Как предсказать разрушение композитных конструкций

Композиционные материалы широко применяются в авиационной, автомобильной, строительной и других отраслях промышленности в связи с их высокой прочностью, малой массой и устойчивостью к коррозии. Для повышения надежности конструкций из композитов важно учитывать, как при их эксплуатации накапливаются повреждения в структуре материала. Ученые Пермского Политеха разработали модель и изучили процессы разрушения слоистого композита при его закритическом деформировании. Это особая стадия, возникающая после достижения максимальной нагрузки. Модель позволит точнее прогнозировать поведение конструкций, что повысит безопасность технических объектов.

Разрушенные образцы композиционных материалов

Статья опубликована в журнале «Acta Mechanica Sinica», декабрь 2023. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-19-00765).

Обычно конструкции разрушаются, когда достигаются критические деформации, но так происходит не всегда. Материал продолжает накапливать повреждения и может перейти на новую стадию – закритическое деформирование. Это момент, который предшествует полной потере несущей способности (разрушению), когда происходит постепенное падение нагрузки при растущих деформациях.

Композиты – материалы с уникальными характеристиками, состоящие из двух или более компонентов с различными физическими свойствами. В их составе выделяют матрицу (основной элемент) и наполнитель с функцией армирования (укрепления). Эти материалы обладают высокой прочностью при небольшом весе, что, например, позволяет снизить расход топлива самолетами за счет уменьшения их массы. В сравнении с металлами композиты обладают высокой устойчивостью к коррозии и химическим воздействиям, что делает их подходящими для использования в агрессивных средах.

Эволюция полей деформации образца

Ученые Пермского Политеха экспериментально исследовали закритическое деформирование слоистого композита, армированного углеродным волокном. Этот материал используется при создании легких, но прочных деталей: от хоккейных клюшек до лопаток авиационного двигателя. Для выявления закономерностей разрушения политехники провели испытания на растяжение образцов, вырезанных в различных направлениях. Комплексные испытания проведены на базе Центра экспериментальной механики ПНИПУ с использованием современных испытательных установок и систем дополнительного анализа.

– При растяжении в средней части образца появляется сужение или по-другому «шейка», которая приводит к сложному напряженному состоянию. В этом случае для корректного определения свойств материала стандартного оборудования недостаточно, поэтому мы использовали бесконтактную оптическую видеосистему VIC-3D. С её помощью можно определять перемещения и деформации на поверхности образцов. Нам удалось впервые построить экспериментальные диаграммы деформирования композита, на которых реализуется закритическая стадия, — поделился кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ Елена Струнгарь.

– Для анализа механизмов накопления повреждений и разрушения композита мы использовали метод акустической эмиссии, он основан на регистрации упругих волн, которые распространяются в материале при разрушении элементов его структуры. Этот метод помог выявить, что закритическое деформирование композита сопровождается интенсивным разрушением отдельных углеродных волокон, образованием трещин в полимерной матрице, а еще нарушением связей между матрицей и волокнами, – рассказала аспирант кафедры экспериментальной механики и конструкционного материаловедения ПНИПУ Екатерина Чеботарёва.

Ученые предложили новую модель механического поведения композитных материалов, которая учитывает выявленные закономерности их деформирования. Это позволит точнее предсказать поведение конструкций, повысить их надежность и снизить катастрофичность при разрушении технических объектов.