Моделирование и проектирование дисперсно-наполненных полимерных композитов с требуемыми механическими и триботехническими свойствами

ВВЕДЕНИЕ 4
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ 20
Выводы по главе 1 31
2 ЗАДАЧИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ 33
2.1 Задачи моделирования 33
2.2 Физическая и математическая постановка прямых задач 35
2.3 Численная реализация 38
2.3.1 Метод конечных элементов 39
2.4 Вычисление эффективных характеристик композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена 44
2.4.1 Результаты решения прямых задач 46
Выводы по главе 2 54
3 КОМПЬЮТЕРНОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ НА ОСНОВЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ 55
3.1 Постановка обратных задач 55
3.2 Решение обратной задачи конструирования ПКМ по двум управляющим параметрам на основе численных экспериментов 55
3.2.1 Интерполяция значений эффективных характеристик 56
3.2.2 Нормирование значений управляющих параметров 57
3.2.3 Построение поверхностей отклика, отражающих зависимость эффективных характеристик от управляющих параметров 58
3.2.4 Получение изолиний эффективных характеристик. Выделение на графиках изолиний области значений с требуемыми свойствами 59
3.2.5 Определение области пересечения графиков изолиний путем их совмещения, с целью получения значений управляющих параметров, соответствующих ограничениям на эффективные характеристики 59
3.3 Компьютерное конструирование ПКМ по трем управляющим параметрам на основе численных экспериментов 60
Выводы по главе 3 63
4. КОМПЬЮТЕРНОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ ДНПК С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 65
3.1. Компьютерное конструирование ДНПК с заданными свойствами на основе экспериментальных данных по двум управляющим параметрам 65
3.3. Оптимизация состава экструдируемых полимер–полимерных композитов на основе СВМПЭ 76
4.4 Разработка получения износостойких композитов с термопластичной матрицей на основе полиэфирэфиркетона и полифениленсульфида 81
4.5 Компьютерное конструирование ДНПК по трем управляющим параметрам 92
4.6 Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными 96
Выводы по Главе 4 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 104
СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 120
ПРИЛОЖЕНИЕ А 121

Весь текст будет доступен после покупки

Актуальность темы диссертационного исследования. Полимерные композиционные материалы конструкционного и функционального назначения используются в транспортном, энергетическом, химическом машиностроении, авиационной, космической технике и т. д.
В целом мировой рынок композиционных (композитных) материалов ежегодно составлял 12 миллионов тонн и почти 700 миллиардов евро в денежном эквиваленте. В то же время объем производимых в России композитов представлен всего десятками тонн (0,3 - 0,5% мирового рынка). Потребление композитов в сфере гражданского применения составляет около 12 млрд рублей в денежном эквиваленте ежегодно. Министр промышленности и торговли РФ отмечает: "… во времена советской власти мы были лидерами в этой области, но сейчас наше место одно из последних" [1].
Эксперты придерживаются мнения, что российский рынок композитов обещает расти. Можно отметить, что наиболее перспективными для рынка композитных материалов являются рынки строительства и эксплуатации транспортной инфраструктуры. Достаточно востребованными потребителями композитов в России являются предприятия оборонно-промышленного комплекса, авиастроительной промышленности, космического и судостроительного блоков.

Весь текст будет доступен после покупки

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ
Основная цель задачи в области создания материалов на компьютере заключается в подборе фазового состава, внутренней геометрии, свойств фаз и их взаимодействия таким образом, чтобы желаемые характеристики материала были достигнуты. Эта задача относится к обратным задачам дизайна материалов, где прямые задачи подразумевают заданные параметры материала для определения его эффективных свойств.
Работы, в которых моделируется поведение материалов при воздействии на них внешних факторов, таких как силовые нагрузки и тепловое воздействие, подвергают анализу широкий круг материалов. К ним относятся как различные металлы или их сплавы, углеродные материалы, так и композиты, такие как металлокерамика, полимеры с добавлением дисперсных включений. В таких работах, как правило, получают не только детализированные данные о параметрах напряженно-деформированного состояния в представительном объеме рассматриваемых материалов. Если провести серию расчетов при последовательном увеличении нагрузки на образец, можно получить кривую «напряжение – деформация» для материала в целом. Тем самым параметры, которые характеризуют структуру материала (фазовый состав, взаимное расположение фаз в представительном объеме или внутреннюю геометрию, наличие, размеры и свойства межфазных слоев и т.д.) увязываются со свойствами материала на макроуровне.
Такие задачи часто называют задачами моделирования, а подход, который связывает структуру материала с его макрохарактеристиками, носит ряд названий — структурный, мультимасштабный, микро- или мезомеханический и т.д.
Задачи, целью которых является определение таких свойств материала, как его внутреннее строение или структура по заранее заданным макрохарактеристикам (например, модуль Юнга), и называемые обратными, имеют более высокий интерес с практической точки зрения [71].
При обсуждении стандартных строительных материалов, контроль над этими показателями не всегда можно обеспечить легко и надежно. Полимерные композиты являются более удобным в этом отношении выбором. Модификацию их структуры и изменение свойств можно сделать достаточно простыми способами, например, с помощью использования армирующих добавок [41].
При создании структурной модели полимерного композитного материала необходимо обеспечить адекватное отображение его внутренней геометрии. Если на первом уровне анализа материала он может рассматриваться как однородная среда, то его структурная модель на втором уровне представляет собой ограниченную область, содержащую включения в полимерной матрице. Эта область, называемая представительным объемом или периодической ячейкой, содержит определенное количество включений различных форм. Включения могут иметь разные значения модуля упругости по сравнению с матрицей, их форма может быть представлена в виде кругов, эллипсов, многоугольников и других плоских фигур для плоской модели, и в виде сфер, эллипсоидов, многогранников и т.д. для объемной модели [11]. В реальных материалах, при различной степени наполнения, включения могут располагаться более или менее упорядоченно.
Если представительный объем выбран как минимальные размеры области, необходимо проводить анализ выборок из подобных областей для вычисления усредненных свойств материала. Для материалов с нерегулярным строением размер представительного объема должен быть достаточно крупным, чтобы полученные характеристики могли быть приняты за средние значения для всего материала. Такой подход требует значительных вычислительных ресурсов.
Моделирование наполненных полимерных систем на мезоуровне, учитывающее структурные особенности композитов, представляет одну из наиболее сложных задач в механике сплошных сред [11, 41, 43]. В связи с тем, что матрица может быть наполнена включениями разных размеров, предложен и реализован подход двухэтапного моделирования. На первом этапе рассматривается матрица с включениями малых размеров, и для такого материала получают его эффективные свойства. На втором этапе, мелкая фракция наполнителя как таковая не учитывается, но при расчете свойств материала с крупными включениями в качестве матрицы рассматривается модифицированная мелкими включениями «однородная» среда.
Моделирование поведения наполненных полимерных систем в математике имеет свои особенности. Это связано с необходимостью решения задач с различными геометрическими границами раздела фаз, учитывая большие деформации, нелинейность деформации материала, адгезию включений к матрице и возможность отслоения. Размеры и местоположение отслоения заранее неизвестны и должны быть определены в процессе решения задачи [72].
Из-за нелинейности задач и соответствующих моделей чаще всего используются численные методы, такие как конечно-элементные и конечно-разностные [73]. Последнее время решение соответствующих задач осуществляется с использованием компьютерной техники, включая персональные компьютеры. Добавление армирующих веществ в полимеры может изменить не только их механические свойства, но и разнообразные другие характеристики, такие как теплофизические, электрофизические, триботехнические свойства, а также внешний вид, цвет и т.д.
В исследовании [74] описывается методика моделирования древесно-полимерного композита. Для решения системы дифференциальных и алгебраических уравнений была разработана специальная компьютерная программа, предназначенная для моделирования механического поведения нового композита указанного состава.

Весь текст будет доступен после покупки

1. «LIVEJOURNAL» journal / Interview of the minister of Industry and Trade of the Russian Federation Denis Manturov // URL: http://bmpd.livejournal.com/877652.html.
2. Zozimko U. The application of composite materials as the driver of the defense industries // «New defensive order. Strategies» – 2017. – No 2 (44) http://dfnc.ru/smegnaya/primenenie- kompozitnyh-materialov-kak-drajver-otraslej-opk
3. Corey E.J., Wipke W.T. Computer-Assisted Design of Complex Organic Synthesis – Science. – 1969. – Vol. 166. – P. 178-192.
4. Corey E. J., Cheng X-M. The Logic of Chemical Synthesis – New York: Wiley – 1995. – 436 p.
5. Кумсков М.И., Смоленский Е.А., Пономарева Л.А., Митюшев Д.Ф., Зефиров Н.С.Системы структурных дескрипторов для решения задачи «структура-свойство» // ДАН. – 1994. – Т.336, П.1. – С.64-66.
6. Егорушкин В. Е., Панин В. Е., Панин А. В. О физической природе пластичности // Физ. мезомех. – 2020. – Т. 23, No 2. – С. 5-14
7. Сидоренко Ю.Н., Шевченко Н.А. Прогнозирование механических свойств биометаллического материала на основе многоуровневой математической модели // Физическая мезомеханика – 1999. – Т. 2, No 1-2. – С. 37-42.
8. Макаров П.В. Подход физической мезомеханики к моделированию процессов деформации и разрушения // Физическая мезомеханика – 1998. – Т. 1, No 1. – С. 61-81.
9. Макаров П.В., Бекетов К.А., Атаманов О.А., Кульков С.Н. Вязкая конструкционная керамика: моделирование эволюции мезоструктуры под нагрузкой. – Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: Новосибирск: Наука – 1995. – Т. 2. – С. 153-171.

Весь текст будет доступен после покупки