|
|
@@ -68,7 +68,7 @@ $500~\text{г}/\text{м}^2$.
|
|
|
|
|
|
Для изготовления каркаса изделия, заготовки из ткани или ленты выкладываются на
|
|
|
оправку с последующей прошивкой слоев по третьей координате, при этом, в местах
|
|
|
-пршивки возможно возникновение разрывов волокон основы и утка.
|
|
|
+прошивки возможно возникновение разрывов волокон основы и утка.
|
|
|
|
|
|
\subsection{Матричные материалы}
|
|
|
|
|
|
@@ -362,11 +362,193 @@ $6\dots100$~МПа при температуре $550\dots 650^\circ\mathrm{C}$.
|
|
|
а влияние матрицы на формирование жесткости указанного направления весьма
|
|
|
значительно.
|
|
|
|
|
|
-\section{Экспериментальные закономерности влияния локальных концентраторов
|
|
|
-напряжений на деформационные и прочностные свойства тканых композитов с
|
|
|
-поликристаллической матрицей}
|
|
|
+\section{Разработка твердотельной модели тканого композита с локальными
|
|
|
+технологическими дефектами}
|
|
|
+
|
|
|
+\subsection{Геометрическая модель слоя тканого композита}
|
|
|
+\label{c1:geometry}
|
|
|
+
|
|
|
+Будем моделировать слой тканого композита с армирующим каркасом полотняного
|
|
|
+переплетения образованного волокнами круглого поперечного сечения
|
|
|
+постоянного диаметра $D$, толщина которого которого составляет $2,5 D$.
|
|
|
+Будем считать, что искривление нитей основы и утка ткани задается
|
|
|
+дугой окружности $a$ с центральным углом $\alpha = \pi \mathord{\left/
|
|
|
+{\vphantom {\pi 4}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} 4 $ и прямой $b$
|
|
|
+(рис.~\ref{fig:c2:geometry}) \cite{bib:imankulova}. В силу малости деформаций
|
|
|
+будем считать углы $\alpha$ неизменными при нагружении слоя.
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{figure}
|
|
|
+ \centering
|
|
|
+ \includegraphics[width=17cm]{geom}
|
|
|
+ \caption{Геометрия изгиба волокна}
|
|
|
+ \label{fig:c2:geometry}
|
|
|
+\end{figure}
|
|
|
+
|
|
|
+Построение геометрической модели слоя тканого композита будем проводить с
|
|
|
+помощью платформы для численного моделирования SALOME, которая представляет
|
|
|
+собой набор пре- и постпроцессинга. Первоначально задуманная как
|
|
|
+программное обеспечение CAD-CAE, SALOME реализует возможности
|
|
|
+параллельных вычислений, объединяет модули, применяемые в различных
|
|
|
+приложениях численного моделирования и САПР. Так, например, платформа
|
|
|
+SALOME используется как база для проекта NURESIM (European Platform for
|
|
|
+NUclear REactor SIMulations), предназначенного для полномасштабного
|
|
|
+моделирования реакторов \cite{bib:salome}.
|
|
|
+
|
|
|
+С помощью операции экструзии вдоль кривой, показанной на
|
|
|
+рис.~\ref{fig:c2:geometry}, формируется сегмент волокна, из которого, в свою
|
|
|
+очередь, с помощью операций трансляции и зеркалирования формируется фрагмент
|
|
|
+ткани (рис.~\ref{fig:c2:regular}~а). Матрица моделируется с помощью операции
|
|
|
+вычитания из твердотельного прямоугольного параллелепипеда фрагмента ткани,
|
|
|
+после чего матрица и фрагмент ткани совмещаются для получения твердотельной
|
|
|
+модели тканого композита с поликристаллической матрицей
|
|
|
+(рис.~\ref{fig:c2:regular}~б) \cite{bib:salome:geom,
|
|
|
+bib:salome:additional_geom, bib:laduga:geom}.
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{figure}[ht]
|
|
|
+ \centering
|
|
|
+ \includegraphics[width=17cm]{geometry/v1/regular_all}
|
|
|
+ \caption{Фрагмент слоя тканого композита с идеальной периодической структурой:
|
|
|
+а)~только волокна, б)~волокна, окруженные матрицей}
|
|
|
+ \label{fig:c2:regular}
|
|
|
+\end{figure}
|
|
|
+
|
|
|
+Коэффициенты армирования моделируемого слоя тканого композита с
|
|
|
+поликристаллической матрицей --- $\alpha_{1} = \alpha_{3} = 0{,}14$. Здесь и
|
|
|
+далее оси $x_1$ и $x_3$ ортогональной декартовой системы координат принадлежат
|
|
|
+плоскости слоя.
|
|
|
+
|
|
|
+Будем рассматривать дефекты, типичные для тканых композитов с
|
|
|
+поликристаллической матрицей: пропуск нити основы
|
|
|
+(рис.~\ref{fig:c2:fiber_skip}), разрыв волокна основы
|
|
|
+(рис.~\ref{fig:c2:one_fiber_break}), разрыв волокон основы и утка
|
|
|
+(рис.~\ref{fig:c2:two_fibers_break}), а также внутреннюю технологическую пору
|
|
|
+(рис.~\ref{fig:c2:pore}).
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{figure}[ht]
|
|
|
+ \centering
|
|
|
+ \includegraphics[width=17cm]{geometry/v1/d1d2}
|
|
|
+ \caption{Фрагмент тканого композита с пропуском нити без дополнительной
|
|
|
+пропитки (а) и с пропиткой (б)}
|
|
|
+ \label{fig:c2:fiber_skip}
|
|
|
+\end{figure}
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{figure}[ht!]
|
|
|
+ \centering
|
|
|
+ \includegraphics[width=17cm]{geometry/v1/d3d6}
|
|
|
+ \caption{Фрагмент тканого композита с разрывом волокна основы без
|
|
|
+дополнительной пропитки (а) и с пропиткой (б)}
|
|
|
+ \label{fig:c2:one_fiber_break}
|
|
|
+\end{figure}
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{figure}[ht!]
|
|
|
+ \centering
|
|
|
+ \includegraphics[width=17cm]{geometry/v1/d4d7}
|
|
|
+ \caption{Фрагмент тканого композита с разрывом волокон основы и утка без
|
|
|
+дополнительной пропитки (а) и с пропиткой (б)}
|
|
|
+ \label{fig:c2:two_fibers_break}
|
|
|
+\end{figure}
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{figure}[ht!]
|
|
|
+ \centering
|
|
|
+ \includegraphics[width=10cm]{geometry/v1/d5}
|
|
|
+ \caption{Фрагмент тканого композита с внутренней технологической порой}
|
|
|
+ \label{fig:c2:pore}
|
|
|
+\end{figure}
|
|
|
+
|
|
|
+Полости, образующиеся в результате разрывов нити основы, нитей основы или утка
|
|
|
+или вызванные наличием внутренней технологической поры имеют характерные
|
|
|
+размеры, соизмеримые с характерными размерами неоднородностей, не изменяют
|
|
|
+значительно интегральные коэффициенты армирования композита. Полость,
|
|
|
+образующаяся при пропуске волокна основы уменьшает коэффициент армирования
|
|
|
+вдоль основы до $0{,}13$. При дополнительном уплотнении с последующей
|
|
|
+карбонизацией или доосаждением матрицы из газовой фазы эти полости могут быть
|
|
|
+заполнены материалом матрицы либо оставаться незаполненными.
|
|
|
+
|
|
|
+\clearpage
|
|
|
+
|
|
|
+\subsection{Постановка краевой задачи теории упругости}
|
|
|
+
|
|
|
+Будем предполагать, для простоты, что волокна и матрица слоя модельного
|
|
|
+тканого композита изотропные, линейно упругие, не изменяющие геометрию,
|
|
|
+взаимное расположение и тип симметрии при нагружении. Тогда компоненты
|
|
|
+тензора напряжений $\sigma_{ij,j} ({\bf r})$ удовлетворяют уравнениям равновесия
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{equation}
|
|
|
+ \sigma_{ij,j} ({\bf r}) = 0,\label{eq:Eqvilibrium}
|
|
|
+\end{equation}
|
|
|
+
|
|
|
+\noindent а компоненты тензора малых деформаций $\varepsilon_{ij}$ связаны
|
|
|
+с компонентами вектора перемещений $u_{i}$ геометрическими соотношениями Коши
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{equation}
|
|
|
+\varepsilon_{ij} ({\bf r}) = \frac{1}{2}\left[u_{i,j} ({\bf
|
|
|
+r}) + u_{j, i}({\bf r}) \right].
|
|
|
+\label{eq:Koshi}
|
|
|
+\end{equation}
|
|
|
+
|
|
|
+Введем для описания геометрии слоя тканого композита единичную
|
|
|
+кусочно-однородную индикаторную функцию $\lambda({\bf r})$ радиус-вектора
|
|
|
+${\bf r}$, которая принимает значение $1$, если точка принадлежит нити основы
|
|
|
+или утка, и $0$, если матрице. Тогда определяющие соотношения могут быть
|
|
|
+записаны следующим образом:
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{equation}
|
|
|
+\sigma_{ij} ({\bf r}) = \left\{ C_{ijkl}^{f}\lambda({\bf r}) +
|
|
|
+C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\}
|
|
|
+\varepsilon_{kl}({\bf r}),
|
|
|
+\label{eq:Guck}
|
|
|
+\end{equation}
|
|
|
+
|
|
|
+\noindent где верхними индексами $f$ и $m$ отмечены материальные
|
|
|
+коэффициенты, относящиеся к волокнам и матрице соответственно.
|
|
|
+
|
|
|
+Краевая задача \eqref{eq:Eqvilibrium}--\eqref{eq:Guck} должна
|
|
|
+быть дополнена граничными условиями
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{equation}
|
|
|
+ \begin{array}{c}
|
|
|
+ u_1 {\bf (r)}|_{\Gamma_2} = u_1^0, \quad u_3 {\bf (r)}|_{\Gamma_1} = u_3^0, \\
|
|
|
+ u_1 {\bf (r)}|_{\Gamma_4} = u_3 {\bf (r)}|_{\Gamma_3} = u_2
|
|
|
+ {\bf (r)}|_{\Gamma_5} = u_2 {\bf (r)}|_{\Gamma_6} = 0, \\
|
|
|
+ \sigma_{12} {\bf (r)}|_{\Gamma_4} = \sigma_{13} {\bf (r)}|_{\Gamma_4} =
|
|
|
+ \sigma_{13} {\bf (r)}|_{\Gamma_3} = \sigma_{23} {\bf (r)}|_{\Gamma_3} = 0, \\
|
|
|
+ \sigma_{12} {\bf (r)}|_{\Gamma_5} = \sigma_{13} {\bf (r)}|_{\Gamma_5} =
|
|
|
+ \sigma_{12} {\bf (r)}|_{\Gamma_6} = \sigma_{13} {\bf (r)}|_{\Gamma_6} = 0,
|
|
|
+ \end{array}
|
|
|
+ \label{eq:b_cond}
|
|
|
+\end{equation}
|
|
|
+
|
|
|
+\noindent обеспечивающими заданное макрооднородное равнокомпонентное
|
|
|
+деформирование в плоскости слоя и условиями идеального сопряжения
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{equation}
|
|
|
+ \left[\sigma_{ij} {\bf (r)} n_{j} \right] |_{\Gamma_7^{+}} =
|
|
|
+ \left[\sigma_{ij} {\bf (r)} n_{j} \right] |_{\Gamma_7^{-}}, \quad
|
|
|
+ \left[u_i {\bf (r)}\right]|_{\Gamma_7^{+}} = \left[u_i
|
|
|
+ {\bf(r)}\right]|_{\Gamma_7^{-}}
|
|
|
+ \label{eq:b_cond_ideal}
|
|
|
+\end{equation}
|
|
|
+
|
|
|
+\noindent на границах раздела фаз $\Gamma_7$ (рис.~\ref{fig:c2:b_cond}).
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{figure}[!ht]
|
|
|
+ \centering
|
|
|
+ \includegraphics[width=12cm]{geometry/v1/bc}
|
|
|
+ \caption{Граничные условия краевой задачи теории упругости}
|
|
|
+ \label{fig:c2:b_cond}
|
|
|
+\end{figure}
|
|
|
+
|
|
|
+Полости, вызванные наличием локальных дефектов и незаполненные матрицей имеют
|
|
|
+внутреннюю поверхность $\Gamma_8$, на которой отсутствуют ограничения на
|
|
|
+перемещения, сама поверхность свободна от напряжений:
|
|
|
+
|
|
|
+\begin{equation}
|
|
|
+ \sigma_{ij} {\bf (r)} n_{j} |_{\Gamma_8} = 0.
|
|
|
+ \label{eq:b_cond_free}
|
|
|
+\end{equation}
|
|
|
|
|
|
-%TODO: Написать вторую часть первой главы
|
|
|
+а ее точки не имеют ограничений на перемещения. В случае насыщения внутренней
|
|
|
+поры соответствующие объемы материала обладают свойствами матрицы.
|
|
|
|
|
|
\section*{Выводы к первой главе}
|
|
|
\addcontentsline{toc}{section}{Выводы к первой главе}
|