Елью настоящей работы является анализ современных технологий и постановок задач механики композиционных материалов для создания лопатки спрямляющего аппарата нового отечественного авиационного двигателя ПД-14, планируемого для установки на ближне-среднемагистральный самолет МС-21. Спрямляющий аппарат представляет собой кольцевой набор профилированных лопаток, расположенных за рабочим колесом вентилятора и обеспечивающих выравнивание воздушного потока с целью уменьшения потерь в наружном контуре двигателя. С учетом большого количества лопаток на один двигатель снижение массы от применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) вместо металла в лопатках спрямляющего аппарата может быть весьма значительным. Прогнозируется, что снижение массы каждой лопатки может достигать 40 %. Представлены результаты литературного обзора вариантов применения композиционных материалов в узлах и деталях вентиляторов авиационных двигателей ведущих мировых компаний. Представлен анализ перспективных технологий композиционных материалов для создания лопатки спрямляющего аппарата: препреговая технология с последующим автоклавным формованием, метод RTM (пропитка под давлением), применение термопластичных связующих и пресс-материалов. Отмечено, что для получения конструкций с высоким уровнем реализации механических свойств матералов и снижения вероятности дефектов необходима постановка и решение комплексных задач технологической механики композитов. Рассмотрены возможные варианты постановок задач, включающих различные разделы МДТТ, описывающих процессы фильтрации, физико-химического превращения, вязкоупругопластического деформирования в неоднородных средах, сопровождающие технологический цикл получения изделий из композиционных материалов. Исследовано влияние технологических параметров на механические свойства нескольких типов углепластиков при автоклавном формовании. С использованием соотношений механики слоистых пластин рассчитаны эффективные упругие и прочностные свойства углепластиков при применении квазиизотропной схемы армирования. Получена сравнительная оценка эффективности использования композиционных материалов в конструкции ЛСА.

Предложена численная модель флюидонасыщенных трещиновато-пористых хрупких материалов, основанная на гибридном подходе, совмещающем метод частиц и метод сеток. В рамках данной модели вмещающее пористое тело описывается на основе метода дискретных элементов. На ансамбле дискретных элементов моделируются процессы деформации пористого твердого тела и фильтрации однофазного флюида в связанной сети «микропор» (пор, каналов и других несплошностей, содержащихся в объеме дискретных элементов). Предложены соотношения, связывающие напряжения и деформации дискретного элемента, изменение объема его порового пространства и поровое давление флюида в «микропорах». Вычисление массопереноса жидкости между «микропорами» и «макропорами» (которые рассматриваются как области между пространственно разнесенными и невзаимодействующими дискретными элементами) осуществляется на более мелкой сетке, «вмороженной» в лабораторную систему координат. С использованием развитой связанной модели проведено изучение механического отклика образцов упруго-хрупкого материала, поровое пространство которых насыщено водой, при одноосном сжатии. Показано, что эффективная прочность таких образцов определяется не только прочностными свойствами «сухого» (ненаполненного жидкостью) материала и давлением жидкости в порах, но в значительной степени - соотношением геометрических размеров образцов, скоростью деформирования и характеристиками пористости материала. По результатам моделирования предложена обобщающая зависимость прочности проницаемого водонасыщенного хрупкого материала при одноосном сжатии от приведенного диаметра фильтрационных каналов, представляющего собой отношение характерного диаметра фильтрационных каналов к квадратному корню скорости деформирования образца. Приведенные результаты демонстрируют возможности построенной модели для изучения нестационарных процессов деформирования и разрушения флюидонасыщенных материалов в условиях динамического нагружения.

Рассматривается вывод кинематических соотношений, описывающих мартенситные переходы в сталях. Мартенситные переходы относятся к бездиффузионным твердотельным фазовым переходам, происходят со скоростями, близкими к скорости звука, и приводят к изменению типа решетки металла. Поэтому при описании кинематики мартенситного перехода необходимо учесть, с одной стороны, основные физические явления: перестройку решетки, аккомодацию остаточных напряжений, возникших вследствие этой перестройки, а с другой - наличие инвариантной (габитусной) плоскости, делающей возможным переход при столь высоких скоростях. Предлагаемая работа представляет одну из важных составляющих (подмодель) разрабатываемой двухуровневой математической модели твердотельных фазовых превращений при термомеханической обработке сталей. Модель основывается на подходах физической теории пластичности, позволяющей учитывать физические механизмы деформирования за счет введения дополнительных внутренних переменных на различных масштабных уровнях. Приводится вывод соотношений для градиента трансформационной деформации представительного объема мезоуровня как деформации с инвариантной плоскостью. По аналогии с пластической деформацией трансформационная задается соответствующей системой векторов - вектором нормали к инвариантной плоскости и вектором направления скольжения (эти векторы не перпендикулярны). Указанные векторы не определяются полностью только кристаллографией, как их аналоги в теории пластического сдвига по плоскостям скольжения. Они вычисляются с учетом величины изменения параметров решетки при фазовом переходе, аккомодационных механизмов, его сопровождающих. Приводятся результаты вычисления трансформационных систем, получаемых при аккомодации остаточных напряжений пластическими сдвигами и двойникованием по различным возможным системам в мартенсите. По рассчитанным трансформационным системам строятся градиенты деформации для мартенситного перехода в стали и их геометрическая интерпретация. Вычисленные собственные числа градиентов дают представление об изменении объема при мартенситном превращении. Полученные результаты расчета сравниваются с известными экспериментальными и теоретическими данными.

Рассматриваются критерии оценки влияния поверхностного упрочнения на приращение предела выносливости сплошных и полых цилиндрических образцов с надрезами при изгибе в случае симметричного цикла нагружения. В настоящем исследовании проверяется возможность использования метода «образца-свидетеля» для прогнозирования предела выносливости испытываемых штатных образцов. Метод «образца-свидетеля» позволяет сохранить штатные образцы от разрушения при экспериментальном определении остаточных напряжений. В этом случае предел выносливости штатных образцов рассчитывается по остаточным напряжениям «образца-свидетеля», который был упрочнен одновременно со штатными образцами по той же самой технологии. При проведении исследований предполагалось, что штатные образцы и «образец-свидетель» при упрочнении получают одинаковые изотропные первоначальные деформации, деформации сдвига считались малыми и при определении первоначальных деформаций не учитывались. Исследования проводились на сплошных и полых цилиндрических образцах различного диаметра из сталей 20 и 45 с круговыми надрезами, которые были упрочнены по технологии опережающего поверхностного пластического деформирования (с использованием пневмо- и гидродробеструйной обработки). Результаты исследования позволяют установить, что сжимающие остаточные напряжения, рассчитанные в гладких цилиндрических образцах по первоначальным деформациям «образца-свидетеля», незначительно (до 7 %) отличаются от определенных экспериментально. С использованием критерия среднеинтегральных остаточных напряжений по разработанной ранее методике были вычислены приращения пределов выносливости упрочненных образцов с надрезами. Установлено, что расчетные значения приращений пределов выносливости при изгибе в случае симметричного цикла нагружения для образцов с надрезами отличаются от экспериментальных не более чем на 11 %.

Исследуется поведение углеродного композита (УКМ) в процессе механических испытаний на растяжение и сжатие. Образцы для испытаний изготавливались из углеродных заготовок с разных технологических этапов производства углерод-углеродного композита. В качестве армирующего компонента материала использовались два типа наполнителя, один из которых подвергался дополнительной высокотемпературной обработке. Механические испытания проводились на универсальной электромеханической системе Instron 5882 с использованием бесконтактного видеоэкстензометра AVE Instron для записи продольных деформаций в образце. В процессе испытаний проводилась непрерывная запись сигналов акустической эмиссии (АЭ) системой AMSY-6 с использованием высокочастотных преобразователей с рабочим диапазоном частот 450-1150 кГц. Во избежание записи шумов, возникающих от рабочих частей испытательной машины, проводилась фильтрация сигналов по низкочастотной компоненте. Также проводилась синхронизация системы записи сигналов АЭ с видеоэкстензометром и установкой для механических испытаний. По полученным результатам строились графики зависимостей нагрузки и параметров сигналов АЭ (пиковая амплитуда, энергетический параметр) от перемещений, а также распределения пиковых амплитуд от количества сигналов. На основании значений параметров выделялись основные механизмы разрушения композита. В зависимости от технологического этапа и типа используемого наполнителя у образцов выявлены различия в процессе накопления повреждений. Сделано предположение, что у материала на основе наполнителя, подвергаемого дополнительной высокотемпературной обработке, наблюдается худшая адгезия компонентов, чем у материала без дополнительной обработки наполнителя. Также выявлено, что изучение прочностных свойств и механизмов разрушения заготовок УКМ с начальных этапов изготовления позволяет спрогнозировать поведение готового материала, без прохождения дорогостоящего и длительного процесса производства.

The present paper deals with analysis of local indentation and their energies in point loading of sandwich panel with thin orthotropic composite faces and honeycomb core as an introduction for low velocity impact loading and energy absorbing in sandwich structures. Energy is consumed in two stages: local indentation of sandwich panel skin and bending of sandwich panel. If the impact is located near support or clamping only first stage (indentation of sandwich panel) will be presented. Here the analytical model has been used assuming a rigid-perfectly plastic compressive behaviour of the honeycomb core and membrane behaviour of orthotropic skin for large indentation of sandwich panel. In experimental work were investigated two types of sandwich panels, which consisted of different laminated skins: cross-ply of unidirectional CFRP and AFRP (aramid fabric reinforced plastic) and core honeycomb materials (impregnated paper like Nomex and one layer of glass fabric reinforced plastic). Length of cell side is 2.5 mm. Skins were made with symmetrical lay-ups [0/90]s and [45/-45]s. For indentation test we used steel balls with radius 5-30 mm, speed of loading was 2 mm/min. The experimental results are in good agreement with the analysis. These results can be used in impact loading and energy absorption studies of laminated structures by integrating of “local load vs deflection” curve.