Метод расчета рассеяния энергии в конструкциях из гибридных композитов

Для многих изделий машиностроения, авиастроения и судостроения важным элементом являются системы гашения вибраций из полимерных композиционных материалов, которые кроме высоких удельных упруго-прочностных свойств обладают и значительными диссипативными характеристиками, что обеспечивает возможность создания многофункциональных силовых конструкций, обладающих одновременно и значительными демпфирующими свойствами. Представлен метод расчета параметров рассеяния энергии в особых типах композитных конструкций — на основе гибридных материалов с различными типами армирующих волокон и полимерных матриц. Метод базируется на использовании модели линейно-вязкоупругих сред при установившихся колебаниях и асимптотической теории многослойных пластин, которая обобщена для вязкоупругих сред. Эта теория позволяет с высокой точностью вычислять все шесть компонент тензора напряжений в тонких многослойных композитных пластинах при циклическом нагружении, включая поперечные напряжения и напряжения межслойного сдвига, поскольку диссипативные свойства слоисто-волокнистых полимерных композитов проявляются, существенным образом, как раз в этих направлениях. С помощью разработанного метода проведено численное моделирование напряжений в вязкоупругой пластине из композитного гибридного слоисто-волокнистого материала при изгибных колебаниях на основе стеклянных и арамидных волокон, а также содержащего специальные слои высокодемпфирующего полимера МПВТ-А. Численные расчеты показали, что максимальные значения коэффициента рассеяния энергии реализуются в слоях композитной пластины из высокодемпфирующего материала МПВТ-А, а также в слоях с арамидными волокнами, обладающими вязкоупругими свойствами. Обнаружен эффект, состоящий в том, что максимум коэффициента рассеяния энергии в гибридной композитной пластине при изгибных колебаниях реализуется при определенном значении угла 35??. Этот эффект может быть использован при проектировании оптимальных структур гибридных композитных пластин.

Литература

[1] Zinoviev P.A., Ermakov Y.N. Energy Dissipation in Composite Materials. Lancaster (USA), Technomic Publishing Co., 1994. 246 p.

[2] Смердов А.А. Рассеяние энергии при колебаниях композитных оболочек. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, № 7. URL: http:// engjournal.ru/catalog/machin/rocket/858.html (дата обращения 28 августа 2014).

[3] Зиновьев П.А., Смердов А.А., Кулиш Г.Г. Экспериментальное исследование упруго диссипативных характеристик углепластиков. Механика композитных материалов, 2003, т. 39, № 5, с. 595–602.

[4] Ульяненко С.Н., Магомедов Г.М., Лебедев Л.Б., Машиноская Г.П., Зеленев Ю.В. Роль межфазного слоя в формировании вязкоупругих свойств высокопрочного органопластика. Механика композитных материалов, 1987, № 3, с. 414–419.

[5] Ушаков А.Е., Кленин Ю.Г., Сорина Т.Г., Хайретдинов А.Х., Сафонов А.А. Мостовые конструкции из композитов. Композиты и наноструктуры, 2009, № 3, с. 25–37.

[6] Димитриенко Ю.И., Яковлев Н.О., Ерасов В.С., Федонюк Н.Н., Сборщиков С.В., Губарева Е.А., Крылов В.Д., Григорьев М.М., Прозоровский А.А. Разработка многослойного полимерного композиционного материала с дискретным конструктивно-ортотропным заполнителем. Композиты и наноструктуры, 2014, т. 6, № 1, с. 32–48.

[7] Димитриенко Ю.И., Федонюк Н.Н., Губарева Е.А., Сборщиков С.В., Прозоровский А.А. Многомасштабное конечно-элементное моделирование трехслойных сотовых композитных конструкций. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014, № 7. URL: http://technomag.bmstu.ru/doc/717805.html, doi: 10.7463/0714.0717805 (дата обращения 28 августа 2014).

[8] Соломатов В.И., Черкасов В.Д., Фомин Н.Е. Вибропоглощающие композиционные материалы. Саранск, Изд-во Мордовского ун-та, 2001. 95 с.

[9] Черкасов В.Д., Юркин Ю.В., Авдонин В.В. Прогнозирование демпфирующих свойств композита с учетом температурной зависимости свойств полимера. Вестник ТГАСУ, 2012, № 4, с. 216–225.

[10] Matzenmiller A., Gerlach S. Micromechanical modeling of viscoelastic composites with compliant fiber–matrix bonding. Computational Materials Science, 2004, vol. 29, issue 3, pp. 283–300.

[11] Haasemann G., Ulbricht V. Numerical evaluation of the viscoelastic and viscoplastic behavior of composites. Technische Mechanik, 2010, vol. 30, no. 1–3, pp. 122–135.

[12] Masoumi S., Salehi M., Akhlaghi M. Nonlinear Viscoelastic Analysis of Laminated Composite Plates – A Multi Scale Approach. International Journal of Recent advances in Mechanical Engineering (IJMECH), 2013, vol. 2, no. 2, pp. 11–18.

[13] Димитриенко Ю.И. Асимптотическая теория многослойных тонких пластин. Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Сер. Естественные науки, 2012, № 3, с. 86–100.

[14] Димитриенко Ю.И., Яковлев Д.О. Сравнительный анализ решений асимптотической теории многослойных тонких пластин и трехмерной теории упругости. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, № 7. URL: http://engjournal.ru/catalog/mathmodel/technic/899.html (дата обращения 15 августа 2014).

[15] Димитриенко Ю.И., Губарева Е.А., Сборщиков С.В. Асимптотическая теория конструктивно-ортотропных пластин с двухпериодической структурой. Математическое моделирование и численные методы, 2014, № 1, с. 36–57.

[16] Димитриенко Ю.И., Яковлев Д.О. Асимптотическая теория термоупругости многослойных композитных пластин. Механика композиционных материалов и конструкций, 2014, т. 20, № 2, с. 260–282.

[17] Шешенин С.В. Асимптотический анализ периодических в плане пластин. Известия РАН. Механика твердого тела, 2006, № 6, с. 71–79.

[18] Димитриенко Ю.И. Механика сплошной среды. Т. 4: Основы механики твердых тел. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. 580 с.

[19] Димитриенко Ю.И. Механика сплошной среды. Т. 1: Тензорный анализ. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 463 с.

[20] Димитриенко Ю.И., Сборщиков С.В., Соколов А.П., Шпакова Ю.В. Численное моделирование процессов разрушения тканевых композитов. Вычислительная механика сплошных сред, 2013, т. 6, № 4, с. 389–402, doi: 10.7242/1999-6691/2013.6.4.43.

[21] Пазников Е.А., Белоусов А.М., Петреков П.В., Насонов А.Д., Калинин М.А. Исследование вязкоупругих свойств структурированного тетразолсодержащего полимера акустическим методом. Ползуновский вестник, 2008, № 1–2, с. 63–65.

[22] Хоанг Тхе Ву, Осипчик В.С., Смотрова С.А., Горбунова И.Ю. Влияние добавок эластомера на свойства эпоксидных композиций. Пластические массы, 2008, № 4, с. 32–34.