Введение к работе
Актуальность темы исследования. Создание перспективных и совершенствование существующих композиционных и дисперсных мат риалов нввоБколно без развития научных исследования в смежных областях мэ-ханики, прикладной математики, физики, химки. Требования к эффективности и надобности з эксплуатации изделий и конструкция, оптимизации технологических процессов изготовления, анализу возможна аварийных ситуации в значительной степени оРтелг ливают актуальность исследования взаимосвязи структуры и свойств таких материа-лов.
В нас-оящее время не существует единой канонической теории фи-вико-мэханическях свойств дисперсныг и компо8ИЦ,:онккх материалов, сравнимой по своей завершенности і теорией, развитой для молекулярных СИСТем. Определенные ДасТИЛШИЯ "М8ЮТСЯ В ОПИСаНИКИ КОМП08ИЦИ-
онных материалов с волокнистыми наполнителями, что же касается дисперсні-": материалов и композиционных материалов с дисперсными наполнителями, то уж? сложились предпосылки для построения последовательной статистической теории. Непрерывно растут объемы выпуска та-. ких материалов;,г-^ииряются области их исшнг зоваяия г ассортимент, накоплен значительный Експериментальнкп материал по свойствам и структурным характеристикам. Отсутствие теории ведет к Оолыпод осложнениям с гнтэрпретациеЯ результатов измерения, нерациональному использованию измерительной техшг-ш, средств и интервалов. Ееэ СольЕие проблемы возникает при исследовании полиармированных материалов с различными по геометрии и характеристикам наполнителями.
Накопленный, массив экспериментальных данных по физико-механическим свойствам дисперсных материалов и комнозициокных материалов с дисперсными наполпителяші противоречив на только количественно, hd часто и качественно. В условиях недосгаточного развития теоргаї эмпирические зависимости, имеющие ограниченную область применимости, и расчетные методы базируются в основном на одномерных и феноменологических подходах, игнорируют распределение фаз по объему, особенности структуры, страдают фрагментарность» в описании. Без решения атих актуальны? научных проблем невозможно '.акта бог "в глу-5окое понимание физико-химических процессов в материалах, а значит и овер„знствованк9 технологии их квготовлешл, повышние эффективности, надежности и безопасности функционирования оборудования в
.~из"элий на ИХ ООН'ЕЭ. " ',
Дэугсй, но чрезвычайно ватной стороной потребности в разработке -овых подходов для мат матическол'- моде лрования структуры дис-
4 і: персных материалов и композиционных материалов с дисперсными наполнителями является необходимость углубленияанализа структуры, улучшения метрологических методик, повышения информативности и оперативности ившрений, создания теоретических предпосылок для универсализации и автоматизации процесса исследований в целой.
Доль работы. Основно, цель» работы является обобпрние имэедих-. ся исследований взаимосвязи структуры и упруго-прочностных свойств дисперсных материалов и дисперсно-армированных композитов и построение последовательной статистической теории, повволяпцэй с единые позиций описывать физико-механические свойства дисперсных систем и получаемых на их основе конповиционных материалов. Для достижения атой цели потребовалось решение следующих основных еадач:
- ивучение физических закономерностей структурообразо"ания в
дисперсных системах и композиционных материалах с дисперсными на
полнителями, разработка методов определения фрактальной топологи
ческой размерности стохастических неоднородных структур в изученных
материалах;
рагработка программно-алгоритмического обеспечения для математического моделирования и визуализации процессов структурооОраво-вания на ШВЫ;
рагработка теоретических методов прогнозирования упруго-прочностных свойств фрактальных дисперсных систем, дисперсных материалов, дисперсно-??мироваяных композитов и пористых случайно-неоднородных композиционных материалов в полном диапазоне изменения определяющих параметров;.
реализация новых аналитических возможностей изучения структуры 'і упруго-прочкостных свойств материалов, теоретическое обоснование расчетных моделей и инавнерпых рекомендаций по ссдершввство-ваиию структуры отдельных видов реальных материалов и технологии их изготовления. '
Научная значимость и новизна результатов иссл-дований состоит в построении теории упруго-прочностных свг^ств дисперсных материалов и дисперсно-армированных композитов на основ* статистического описания методами., фрактальной геометрии неоднородных случайных очзуктур, впервые -овьолившзй учитывать влияние неоднородности структуры исходных дисперсных систем и их эволюцию в процессе консолидации.
Создана теоретическая модель, учитывающая особенности физико-механических свойств фрактальных стр> ктур и позволяющая- прогво-вировать, в вависимости эт значений определяющих параметров в под-
5 EDii диааггокв их изменения, весь ксміїлвш упругих, и прочностных характеристик дисперсных- материалов- я кошсзяпдотщх-материалов о дисперсными напошзтеашя.:
В диссертационной работе рассмотрены вопросы математического шдэлфования йволвщвг структуры материалов на ГОШ, Это новое направленно работ потребовало разработки методов и програмино-алгорит-мичосіздго обеспечения. Датшй аспект исследований дэзшт на етика механики кошовищшшшх штерїіалоз п кифорїатика и гчгдгэт. асей работа" повоз содерганш. В результате его ровякля удается в полной мэре реализовать последовательный сиотедаьа подход в исследовании-веаиыосвявя структуры и свойств материалов: эксперимент - натурній и численный, научный анализ и теория, практически.' выход и инженер чые рекомендации.
Раавитиэ мэтодов и средств исследований, получение новых экспериментальных, результатов поввошег сфораутировать тл предлодкть для-применения ковш элзьскты в традиционных схемах получеши дисперсных й- кошовицЕОВных материалов. Такими новыми элементами явдя-, югея -разработанные в процессе выполнения ксслэдзваний кошговиции,. . способы получения и обработки материалов.
Практическая ценность и использование результатов работы. Построение и изучение нового класса моделей струга/ры дисперсных мате-, риалов и композиционных.материалов с- дисперсными наполнителями позволяю количественно анализировать свойства стохастических обьек-тов-, до ,сего времени описываемые качэствэнно в. рамках- детвршпшро-вашшг. моделей. их измерение позволяет повыспь точность прогнозирования- результатов исследований, обеспечивает. Еозмогвость: автоматизации, их, получения* .сокращает затраты на исполь8уэмыэ материалы и вргыа обработки экспериментальных данных.
Разработанные . яа - основе теории фракталов метода .учета структурных характеристики практпческиэ рекомендации окажутся полезными для инженерного расчета упругих и прочностных свойств композиционных и дисперсных материалов. Они имеет практическое значение для проектных организаций при разработке перспективных и анализа работы функцгояирузщях технологических установок в штатных, переходных и аварийных рэгеазв;/ ,
В равной кере результаты работы првдстав„лются полезными и для исследовательских организаций йри совершенствовании экспериментальной диагностики структуры дисперсных и комповициокг тс материалов и расчетных огчеаний, учитыващге пространственную несннородкость
6 ;>
структури. Данные, по структура мо-ут быть испольвованы для разработки, фотически обоснованных моделей теплооСьс ::а, ввукопоглоЕрния в материалах.
Применение теории пепколяция и теории фракталов при построении базовых теоретических моделей повволило допшши-і арсенал-шзгофун-кционалъных. программно- здгоритмическйх средств статистического моделирования структурj материалов, в частности, повволило свести к единой схеме моделирование структуры материалов с дисперсными.наполнителями различной природы.
Ь&териалы- диссертации- испольвовались и в дальнейшем окажутся подэвньши при что ни» вувовск.^ спецкурсов и постановка лабораторных практикумов по механика и технологии комповиционных и дисперсных материалов, фвдике горных пород, физической и шшаидной химии. '
Тематика исследований входила » планы НЕТ ЕГИим. С. 11. Кирова, КОШ'АН Беларуси и выполнялась для ШноСразования и Ібінлеспромз Беларуси, ШЭ им. К.Е Курчатова (И ГР Ш822015035, 01840031058, 01860029219, 081011514, 0189028453, O1S2Q0J5193J-. по региональной про^аше фундаментальных в прикладных научных исследований иа 1S8&-1990 г. г. межведомственного коордияамошюго совета АН СССР в Ленинграде, по.планам Научного совета АН Беларуси по проблемам биосферы, по республиканской комплексной целевой научно-техничаской программе 23. Olpu, Результаты работы прошш ояытЕО-прошшлвннуо проверку на ряде предприятий Беларуси, ito теме работы получено 2 авторских свидетельства и 1 полокитедьноэ р&шнио по ваявкв на. предполагаемое ивобретент,
Автор 8ашишает следующие основные ревудьтаты:
-
катоды определения фрактальной топологической раашрности стохастических структур в диспе; зных" системах, дисперсное и коипо-8ИЦИ0ЯНЫХ материалах. Приложения-- равработанных методов для комплексного ивучениа структурных параметров дисперсных материалов и композиционных материалов с дисперсными . нашляитедаті, в той числе анизотропными.
-
Программно-алгоритмические средства математического моделирования структуры дисперсных систем и коипо8иционных материалов, ее эволюции. ,в процессе ;.зфоршірования среды-и некоторых технологических воздействиях.
-
Метод расчета распределения упругих, .и ирочностных характеристик в фрактальных кластерах.
-
Нелинейное локаліное ууазаешь? деформирования упругой дне-
перепой среды, кмеїгарй фрактальный характер неоднородности структура
-
Аналитические зависимости скорости распространения упругих волн и динамических модулей упругости от фраетальной равшрпости и других структурных параметров консолидируеных-дисперсных.систол
-
Теория- аф*вістивяого шдудя упругих дисперсно-аршфованкых композитов стохастической структуры в полной диапазон* ; ллеиекид оВвдішой доли наполнителя, позволившу» впервые оюаать. иэоднознач-г ность «одулей улругост» в области структурного фавового"перехода в композитах.
?. Мз^д расчета прочности дисперско-аркфОЕ^чныхкашовитов : полной диапазона И8шнения объёмной до.л компонентов и его прішда-ния для исследования влияния структурных параметров' на прочность-полимерных кошозициокных катэриадов.
-
Математическую модель упруго-прочностных свойств пористых случайно-неоднородных кошовиционных материалов, древесно-подишр-ных кошіовитов и армированных кок .оаиционных пластиков, построэннув на основ» теория фракталов.
-
Т8ор9тичэс.;аэ обоснование возможности и практическую роали-вацгаэ способов совершенствования технологии получения некоторых гидов диспоровых материалов и дисперсио-аршровгнных композитов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались яз Ш Всегоюшгой конференции по нелинейной теории упругости (Сыктывкар, 1QS9), III Всесоюзной конференции "фочносіь, ШСТКОСТЬ и тохнологичность изделий из композиционных (материалов" (Запорояьв, 19S8), научко-техничесг^й кснфврэяции "Радиационная физика твердого тела" (1Ё1НСК, 1Q89), Ш Еаесаснаи симпозиума по механике разрушения (Киев, 1S90), VIII ійядуиародном сишэзиуда "Древесно-полимерныэ КОШ08ЧЦИОННШ к-териалы и ивделия" (Гокэль, 1991), VIII Шлдуна-рі;дкой конференции по разрушению материалов (Киев, 1993), V Всесоюзной научной конференции "Шхзника сыпучих материалов" (Одесса, 1891), I международной сишовиумэ "'Информатика-89" (Минск, 1989), Европейском совещании Мэядународной ассоциации по применению математических и і'оьяь: тврн'.: ідатодов в моде*ировании (ШС5) "І^обде-Уиі, решаемые моделированием" (Зстергои, 199П, Бсесошной научной коррекции "Освоеяке и концен-т-альное проектирование интеллектуальных систем" (Шсква, 1990), Бсесошной конференции "Математическое '. имитационное «юделированиэ в системах проектировав і и управления" (Чернигов, 1990), II Всесоюзній кт яренции "Искусственный
8 интеллект-90" (Минск, 1990), свшшаї -совещании "Срактая&ныэ обтекти в математико, фивикэ и биологии" (Славянок, 1-31), республиканской научной конференции "Математическое и программное обеспечение анализа данных" (Шнек, 199П), VI конференции математиков Беларуси (Гродно, 1892), республиканской научной Еколегсєм...іар9 "Кзмпмзтер-ный анадив данных и моде: -рование" (Шнек, 1992), VIII международном сишовиуме по фундаментальным исследованиям древесины (Варшава, 1990), Международной конференции "Упрочнение и ващіта поверхности гаэотермическим и вакуумным напылением" (Киев, 199и), научно-технической конференции "Црогрессивные процессы обработки материалов давлением" (Гомель, 19S9), научно-технической конференции "Прочность, пластичность материалов и новые процессы их получения и обработки" (иикск, 1990), на васеданга научного семинара Института сверхтвердых материалов АН Украины "Штоды мехаі.ики сплошной среды в теории фаеовых переходов" (Киев, 1990), на васедании научного семинара Института проблем испольвования природных ресурсов и экологии АН Беларуси (йгнек, 1990), на ежегодных научных конференциях в БТИ и 'ТЛА.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 печатных работ, ее материалы наши отражение в 9 научно-технических отчетах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит ив введения, пяг ти глав, вашшчения и списка литературы. Она содержит 335 страниц машинописного текста, 67 рисунков, 21 таблицу, библиографам - 180 наименований.