Введение к работе
Диссертационная работа посвящена созданию комплексных методик исследования свойств однонаправленных гибридных волокнистых композиционных материалов (ВКМ) и расчета многослойных оболочек, изготовленных из этих материалов. Методики ориентированы на развитие комплексного подхода к вопросу создания и расчета оболочечных конструкций из ВКМ. Такой подход включает в себя сочетание решения проблем проектирования материала и некоторых этапов технологического процесса его изготовления с последующим расчетом его локального (на микроуровне) напряженно деформированного состояния (НДС), определением его приведенных упругих характеристик и расчетом глобального НДС конструкций из этого материала. Затем, при необходимости, после расчета глобального НДС предусматривается возможность возвращения на микроуровень и проведения расчета при действующих в конструкции напряжениях. Актуальность темы.
Композиционные материалы (КМ) являются одними из наиболее перспективных в создании современных машиностроительных конструкций. Активное развитие технологии их производства привело к появлению большого количества новых материалов. Однако, несмотря на все расширяющееся применение композитов в технике, вопрос об идентификации свойств этих материалов в большинстве случаев до конца не закрыт, что не позволяет полностью использовать предоставляемые ими возможности. Практически на начальной стадии рассмотрения на сегодняшний день остается проблема исследования свойств так называемых гибридных композитов, т.е. материалов, содержащих более чем один тип волокон, матриц или слоев.
Широкое применение в технике тонкостенных оболочечных конструкций из композитных материалов и необходимость прогнозирования их'поведения при сложном нагружении еще долго будет определять актуальность исследований в этой области. Задачи, возникающие при расчете оболочек можно рассматривать на основе различных подходов. Во многих случаях применение
.4 классической теории приводит к удовлетворительным результатам. Однако, для оболочек, обладающих значительной анизотропией механических свойств, нетонких оболочек и т.п., предположения классической теории требуют уточнения, поскольку факторы, которыми пренебрегают, могут играть существенную роль в определении НДС оболочек. Получить решение задач для указанных оболочек в трехмерной постановке достаточно сложно, что вынуждает использовать различные модели, имеющие те или иные упрощения.
Актуальность работы определяют два основных аспекта. Первый из них связан с построением достаточно общей структурной модели композитного материала, включающей в себя как рассмотрение локального напряженного состояния композита на уровне его микроструктуры, так и описание поведения ВКМ "в целом" и учет некоторых технологических воздействий на материал на этапе его изготовления. Вопросы рационального проектирования конструкций из КМ требуют для своего решения рассмотрения многопара-мегрических структур с большим количеством варьируемых параметров. В этой связи в работе рассматриваются гибридные ВКМ с весьма произвольной микроструктурой ячейки.
Вторым аспектом, оправдывающим внимание к рассматриваемой проблеме, являются конкретные технические проблемы, приводящие к необходимости расчета многослойных силовых конструкций из ВКМ. Во многих случаях, встречающихся к практике (например, когда толщина слоистой оболочки значительна и/или материал некоторых слоев обладает пониженной жесткостью при поперечном сдвиге) классическая теория оболочек, построенная на основе гипотез Кирхгофа-Лява или Тимошенко, приводит к существенным погрешностям в результатах расчетов. В этих случаях необходимо использование уточненных моделей деформирования. В настоящей работе возможности ЭВМ используются для построения с ее помощью различных геометрических моделей деформирования оболочек, для которых построение соответствующих скалярных форм весьма затруднительно. При этом развивается подход, свободный от ограничений на вид используемых" гипотез о ха-
5 рактере распределения перемещений и выделяющий их в отдельный вид соотношений для дополнительной алгоритмичности исследований состояния деформируемых элементов конструкций при различных гипотезах.
Отличительной особенностью данной работы является то, что в ней предлагаются не отдельные методы решения для избранной модели, а технология получения канонических уравнений деформирования оболочек вращения для различных моделей, базирующаяся на вариационном принципе. При этом уравнения автоматически получаются максимально приспособленными к численному решению, несмотря на сложность исходных предположений.
Основными целями работы являются:
разработка комплексной методики проектирования и расчета тонкостенных элементов конструкций из однонаправленных гибридных ВКМ,
исследование напряженно-деформированного состояния однонаправленных гибридных ВКМ,
применение разработанного структурного метода расчета НДС для исследования начального напряженного состояния композита;
разработка алгоритмов расчета приведенных упругих характеристик композита;
развитие методики использования ЭВМ для построения разрешающих уравнений для различных моделей деформирования оболочек вращения;
применение разработанных методик к расчету слоистых оболочек вращения из композитов.
Общей целью диссертации является выбор, анализ и комплексное развитие эффективных методов расчета современных композитных материалов и силовых оболочечных конструкций из них.
Научная новизна работы определяется следующим.
-
Предложен структурный метод расчета НДС однонаправленных гибридных волокнистых композитов.
-
Предложена методика расчета приведеігаьіх упругих характеристик и их границ для гибридных композитов.
-
Проведен анализ начального напряженного состояния гибридного композита.
-
Предложен и реализован метод построения с помощью ЭВМ канонических уравнений деформирования композитных оболочек вращения по различным моделям.
Научная и практическая ценность работы.
Разработанные в работе методы расчета напряженного состояния и приведенных упругих характеристик гибридных ВКМ необходимы для научно обоснованного проектирования новых материалов, расчета оптимального технологического процесса производства композитов и управления начальным напряженным состоянием в самонапряженных материалах. Предложенные в работе методики расчета слоистых оболочечных конструкций могут с успехом применяться при создании различных машиностроительных конструкций в тех случаях, когда классические модели деформирования приводят к значительным погрешностям вычислений. Научная их ценность состоит в создании и апробации комплексного подхода к расчету тонкостенных элементов конструкций из гибридных композитов, допускающего сочетание корректного учета локальных свойств материала с достаточным по точности расчетом глобального НДС конструкции.
Все теоретические построения реализованы в программах, включающих в себя комплексный подход к расчету оболочечных конструкций из гибридных ВКМ, начиная с проектирования материала и некоторых характеристик технологического процесса его производства и заканчивая расчетом конкретного изделия.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается последовательным применением общих принципов механики деформируемого твердого тела для разработки локальных моделей гибридных волокнистых композитов и моделей деформирования оболочек; проведением тестовых расчетов; сопоставлением результатов расчета с известными экспериментальными данными и результатами работ других авторов; применением устойчивых чис-ле.чных процедур в расчетах.
7 Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации были доложены на:
- II Международном симпозиуме "Динамические и технологические
проблемы механики конструкций и сплошных сред" (Москва, 1996)
Украинской конференции "Моделирование и исследование устойчивости систем" (Киев, 1996)
III Международном симпозиуме "Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред" (Москва, 1997)
IV Международном симпозиуме "Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред" (Москва, 1998)
Личный склад автора. Все исследования, результаты которых представлены в диссертации, выполнены либо автором лично, либо в сотрудничестве с А.В. Коровайцевым и Г.А. Молодцовым. Их участие отражено в цитируемых в работе совместных публикациях. Автор выражает им свою глубокую признательность. Во всех случаях заимствования других научных результатов" в диссертации приведены необходимые ссылки на источники.
Публикации. По результатам проведенных исследований было опубликовано 4 работы, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и результатов работы, списка цитированной литературы из 110 наименований. Общий объем диссертации 143 страницы.