Анализ долговечности пленочно-тканевыхкомпозиционных материалов

На правах рукописи

Шакирова Алсу Минсалиховна

Анализ долговечности пленочно-тканевых
композиционных материалов

Специальность

01.02.04 – "Механика деформируемого твердого тела"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

КАЗАНЬ – 2008

Работа выполнена в Казанском государственном архитектурно-строительном университете на кафедре «Сопротивление материалов и основы теории упругости»

Научный руководитель:	доктор физико-математических наук, профессор Каюмов Рашит Абдулхакович
Официальные оппоненты:	доктор физико-математических наук, профессор Голованов Александр Иванович, доктор физико-математических наук, профессор Серазутдинов Мурат Нуриевич
Ведущая организация:	Исследовательский центр проблем энергетики Казанского научного центра РАН

Защита состоится « 19 » июня 2008 г. в 14 часов 30 минут в аудитории мех. 2 на заседании диссертационного совета Д 212.081.11 при Казанском государственном университете по адресу: 420008, Казань, ул. Кремлевская, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Н.И.Лобачевского Казанского государственного университета.

Автореферат разослан « 17 » мая 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук А.А.Саченков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время все шире используются пневматические и тентовые конструкции из пленочно-тканевых композитных материалов (ПТКМ). С появлением новых полимерных материалов растет разнообразие и область применения таких конструкций. В качестве достоинств сооружений из ПТКМ можно отметить невысокие капитальные затраты, малую материалоемкость, мобильность и быстроту монтажа.

Анализ опыта применения мягких конструкций показывает, что в отличие от традиционных сооружений, наибольшая эффективность их использования определяется не столько максимальным, сколько экономически обоснованным оптимальным сроком службы. В связи с этим возникает проблема создания ПТКМ не только с максимально возможной, но также с заранее заданной долговечностью в конкретных условиях эксплуатации. На сегодняшний день, одной из важнейших является оценка долговечности тканевых композитов с учетом старения материала под действием атмосферных факторов, температуры и ультрафиолетового облучения.

Принципиальные требования, предъявляемые к материалам пневматических конструкций, сводятся к двум: прочности и воздухонепроницаемости. Обоим этим требованиям удовлетворяют композиционные материалы, состоящие из силовой основы (ткани или сетки) и воздухонепроницаемого слоя (полимерного покрытия или дублирующей пленки).

Для оценки длительной прочности данного типа материалов необходимо знать напряженно-деформированное состояние (НДС) каждой компоненты композита в масштабе элементарной ячейки ткани. Создание компьютерной конечно-элементной модели элементарной ячейки композита, в которой варьируются физико-механические и геометрические параметры структурных составляющих позволит планировать натурные эксперименты и находить новые пути оптимизации структуры и эксплуатационных свойств композита.

Цели работы:

1. Построить модель поведения фаз армированных полимерных композитных материалов с учетом нелинейной упругости, деформаций ползучести, процессов накопления микроповреждений, старения и деструкции материала под действием ультрафиолетового облучения.
2. Разработать методику численного решения уравнений механики для представительной ячейки композитного материала, находящейся под действием силовых и несиловых внешних воздействий с учетом геометрической и физической нелинейностей.
3. Создать компьютерную структурно-имитационную модель элементарной ячейки ПТКМ, провести численные эксперименты, выявить закономерности поведения ПТКМ, его напряженно-деформированного состояния и долговечности при варьировании его геометрических и механических параметров.

Научная новизна:

1. Разработана модель деформирования композитного материала, учитывающая вязкоупругие свойства материала, процессы накопления в нем микроповреждений и фотодеструкции, а также геометрическую и физическую нелинейности.
2. Разработана методика расчета и программное обеспечение, для исследования НДС и оценки долговечности ПТКМ с учетом геометрической и физической нелинейностей, старения, ползучести, накопления микроповреждений и фотодеструкции материала.
3. Выявлены закономерности напряженно-деформированного состояния и долговечности ПТКМ.

Обоснованность и достоверность обеспечивается корректностью постановки задач, применением строгих математических методов, согласованностью численных решений в некоторых частных случаях с известными аналитическими решениями, практической сходимостью численных решений.

На защиту выносятся:

1. Построение математических моделей деформирования полимерных КМ с учетом старения материала, деформаций ползучести, процессов фотодеструкции материала, накопления микроповреждений, конечности перемещений, физической нелинейности.
2. Методика, алгоритм и программа для ЭВМ расчета НДС и оценки долговечности элементарной ячейки ПТКМ с учетом старения, ползучести, накопления микроповреждений и влияния ультрафиолетового излучения при конечных перемещениях с учетом физической нелинейности.
3. Результаты численных экспериментов, полученных при помощи разработанной методики, закономерности поведения ячейки ПТКМ и ее долговечности в зависимости от геометрических и механических характеристик.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях и семинарах. В том числе: на итоговых научных конференциях Казанского государственного архитектурно-строительного университета (2005 – 2008 г.г.); XXII международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов» (Санкт-Петербург, 2007 г.); XIII, XIV международных симпозиумах «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.Горшкова (Москва, 2007, 2008 г.г.); Четвертой Всероссийской научной конференции с международным участием: «Математическое моделирование и краевые задачи: МЗЗ. Математические модели механики, прочности, надежности элементов конструкций» (Самара, 2007 г).

В целом работа докладывалась на кафедре «Сопротивления материалов и основы теории упругости» Казанского государственного архитектурно-строительного университета в 2008 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, одна из них в рецензированном издании из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 145 страниц, включая 10 таблиц, 52 рисунка и список литературы из 155 наименований.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю и глубокую благодарность своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Каюмову Рашиту Абдулхаковичу за постоянное внимание, содействие и помощь, оказанные на всех этапах работы, а также коллективу кафедры «Сопротивление материалов и основы теории упругости» Казанского государственного архитектурно-строительного университета за предоставленные и столь ценные в период выполнения диссертации материалы и консультации.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность изучаемой проблемы, сформулирована цель работы, кратко изложено содержание диссертации, и приведены основные результаты, которые выносятся на защиту.

Раздел 1 посвящен краткому обзору работ, связанных с исследованием долговечности ПТКМ при воздействии эксплуатационных факторов, а также работ, посвященных разработке методов расчета с учетом накопления повреждений, ползучести, геометрической и физической нелинейностей.

Отмечается, что одним из наиболее существенных недостатков современных материалов типа ПТКМ является низкая стабильность их свойств во времени. С течением времени под воздействием механических напряжений и климатических факторов материалы стареют – в них протекают процессы, сопровождающиеся изменением их химического состава и физической структуры, что приводит к падению прочности материала. К определенному сроку службы материал ограждения перестает быть достаточно прочным, наступает предельное состояние всего сооружения.

Анализ литературы показал, что долговечность ПТКМ зависит от ряда факторов: химической основы армирующих тканей и вида полимеров в покрытиях, толщины полимерного покрытия по ткани и степени его светопропускания, величины и вида механических напряжений в материалах, интенсивности эксплуатационных воздействий. Выявлено, что одним из основных факторов старения ПТКМ во времени является температура и солнечная радиация.

Вопросам старения полимерных строительных материалов посвящены работы Воробьева В.А., Елшина И.М., Зайцева А.Г., Зуева Ю.С., Минскера К.С., Федосеевой П.С., Рэнби Б., Рабекка Я, Сулейманов А.М. К основным факторам старения полимерных материалов они относили температуру и влажность окружающей воздушной среды, наличие в окружающей воздушной среде агрессивных газов или паров и т.д. Показано, что солнечный свет, а именно его ультрафиолетовая часть, является наиболее агрессивным фактором старения этих материалов.

Из анализа работ, посвященных разработке теории накопления повреждений, видно, что теория накопления повреждений, разработанная Ю.Н. Работновым и Л.М. Качановым явилась основой для получения ряда критериальных соотношений длительного разрушения различных материалов.

Исходная искривленность нитей тканой армирующей основы и малая жесткость матрицы, выделяют ПТКМ как особый тип композиционных материалов, а именно высокодеформативных (10-15%). Даже при небольших деформациях композита в целом при рассмотрении деформирования ткани появляется необходимость учитывать геометрическую нелинейность, поскольку углы поворота нитей уже не являются малыми. Следовательно, использование линейной теории может привести к большому расхождению результатов численных и натурных экспериментов. Поэтому актуальным является разработка методики расчета рассматриваемых объектов в геометрически и физически нелинейной постановке.

Отмечается, что анализ литературы подтверждает актуальность определения долговечности ПТКМ с учетом физической нелинейности, ползучести, накопления микроповреждений, облучения ультрафиолетом при конечных перемещениях.

В разделе 2 описана общая постановка задачи, приведена геометрия элементарной ячейки ПТКМ, создана математическая модель материала типа ПТКМ.

Для облегчения решения задачи в геометрически нелинейной постановке она решается в приращениях, разрешающие соотношения приводятся в матричной форме в предположении о плоской деформации рассматриваемого представительного элемента.

Рис. 1 Геометрия элементарной двумерной ячейки пленочно-тканевого композита