Структурные модели композита

Полученный результат имеет весьма важное практическое значение. В случае принятия условия максимальной интенсивности армирования композита (1.20) снимается неопределенность значений рп и, следовательно, 9 для любой структурной модели композита, независимо от структуры армирования и числа N выделенных в представительном объеме типов ИСЭ. Действительно, в этом случае интенсивности армирования ИСЭ всех типов совпадают [c.24]

Системы координат композита. В пространстве представительного объема композита ИСЭ может принимать, вообще говоря, бесконечно много различных положений. Вклад каждого ИСЭ в эффективные жесткости композита в силу тензорного характера величин Лдр б существенно зависит от его ориентации относительно выделенных в композите направлений. С целью учета этого вклада в структурную модель композита вводятся две ортогональные системы координат глобальная, связанная с композитом, и локальная, связанная со структурным элементом. Выбор направлений осей глобальной системы координат х,у,г достаточно произволен и определяется соображениями удобства или простоты описания тех или иных свойств композита в целом или конструкции. Направления осей локальной системы координат I, 2, 3 , как правило, учитывают элементы симметрии деформативных характеристик ИСЭ или структурных элементов более высокого порядка. [c.33]

Глава 3 посвящена исследованию динамических эффектов, сопутствующих разрушению высокомодульных волокон в композитах. Построены уравнения движения, учитывающие инерционные свойства как волокон, так и матрицы. Приведены алгоритмы и результаты численных расчетов динамических волн напряжений в разрушившемся волокне и в соседних с ним волокнах при упругом и упругопластическом деформировании матрицы. Выделяются динамические эффекты, учитываемые при построении структурных моделей композитов и при алгоритмизации взаимодействия микромеханизмов разрушения. [c.9]

Заканчивается глава (разд. 8) описанием некоторых установленных динамических эффектов, которые учитываются при последующем построении структурных моделей композитов и имитации взаимодействия микромеханизмов разрушения. Некоторые результаты анализа динамических эффектов опубликованы в работах [60,117, 130, 131, 166,167]. [c.94]

Б волокнах, соседних с разрушившимися, возникают волны перегрузки, которые, пробегая по волокнам, могут вызывать их разрушение на значительном удалении от места первичного разрыва. Это обстоятельство используется непосредственно при построении дискретных структурных моделей композитов, [c.138]

Далее рассмотрены основные принципы построения линейных, плоских и объемных структурных моделей композитов, обсуждаются вопросы получения и аппроксимации статистических данных о прочностных свойствах волокон, имитации на ЭВМ случайных значений прочности и оценки несущей способности материала при моделировании накопления повреждений (разд, 2). [c.140]

Рис> 71. Дискретные структурные модели композитов с хрупкими волокнами [c.146]

Подобные теории, получившие название структурных (или микро-механических) теорий прочности, активно развиваются в последнее время (см., например [49, 57]). Трудности, стояш,ие на пути создания достоверной структурной теории прочности, весьма значительны. Прежде всего следует отметить, что сохраняются те из них, которые в предыдущей главе ( 1.2) были названы в качестве основных препятствий, стоящих перед создателями структурных теорий жесткости (податливости) композитов. К ним следует добавить прежде всего повышенные требования к точности определения напряженно-деформированного состояния компонентов композита, поскольку начало разрушения композита обычно связано с локальными физическими процессами. Отсюда — принципиальная невозможность использования многих простейших структурных моделей, достаточных для анализа интегральных (например, жесткостных) характеристик композита. Серьезно затрудняет оценку прочности композита в рамках структурного подхода необходимость рассмотрения кинетики разрушения материала, так как локальные значения параметров напряженно-деформированного состояния компонентов композита часто достигают предельных значений уже на начальных этапах нагружения композита, что, однако, не приводит к исчерпанию его несущей способности. [c.37]

Приведенные выше критерии прочности армированного слоя основаны на структурной модели слоя, которая позволяет аналитически учесть микроструктурные параметры композита. В расчетной практике широкое распространение получили также феноменологические критерии прочности, основанные на условно однородной модели слоя. Пределы прочности такого слоя при простых видах нагружения (растяжении, сжатии, сдвиге) определяются экспериментально, а критерий прочности позволяет предсказать предельное сочетание этих напряжений при сложном нагружении слоя. Феноменологические критерии прочности иногда применяют для оценки прочности слоистого материа.ла, ес.ли известны пределы прочности материала при простых видах нагружения. Преимуществом феноменологического критерия по сравнению со структурным является его высокая точность, обусловленная тем, что феноменологический критерий по существу является аппроксимацией экспериментальных данных. Для структурных критериев требуется меньшее число экспериментальных результатов, и в отличие от феноменологических критериев они позволяют выявить механизм и форму разрушения материала. Феноменологические критерии прочности композитов подробно описаны в литературе [7, 8, 18, 25]. [c.304]

Информацию о структуре материала, размерах элементов, их ориентации и распределении дают флуктуации потока ионизирующих излучений. Для интерпретации флуктуаций в терминах структурных параметров композита рассмотрим последовательность моделей, которые позволяют исследовать взаимосвязи и взаимозависимости между структурными характеристиками композиционных материалов разных уровней. [c.173]

Впервые подробно изложен новый метод параметрической оптимизации оболочек из слоистых армированных композитов — метод обобщенных структурных параметров, являющийся прямым следствием приложения принципов структурной механики композита к анализу модели проекта конструкций упомянутого класса. Применение метода сводит рещение задачи оптимизации в исходной, обычной постановке к реализации соответствующей обобщенной модели оптимизации, оптимум которой обобщенно представляет все множество эквивалентных оптимальных проектов оптимизируемой конструкции. Тем самым, с одной стороны, снимается [c.6]

Конец 60-х — первая половина 70-х гг. характеризуются широким внедрением в практику ОПК хорошо разработанных к этому времени методов математического программирования (МП), существенно расширивших возможности постановки и решения более сложных задач оптимизации конструкций из композитов. Применение методов МП как средства эффективного решения многомерных задач оптимизации позволило качественно изменить содержание задач ОПК из композитов на основе включения в число параметров оптимизации одновременно геометрических параметров конструкции и структурных параметров конструкционного материала. Возникшая при этом потребность в уточнении моделей расчета конструкций, прежде всего слоистых оболочек, стимулировала развитие соответствующих разделов механики конструкций [8, 15, 118 и др.]. В свою очередь, потребность в моделировании деформативных и прочностных характеристик композитов с усложненными свойствами и структурой армирования обусловила устойчивый интерес и, следовательно, быстрое развитие структурной механики композита [15, 25, 54, 63, 75, 105, 127 и др.]. Распространение принципа усреднения на методы расчета деформативных характеристик поли- [c.11]

Расширение класса задач ОПО из композитов в рассматриваемый период было достигнуто, однако, в первую очередь за счет внедрения в анализ и синтез конструкций новых структурных моделей, одной из которых является модель начального разрушения композита (наиболее разработанный ее вариант подробно рассмотрен в [100]). По известному напряженно-деформированному [c.12]

Кроме моделей начального разрушения в рассматриваемый период в теорию и практику ОНО из композитов введены структурная модель жесткостных характеристик пространственно армированных композитов [75], а также модель, учитывающая изменение угла армирования по толщине многослойного пакета [33]. [c.13]

С позиций системного анализа композиционный материал можно рассматривать как некоторую систему определенным образом взаимосвязанных идеализированных физических элементов, называемых далее структурными. При таком подходе моделирование свойств композита в конечном итоге сводится к моделированию взаимосвязи, а при изменении физико-механического состояния композита — взаимодействия между его структурными элементами. Следовательно, мерой сочетания абстрактного и эмпирического в модели композиционного материала является уровень (порядок) выделяемого исследователем структурного элемента, определяемый по отношению ко всей системе, т. е. к композиту в целом. В соответствии с уровнем используемого структурного элемента любая конкретная модель композита может быть зачислена в один из трех классов моделей [c.15]

Эмпирические модели композита. В этом классе реализуется верхний предельный уровень структурного элемента — собственно композит. К рассматриваемому классу отнесем, во-первых, все случаи моделирования физико-механических характеристик композиционного материала по результатам соответствующих испытаний его образцов (фрагментов). Моделирование свойств конструкционного материала в подобных случаях всегда сводится к отождествлению характеристик его образцов с характеристиками материала готового изделия. При этом должны учитываться геометрический и масштабный факторы, а в случае композита, кроме того, факторы, обусловленные технологией изготовления [c.15]

Рис. 1.1. Примеры ИСЭ структурных (а, б) и микро-механических (в, г) моделей композита а, в — призма конечной (бесконечной) длины, армированная волокном б, г — однонаправленно армированный (элементарный) слой

Особенности моделей оптимизации конструкций из композитов. В процессе оптимизации конструкций из композитов совершенствуются геометрия и физико-механические характеристики материала, определяемые варьируемыми структурными параметрами композита. Данное обстоятельство расширяет возможности проектировщика, позволяет находить проектные решения, адекватные характеру конкретной системы внешних воздействий на конструкцию, однако приводит к необходимости учета технологических ограничений на пределы варьирования структурных параметров композита, а также возможностей реализации проекта в реальной конструкции (технологичность проекта). Указанная особенность рассматриваемой проектной ситуации принципиально усложняет постановку задачи оптимизации конструкции из композита по сравнению с аналогичной задачей, например для конструкции из металла или иного однородного конструкционного материала. Характер задачи оптимизации конструкций из композитов существенно усложняется вследствие необходимости учета ряда специфических свойств композиционного материала, в частности зависимостей физико-механических характеристик композита от параметров его структуры, имеющих, как правило, достаточно сложное аналитическое выражение. Данная особенность проявляется в первую очередь при построении модели оптимизации, а также в процессе численной реализации оптимизационной модели. [c.169]

От указанных недостатков свободен структурный подход к установлению критериев прочности композитных материалов. Это направление в механике композитных материалов, представленное работами [50, 124, 146, 168, 172, 181, 192, 195, 199, 241, 255, 267, 278, 281, 310, 343 и др.], базируется на изучении истинных напряжений элементов субструктуры, для каждого из которых принимается тот или иной критерий прочности. Истинные напряжения восстанавливаются после определения средних (по объему представительного элемента) характеристик напряженно-деформированного состояния при помощи уравнений используемой структурной модели композитного материала. Таким путем удается вычислить разрушающие интенсивности внешних нагрузок всех элементов композита и наименьшую из них естественно принять в качестве нагрузки его начального разрушения. Этот подход позволяет выявить эффективность работы связующего и армирующих элементов, указать рациональные по прочности параметры армирования и открывает пути к управлению прочностными свойствами композитных материалов. В то же время необходимо отметить оценочный характер получаемых при этом результатов, поскольку их установление базируется на анализе локальных характеристик напряженно-деформированного состояния компонентов композита, определяемых лишь приближенно. Точность определения этих характеристик из средних по представительному объему величин ограничена, с одной стороны, точностью уравнений используемой структурной модели армированного слоя, само установление которых неизбежно связано с пренебрежением рядом локальных эффектов, и с другой — наличием неучитываемых технологических дефектов — неполной адгезии, отклонений в регулярности сети волокон и т.д., также неизбежно возникающих в процессе изготовления реального композитного материала и играющих роль концентраторов напряжений. [c.36]

СТРУКТУРНЫЕ МОДЕЛИ НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ И РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИТОВ [c.149]

Структурные модели композита. В класс структурных моделей зачислим такие. модели композиционных материалов, в которых физико-механические характеристики определяются в результате синтеза соответствующих характеристик выделяемых исследователем макрооднородных исходных структурных элементов (рис. 1.1). Структурная модель композита, как правило, строится на базе конечного числа типов исходных структурных элементов, отличающихся друг от друга по крайней мере по одному из количественных или качественных признаков, существенных для данной модели. При этом в рамках детерминированной структурной модели элементы одного типа считаются одинаковыми. [c.16]

Как уже указывалось, структурные элементы могут иметь различный порядок. Например, для слоистых композитов целесообразно ввести целый ряд последовательно усложняющихся структурных элементов — элементарный слой, элементарный пакет, регулярный пакет, макрооднородный пакет и т. д. [89, 90]. Каждый последующий элемент этого ряда представляет собой определенное пространственное сочетание предществующих ему по порядку структурных элементов. Поэтому выбор в качестве исходного структурного элемента данного порядка фиксирует в структурной модели композита пространственную структуру материала соответствующего уровня. [c.16]

Структурные модели композита в отличие от микромсханиче-ских строятся на существенно меньшей информационной базе. В частности, в структурном подходе полностью игнорируется различие в пространственной локализации армирующих элементов внутри представительного объема и, следовательно, снимается вопрос о распределении полей микронапряжений и микродефор-маций в объеме (принцип макрооднородности представительного объема). Такой подход позволяет рассматривать в представительном объеме композита вместо всего множества армирующих элементов, как правило, лишь незначительную их часть, именно те, которые различаются между собой физикомеханическими характеристиками или ориентацией относительно заданных в композите направлений. [c.21]

Глава 4 посвящена непосредственно разработке структурных моделей композиционных материалов, алгоритмизации микро механизмов разрушения и имитационному моделированию на ЭВМ процессов разрушения. Приведены алгоритмы построения линейных, плоских, объемных и ква-зиобъемных структурных моделей композитов с хрупкими волокнами, позволяющие имитировать на ЭВМ различные микромеханизмы разрушения и их взаимодействие, а также воспроизводить качественно различные виды макроразрушения. Исследованы особенности развития процессов разрушения в бороалюминии и углеалюминии в зависимости от объемных долей компонентов, статистического распределения прочности волокон и неравномерности их укладки, а также от степени физико-хи- [c.9]

В целом численные эксперименты, моделирование на ЭВМ динамических эффектов, сопутствующих разрушению хрупких компонентов, позволяют глубже понять качественное многообразие ситуаций, возникающих при накоплении повреждений в композите на микроструктурном уровне. Но, как отмечается в некоторых работах [178], полученные результаты в основном показьшают возможности той или иной методики численных или аналитических решений. Выявление динамических эффектов и исследование их влияния на развитие разрушения материалов при этом не только не теряет актуальности, а приобретает особое значение при разработке структурных моделей композитов и имитации на ЭВМ взаимодействия отдельных микромеханизмов разрушения. [c.96]

Непосредсхвенная разработка структурных моделей композитов начинается с анализа некоторых подходов, используйщих элементы имитационного моделирования процессов накопления повреждений и механизмов разрушения на микроструктурном уровне материалов (разд. 1). [c.140]

Имитационное моделирование на ЭВМ применялось в работе [109] при исследовании процессов дробления волокон композиционного материала в области концентрации напряжений, вызванной развитием макротрещины, а также в работах С.Т. Милейко, П.А. Егина и С.Х. Сулейманова при изучении механизмов разрушения и кинетики накопления повреждений при циклическом нагружении слоистых и волокнистых композитов [3, Ш], Подробнее эти подходы рассмотрены ниже (ем, гл. 5) при построении структурных моделей композитов, позво- [c.144]

Имитация на ЭВМ таких микромехаш1змов разрушения, как отслоение волокон и развитие трещин в матрице, требует построения объемных структурных моделей композитов. [c.176]

Далее, структурная модель композита дополняется информацией о прочности связи между волокнами и матрицей. Предполагается, что при некотором среднем значениц прочности связи локальные значения ее имеют случайный характер, подчиняясь заданному статистическому распределению. Характерным примером получения статистической информации о сдвиговой прочности связи между волокнами и матрицей являются эксперименты по выдавливанию кусочков стальных волокон из пластинок композиционного материала, вырезанных поперек расположения волокон [75]. [c.177]

В целом развитие процесса разрушения в объемной структурной модели композита может принимать разнообразные направления от нормального действия нагрузки до направления, параллельного волокнам (при их отслоениях). Но непосредственная реализация объемных моделей на ЭВМ связана с необходимостью оперировать трехмерными массивами чисел, что в ряде случаев требует подключения дополнительных запоминающих устройств и ведет в результате к существенному увеличению затрат машинного времени. Вместе с тем для решения многих практических задач весьма эффективным является применение квазиобъемных имитационных моделей процессов разрушения в композитах. [c.179]

Инженерный анализ новедения композитов в общем случае представляет собой исследование, основанное на построении упрощенных моделей, учитывающих лишь основные аспекты поведения материала. Таким образом, делается попытка избежать чрезмерно подробного анализа, например не рассматривается точное распределение напряжений в объеме. В то же время учитывается структурная неоднородность композита, поскольку замена этого материала однородным анизотропным с точки зрения проблем разрушения не является адекватной. Поэтому создается расчетная модель материала, не требующая проведения сложного расчета напряженного состояния, но учитывающая в то же время наиболее существенные с точки зрения исследуемого поведения структурные особенности материала. [c.55]

Среди особенностей современных методов решения стохастических задач механики композитов как недостаток отмечалось отсутствие связи этих методов с известными, хорошо разработанными методами для детерминированных (в том числе периодических) неоднородных сред [29, 277]. В то же время для широкого класса структурных стохастических моделей композитов детерминированная периодическая структура может рассматриваться как реализация случайной структуры. Это справедливо, когда для случайной однородной индикаторной функции /с(г) корреляционная функция имеет облгюгь отрицательных значений. [c.68]

В книге рассматриваются современные модели расчета и методы параметрической оптимизации несущей способности оболочек вращения из композитов двумерной и пространственной структур армирования. Основное внимание при этом уделено оболочкам, работающим на статическую устойчивость или в режиме колебаний, эффективные деформативные характеристики которых определяются методами теории структурного моделирования композита. В задачах, содержащих оценки предельных состояний оболочек по прочности, используется феноменологическая структурная модель прочностных характеристик слоистого композита, параметры которой получены экспериментально. Подробно анализируются особенности постановки задач пара.метрической оптимизации оболочек из композитов. Показана взаимосвязь векторной и скалярной моделей задач оптимизации в случае формализуемых локальных критериев качества проекта. Значительное место отведено изложению и примерам приложения нового метода решения задач оптимизации оболочек из. многослойных композитов — метода обобщенных структурных параметров, применение которого позволяет получить наиболее полную информацию об опти.чальных проектах широкого класса практически важных задач оптимизации. Содержащиеся в книге результаты могут быть использованы для инженерного проектирования оболочек из волокнистых композитов. Табл. 23, ил. 58, библиогр. 181 назв. [c.4]

Во-вторых, к классу эмпирических моделей композита следует, очевидно, отнести все случаи моделирования на основе феноменологических зависимостей, связывающих изменение физико-механических характеристик композиционного материала с изменением тех или иных параметров его внутренней структуры, например относительного объемного содержания (концентрации) армирующих элементов (см., например, [54]), углов укладки арматуры [139] и других структурных параметров (см. [78, 140]). Важнейщее с позиций теории оптимального проектирования конструкций из композитов качество этих моделей заключается в появлении определенных возможностей управления свойствами конструкционного материала при достаточно высокой надежности получаемых результатов. Однако эффективность использования такого рода эмпирических моделей всецело определяется банком соответствующих экспериментальных данных, имеющимся в распоряжении проектировщика. [c.16]

Однако в случае, когда в распоряжении проектировщика имеется информация о свойствах элементарных слоев, порядок исходного структурного элемента и, следовательно, пространственная структура модели композита целиком будут зависеть от выбора расчетной модели конструкции. В частности, для макрооднород-ной слоистой конструкции в качестве исходных структурных элементов модели композита целесообразно выбрать элементарные пакеты, отличающиеся углами укладки элементарных слоев. [c.17]

Микромеханические модели композита. Принципиальное отличие любой микромеханической модели композиционного материала от его структурной модели заключается в допущении неоднородности исходного структурного элемента (см. рис. 1.1). Вследствие этого микромеханические модели позволяют более адекватно представить реальную физико-механическую и пространственную структуры композита. Вместе с тем непосредственное, т. е. без каких-либо упрощающих реальную ситуацию гипотез, моделирование композита моделями рассматриваемого класса наталкивается на непреодолимые трудности, которые в первую очередь обусловлены уже упоминавшимся изменением свойств исходных элементов композиции в процессе изготовления композиционного материала. По этой причине надежное прогнозирование физико-механических характеристик композита в рамках мик-ромеханических моделей (на базе применения только методов механики неоднородных сред) возможно лишь в тех случаях, когда такими изменениями можно пренебречь. [c.18]

Соотношения, приведенные в данном параграфе, являются исходными для определения эффективных деформативных характеристик произвольно ориентированного в пространстве композита монотропного ИСЭ — основного строительного материала структурных моделей армированных композиционных материалов. [c.33]

Многомерность моделей оптимизации конструкций из композиционных материалов обусловлена структурностью композитов. Поскольку свойства композита при заданных исходных материалах полностью определяются характеристиками его структуры, то очевидно, что оптимизация свойств композита как материала проектируемой конструкции сводится к оптимизации его структуры на том уровне, который соответствует принятому проектировщиком модельному представлению композита. Качественный состав и количество оптимизируемых структурных параметров зависят не только от уровня оптимизируемой структуры композита, но и от степени гомогенизации его реальной структуры в модели композита как конструкционного материала. Например, слоистый композит при известных условиях и допущениях может рассматриваться как макрооднородная система (модель макроод-нородного слоистого пакета), но и тот же композит можно описывать и в рамках неоднородной модели, учитывающей дискретность его реальной структуры. В этом случае набор структурных параметров, определяющих, скажем, деформативные характеристики слоистого пакета, кроме параметров, учитываемых уже в макрооднородной модели пакета, должен быть дополнен параметрами, позволяющими учитывать порядок чередования слоев в пакете. [c.171]

Неп олнота — объективное свойство любой модели оптимизации, отражающее приближенность, неточность, наконец,, недостоверность представлений проектировщика об объекте проектирования. Как следует из изложенного, модели оптимизации конструкций из композитов потенциально обладают весьма значительной информационной емкостью. Обработка же информационно емких систем, анализ их свойств, внутренних связей и функционирования могут быть эффективно реализованы лишь средствами имитационного моделирования [150]. В то же время о проекте конструкции желательно иметь достаточно надежное качественное представление, что обусловливает естественное стремление проектировщика к максимально возможному упрощению модели оптимизации, особенно важному в случае конструкций из композитов. Одним из проявлений такого стремления является, например, структурный подход к моделированию свойств композита, опирающийся на принцип эффективной гомогенизации низших относительно выделенного в модели структурных уровней композита. Указанное обстоятельство — весьма важная, но не единственная причина неполноты моделей оптимизации конструкций из композиционных материалов. [c.174]

Разработка структурных моделей особенно важна для современных композиционных материалов. По сравнению с традиционными конструкционными материалами свойства композитов мало изучены. Каждый год разрабатывают сотни новых композитов, очень часто композит как материал создают вместе с конструкцией. Испытания композитов на малых образцах недостаточно информативны. Из-за побочных эффектов, к которым многие композиты более чувствительны, чем традиционные материалы, они ведут себя в образце иначе, чем в конструкции. Перенос результатов испытаний образцов на натурные конструкции затруднен из-за четко выраженного, но трудно предсказуемого масштабного эффекта. Применительно к задачам прогнозирования ресурса возникают дополнительные трудности из-за необходимости экстра,поляции результатов испытаний на малой базе. [c.121]

Большинство современных высокопрочных композиционных материалов имеют волокнистую или слоисто-волокнистую структуру. Их поведение в процессе разрушения существенно отличается от поведения традиционных конструкционных материалов, применительно к которым развита механика разрушения. Для композиционных материалов характерно наличие двух и большего числа структурных параметров, имеющих размерность длины, а также двух и большего числа качественно различных механизмов разрушения па уровне структурных элементов, поэтому возможности применения классической (линейной) механики разрушения к этим материалам ограничены. Это признают даже те экспериментаторы, которые получают на опыте подтверждение зависимости Гриффитса—Ирвина и используют понятие критического коэффициента интенсивности напряжений в качестве меры трещиностойкости однонаправленных композитов. Для преодоления указанных трудностей необходимо либо дать формальное многопараметрическое обобщение линейной механики разрушения, либо развить структурные модели, учитывающие особенности поведения композитов. [c.149]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...