для углеродных нитей, но это лишь вопрос совершенствования

известной технологии и оборудования для ее реализации. Особенно перспективными текстильные технологии получения многослойных тканей стали для изготовления армирующих каркасов из химических нитей для композиционных материалов.

Безусловно, одной из самых сложных задач, является прогнозирование свойств композиционных материалов на основе технологий 3D ткачества, поскольку необходимо решать данную задачу в объемной постановке при практически бесконечном числе вариантов возможных схем армирования композита, от которых будут зависеть механические свойства композиционного материала. Хорошо понимая данную ситуацию практически все ведущие фирмы, работающие в области CAE-систем, занимаются разработкой программного обеспечения для решения данной задачи. Среди таких фирм можно назвать ANSYS с программными продуктами Ansys Composite PrepPost и Ansys GRANTA MI, фирму MSC Software с программным продуктом Digimat, фирму Siemens с программным обеспечением FiberSim и другие. Французская фирма ESI GROUP также работает в данном направлении, но ее программное обеспечение распространяется только на коммерческой основе.

Перспективность применения технологии 3D ткачества с точки зрения получения композиционных материалов с уникально высокими механическими свойствами привела к формированию межотраслевой «Дорожной карты развития в Российской Федерации технологий 3D ткачества». Такое решение принято Советом по технической химии и новым материалам коллегии Военно-промышленной комиссии Российской Федерации. В настоящее время осуществляется формирование данной дорожной карты. Реализация дорожной карты запланирована с привлечением финансирования через Минпромторг РФ. Ответственными за формирование дорожной карты выступают два ведущих Российских предприятия в композиционной отрасли - АО «Композит» и АО «ТРИ-Д». Среди различных направлений дорожной карты присутствует пункт 2 - «Разработка алгоритмов проектирования 3D тканей, 3D тканых профилей и композиционных материалов на их основе. Разработка программных комплексов

(САЭ-САЕ-САМ) и методик испытаний КМ на основе ЭЭ-тканей и ЭЭ-тканых профилей. Разработка технологий изготовления изделий из композиционных материалов на основе ЭЭ-тканых профилей», который полностью соответствует теме диссертационного исследования.

Актуальность решения данных задач также широко описана в последних материалах в научных статьях и зарубежных монографиях [6, 8, 18, 42, 50, 48, 51, 61].

1.1. Строение и свойства химических нитей

Основными структурными элементами всех текстильных материалов или изделий являются текстильные волокна и нити. Для изготовления композиционных материалов основную нагрузку также несет армирующий каркас из текстильных нитей или волокон. Очевидные преимущества композиционных материалов перед металлическими изделиями, особенно для аэрокосмической, авиационной и оборонной промышленности хорошо демонстрирует таблица 1.1 [71].

Таблица 1.1 - Механические свойства некоторых композиционных материалов и металлов

Материал Предел прочности (МРа) Модуль Юнга ^Ра) Уд. вес Удельная прочность растяжение (МРа) Удельный модуль упругости Е ^Ра)

Углеродное волокно (CF)/эпоксидный композит* 1590 11Э 1.5 1060 75

Высокопрочный композит CF/эпоксидная смола* 1900 128 1.5 1270 85

Высокомодульный композит CF/эпоксидная смола* 1400 210 1.6 875 1Э1

S-стекловолокно/эпоксидный композит * 1790 55 2.0 900 27

Арамидное («кевларовое») волокно/эпоксидный композит 1800 77 1.4 1280 55

Сталь 1000 210 7.8 1Э0 27

Алюминий Л65 470 75 2.8 170 26

Титан БТВ517Э 960 110 4.5 210 25

Композит стекловолокно/полиэ фир (vr=0,5) 750 38 1.9 395 20

Короткое стекловолокно/нейлон 6,6 (vr= 0,25) 207 14 1.5 138 9

Из таблицы 1.1 видно, что даже композиционные материалы на основе стеклянных волокон по своим свойствам превосходят по пределу прочности алюминиевые сплавы белее чем в 1,6 раза, а композиционные материалы на основе углеродных волокон во столько же раз превышают по прочности сталь и титановые сплавы. При этом их вес почти в 2 раза легче чем титановые сплавы и в 5,2 раза легче стали. Если учесть, что существуют химические нити из SiC с рабочей температурой 1200-1300 °С и температурой плавления 2800 °С, то подобные уникальные характеристики прочности и термостойкости приводят к тому, что традиционные области применения металлов сегодня заменяют на новые материалы для изготовления ответственных изделий. Безусловно прочность композиционного материала будет зависеть от материала нитей или волокон, поэтому перейдем к рассмотрению строения нитей и их свойств из различных материалов. Наиболее интересными для производства композиционных материалов являются нити из стекла, базальта, углерода, арамида и SiC. Сравнительные характеристики некоторых данный волокон приведены на рисунке 1.1 [29].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Балашов Андрей Борисович, 2022 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Балашов, А. Б. Моделирование формы поперечного сечения текстильных нитей / А. Б. Балашов [и др.] // Дизайн и технологии. - 2020. - №2 78 (111). - С. 82-88.

2. Балашов, А. Б. Определение зон представительского объема в структуре строения BD-тканого изделия [Текст] / А. Б. Балашов, М. В. Киселев, П. А. Хилов // Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы (SMARTEX-2020). 20 - 23 октября 2020. - Иваново: ИВГПУ, 2020. - С. 5-9.

3. Балашов, А. Б. Совершенствование геометрической модели структуры 3d-ткани в ПО «Преформа» / А. Б. Балашов [и др.] // Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. - 2021. - № 1 (391). - С. 119-123.

4. Барышев, А. Н. Разработка экспериментально-теоретического метода анализа деформационных и прочностных характеристик высокотемпературных композиционных материалов: дис. ... канд. техн. наук: 01.02.04 / Барышев Антон Николаевич. - Москва, 2019. - 160 c.

5. Биткин, В. Е. Выбор материалов для изготовления размеростабильных несущих конструкций / В. Е. Биткин, О. Г. Жидкова, В. А. Комаров // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - Самара, 2018. - Т. 17, №1. - С. 100-117.

6. Гриневич, А. В. Критерии разрушения полимерных композиционных материалов / А. В. Гриневич, Н. О. Яковлев, А. В. Славин // Труды ВИАМ. М.: ФГУП "ВИАМ" ГНЦ РФ, 2019. - №7(79). - С. 92-110.

7. Гришин, В. И. Прочность и устойчивость элементов и соединений авиационных конструкций из композитов / В. И. Гришин, А. С. Дзюба, Ю. И. Дударьков. - М.: Изд-во физ.-матем. лит., 2013. - 272 c.

8. Гуняева, А. Г. Полимерные композиционные материалы нового поколения на основе связующего ВСЭ-1212 и наполнителей, альтернативных наполнителям фирм Porcher ind. и Toho tenax / А. Г. Гуняева, А. И. Сидорина, А.

О Курносов // Авиационные материалы и технологии. - М.: ФГУП "ВИАМ" ГНЦ РФ, 2018. - № 3 (52). - С. 18-23.

9. Демкович, Н. А. Многоуровневое моделирование композиционных материалов и изделий на их основе [Электронный ресурс] / Н. А. Демкович, А. П. Соколов. - Режим доступа: http://beepitron.com/files/content/digimat.pdf. - Дата обращения 21.05.2021.

10. Джалилов, Ф. Р. Разработка структуры и технологии получения многослойных тканей сотовых структур: дис. ... канд. техн. наук: 05.19.02 / Джалилов Фируз Раджабалиевич. - Душанбе, 2019. - 127 с.

11. Димитриенко, Ю. И. Метод конечного элемента для решения локальных задач механики композиционных материалов: учебное пособие / Ю. И. Димитриенко, А. П. Соколов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. -66 c.

12. Димитриенко, Ю. И. Разработка численного метода расчета эффективных упругих характеристик композиционных материалов / Ю. И. Димитриенко, А. П. Соколов // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - №2. - С. 56-67.

13. Дударьков, Ю. И. Применение MSC Nastan для исследований краевых эффектов в слоистых композитах [Мультимедиа] / Ю. И. Дударьков, Е. А. Левченко, М. В. Лимонин // XVII Российская конференция пользователей систем инженерного анализа MSC SOFTWARE. Форум MSC 2014. - 2014.

14. Жураев, А. Т. Разработка структур и технологии выработки многослойных тканей обувного и одежного назначения: автореферат дис. ... канд. техн. наук: 05.19.03 / Жураев Адилжан Таджидинович. - Санкт-Петербург, 1994. - 19 с.

15. Иванюк, Е. В. Разработка структур, технологии выработки и метода автоматизированного проектирования слоисто-каркасных тканей и контурных трехмерных текстильных изделий: дис. ... канд. техн. наук: 05.19.02 / Иванюк Екатерина Викторовна. - Санкт-Петербург, 2011. - 167 с.

16. Каблов, Е. Н. Композиты: сегодня и завтра [Электронный ресурс] / Е. Н. Каблов. - Режим доступа: https://viam.ru/news/2108/. - Дата обращения 21.05.2021.

17. Каримов, И. Наполнители композиционных материалов [Электронный ресурс]: учебное пособие / И. Каримов. - Режим доступа: http://www.Detalmach.ru/composit1.htm. - Дата обращения 21.05.2021.

18. Киселев, А. М. Разработка методологии проектирования геометрических структур и прогнозирования свойств текстильных материалов объемного строения: дис. ... д-ра. техн. наук: 15.19.01 / Киселев Андрей Михайлович. - Казань, 2019. - 391 c.

19. Киселев, М. В. Проектирование и разработка технологии получения ЗD-тканых полотен для производства композиционных материалов повышенной прочности / М. В. Киселев, В. Ю. Селиверстов, А. М. Киселев // Двигатели для гражданской авиации: корпоративный журнал дивизиона АО «ОДК» Трамплин к успеху. - 2017. - № 10. - С. 36-37.

20. Классификация текстильных волокон [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://msd.com.ua/shvejnoe-proizvodstvoMassifikaciya-tekstilnyx-volokon-i-nitej-osnovnye-xarakteristiki-ix-svojstv/. - Дата обращения 10.02.2022.

21. Клованич, С. Ф. Метод конечных элементов в нелинейных задачах инженерной механики / С. Ф. Клованич. - Запорожье: Свгг геотехшки, 2009. -400 c.

22. Колтышева, Н. Г. Разработка структур и технологии выработки льносодержащих многослойных тканей: дис. ... канд. техн. наук: 05.19.02 / Колтышева Наталья Григорьевна. - Санкт-Петербург, 2001. - 218 с.

23. Комарова, Т. В. Получение углеродных материалов: учебное пособие / Т. В. Комарова. - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2001.

24. Компания ANSYS Inc.: официальный сайт. Программные продукты для решения инженерных задач [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.cadfem-cis.ru. - Дата обращения 21.05.2021.

25. Компания АО «Три-Д»: офиц. сайт [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://3dfabrics.ru. - Дата обращения 21.05.2021.

26. Компания ООО "Новый семестр": офиц. сайт [Электронный ресурс].

- Режим доступа: www.semestr.ru. - Дата обращения 20.11.2021.

27. Компания ООО «Комфайбер Про»: офиц. сайт [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.carbon-info.ru. - Дата обращения 10.05.2021.

28. Компания ООО НПТП «Текстор»: офиц. сайт [Электронный ресурс].

- Режим доступа: http://www. textor-rus. com. - Дата обращения 21.05.2021.

29. Конкин, A. A. Углеродные волокна и другие жаростойкие волокнистые материалы / A. A. Конкин. - М.: Химия, 1974. - 375 c.

30. Максименко, В. Н. Методы расчета на прочность и жесткость элементов конструкций из композитов / В. Н. Максименко, И. П. Олегин, Н. В. Пустовой. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2015. - 424 c.

31. Миронов, Ю. М. Оценка структурных дефектов углеродных волокон и полимерных композиционных материалов на их основе [Электронный ресурс] / Ю. М. Миронов, Ю. В. Храповицкая, М. О. Макеев // Наука и образование. -М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - №11. - Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/281952.html. - Дата обращения 21.05.2021.

32. Муйземнек, А. Ю. Механика деформирования и разрушения полимерных слоистых композиционных материалов: учебное пособие / А. Ю. Муйземнек, Е. Д. Карташова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2017. - 77 c.

33. Нелинейная платформа для высокоточного моделирования свойств композиционных материалов: презентация фирмы e-Xstream [Электронный ресурс] // Сайт производителя ПО Digimat. - Режим доступа: www.e-xstream.com.

- Дата обращения 20.05.2021.

34. Орешко, Е. И. Обзор критериев прочности материалов [Мультимедиа] / Е. И. Орешко, В. С. Ерасов, Д. В. Гриневич // Труды ВИАМ. -М.: ФГУП "ВИАМ" ГНЦ РФ, 2019. - №9 (81). - С. 108-126.

35. Патент на изобретение РФ №2210646. Класс МКП D06M17/00. Многослойный материал для одежды / Л. П. Соболева, Н. И. Денисова, О. В.Аксёнова, А. А. Дашкевич. - Опубл. 20.08.2003.

36. Первушин, Ю. С. Проектирование и прогнозирование механических свойств однонаправленного слоя из композиционного материала: учебное пособие / Ю. С. Первушин, В. С. Жернаков. - Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. унт., 2002. - 127 а

37. Скворцов, Ю. В. Механика композиционных материалов: курс лекций / Ю. В. Скворцов. - Самара, 2013. - 94 а

38. Соловьев, А. Н. Определение упругих свойств армированных композиционных материалов на основе конечно-элементного моделирования / А. Н. Соловьев, Е. Н. Зиборов, С. Н. Шевцов // Наука юга России (вестник южного научного центра). - 2016. - №2. - С. 3-10.

39. Таирова, Л. П. Прочность однонаправленного слоя внутри многослойных пакетов с различными схемами армирования / Л. П. Таирова, А. А. Смердов // Тезисы докладов первой международной конференции. Деформирование и разрушение композиционных материалов и конструкций. -М.: ИМАШ РАН, 2014. - С. 20-21.

40. Фокин, С. А. Обработка результатов измерений физических величин: учебное пособие / С. А. Фокин, А. М. Бармасова, М. А. Мамаев. - СПб.: РГГМУ, 2009. - 58 с.

41. Фудзии, Т. Механика разрушения композиционных материалов: пер. с японск. / Т. Фудзии, М. Дзако. - М.: Мир, 1982. - 232 а

42. Хитрых, Д. П. Производство композитных материалов в России. Экономика, трудности и перспективы [Электронный ресурс] / Д. П. Хитрых. -2021. - Режим доступа: https://compositeworld.ru/articles/market/id60535f4f937fe40013900a95. - Дата обращения 20.05.2021.

43. Ясинская, Н. Н. Теоретические и технологические основы формирования комбинированных текстильных материалов: дис. ... д-ра. техн. наук: 05.19.02 / Ясинская Наталья Николаевна. - Витебск-Москва, 2019. - 471 c.

44. Albany Engineered Composites Inc.: official website [Electronic resource]. - Access mode: http://ej.kubargo.ru/. - Access date 22.05.2021.

45. Baker, A. A. Composite materials for aircraft structures / A. A. Baker, A. Alan, D. Kelly. - Virginia, 2004. - 602 p.

46. Behera, В. K. 3-dimensional weaving / В. K. Behera, R. Mishra // Indian journal of fibre & textile research. - 2008. - №33. - P. 274-287.

47. Bogdanovich, A. E. Computational Modeling and Analysis of Textile Composites / A. E. Bogdanovich // Accomplishments and Challenges, SAMPE'08 Conference Papers on CD-ROM. - Long Beach, CA, May 18-22, 2008.

48. Bogdanovich, A. E. Multi-scale modeling, stress and failure analyses of 3-D woven composites / A. E. Bogdanovich // Journal of materials science. - 2006. -Vol. 41, № 20. - P. 6547-6590.

49. Bogdanovich, A. E. Multiscale predictive analysis of 3-d woven composites / A. E. Bogdanovich // 35th international sampe technical conference papers on CD-ROM. - Dayton, 2003.

50. Bogdanovich, A. E. Progressive failure modeling and strength predictions of 3 -D woven composites / A. E. Bogdanovich // 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC structures, structural dynamics, and materials conference. - 2009. - P. 52-66.

51. Bogdanovich, A. E. Three-dimensional variational analysis of composite structures using bernstein polynomial approximations / A. E. Bogdanovich // Mechanics of composite materials. - 2001. - Vol. 37, № 5/6. - P. 525-538.

52. Brown, L. P. Recent developments in the realistic geometric modelling of textile structures using TexGen / L. P. Brown [et al. ] // Materials 1st International Conference on Digital Technologies for the Textile Industries (5-6 Sept. 2013). -Manchester, UK, 2013. - P. 12.

53. CAD-/CAM systems for weaving - Arachne [Electronic resource]. -Access mode: www.arahne.si. - Access date 10.06.2020.

170

54. CAD/CAM systems for weaving - ScotCAD-Textiles Limited [Electronic resource]. - Access mode: www.scotweavexom. - Access date 10.10.2020.

55. Campbell, F. C. Structural composite materials / F. C. Campbell. - Ohio, 2010. - 629 p.

56. Chen, X. Structural hierarchy in textile materials: an overview / X. Chen // Modelling and predicting textile behaviour. - 2010. - P. 3-40.

57. Daniel, I. M. Engineering mechanics of composite materials / I. M. Daniel, O. Ishai. - New York, - 2006. - 463 p.

58. ESI Group Inc.: official website [Electronic resource] - Access mode: https://www.esi-group.com. - Аccess date 22.05.2021.

59. Fredrik, S. 3D-woven reinforcement in composites / S. Fredrik // KTH school of engineering sciences. - Stockholm, 2012. - 48 p.

60. Grosberg, P. The mechanical properties of woven fabrics. Part v: the initial modulus and the frictional restraint in shearing of plain weave fabrics / P. Grosberg, B. J. Park // Textile research journal. - 1966. - №36. - P. 420-431.

61. Guenther, Lutz. The puck theory of failure in laminates in the context of the new guideline [Electronic resource] / Lutz Guenther. - 2014. // Access mode -https://ru. scribd.com/document/346180392/VDI-PART-3-The-Puck-theory-of-failure-in-laminates-in-the-context-of-the-new-guideline-pdf. - Access date 21.05.2021.

62. Hearle, J. W. S. The tensile properties of woven fabrics / J. W. S. Hearle, P. Grosberg, S. Ваckе // Structural mechanicsof fibers, yams and fabrics. - 1969. -№49(1). - P. 339-340.

63. Hull, D. An introduction to composite materials / D. Hull, T. W. Clyne. -Cambridge, 1981. - 326 p.

64. Kemp, A. An extension of peirce's cloth geometry to the treatment of non circular threads / A. Kemp // Journal of the textile institute transactions. - 1958. -№49(1). - P. 44-48.

65. Lomov, S. V. Meso-FE Modelling of Textile Composites: Road Map, Data Flow and Algorithms / S. V. Lomov, D. S. Ivanov, I. Verpoest // Composites science and technology. - 2007. - Vol. 67. - P. 1870-1891.

66. Lomov, S. V. Modelling 3d fabrics and 3D-reinforced composites: c hallenges and solutions / S. V. Lomov, D. S. Ivanov, G. Perie // 1-st world conference on 3D fabrics. - Leuven, Belgium, 2008.

67. Lomov, S. V. Modelling of the internal structure and deformability of textile reinforcements: wisetex software / S. V. Lomov, I. Verpoes // Proc. of 10th european conf. composite materials (ECCM-10). - Brugge, Belgium, June 3-7, 2002.

- P. 1-9.

68. McHugh, C. Fiber-reinforced composites [Electronic resource] / C. McHugh. - 2015. - Access mode: https://ru.scribd.com/document/268004901/Fiber-reinforced-Composites-Textinfo. - Access date 22.05.2021.

69. McHugh, C. Improving output rates of constant cross section carbon fiber woven 3D profiles / C. McHugh. - 2011.

70. Mohamed, M. H. Comparative analysis of different 3D weaving processes, machines and products / M. H. Mohamed, A. E. Bogdanovich // Kth school of engineering sciences. - 10 p.

71. Mustafa, A. An introduction to polymer-matrix composites / A. Mustafa.

- 2015. - 296 p.

72. Peirce, F. T. The geometry of cloth structure / F. T. Peirce // Journal of the textile institute transactions. - 1937. - №28(3). - P. 45-96.

73. Smith, M. A. CAD/CAM Algorithms for 3D-Woven Multi-layer Textile Structures World Academy of Science, Engineering and Technology / M. A. Smith, X. Chen // International Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering. - 2009. - Vol. 3, №9. - P. 538-549.

74. Tian, W. Geometric model of three dimensional integrated cellular woven structures / W. Tian, C. Zhu, S. W. Shanghai // College of Textiles. Dong Hua University. - P. 23-27.

75. Topal,S. Finite element modelling of a non-crimp 3-dorthogonal woven composite / S. Topal, S. Ogin, A. Crocombe // 11th world congress on computational mechanics (WCCM XI). July 20 - 25, 2014.

76. Vassiliadis, S. Advances in modern woven fabrics technology / S. Vassiliadis, A. Kallivretaki, D. Domvoglou // Mechanical analysis of woven fabrics: the state of the art. - 2011. - P. 41-64.

77. Xin, D. Geometric analysis of 3D wowen structures and determination of fiber volume fractionding [Electronic resource] / D. Xin, Y. H. Shanghai // College of Textiles, Dong Hua University. - Access mode: http://www.iccm-central. org/Proceedings/ICCM 13proceedings/SITE/PAPERS/Paper- 1039.pdf. -Аccess date 22.05.2021.

78. Zeliang, L. Intelligent multiscale simulation based on process-guided composite database / L. Zeliang, W. Haoyan, H. Tianyu // 16th International LS-DYNA Users Conference, June 10-11, 2020. - Livermore, 2020.

79. Zorin, V. A. Influence of external factors on the accuracy of diagnosing of road-building cars with use of carbon fibers / V. A. Zorin, N. I. Baurova // Construction and road cars. - 2009. - №1. - P. 50-51.

Акт внедрения результатов работы

УТВЕРЖДАЮ И.о. генерального конструктора ПАО «ОДК-Сатурн»

В.А. Афонин

2021 г.

АКТ

Внедрения результатов диссертационной работы Балашова Андрея Борисовича на производстве

Настоящим актом подтверждаем, что полученные в диссертационной работе Балашова А.Б. результаты исследований, представляют практический интерес для предприятия:

1. Программное обеспечение, позволяющее проектировать различные структуры преформ произвольной пространственной конфигурации, изготовленные по технологии ЗВ ткачества.

2. Методики и программное обеспечение выделения ЯУЕ зон с различным типом ткацких переплетений в объеме преформы для заданного изделия.

Данные результаты внедрены в производство для решения материаловедческой задачи разработки рациональной структуры композиционной лопатки вентилятора для двигателя нового поколения ПД-

35.

Начальник КО систем инженерного анализа

К.Р. Пятунин

Алгоритм обработки испытаний в MathCad (П2.1)

аНк := 30 * := 70

йкО :=

йсО :=

АсЗО^-см! аНк-— { 180

110

ек := £к30(а)-10 6

ее - Л О" 6

б0 - 0.427 5п := А-В-тт = 0.493

А := 50

нм 1

Угол наклона нормальных напряжений Площадь образца мм2

Нормальное напряжение П<(Ек,£) от угла эквивалентного напряжения композита

Нормальное напряжение связующего П(Е1,£)

деформация £ из графика композита деформация £ из графика связующего

В := -—-г - 0.426

со5 айа.--

Бс := 5 — Эп

х := 0,0.000001.. 0.00052

5к(х) := Мегр(ек,йк0,х)

йс(х) := Нгйегр (ее, 6с0, х)

(Бс + 5п)-йк(х) - 5с-йс(х)

8п(х) -

Эп

180, п

Площадь сечения нити

Площадь сечения связующего

Линейная интерполяция диаграммы деформирования композита А((Ек,£) Линейная интерполяция диаграммы деформирования связующего П (Е1 ,е) Диаграмма деформирования углеродного волокна ЩЕ2,г)

х0 := 0.01 6пСМахиш1е(Лп,х0)) = 245.199 Максимальное напряжение разырва нити

Экспериментальные исследования при растяжении

Рисунок П2.2 - Диаграммы деформирования при растяжении

с углом наклона нити 15°

Рисунок П2.4 - Диаграммы деформирования при растяжении

с углом наклона нити 45°

Рисунок П2.6 - Диаграммы деформирования при растяжении с углом наклона нити 75° (прочность композита меньше прочности связующего)

Экспериментальные исследования при сжатии

Рисунок П2.7 - Диаграммы деформирования при сжатии с углом наклона нити 0°

178

Рисунок П2.8 - Диаграммы деформирования при сжатии с углом наклона нити 15° (прочность композита меньше прочности связующего)

Рисунок П2.9 - Диаграммы деформирования при сжатии с углом наклона нити 30°

Рисунок П2.10 - Диаграммы деформирования при сжатии с углом наклона нити 45°

Рисунок П2.12 - Диаграммы деформирования при сжатии с углом наклона нити 75° Экспериментальные исследования при сдвиге

Рисунок П2.14 - Диаграммы деформирования при сдвиге с углом наклона нити +15°

100

80 4000

3000

60 I

2000

40 /

/ / ______ 1000

20 //

0 1 0

£. (мм)

* Диаграмма деформирования связующего 5с(в) ► Диаграмма деформирования композита бк(е) Диаграмма деформирования нити 6н(е)

Рисунок П2.16 - Диаграммы деформирования при сдвиге с углом наклона нити +30°

Рисунок П2.17 - Диаграммы деформирования при сдвиге с углом наклона нити +30°

183

Рисунок П2.18 - Диаграммы деформирования при сдвиге с углом наклона нити +45°

-

£, (мы)

► Диаграмма деформирования связующего йс(е)

► Диаграмма деформирования композита &к(£) Диаграмма деформирования нити бн(е)

Рисунок П2.19 - Диаграммы деформирования при сдвиге с углом наклона нити -45°

Рисунок П2.20 - Диаграммы деформирования при сдвиге с углом наклона нити +60°

Рисунок П2.21 - Диаграммы деформирования при сдвиге с углом наклона нити 60°