Тривимірні репрезентативні об’ємні елементи для побудови композитних матеріалів із покращеними механічними властивостями

Abstract

Розроблено методологічно-програмний інструмент для ефективного оцінювання властивостей тривимірних композитів матричного типу та періодично структурованих композитних матеріалів із застосуванням сучасних методів граничних та скінченних елементів Проведено модифікацію моделей континуальної механіки для адекватного опису поведінки композитів, адаптацію до цих моделей числової симуляції і програмного забезпечення для розв’язання статичних задач і задач у частотній області. Новизна, переваги і ефективність розробленої комп’ютерної технології забезпечуються побудовою теоретично обґрунтованих моделей для аналізу композитів тривимірної конфігурації з неканонічними формами частинок, вдосконаленням сучасних методів граничних і скінченних елементів і зв'язаних алгоритмічних схем для досягнення високої точності розрахункового аналізу; придатністю до аналізу як статичних, так і динамічних пружних полів у розглянутих структурах. Розроблено розрахункові моделі та програмні засоби для врахування спеціальних форм поодиноких і взаємодіючих неоднорідностей у тривимірній матриці, зокрема, з акцентом на короткі волокна та трубки. Ці моделі та методи застосовано до вивчення статичних та динамічних характеристик баків ракет-носіїв з різних композитних матеріалів. Для дослідження вільних і вимушених коливань оболонкових конструкцій з відсіками, що містять рідину, розроблений метод заданих форм. Як матеріали баків розглянуто композити з алюмінієвою матрицею зі стальними сферичними включеннями та зі стальними та вуглецевими включеннями-волокнами. Запропоновані моделі та алгоритми комп’ютерної симуляції дозволяють проводити числовий аналіз тривимірних статичних задач за класичні умови контакту з матрицею; тривимірних задач щодо статичної взаємодії скінченної кількості включень в матриці; дослідження впорядкованих та стохастично розподілених включень; дослідження включень у вигляді сфер, циліндрів, вуглецевих трубок та включень у вигляді порожнистих сфер та визначити ефективні пружні параметри тривимірних матричних композитів з сферичними включеннями, волокнами і трубками. Результати розрахунків показали зміцнення отриманих композиційних матеріалів з одночасним зниженням густини.