Регистрация / Вход
Прислать материал

Моделирование технологии производства изделий из термопластичных композитов

ФИО
Федулов Борис Никитович
Surname Name
Boris Fedulov
Организация
Сколтех
Область наук
Машиностроение. Энергетика
Название доклада
Моделирование технологии производства изделий из термопластичных композитов
Project title
Modelling of thermoplastic composites manufacturing process
Резюме
В работе рассматривается технологический процесс изготовления композитного изделия на основе термопластического связующего. Основным аспектом является моделирование фазового перехода термопластического материала связующего, учет изменения механических свойств и дополнительная химическая усадка материала. Проводятся экспериментальные сравнения полученных результатов модели на всех стадиях фазового состояния материала для всех механических характеристик. Приводятся конкретные формулы для моделирования всех ключевых процессов связанных с температурными циклами, а также конкретные значения констант на примере полиэфирэфиркетона (PEEK).
Ключевые слова
термопластический композит, полиэфирэфиркетон (PEEK), остаточные напряжения, влияние кристалличности.
Тезисы

Термопластичные композиты набирают популярность в качестве конструкционного материала в современной промышленности. Особенность таких материалов заключается в возможности фазового перехода в вязкое близкое к жидкости состояние связующего в случае высокого температурного воздействия. Все технологии изготовления композиционных изделий сложной формы на основе таких материалов основаны на тепловом воздействии с последующим охлаждением. Проблема с точки зрения технологии изготовления заключается в том, что во время фазового перехода связующего возможно коробление и деформация изделия, с возможным зарождением дефектов. Технологические эксперименты могут оказаться дорогостоящими и не гарантируют необходимого качества окончательного материала. Это заставляет искать возможности к моделированию технологии производства, влиянию температурных циклов на термопластичный полимер. С точки зрения математического моделирования, основные аспекты заключаются в изменении степени кристалличности материала и связанные с этим изменения механических характеристик и дополнительной химической усадкой. Таким образом, можно выделить основные требования к построению моделей материала в зависимости от фазового состояния:

1.Роста степени кристалличности

2.Изменения жесктостных характеристик

3.Изменение температурных свойств

4.Изменение прочностных показателей материала

Кинетика роста степени кристалличности материала довольно проработана и её теоретическое описание является, по всей видимости, устоявшимся. Механические параметры термопластичного полимера можно найти в работах. Наименее проработанная область моделирования термопластичных композитов ‑ это прочность такого материала, некоторые попытки оценки таких характеристик предприняты в работах. В настоящей работе предлагается продемонстрировать возможный подход к моделированию влияния технологического температурного цикла на термопластичный композит, оценке величин остаточных напряжений и прочностных показателей. Моделирование основано на микромеханических подходах в композиционных материалах, что позволяет рассматривать термопластичное связующие отдельно и пересчитывать макро свойства композита на основе изменяемых свойств полимера матрицы. 

 

Используя полученные результаты, можно рассчитать остаточные напряжения в композиционном слое. Из полученных выражений для анализа теплового воздействия, видно, что решение тепловой задачи и подсчет степени кристалличности не зависит от всего последующего анализа. Таким образом, возможно решение отдельно тепловой задачи с последующем моделированием деформирования материала. Такой подход существенно облегчает анализ обратного отклика изделия в случае, например, моделирования задач термоформования.

Далее, меняя входные параметры свойств матрицы и пересчитывая в процессе решения на каждом итерационном шаге эффективные свойства композиционного слоя, можно окончательно восстановить всю историю нагружения материала. Стоит отметить, что жесткостные параметры композиционного слоя, полученные на основании микромеханических формул, дают лишь жесткость композита в соответствующий момент теплового цикла, поэтому полученные упругие константы надо рассматривать, как касательные модули и проводить соответствующие суммирование величин напряжений.

Основываясь на полученных остаточных напряжениях, следующим необходимым шагом является оценка возможного повреждения связующего в используемом композиционном материале. Такую задачу можно решить, используя микромеханический подход, основанный на моделировании ячейки периодичности композитного материала. Рассмотрим решение такой задачи в условиях трансверсального нагружения однонаправленного образца. Такой случай нагружения с высокой долей вероятности можно считать наиболее критичным и наиболее часто встречающимся вариантом в условиях действия остаточных напряжений в слоистом композите. 

Ниже показан результат расчета трех различных вариантов ячеек сос случайным расположением волокон.

На следующем рисунке показаны диаграммы нагружения ячеек. Видно, что упругий участок и пластическая зона во всех трех вариантах практически совпадают. Некоторое различие наблюдается только в предельных деформациях. 

Типовое значение разрушающих трансверсальных растягивающих напряжений для однонаправленного композита на основе связующего PEEK отличается меньше чем на 2% по сравнению со значением, полученным в моделировании на основе выбранных характеристик.

 Заключение

В работе рассмотрен законченный набор методик для моделирования всего технологического цикла работы с композиционным материалом на основе термопластичного связующего. На всех ключевых стадиях моделирования продемонстрирована успешная верификация подхода на основе экспериментальных данных. Приведены необходимые параметры предложенных моделей для термопластичного материала полиэфирэфиркетон (PEEK).

Summary of the project
This research considers the manufacturing of thermoplastic composites. The main aspect of the research is the modeling of phase transitions in thermoplastic matrix, taking into account changes in mechanical properties and additional shrinkage due to chemical reactions. An experimental comparison of modelling results for all mechanical characteristics at all stages of material phase transformation is provided. Equations for modeling of all key processes related to temperature cycle of a thermoplastic matrix solidification are provided together with corresponding material constants, using polyetheretherketone (PEEK) as an example. Approach to modelling of process-induced cracks in thermoplastic matrix in dependence of crystallinity degree and different temperature conditions is proposed.
Keywords
Thermoplastic composite, polyetheretherketone (PEEK), residual stresses, effect of crystallinity, failure criterion