Структура композиционных материалов считается одним из основных факторов, определяющих их свойства, поэтому ее исследование, а в конечном итоге знание являются обязательными условиями для прогнозирования их поведения. Различные технологические методы изготовления изделий из волокнистых полимерных композиционных материалов приводят к различию в распределении волокон. Известно, что при прессовании плоскими пуансонами волокна располагаются преимущественно параллельно плоскости. Однако представляется, что на этот процесс могут оказывать влияние реологические свойства матрицы, длина волокон и высота прессовки, возможно и интенсивность взаимодействия между наполнителем и матрицей. Метод компьютерной томографии является одним из надежных методов анализа и неразрушающего контроля структуры композиционных материалов. Исследуются возможности метода компьютерной томографии для анализа структуры полифениленсульфида, наполненного стеклянными волокнами различной длины. Композиционные материалы получали смешением в экструдере с последующим компрессионным прессованием заготовок. Образцы композиционных материалов, армированных волокнами различной длины, были просканированы с разрешением 2,2 микрона. Анализ распределения волокон после томографии был выполнен с помощью структурного анализа с применением программы обработки VoxTex. Показано, что расположение и распределение волокон зависят от метода изготовления и длины волокон. Проведенные исследования показывают, что метод микрокомпьютерной томографии позволяет получать данные о структуре композиционных материалов, что является основной предпосылкой для расчета физико-механических свойств. Поскольку технологические факторы могут оказывать существенное влияние на конечную структуру композиционного материала, этот метод позволяет установить взаимно-однозначное соответствие между технологией изготовления и структурой получаемого композита.

В работе рассмотрено влияние экстремальных значений коэффициента Пуассона материала на процесс распространения упругих продольных волн и переход кинетической энергии в потенциальную и обратно в процессе удара о жесткую стенку цилиндров — от пластинчатой до стержневой форм при непрерывном изменении формфакторов. Показана зависимость интегральных характеристик процесса деформирования от коэффициента Пуассона материала у цилиндров различных геометрий и шаров. Моделирование ударного нагружения цилиндров по жесткой стенке выполнено с помощью динамического метода конечных элементов тетраэдральной формы в трехмерной постановке. Показана связь коэффициентов Пуассона с коэффициентами восстановления скорости цилиндров после удара тела о жесткую стенку и механизм существенного уменьшения коэффициентов восстановления скорости. При этом уменьшение коэффициентов восстановления скорости цилиндров после упругого удара о стенку не связано с потерями от выделения тепла, сопротивлением воздуха и малой пластической деформацией, так как они не учитываются в математической модели. Показаны принципиальные отличия процессов ударного нагружения цилиндров компактных форм и шаров, имеющих такой же диаметр. Целью работы было выявление формфакторов, чувствительных к экстремальным значениям коэффициентов Пуассона, определяющих переход кинетической энергии в потенциальную и обратно в процессе удара, а также на изменения волновых картин деформирования при ударном нагружении. Показано, что для изотропных материалов значения коэффициентов Пуассона определяют необходимость учета формфакторов и величины диапазонов формфакторов, в которых наблюдаются уменьшения коэффициентов восстановления скорости, а также невозможно устойчивое определение скоростей распространения упругих продольных волн или волн Похгаммера.

В работе представлены результаты экспериментов по изучению влияния длительного УФ-излучения и температуры на механические характеристики композиционного материала. Исследованный материал состоял из однонаправленных углеродных волокон IMS65 и высокотемпературной эпоксидной смолы Т26. Согласно представленной экспериментальной программе, была проведена ускоренная деградация образцов композиционного материала под воздействием повышенной температуры +100оC и УФ-излучения в течение 360, 720 и 1080 часов. Деградация проводилась на специально разработанном испытательном стенде, который включал в себя термокамеру и УФ-лампу. Данный стенд обеспечивал контролируемую стабильную среду, которая позволила имитировать комбинированное воздействие теплового и УФ-излучения на материал в течение длительного времени. Всего на стенде было подготовлено 60 плоских образцов со схемами армирования [0]8, [±45]8, [90]8 и с различным временем деградации. Данные образцы испытывались на растяжение до разрушения, в результате чего были определены модуль упругости и предел прочности исследованного материала. По данным испытаний были построены кривые зависимости модуля упругости и предела прочности в зависимости от времени деградации материала для разных схем армирования. Анализ полученных результатов показал, что от воздействия УФ-излучения и повышенной температуры модуль упругости и предел прочности материала снизились на 10-20%. При этом было отмечено, что для образцов со схемами армирования [±45]8, [90]8 эффект деградации влияет на механические характеристики значительнее. Это обуславливает необходимость учета рассмотренных факторов деградации при проведении расчетов конструкций из композиционных материалов, эксплуатируемых в неблагоприятных условиях окружающей среды.

В данной работе исследуется разрушение трёхслойной балки в условиях трёхточечного изгиба. В качестве критерия разрушения выбрано условие превышения максимального допустимого растягивающего напряжения. Для анализа используется линейно-упругая постановка задачи в рамках модели балки Бернулли-Эйлера. В силу формирования диффузионного контакта слоев в процессе СВС-технологии эффекты расслоения не рассматриваются. Выводится зависимость, определяющая предельную допустимую нагрузку для трёхслойной балки, как функцию величины нагрузки, механических и геометрических параметров балки. Полученные результаты были применены к задаче определения оптимальных пропорций слоёв, которые бы обеспечили балке наилучшую прочность на трёхточечный изгиб, при условии, что материалами слоёв выбраны интерметаллид — TiAl, керамика — TiB и металл — Ti, исходя из технологической необходимости с учетом зависимости параметров от температуры. В решении учитывается возможность начала процесса разрушения со среднего или даже верхнего слоя. При соответствующем подборе параметров, когда нейтральная ось попадает на верхний слой, исследована точка равнопрочности. Для данных материалов показано, что причиной разрушения являются слои TiB (средний слой) и Ti (нижний слой) и для максимизации предельной допустимой нагрузки для композитной балки необходимо минимизировать толщину TiAl (верхнего слоя). В качестве примеров рассмотрена зависимость предельной нагрузки от введенных параметров в случае линейных зависимостей от температуры модуля Юнга и пределов прочности на изгиб каждого слоя для таких трехслойных балок как интерметаллид-керамика-металл и керамика-интерметаллид-керамика. Показано изменение влияния на пределньную нагрузку порядкового номера слоя с ростом температуры.

Решена полностью связная краевая задача об изгибе пластины из сплава с памятью формы в условиях теплообмена с окружающей средой и диффузии тепла вдоль толщины пластины, а также с учетом влияния скрытой теплоты мартенситного превращения. Задача включает в себя решение уравнений механического равновесия, теплопроводности и определяющих соотношений для деформации сплава с памятью формы, реализованных микроструктурной моделью. Данная модель учитывает упругую, температурную и фазовую деформации материала, последняя — связанная с протекающими в нем фазовыми переходами. Выполнен расчет поля температур в пластине, испытывающей прямое мартенситное превращение при ее охлаждении с поверхности. Найдены распределения температуры по толщине пластины для ряда последовательных моментов времени, соответствующих различным значениям температуры окружающей среды. В частности, найдены зависимости от времени температуры на поверхности и в центре пластины. Показано, что без учета выделения скрытой теплоты превращения получаются значительные погрешности в расчете времени, необходимого для завершения прямого превращения. Выполнено моделирование быстрого изгиба пластины при температуре sM (начала прямого мартенситного превращения) и последующей выдержке при постоянном изгибающем моменте в условиях постоянной температуры окружающей среды. Показано, что нейтральный слой, в котором напряжения равны нулю, не находится в середине поперечного сечения, а смещен в сторону сжатых слоев из-за асимметрии свойств рассматриваемого сплава по отношению к растяжению-сжатию. В результате теплопередачи происходит снижение температуры во внутренних слоях пластины, сопровождаемое прямым фазовым превращением и накоплением деформации во времени. Это явление можно формально трактовать как ползучесть. При выдержке в условиях фиксированного прогиба происходит релаксация напряжений во времени. Данные эффекты следует учитывать при проектировании функциональных устройств с рабочим телом из сплава с памятью формы.

В статье проводится асимптотическое осреднение упругих однородных и неоднородных в поперечном направлении пластин вплоть до пятого приближения. Асимптотическое разложение применяется к трехмерным уравнениям равновесия теории упругости и сводит их к серии двумерных задач в плоскости пластины и одномерных задач в поперечном направлении. Следовательно, рассматриваемая методика является также методом понижения размерности исходных уравнений. Рассматривается геометрически линейная теория упругости. Асимптотическое решение удовлетворяет граничным условиям на лицевых поверхностях, но не на боковой поверхности. Соответственно краевой эффект не рассматривается. Асимптотическое понижение размерности рассматривалось многими авторами. Отличие этого исследования от известных работ в данном направлении заключается в рассмотрении четвертого и пятого асимптотических приближений. Показано, что для четвертого приближения состояния изгиба и деформирования в отсчетной плоскости не разделяются даже для однородной пластины. Для однородной пластины используемая асимптотическая теория в первом приближении приводит к дифференциальным уравнениям, аналогичным теории Кирхгофа, а в третьем приближении — к теории третьего порядка. Теория Рейснера находится между ними. Для слоистой пластины первое приближение приводит к классической ламинатной теории. Как частный случай проведенное асимптотическое исследование справедливо для сильно-ортотропных пластин, однородных и слоистых пластин. В качестве примера рассмотрен цилиндрический изгиб однородной и трехслойной пластин. Проведено сравнение четвертого асимптотического приближения с конечно-элементным решением. Показано, что четвертое приближение позволяет существенно уточнить поперечное касательное напряжение. Также асимптотическое представление может использоваться как база для сравнения различных феноменологических теорий пластин третьего и пятого порядков.

В статье анализируется физика деформирования и разрушения на границе композиционного соединения на основе нанокристаллического/аморфного и кристаллического сплава при температуре жидкого азота. Для исследования подготовлены слоистые композиты на основе нанокристаллического сплава торговой марки 5БДСР и аморфного металлического сплава торговой марки 82К3ХСР с легкоплавкими сплавами. Проведены механические испытания подготовленных образцов на одноосное растяжение при комнатной температуре и температуре жидкого азота. При растяжении композиционных соединений было выявлено, что часть образцов имеют вязкий характер разрушения вне зависимости от температуры испытания. На основании полученных экспериментальных результатов выдвинута теория саморазогрева в вершине трещины композита, объясняющая вязкий характер разрушения при температурах жидкого азота. На основании предложенной теории проведено моделирование, которое показало, что энергии, выделяемой перед вершиной трещины достаточно для разогрева материала на 100-200 K и перехода к вязкому разрушению. Это процесс вероятностный и может определяться характером роста трещины в начале процесса разрушения. В случае, если росту трещины предшествуют атомные перестройки, то разрушение будет вязким даже при криогенной температуре композиционного образца в целом. Предложена физическая модель деформирования и разрушения на границе между нанокристаллической/аморфной и кристаллической фазой в композиционных соединениях «легкоплавкий кристаллический сплав — нанокристаллические/аморфные пленки», объясняющая сохранение вязкого характера разрушения в температурном диапазоне 77 К и 293 К в условиях одноосного растяжения.

В настоящее время сетчатые композитные конструкции широко применяются в ракетно-космической технике в качестве переходных отсеков, стержневых элементов космических аппаратов, корпусов спутников, адаптеров полезной нагрузки и пр. Для всех перечисленных конструкций критически важным параметром, наравне с жесткостными и прочностными характеристиками, является минимальная собственная частота колебаний. В процессе выведения полезного груза на орбиту на ракету-носитель и полезный груз действуют динамические нагрузки, вследствие чего система испытывает колебания, при совпадении частоты которых с собственной частотой конструкции (системы) наблюдается явление резонанса, резко повышающее вероятность разрушения конструкции. Применение унифицированных базовых конструкций (платформ космических аппаратов) позволяет значительно сократить сроки разработки нового изделия, увеличить надежность (применяется уже отработанная на предыдущих изделиях платформа) и уменьшить стоимость доставки груза на орбиту. В работе исследовано влияние основных конструктивных параметров адаптера (высоты адаптера, высоты сечений ребер и угол наклона спиральных ребер) на первую собственную частоту. Значения собственных частот были получены с использованием метода конечных элементов, реализованного в коммерческом ПО «FEMAP with NX Nastran». Построена математическая модель, прогнозирующая способность которой была подтверждена расчетом методом конечных элементов. Используя полученную модель, можно определить оптимальные конструктивные параметры адаптера для достижения максимальной собственной частоты, а также спрогнозировать первую собственную частоту при любых параметрах адаптера из расчетной области. Представлена методика поиска оптимальных параметров для платформ космических аппаратов (силовой корпус и адаптер), позволяющая удовлетворить заданные требования к собственной частоте платформы.

В большинстве известных феноменологических моделей деформирования сплавов с памятью формы предлагаются определяющие соотношения, выражающие приращения фазово-структурных деформаций через приращения напряжений, температуры, параметра фазового состава и сами величины напряжений, деформаций, температуры и параметра фазового состава. Сами значения напряжений, деформаций и температуры входят в правые части этих соотношений достаточно сложным, существенно нелинейным образом. Зависимость параметра фазового состава от температуры и девиатора напряжений является также существенно нелинейной, причем эта нелинейность не подчиняется частному постулату изотропии А.А. Ильюшина, т.е. наблюдается зависимость не только от интенсивности напряжений, но и от третьего инварианта девиатора напряжений. Процедуры численного решения краевых задач о деформировании элементов конструкций из сплавов с памятью формы методом конечных элементов требуют построения скоростной матрицы жесткости. Для этого необходимо иметь явные выражения приращений компонент тензора напряжений через приращения компонент деформаций, приращения температуры и сами величины напряжений, деформаций, температуры и параметра фазового состава. Таким образом, требуется построить обращение известных определяющих соотношений, получаемых в рамках феноменологических моделей деформирования сплавов с памятью формы. Построение такого обращения осложняется наличием существенно нелинейной зависимости параметра фазового состава от второго и третьего инвариантов девиатора напряжений. В работе изложена методика аналитического получения такого обращения. Приведены результаты численного решения задачи о прямом превращении в толстостенной цилиндрической оболочки, находящейся под действием постоянного внутреннего давления в предположениях о линейной и билинейной зависимости материальных параметров от параметра вида напряженного состояния.