Пошкоджуваність та руйнування армованих композиційних матеріалів
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Хуан Тао. Пошкоджуваність та руйнування армованих композиційних матеріалів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Це дослідження зосереджене на ключовій проблемі моделювання та експериментального вивчення накопичення розсіяних пошкоджень в армованих композитах. У роботі системно виконано теоретичний аналіз, розроблено узагальнену феноменологічну модель, спроєктовано експериментальну програму, а також здійснено ідентифікацію та валідацію параметрів моделі. Армовані композити широко застосовуються в аерокосмічній галузі, енергетичному обладнанні та високонавантажених інженерних конструкціях завдяки високій питомій міцності, високому питомому модулю та відмінній конструктивній адаптивності. Проте під час експлуатації в матеріалі неминуче формуються багатомасштабні пошкодження, зокрема мікротріщини матриці, руйнування волокон, зсувні пошкодження та міжшарове розшарування. Це зумовлює поступову деградацію макроскопічної жорсткості й міцності матеріалу та, зрештою, призводить до руйнування конструкції. Більшість існуючих механічних моделей не враховують кумулятивний ефект розсіяних пошкоджень при оцінці несучої здатності армованих композитів. Це призводить до значних похибок у прогнозуванні реакції конструкції, особливо в аналізі напружень і деформацій на початкових стадіях руйнування. Врахування кумулятивної динаміки розсіяних пошкоджень не тільки дозволяє більш точно охарактеризувати еволюцію жорсткості та міцності матеріалу, але й дає можливість прогнозувати місце і час виникнення макротріщин. Дослідження свідчать, що для металевих матеріалів стадія зародження та розвитку розсіяних пошкоджень може тривати до 80–90 % загального терміну експлуатації елемента. Саме ця стадія є критичною та значною мірою визначає надійність конструкції. Однак для армованих волокном композитів тривалість та закономірності розвитку цієї стадії залишаються недостатньо вивченими, оскільки на них значно впливають такі фактори, як мікроструктура матеріалу, конфігурація ламінату, умови навантаження та виробничі процеси. Як типовий анізотропний конструкційний матеріал, макрохарактеристики армованих композитів визначаються спільно волокнами, матрицею та структурою ламінату. Під час експлуатації вони демонструють багатомасштабну еволюцію пошкоджень — від мікротріщин матриці та міжфазних пошкоджень до макротріщин та міжшарового розшарування — що супроводжується постійним погіршенням загальної жорсткості та несучої здатності. Тому глибоке дослідження механізмів утворення дисперсних пошкоджень в армованих композитах у поєднанні з розробкою моделей еволюції пошкоджень, що характеризуються термодинамічною узгодженістю, ідентифікацією параметрів та інженерною застосовністю — підтвердженими систематичними експериментальними підходами — має значну теоретичну цінність та інженерне значення для безпечного проектування, аналізу пошкоджень та прогнозування терміну служби композитних конструкцій. У цій дисертації спочатку проводиться теоретичний аналіз, зосереджений на фундаментальних структурних характеристиках та механічній поведінці композитних матеріалів. У першій частині дослідження систематично розглядаються анізотропні властивості армованих волокном композитів та механізми, що лежать в основі формування їх механічних характеристик. Основна увага приділяється вивченню впливу структури шарування, об'ємної частки волокон та міжфазних характеристик на макроскопічні механічні реакції. На основі цього вводиться теорія механіки пошкодження континууму (CDM). У цьому розділі проводиться глибоке обговорення поняття пошкодження, фізичного значення змінних пошкодження та їх представлення в рамках континуальної середовища. Аналізується принцип еквівалентного напруження та механізм, за допомогою якого пошкодження змінює механізми властивості матеріалу. Одночасно в цій роботі систематично розглядаються сучасні досягнення в моделюванні пошкоджень композитних матеріалів, включаючи типові підходи, такі як феноменологічні моделі, енергетичні моделі пошкоджень, статистичні моделі пошкоджень та багатомасштабні моделі пошкоджень. Виявляються недоліки існуючих досліджень, зокрема щодо синергетичного опису множинних шляхів пошкодження, термодинамічної узгодженості моделей та ідентифікованості експериментальних параметрів, тим самим закладаючи теоретичну основу для подальшої розробки моделей. З точки зору побудови теоретичної моделі, ця дисертація встановлює термодинамічно узгоджену теоретичну основу для еволюції пошкоджень. На основі фундаментальної структури незворотної термодинаміки та виходячи з функції вільної енергії, вона вводить тензор деформації та змінні пошкодження як змінні стану системи. Робота систематично виводить відносини, обмежені першим і другим законами термодинаміки, забезпечуючи сувору відповідність між швидкістю вивільнення енергії пошкодження та вільною енергією. На основі цієї основи побудовано феноменологічну модель пошкодження, що визначається силами пошкодження. Введено чотири змінні пошкодження — Df , Dm , Ds та Di— для опису еволюції різних шляхів пошкодження: пошкодження, що домінує у волокнах, пошкодження, що домінує у матриці, пошкодження зсуву в площині та пошкодження міжшарового інтерфейсу, відповідно. Ця модель обґрунтовано описує весь процес, що охоплює стадію ініціації пошкодження, стадію стабільного розвитку та стадію прискореної еволюції. Одночасно, інтегруючи теорію граничного стану для композитів з поліпшеним правилом змішування, пропонується критерій міцності, заснований на контролі параметрів матеріалу для армованих композитів, що забезпечує нову теоретичну основу для оцінки структурної безпеки композитних матеріалів. З точки зору експериментальних досліджень, ця дисертація зосереджується на ідентифікованості параметрів моделі пошкодження та експериментальній здійсненності, встановлюючи систематичний експериментальний протокол для вивчення еволюції розсіяного пошкодження в армованих композитах в умовах статичного навантаження. Була розроблена комплексна експериментальна система, що охоплює одноосні випробування на розтягнення та циклічні випробування на навантаження/розвантаження, з систематичним плануванням методів підготовки зразків, геометричних параметрів та траєкторій навантаження для різних конфігурацій укладання. Експериментальні дані відображають реакцію матеріалу на напруження та деформацію на різних етапах навантаження. Еквівалентний модуль пружності, що відповідає кожному етапу навантаження, був визначений переважно за допомогою методу нахилу розвантаження, що дозволило кількісно описати процес зниження жорсткості матеріалу. Крім того, були систематично виміряні основні механічні властивості композитного матеріалу, що забезпечило експериментальну основу для ідентифікації параметрів моделі. На основі експериментальних даних було проведено систематичну ідентифікацію та валідацію параметрів моделі для різних шляхів пошкодження. Були встановлені процедури ідентифікації параметрів для шляхів пошкодження волокон, матриці, зсуву та міжшарового інтерфейсу, а також проведено порівняльний аналіз між прогнозами моделі та експериментальними результатами. Крім того, було запропоновано вдосконалений гібридний метод ідентифікації механічних параметрів на основі правил для визначення межі міцності та ключових механічних параметрів армованих композитів, що вирішує проблему визначення межі несучої здатності композитів. Цей метод комплексно враховує вплив об'ємної частки волокон, структури укладання та міжфазних ефектів на макроскопічну міцність, що дозволяє більш обґрунтовано охарактеризувати анізотропні граничні властивості композитних матеріалів. Підсумовуючи, в даному дослідженні систематично побудовано феноменологічну модель еволюції розсіяних пошкоджень в армованих композитах на основі механіки безперервних пошкоджень та незворотної термодинаміки. За допомогою систематичних експериментальних досліджень було визначено параметри моделі та перевірено її достовірність. Результати показують, що товщина шару 90° значно впливає на швидкість накопичення пошкоджень матриці та час початку макроскопічних пошкоджень. У конструкціях, що містять шари 45° ± , переважають пошкодження від зсуву, що контролюють середньострокову нелінійну реакцію та процес зниження жорсткості. Створена модель еволюції пошкоджень від зсуву демонструє високу узгодженість з експериментальними даними. Подальший аналіз виявив синергетичну взаємодію та домінуючу послідовність змінних пошкодження Dm , Ds , Di та Df : , D DDD msi f →→→ що дозволило встановити комплексний шлях еволюції пошкодження від зниження жорсткості до остаточного руйнування ламінованих панелей. Результати дослідження забезпечують надійну теоретичну основу та експериментальне підтвердження для прогнозування пошкодження та проектування безпеки композитних конструкцій.
Опис
Ключові слова
композити, механіка пошкоджень та руйнування, модель розсіяних мікротріщин та критерії, механічні характеристики, composites, damage and fracture mechanics, scattered microcrack model and criteria, mechanical properties
Бібліографічний опис
Хуан Тао. Пошкоджуваність та руйнування армованих композиційних матеріалів : дис. … д-ра філософії : 131 – Прикладна механіка / Хуан Тао. - Київ, 2026. - 157 с.