Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

В качестве программы для создания модели использовалась программа SolidWorks с интегрированным пакетом прикладных программ, для расчета характеристик напряженно-деформированного состояния CosmosWorks.

Результаты экспериментов и их обсуждение

На основе данных математических расчетов геометрии перфораций армирующего промежуточного слоя были установлены их рациональные размеры и форма в виде конуса с различной ориентацией по обе стороны пластины [6].

На сегодняшний момент существует широкий выбор CAD/CAM систем с интегрированным пакетом прикладных программ, которые позволяют решать задачи статического и динамического, линейного и нелинейного характера, простых и сложных геометрических форм [2]. Так же решаются задачи с прочностным расчетом, как монометаллов, так и композиционных материалов при различных способах нагружения и граничных условиях. Основными программами подобно рода являются SolidWorks, ANSYS, MSC Nastran, CATIA V5 и др. В каждой из этих программ содержатся модули необходимые для проектировочных и конструкторских расчетов. Зачастую они пересекаются у разных производителей либо функционально, либо по интерфейсу, поэтому методика получения конечных данных либо последовательность их получения схожи. В этой связи выбор конкретной программы для использования в расчетах сводится не только к функциональным возможностям, но и к доступности самой программы на современном рынке. CosmosWorks является программным модулем SolidWorks, позволяющим решать задачи с упругими, вязко-упругими, упруго-пластичными, анизотропными и другими моделями материалов [3]. Он обладает обширной библиотекой конечных элементов, которая включает плоские, пространственные элементы, балки, пластины, многослойные анизотропные элементы и т.д. Именно поэтому программа SolidWorks была выбрана для проектирования исходных заготовок, а интегрированный к ней модуль CosmosWorks – для расчета прочностных свойств композиционных материалов при статическом нагружении.

С целью сравнения исходных данных и точности расчетов эксперимент был построен таким образом, что сначала решались простые и общие задачи, а затем был осуществлен переход к частным и более специфичным задачам.

Программный продукт SolidWorks позволяет моделировать реальное приложение нагрузки к рабочим поверхностям композита, а также позволяет учитывать глобальный контакт между поверхностями листовых материалов внутри композиционного материала, что является весьма важным критерием.

В качестве выходных данных эксперимента можно получить данные о прочности, упругости и напряженно-деформированном состоянии исследуемого композиционного материала.

После определения количества экспериментов и их составляющих было произведено моделирование процесса нагружения материалов для одноосного растяжения. Цель эксперимента заключалась в рациональном выборе мест крепления образцов и приложения нагрузки, создания сетки конечных элементов, получения и интерпретации эпюр напряженно-деформированного состояния. Для разработанной модели была построена сетка конечных элементов с размерностью 0,1 мм2, количество узлов составило около 18000. Размерность сетки выбиралась исходя из того, чтобы площадь одного сектора не превышала аналогичную минимальную значимую площадь для прогнозируемого интерметаллического слоя.

Величина минимальной нагрузки при одноосном растяжении выбиралась, исходя из справочных данных и увеличивалась до того момента, пока нагрузка не достигнет значений равных пределу прочности материала. В экспериментах с многослойным композиционным армированным материалом ориентиром служило значение прочности наиболее прочного материала. Как только образец достигает данной величины, эксперимент останавливается, а значение фиксируется. Дополнительным критерием разрушения служил коэффициент запаса прочности. Эпюры напряженно-деформированного состояния приведены на рисунке 1.

Рис. 1 Эпюры напряженно-деформационного состояния исследуемого образца: а – эпюра статического узлового напряжения модели; б – эпюра запаса прочности модели; в – эпюра деформационного состояния модели; г – эпюра распределения наиболее нагруженных точек

Результаты проведенного компьютерного моделирования серии испытаний образцов сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Параметры и результаты моделирования испытания по определению прочности материалов

Выводы

Анализ полученных в ходе моделирования значений и эпюр напряженно деформированного состояния позволяет сделать следующие выводы:

1. Прочностные показатели модели, изготовленной по новой схеме армирования, превышает аналогичные показатели у модели, изготовленной по уже известным технологиям на 10%.
2. Разрушение композиционного армированного материала происходит только после того, как напряжение превышает значение предела прочности наиболее прочного составляющего его материала.
3. Распределение внутренних напряжений в образцах композиционного материала с промежуточным перфорированным армирующим слоем, имеет неравномерный характер, при этом основная их концентрация наблюдается по периметру отверстий, что позволяет предположить наиболее вероятное место образования разрушения при одноосном растяжении.
4. Наилучшие прочностные характеристики показал композиционный армированный материал с перфорированным армирующим слоем с коническими отверстиями. Величина прочности для него составляет 591 МПа, что на 19% выше, чем у технически чистого титана аналогичной толщины.
5. Анизотропности свойств, в зависимости от места вырезки образца для проведения испытаний, не наблюдается.

В этой связи можно сделать обобщенный вывод о том, что слоистый композиционный материал, армированный упрочняющей перфорированной пластиной, будет обладать повышенным комплексом физико-механических свойств и превосходить имеющие аналоги на 10% по прочностным характеристикам. Для подтверждения данного предположения и проверки, полученных в ходе компьютерного моделирования значений необходимо проведение испытаний на натурных образцах.

Рецензенты:

Розен А.Е., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «СЛПиМ» Пензенского государственного университета, г. Пенза.

Козлов Г.В., д.т.н., профессор, декан ФПКиДО Пензенского государственного университета, г.Пенза.

Пачурин Г.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Производственная безопасность и экология» (ПБиЭ), Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г.Нижний Новгород.