Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание методов и инструментов моделирования композиционных материалов с прогнозируемыми прочностными характеристиками

Докладчик: Гуськов Александр Михайлович

Должность: профессор

Цель проекта:
Исследование и разработка научных и научно-технических решений в области динамики и прочности композиционных материалов и разработки инструментов для выявления таких структурных соотношений композиционных материалов, которые обеспечивают требуемую статическую и динамическую прочность.

Основные планируемые результаты проекта:
2.1 Математические модели геометрического представления композиционных материалов.
2.2 Численные методы и алгоритмы расчета напряженно-деформированного состояния, параметров устойчивости и форм потери устойчивости, динамических свойств, температурных полей и термоупругости композиционных материалов.
2.3 Программная реализация разработанных численных методов для анализа напряженно-деформированного состояния, динамических характеристик, параметров устойчивости и форм потери устойчивости, жесткости, температурных полей и термоупругости композиционных материалов.
2.4 Программная реализация разработанных численных методов для выбора оптимальной геометрии и позиционирования входящих в состав композитов армирующих элементов и интерактивного моделирования композиционных структур с целью прогнозирования их прочностных характеристик.
2.5 Численные методы оптимизации структуры композиционных материалов.
2.6 Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка программного комплекса для анализа напряженно-деформированного состояния, динамических характеристик, параметров устойчивости и форм потери устойчивости, температурных полей и термоупругости композиционных материалов, выбора оптимальной геометрии и позиционирования входящих в состав композитов армирующих элементов, интерактивного моделирования композиционных структур с целью прогнозирования их прочностных характеристик».
2.7 Рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
3.1 Разрабатываемые технические решения предназначены для расчета напряженно-деформированного состояния, динамических характеристик, параметров устойчивости и форм потери устойчивости, температурных полей и термоупругости композиционных материалов, выбора оптимальной геометрии и позиционирования входящих в состав композитов армирующих элементов и интерактивного моделирования композиционных структур с целью прогнозирования их прочностных характеристик.
3.2 Разрабатываемые численные методы и реализующие их программные компоненты ЭО ПК должны обеспечивать следующую точность вычислений по сравнению с аналитическими методами (Расчетный параметр и погрешность (максимальные отклонения от аналитических значений)):
- перемещения (мм) и углы поворота (рад) ±6 %;
- напряжение (МПа) ±11%;
- изгибающий момент (Н м) ±9 %;
- коэффициент запаса по устойчивости ±8 %;
- собственные частоты колебаний (Гц) ±10 %;
- температура (град С) ±5 %;
- напряжение (МПа) ±7 %;
- перемещения (мм) и углы поворота (рад) ±15 %;
- напряжение (МПа) ±12 %;
- изгибающий момент (Н м) ±9 %.
3.3 Программные компоненты ЭО ПК должны быть выполнены на языке С++.
3.4 ЭО ПК должен включать набор программ из следующих компонентов:
3.4.1 препроцессор для задания исходных данных и граничных условий;
3.4.2 постпроцессор для визуализации и анимационного представления результатов вычислений;
3.4.3 процессор для выполнения расчетных функций:
а) расчет напряженно-деформированного состояния композиционного материала (поля напряжений и перемещений, энергия деформированного состояния);
б) расчет параметров устойчивости и определение форм потери устойчивости;
в) расчет динамических свойств (частоты собственных и вынужденных колебаний, собственные формы, модальные массы);
д) расчет температурных полей, параметров термоупругости и термопрочности.
3.5 ЭО ПК должен работать на персональных компьютерах со следующими минимальными требованиями: 2-х ядерный процессор, поддерживающий 64-х разрядную адресацию, объем оперативной памяти – 4 Гб, не менее 500 Гб свободного пространства на жестком диске, графический ускоритель с поддержкой OpenGL, и обеспечивать поддержку работы в операционных средах MS Windows: Vista x64, 7 x64, 8 x64, Server 2008 x64, Server 2008 R2, Server 2012.

Текущие результаты проекта:
По результатам обзора литературы (п.1.1 ПГ) в качестве композиционных материалов на начальном этапе рассмотрения приняты в качестве объектов исследования слоистые ламинаты (п.2.1 ТЗ). При проведении выявились две основные проблемы, препятствующие широкому внедрению автоматизированного расчета композитов: 1) Необходимость проектирования композита как материала детали в зависимости от ее формы и приложенных к ней нагрузок. (При традиционном подходе объектом проектирования служит, в основном, форма детали, а материал же подбирается исходя из требований прочности, устойчивости и др.) В итоге, разрабатываемое ПО должно помочь конструкторам различных отраслей проектировать эффективные композиты на замену традиционным материалам. 2) Узкая диаграмма направленности эффективной работы слоев с различными направлениями укладки в ламинате (рисунки 1-2). По результатам работ, проводимых в соответствии с п.1.1 ПГ, сделан вывод, что одним из решений данной проблемы мог бы стать модуль оптимизации направлений укладки и толщин слоев композита в разрабатываемом ПО (п.2.5 ТЗ). Для решения задачи нестационарной теплопроводности необходимо применять метод, обеспечивающий А- и L-устойчивость решения, например, неявный метод Эйлера, имеющий 1-й порядок точности (по п.1.10 ПГ для п.2.2 ТЗ).
В качестве основы для расчета ламинатов (п.1.4 ПГ) была выбрана Базовая теория слоистых композитов - Basic of Laminate Theory (рисунок 1).
Ламинат представляется как стопка тонких листов ортотропного материала (п.2.1 ТЗ), имеющих разные углы укладки и работающих как единое целое. Силовые факторы и связь между напряжениями и деформациями в композите на рисунке 2.
Расчет напряженно-деформированного состояния будет проводится методом конечно-элементного анализа (МКЭ) (п.1.6 ПГ для п.2.2 ТЗ). Согласно выбранным приоритетам расчет будет выполняться оболочечными конечными элементами, детализированные модели – объемными конечными элементами. В ПО будет прорабатываться возможность задания анизотропных (ортотропных) свойств монослоя ламината, сведению параметров монослоев в параметры оболочечного элемента, моделирующего композит и последующего преобразования результата расчета ламината в напряженно-деформированное состояние составляющих его слоев.
Сформулированы ТЗ (по п.1.8 и п.1.12 ПГ) на проведение лабораторных испытаний, которое проходит согласование с возможностями производства и испытательного оборудования. В процессе испытаний равнопрочных образцов (полос) ожидается получение упругих характеристик монослоя: модули Юнга, коэффициенты Пуассона, модуль сдвига. Для композитов с различными углами укладки слоев ожидается получить характерные зависимости деформаций от приложенных нагрузок, которые сбудут сравнены с расчетными. Следующие лабораторные испытания должны проиллюстрировать особенности нестационарной теплопроводности и теплопередачи ламинатов (п.2.3 ТЗ).