Применение опыта живой Природы для проектирования композитных упругих элементов

Преимущества КМ могут быть особенно заметны в конструкциях, где наиболее полно используются свойства армирующих волокон. Поэтому наибольший эффект может быть достигнут в изделиях, в которых можно применять почти однонаправленное армирование. На основании этого весьма предпочтительно использование волокнистых композитов в упругих элементах, применительно к автомобилям - в первую очередь в листовых рессорах.

Однонаправленные волокнистые композиты (стекло-, угле-, органо-пластики) обладают наилучшими продольными упруго-прочностными свойствами, но проблемы их крепления или изменения формы сечения не могут быть эффективно реализованы с применением традиционных «металлических» подходов, и именно места крепления зачастую сводят на нет все преимущества полимерных композитов. Опыт живой Природы – например, конструкция дерева, структура около сучка и т.п. – подсказывает пути создания рациональных форм деталей из квазиоднонаправленных композитов и мест их крепления, исключающие отрицательные «эффекты перерезанных нитей». В качестве иллюстраций приведены решения нескольких задач.

Рессора из композита наиболее полно удовлетворяет эксплуатационным требованиям, если в ней реализована однонаправленная укладка волокон, при которой волокна располагаются вдоль линий наибольших напряжений. Профилирование (рис.1) рессоры позволяет снизить вес и уменьшить число листов, если при этом удовлетворить условию постоянства площади поперечного сечения, то получится рессора без перерезанных волокон, что очень важно для сохранения прочности.

Интересный результат получается, если сравнивать массы профилированной и прямоугольной балок при одновременном выполнении условий по жесткости и по прочности: любая равнопрочная балка в три раза легче прямоугольной.

Учет влияния разориентации проведён в балочном приближении, он сводится к усреднению модуля упругости по каждому сечению с последующим численным решением задачи о прогибе балки с переменным модулем.

Решена задача о распределении напряжений около отверстия с огибающими его волокнами (рис.2). В предположении о расположении волокон вдоль траекторий главных растягивающих напряжений получено распределение свойств в «новом» модельном материале. В каждом конечном элементе приходится моделировать не только свои упругие свойства, но и направление оси упругой симметрии. Далее удалось сравнить новое распределение напряжений для модельного материала с локальной прочностью, которая также меняется от точки к точке.

В качестве критерия разрушения на первом этапе рассматривалось просто достижение растягивающими напряжениями вдоль волокон их предела прочности на растяжение. С ростом локального объемного содержания волокон растет локальный модуль упругости и значит – возрастают напряжения. Но и локальная прочность, естественно, растет с ростом объемной доли волокон в данной точке. Важно было выяснить: дает перераспределение волокон положительный эффект на несущую способность.

Сравнение напряжений вдоль волокон с их прочностью показывает, что в оптимально уложенной структуре прочность соединения снижается всего на 20%, а не в 3-5 раз как в однородной анизотропной пластине с отверстием, то есть – в принципе - можно создать практически «равнопрочное» соединение за счет криволинейной укладки волокон.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 15-08-01472 «Технологическая структурная биомеханика композитных материалов с криволинейными траекториями волокон».

 

1.Полилов А.Н. Механизмы уменьшения концентрации напряжений в волокнистых композитах. Прикладная механика и техническая физика. 2014. Т. 55. № 1. С. 187-197.

2.Полилов А.Н., Малахов А.В. Построение траекторий волокон, огибающих отверстие, и их сравнение со структурой древесины в зоне сучка. Проблемы машиностроения и надежности машин. М. 2013. № 4. С. 57-62.

3.Полилов А.Н., Татусь Н.А., Плитов И.С. Оценка влияния разориентации волокон на жесткость и прочность профилированных композитных элементов//Проблемы машиностроения и надежности машин. М. 2013. №5. С.58-67.

4. A.N.Polilov, N.A.Tatus’, I.S.Plitov. Estimating the Effect of Misorientation of Fibers on Stiffness and Strength of Profiled Composite Elements//ISSN 1052-6188, Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2013, Vol. 42, No. 5, pp. 390–397. © Allerton Press, Inc., 2013.

5. Румачик М.М., Татусь Н.А. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УПРОЧНЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ. В сборнике: XXVII Международная инновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов (МИКМУС - 2015) Труды конференции. 2015. С. 125-128.

6. A.V. Malakhov, A.N. Polilov Design of composite structures reinforced curvilinear fibres using FEM/ Composites: Part A 87 (2016) 23–28