Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследования и разработка экспериментального программного модуля для оценки эффективных механических характеристик и остаточной прочности резинокорда и элементов конструкций из него с учетом конечности деформаций с использованием высокопроизводительных вычислений

Докладчик: Зингерман Константин Моисеевич

Должность: профессор, д.ф.-м.н.

Цель проекта:
Резинокордные материалы могут быть отнесены к композиционным материалам с высокоэластичной матрицей. Поэтому при их проектировании и проектировании элементов конструкций из них следует учитывать возникновение конечных (больших) деформаций. В частности, этим обуславливается невозможность использования соотношений линейной теории упругости при оценке эффективных характеристик резинокорда. Ограниченность области деформаций, для которых применима линейная теория, распространяется и на использование теории смесей, применяемой для оценки эффективных характеристик композиционных материалов такого типа при малых деформациях. Использование экспериментальных данных даёт возможность оценить эти характеристики только для заданных типов (программ) нагружения. Поэтому возникает необходимость численного моделирования как на стадии проектирования материала или элемента конструкции из него, так и при анализе результатов мониторинга при эксплуатации. Поэтому необходимо разработать методики для оценки остаточной прочности резинокорда с учетом конечности деформаций и общего вида напряженно-деформированного состояния, использования нелокальных критериев прочности. При программной реализации таких методик, особенно при динамическом нагружении, желательно использовать вместо метода конечного элемента метод спектрального элемента. Таким образом, общая проблема, стоящая перед шинной промышленностью, а также перед предприятиями, производящими и использующими резинотехнические изделия, в состав которых входит резинокорд, заключается в разработке методики и программных средств для компьютерного моделирования эффективных механических характеристик и остаточной прочности резинокорда и их использования совместно с результатами экспериментов. Актуальность проблемы определяется в первую очередь необходимостью моделирования новых типов пневматических шин – продукции массового спроса. Такая шина представляет собой наиболее массовое и наиболее резиноемкое изделие из всего перечня резинотехнических изделий. В то же время шина – весьма сложная конструкция с точки зрения механики ее нагружения и разрушения. Сложность заключается в том, что резина, в частности, и резинокорд, в целом, подвергаются в процессе эксплуатации конечным деформациям, проявляя существенную нелинейность всех механических свойств. Являясь анизотропным материалом, резинокорд работает в условиях сложного напряженно-деформированного состояния при негармонических циклических воздействиях со стороны дороги и автомобиля. Исходя из этого, требуется отдельные методики, алгоритмы и программное обеспечение для расчёта эффективных механических свойств и прочностных характеристик резинокордного композита. Кроме пневматических шин массового потребления, резинокорд используется при изготовлении: – специальных шин (например, для тяжёлой техники, работающей в сложных природных условиях); – приводных ремней, транспортёрных лент; – шлангов высокого давления, рукавов, уплотнительных манжет, компенсаторов трубопроводов; – резиновых гусениц; – резинокордных дорожных покрытий (например, на ж/д переездах) и настилов; – резинокордных покрытий корпуса кораблей (в том числе ВМФ). В большинстве данных изделий резинокордный материал может испытывать не малые деформации и работать в условиях сложного напряжённо-деформированного состояния, а при экстремальных воздействиях возникают большие деформации, и проведение более точных расчётов на стадии инженерного анализа для них необходимо. Поэтому определение эффективных механических свойств резинокорда в этих изделиях и особенно оценка их прочности и долговечности являются актуальными задачами. Цель реализуемого проекта - разработка научно-технического задела в области создания промышленного конкурентоспособного на мировом рынке программного обеспечения для решения прикладных задач предсказательного моделирования прочностных характеристик резинокордных материалов и изделий из них, подвергаемых конечным деформациям, обеспечивающего существенное повышение эффективности, скорости и точности проектирования за счёт использования метода спектральных элементов и технологий высокопроизводительных вычислений с возможностью адаптации разрабатываемого программного обеспечения на случай слоисто-волокнистых композитов.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты проекта:

1. Методики для численной оценки эффективных механических характеристик резинокорда в двумерном и трёхмерном случаях при конечных деформациях.
2. Математическая модель для оценки остаточной прочности резинокорда при конечных деформациях и их неоднократном перераспределении.
3. Методики численной оценки остаточной прочности резинокорда в двумерном и трёхмерном случае методом спектральных элементов при конечных деформациях и их неоднократном перераспределении.

Основные характеристики планируемых результатов

1. Методика для численной оценки эффективных механических характеристик резинокорда при конечных деформациях должна позволить рассчитать эффективные упругие модули 1-го и 2-го порядка.
2. Математическая модель для оценки остаточной прочности резинокорда при конечных деформациях и их неоднократном перераспределении должна использовать определяющие соотношения, описывающие свойства изотропных и анизотропных материалов Мурнагана, Муни, Трелоара, ортотропных материалов и должна позволять учитывать изменения свойств материала части тела при нагружении с учетом конечности деформаций и их перераспределения.
3. Алгоритм численной оценки остаточной прочности резинокорда реализующий метод спектральных элементов при конечных деформациях и их неоднократном перераспределении должен позволить учитывать образование и развитие дефекта в матрице и отслоение корда.

Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений.

Новизна научных и технологических решений будет состоять в следующем:
1. Эффективные определяющие соотношения для резинокорда будут построены в форме, допускающей произвольную анизотропию эффективного материала с учетом нелинейных эффектов второго порядка.
2. Построенная математическая модель будет учитывать изменения свойств материала части тела при нагружении с учетом конечности деформаций и их перераспределения.
3. Будет разработан алгоритм расчета, учитывающий образование и развитие дефекта в матрице и отслоение корда.
4. При расчете напряженно-деформированного состояния будет использован метод спектральных элементов, позволяющий повысить точность расчета по сравнению с методом конечных элементов без увеличения числа узлов.

Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.

В статье .J.C. Michel, O. Lopez-Pamies, P. Ponte Castaneda, N. Triantafyllidis. Microscopic and macroscopic instabilities in finitely strained fiber-reinforced elastomers // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2010. Volume 58,Issue 11, Pages 1776-1803 предложен подход к расчету эффективных характеристик эластомерных волокнистых композитов для случая плоской деформации и подход к моделированию разрушения, основанный на том, что начало процесса разрушения связывается с нарушением условий сильной эллиптичности эффективного материала. Рассмотрены также три формы возможного разрушения на микроуровне: образование микропор (кавитация), отслоение волокон от матрицы и контакт между волокнами. В отличие от этой статьи, в предлагаемом подходе будет использовано трехмерное моделирование деформации резинокордного композита, что позволит более точно описать процессы деформирования и разрушения элементов конструкций.
В статье H. Schütte. On curved crack paths in finite strain fracture mechanics. Int J Fract. 2010. V. 166. P.145–151 предложен подход к моделированию развития трещины в высокоэластичном материале при конечных деформациях и выполнены модельные расчеты для двумерного случая на основе метода конечных элементов. Однако в этих расчетах не учитывается наличие кордных волокон в материале.
Таким образом, сопоставление с результатами работ в направлениях, близких к тематике предлагаемого проекта, позволяет сделать вывод о том, что результаты выполнения проекта будут соответствовать мировому уровню.

Пути и способы достижения заявленных результатов.

Методики для численной оценки эффективных механических характеристик резинокорда при конечных деформациях будут разработаны на основе способа построения эффективных определяющих соотношений, предложенного ранее участниками проекта, и программного обеспечения для расчета напряженно-деформированного состояния представительного объема резинокордного композита с использованием метода спектральных элементов.

Математическая модель для оценки остаточной прочности резинокорда при конечных деформациях и их неоднократном перераспределении будет разработана на основе теории многократного перераспределения больших деформаций и будет использовать критерии прочности, разработанные ранее участниками проекта, в том числе нелокальные.
Методики численной оценки остаточной прочности резинокорда в двумерном и трёхмерном случае методом спектральных элементов при конечных деформациях и их неоднократном перераспределении будут разработаны на основе математической модели для оценки остаточной прочности резинокорда с учетом экспериментальных данных по деформированию и разрушению резины и экспериментально обоснованных критериев отслоения резины от корда.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Описание областей применения планируемых результатов

В шинной промышленности ожидаемые результаты ПНИ могут применяться при проектировании новых типов шин, в том числе для тяжёлой техники работающей в сложных природных условиях. Учёт нелинейных эффектов при конечных деформациях позволит более точно рассчитывать напряжённо-деформированное состояние резинокордных деталей шины, что даст возможность оптимизации формы и размера деталей. Это обеспечит снижение веса и стоимости шин, уменьшение шума при движении, снижение нагрева при движении.
Применение результатов ПНИ при производстве резинотехнической продукции (не относящейся к шинам) может также заключаться в оценке эффективных свойств резинокорда, применяемого в этой продукции, и прочности готовых изделий.
Учёт нелинейности позволит повысить точность расчётов, что обеспечит облегчение и удешевление изделий.
Использование метода спектральных элементов в разрабатываемом ПО позволит сократить время расчётов и уменьшить требования к вычислительным ресурсам. В конечном счёте это уменьшит финансовые затраты при проектировании изделий из резинокорда.

Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования

Потенциальными потребителями являются следующие предприятия:
•ОАО «Кордиант» (Россия) – Ярославский и Омский шинные заводы;
•"Нижнекамскшина" (Россия);
•СП "Росава" (Украина);
•Белшина (Белоруссия);
•Michelin (Франция);
•Goodyear Tire & Rubber Company (США);
•Nokian Tyres (Финляндия);
•Pirelli & C. (Италия);
•Bridgestone Corporation (Япония);
•Yokohama Rubber Company (Япония);
•Continental AG (Германия);
•Kumho Tire (Южная Корея);
•предприятия, осуществляющие проектирование и разработку приводных ремней, транспортёрных лент, шлангов, рукавов, манжент, компенсаторов, гусениц и прочих резинотехнических изделий из резинокорда;
•предприятия космической промышленности, занимающиеся проведением работ по проектированию космических надувных модулей из тканых композитов – например, РКК «Энергия».
Потенциальными потребителями программного обеспечения после его адаптации для слоисто-волокнистых композитов являются:
•ЗАО «ХК «Композит»;
•НПО «УНИХИМТЕК»;
•ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов»;
•ЗАО «АэроКомпозит»;
•ООО «НЦК».

Возможные пути и необходимые действия по доведению до потребителя ожидаемых результатов.

Создаваемый экспериментальный программный модуль может быть доведен до потребителя следующими путями:
1.Продажа лицензии на готовое ПО (компания - Участник конкурса имеет дистрибьюторский договор с компанией CSD (дистрибьютора продуктов для инженерного анализа и проектирования), а также договор о сотрудничестве в продвижении программных продуктов, разрабатываемых Участником конкурса, с компанией "Техносерв" - интегратором (поставщиком) программно-аппаратных комплексов в России и странах СНГ; а на международном рынке компания - Участник конкурса имеет договор с компанией CCTech).
2.Разработка специализированного ПО, масштабируемого на основе решения для Индустриального партнера, в том числе с адаптацией программного обеспечения для слоисто-волокнистых композитов.
3.Продажа продукта как части пакета крупного разработчика (лицензирование).
4.Инжиниринговые услуги.

1. Продажа лицензии
Для продвижения продукции, особенно на первых этапах коммерциализации, планируется использовать такие категории лицензий, как:
•Университетская лицензия.
•Исследовательская лицензия.
Основная доля выручки будет приходиться на доходы от продажи корпоративной лицензии на ПО.
Продажа лицензии предполагает сервисную поддержку (обновления программного обеспечения, возможность в течение некоторого периода бесплатно пользоваться новыми программными пакетами и пр.). Стоимость услуги будет составлять 10-20% от годовой стоимости лицензии (что отражает среднюю стоимость услуги на данном рынке).

2. Разработка специализированного ПО, масштабируемого на основе решения для Индустриального партнера.
На основе разработанного экспериментального программного модуля (универсального) предполагается разработка уже специализированного ПО под нужды Индустриального партнёра.
3. Продажа продукта как части крупного пакета
Данный канал продаж предполагает, что программный продукт будет встроен в пакет крупного разработчика. Т.е. программный продукт будет дополнительным функционалом продаваемого пакета.
С каждой продажи пакета, в который встроены ядра программного продукта, разработчик будет платить фиксированный роялти.
4. Инжиниринговые услуги
Далеко не все потребители обладают соответствующими навыками для использования программного продукта и всех его возможностей, поэтому им будет предложено воспользоваться инжиниринговыми услугами, включающими в себя установку программного продукта, настройку необходимых для решения конкретной задачи функций, помощь в компьютерном моделировании.


Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; разработка новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сфере.

Результаты проекта будут способствовать развитию научно-технического направления, связанного с разработкой PLM-систем в части, связанной с компьютерным моделированием процесса эксплуатации изделий.

Учёт нелинейных эффектов при конечных деформациях позволит более точно рассчитывать напряжённо-деформированное состояние резинокордных деталей шины, что даст возможность оптимизации формы и размера деталей. Это обеспечит снижение веса и стоимости шин, уменьшение шума при движении, снижение нагрева при движении. Это, в свою очередь, будет способствовать снижению стоимости транспортных средств, повышению уровня безопасности движения.

Текущие результаты проекта:
Завершенные результаты проекта на 17.11.2014 г. отсутствуют.