14.579.21.0076

1.1 Разработка научно-технического задела в области создания промышленного конкурентоспособного на мировом рынке программного обеспечения (далее - ПО) 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 (далее - МСЭ) и технологий высокопроизводительных вычислений.

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 военных).

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: расчёты на основе линейной теории приводят к значительной погрешности, достигающей 25% для деформаций, которые возникают при эксплуатации изделий из 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. В связи с тем, что сопротивляемость матрицы и корда внешним воздействиям существенно различается, возникает проблема оценки остаточной прочности резинокорда. 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, включая оценку остаточной прочности изделия. 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 (а в ряде случаев необходимо, например, для «больших задач» - т.е. задач, включающих более миллиона расчётных узлов) 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.

В ходе выполнения ПНИ будут получены следующие научные и научно-технические результаты:

7.1. Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие:

а) анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме;

б) обоснование выбора направления исследований;

в) результаты теоретических и экспериментальных исследований;

г) обобщение и выводы по результатам ПНИ.

7.2. Отчет о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ 15.011-96.

7.3. Методики для численной оценки эффективных механических характеристик резинокорда в двумерном и трёхмерном случаях при конечных деформациях, позволяющие рассчитать эффективные упругие модули 1го и 2го порядка.

7.4. Математическая модель для оценки остаточной прочности резинокорда при конечных деформациях и их неоднократном перераспределении.

7.5. Методики численной оценки остаточной прочности резинокорда в двумерном и трёхмерном случае методом спектральных элементов при конечных деформациях и их неоднократном перераспределении.

7.6. Техническая документация на экспериментальные 2D и 3D программные модули (далее – ЭО ПО), реализующие алгоритм численной оценки эффективных механических характеристик и остаточной прочности резинокорда при конечных деформациях и их неоднократном перераспределении.

7.7. Предложения по реализации и внедрению результатов ПНИ.

7.8. Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.

7.9. Проект технического задания на проведение ОКР

Целесообразность проведения самостоятельных исследований в данной области вызвана следующими причинами:
1. Отсутствие методик оценки эффективных механических свойств резинокордных композитов в нелинейной форме, с учётом конечности деформаций.
2. Отсутствие адекватных механических моделей, описывающих остаточную прочность резинокорда и конструкций из него.
3. Отсутствие ПО, позволяющего вычислять эффективные механические свойства резинокордных композитов с использованием метода спектральных элементов.