disser/common.tex

% Общие поля титульного листа диссертации и автореферата
\institution{Пермский национальный исследовательский политехнический университет}

\topic{Влияние концентраторов напряжений на прочностные и деформационные
свойства тканых композитов с поликристаллической матрицей}

\author{Д.~В.~Дедков}

\specnum{05.13.18}
\spec{Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ}

\sa{А.~А.~Ташкинов}
\sastatus{д.~ф.-м.~н., проф.}

\city{Пермь}
\date{\number\year}

% Общие разделы автореферата и диссертации
\mkcommonsect{actuality}{Актуальность работы.}{
Объем производства композиционных материалов увеличивается с каждым годом.
Создание новых материалов играет ключевую роль в авиациионных, космических
и ракетных системах для уменьшения массы и стоимости конструкции. 

Появление таких материалов как углепластики, боропластики и органопластики
существенно расширило объемы применения композитов в конструкциях летательных
аппаратов. Кроме этого, композиты применяются в тяжелом и транспортном
машиностроении, энергетике, химической и нефтяной промышленности, строительстве.

Из композитов на основе углеродных волокон изготавливают несущие панели крыла,
оперения и фюзеляжа самолетов, обшивки трехслойных панелей крупногабаритных
антенн, зеркал, работающих в космосе, лопатки турбин, сопловые блоки, носовые
обтекатели, вкладыши критического сечения ракетных двигателей и многие другие
изделия, эксплуатируемые в условиях интенсивного теплового воздействия.

При изготовлении конструкций из композиционных материалов совершенство
технологии определяется выбором оптимальных параметров технологического
процесса, техническим уровнем используемого оборудования и остнастки, наличием
надежных методов неразрушающего контроля композиционных конструкций и
полуфабрикатов для их производства. \cite{bib:bulanov}

В то же время, при производстве тканых композитов с искривленными
волокнами неизбежны технологические дефекты, снижающие эксплуатационные свойства
изделий. К числу типичных дефектов относятся отсутствие (пропуск) нитей основы
или утка, разрывы волокон при прошивке слоев, а также внутренние поры, которые
обнаруживаются только на этапе выходного ультразвукового контроля изделия.

Эти области труднодоступны для проникновения полимерного связующего даже при
условии вакуумирования или пропитки под давлением. Кроме того, гарантированное
обеспечение наличия в этих участках поликристаллической матрицы (углеродной,
осаждаемой из газовой фазы или получаемой при карбонизации полимеров), матрицы
на основе терморасширенного графита или керамики также затруднено. Это связано
прежде всего с тем, что, во-первых, образующийся на поверхности нитей слой
осаждаемого материала препятствует дальнейшему насыщению каркаса
поликристаллической матрицей и, во-вторых, заполнение внутренних пор исключается
самими переплетенными волокнами основы и утка.

Использование тканых композитов в элементах конструкций
ответственного назначения, работающих в условиях многократно изменяющихся
внешних нагрузок в течении длительного сроков эксплуатации,
предопределяет необходимость прогнозирования не только эффективных
деформационных характеристик, но и проведения уточненного прочностного анализа.
Это, в свою очередь, актуализирует разработку новых математических методов
моделирования поведения слоев этих материалов с локальными дефектами при
комбинированных многоосных квазистатических нагружениях.

Исследованию механического поведения тканых композитов с искривленными
волокнами и переплетениями различного типа посвящены многочисленные публикации
сотрудников Левенского католического университета (Бельгия), которые на
протяжении последних десяти лет занимаются разработкой специализированных
пакетов прикладных программ для описания геометрии и численного решения краевых
задач методом конечных элементов \cite{bib:lomov1, bib:lomov2}. Установлению
закономерностей неупругого деформирования и описанию процессов накопления
повреждений при циклическом нагружении посвящены статьи \cite{bib:shokrieh,
bib:nishikawa}. В работе \cite{bib:hufenbach} проведено сравнение вычислительных
и натурных экспериментов с элементами конструкций из тканых композитов при
многоосном нагружении. В работах 
\cite{bib:overview1,bib:overview2,bib:overview3,bib:overview4,bib:overview5,
bib:overview6, bib:overview7, bib:overview8, bib:overview9, bib:overview10,
bib:overview11, bib:overview12, bib:overview13, bib:overview14, 
bib:overview15, bib:overview16, bib:overview17, bib:overview18, 
bib:overview19, bib:overview20, bib:overview21, bib:overview22} описывается 
применение численных методов конечно-элементного моделирования к задачам 
микроразрушения композитов. Одним из наиболее перспективных Однако изучению 
влияния локальных технологических дефектов на механическое поведение, 
прочностные и деформационные свойства тканых композитов уделяется недостаточное 
внимание.
}

\mkcommonsect{objective}{Цель диссертационной работы.}{%
Целью диссертационной работы являлась разработка новых математических моделей,
описывающих механическое поведение тканых композитов с локальными дефектами
при комбинированных нагружениях.

Достижение поставленной цели связано с решением следующих основных задач:
\begin{itemize}
 \item построение твердотельной модели слоя тканого композиционного материала с
локальными технологическими дефектами;
 \item разработка математической модели механического поведения слоя тканого
композита при комбинированном пропорциональном нагружении;
 \item разработка модуля расширений платформы численного моделирования 
SALOME-MECA для определения безразмерного параметра поля напряжений $\Theta$.
 \item оценка влияния типа дефекта на эффективные упругие и прочностные свойства
слоя тканого композита;
 \item определение коэффициентов концентрации напряжений в слое тканого
композита с локальными технологическими дефектами.
\end{itemize}
}

\mkcommonsect{novelty}{Научная новизна.}{%
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
\begin{itemize}
  \item применение методов механики композитов к задачам
прогнозирования эффективных деформационных и прочностных характеристик тканого
композиционного материала с искривленными изотропными волокнами и
поликристаллической матрицей;
  \item разработка, обоснование и тестирование эффективных вычислительных
методов с применением современных компьютерных технологий для определения
коэффициентов концентрации напряжений в слое тканого композиционного материала,
вызванных наличием внутренних технологических дефектов;
\end{itemize}
}

\mkcommonsect{value}{Практическая значимость.}{%
Практическая значимость диссертационной работы состоит в реализации эффективных
численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных
программ для проведения вычислительного эксперимента по определению поведения
слоев тканых композиционных материалов с локальными технологическими дефектами
в условиях многоосного квазистатического нагружения.
}

\mkcommonsect{results}{%
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:}{%
\begin{itemize}
 \item математическая модель фрагмента слоя тканого композиционного 
материала полотняного плетения с локальными технологическими дефектами при 
произвольном макродеформировании;
 \item модуль расширений платформы численного моделирования SALOME-MECA для 
определения безразмерного параметра $\Theta$ в некоторой точке тела, на основе 
численного решения краевых задач;
 \item результаты решения задач по определению коэффициентов концентрации 
напряжений в слое тканого композиционного материала с локальными 
технологическими дефектами в виде пропуска волокна основы, разрыва волокна 
основы, одновременного разрыва волокон основы и утка, а также внутренней 
технологической поры.
\end{itemize}
}

\mkcommonsect{approbation}{Апробация работы}{%
Результаты работы докладывались на $10$ всероссийских  и $5$ 
международных конференциях:
\begin{enumerate}
 \item XL, XLI Int. Summer School <<Advanced Problems in Mechanics>>, 
С.Петербург, 28 мая -- 01 июня 2012 г., 01--08 июля 2013 г.
 \item Международная конференция <<Актуальные проблемы механики сплошных 
сред>>, Цахкадзор, Армения, 08--12 октября 2012 г.
 \item Международная конференция <<Иерархически организованные системы живой и 
неживой природы>>, Томск, 9--13 сентября 2013 г.
 \item VII Всероссийская (с международным участием) конференция по механике 
деформируемого твердого тела, Ростов-на-Дону, 15--18 октября 2013 г.
 \item VI Евразийская научно-практическая конференция <<Прочность неоднородных 
структур>>, Москва, 17--19 апреля 2012 г.
 \item XVIII Зимняя школа по механике сплошных сред, Пермь-Екатеринбург, 18--22 
февраля 2013 г.
 \item Всероссийская конференция <<Механика наноструктурированных материалов и 
систем>>, Москва, 13--15 декабря 2011 г.
 \item VII Российская конференция <<Механика микронеоднородных 
материалов и разрушение>>, Екатеринбург, 23--27 апреля 2012 г.
 \item IV Всероссийский симпозиум <<Механика наноструктурированных материалов и 
систем>>, Москва, 04--06 декабря 2012 г.
 \item VIII Российская НТК <<Механика, ресурс и диагностика материалов и 
конструкций>>, Екатеринбург, 26--30 мая 2014 г.
 \item Международная молодежная научная конференция <<XXXVIII Гагаринские 
чтения>>, Москва, 10--14 апреля 2012 г.
 \item Международный молодежный научный форум <<Ломоносов-2012>>, Москва, 
10--14 апреля 2012 г.
 \item XXI, XXII Всероссийская школа-конференция молодых ученых и студентов 
<<Мат. моделирование в естественных науках>>, Пермь, 03--06 октября 2012 г., 
02--05 октября 2013 г.
\end{enumerate}
}

\mkcommonsect{pub}{Публикации.}{%
Основные научные результаты диссертации отражены в $5$-и статьях, из которых 
$3$ опубликованы в изданиях, входящих в базы цитирования SCOPUS, а $4$ статьи 
--- в журналах из перечня, рекомендованного ВАК РФ~\citemy{A:bib:dedkov1,
A:bib:dedkov2, A:bib:dedkov3} и $17$-и работах в материалах и тезисах 
докладов Всероссийских и международных конференций~\citemy{A:bib:dedkov10, 
A:bib:dedkov11, A:bib:dedkov12, A:bib:dedkov13, A:bib:dedkov14, 
A:bib:dedkov15, A:bib:dedkov16, A:bib:dedkov17, A:bib:dedkov18, 
A:bib:dedkov19, A:bib:dedkov20, A:bib:dedkov21, A:bib:dedkov22, 
A:bib:dedkov23, A:bib:dedkov24, A:bib:dedkov25, A:bib:dedkov26, A:bib:dedkov27}.
}

\mkcommonsect{contrib}{Личный вклад автора.}{%
заключается в разработке и тестировании математической модели тканого 
композиционного материала полотняного плетения с внутренними технологическими 
дефектами; разработке и тестировании модуля расширений платформы численного 
моделирования SALOME-MECA для определения безразмерного параметра $\Theta$; 
определению коэффициентов концентрации напряжений в слое тканого 
композиционного материала, вызванных наличием локальных технологических 
дефектов в виде пропуска волокна основы, разрыва волокна основы, одновременного 
разрыва волокон основы и утка, а также внутренней технологической поры. 
Постановка задач и обсуждение результатов проводились совместно с научным 
руководителем. В статьях, написанных в соавторстве с научным руководителем, 
автором выполнен полный объем численного эксперимента, а также обработки 
результатов моделирования.
}

\mkcommonsect{struct}{Структура и объем диссертации.}{%
Диссертационная работа состоит из введения, $3$-х глав, заключения, выводов и
списка литературы. Полный объем составляет $97$ страниц. Библиография 
включает $61$ наименование.
}

\mkcommonsect{inintro}{Во введении}{
приведен краткий обзор, отражающий современное состояние вопросов исследования,
сделано заключение об актуальности темы диссертационной работы. Сформулирована
цель данной работы, полученные в ней новые научные результаты, применение и
практическая ценность, приведена аннотация содержания глав диссертационной
работы.
}

\mkcommonsect{infirst}{В первой главе}{
рассматривается физическая модель тканого композиционного материала с
искривленными волокнами и поликристаллической матрицей. Описываются
технологические операции изготовления конструкций из данного вида материала,
которые могут приводить к возникновению локальных технологических
дефектов, а также методы контроля качества конструкций их тканых материалов с
поликристаллической матрицей, позволяющие выявить такие дефекты.
}

\mkcommonsect{insecond}{Во второй главе}{
рассматривается разработка математической модели тканого композита полотняного 
плетения идеальной периодической структуры, а также с наличием локальных 
технологических дефектов. Описывается программное обеспечение, используемое для 
построения геометрической модели. Принимаются гипотезы для решения задачи 
деформирования слоя тканого композита. На примере задачи о равнокомпонентном 
макродеформировании проводится тестирование разработанной модели. Приводятся 
блок-схемы алгоритмов и спроектированная модель базы данных расширений 
платформы численного моделирования SALOME-MECA для определения значений 
безразмерного параметра $\Theta$, описывающего исследуемое свойство в 
произвольной точке слоя тканого композита.
}

\mkcommonsect{inthird}{В третьей главе}{
на основе численного решения задач комбинированного многоосного
нагружения, с помощью разработанного модуля расширений платформы численного 
моделирования SALOME-MECA, определяются значения безразмерных коэффициентов 
концентрации напряжений в слое тканого композита, вызванные наличием локальных 
технологических дефектов в виде пропуска волокна основы, разрыва волокна 
основы, одновременного разрыва волокон основы и утка, а также внутренней 
технологической поры. Рассматриваются модели тканого композита при наличием 
контакта с трением между влокнами основы и утка, а также с гарантированной 
прослойкой матрицы между волокнами. Определяются механизмы, приводящие к 
разрушению поликристалллической матрицы. Показываются зависимости этих 
механизмов от типа дефекта, вида нагружения, а также наличия в технологическом 
процессе дополнительных операций, обеспечивающих проникновение связующего в 
полости, образованные локальными технологическими дефектами.
}

\mkcommonsect{inend}{В заключении}{
изложены основные результаты диссертационной работы в целом.
}