facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

Моделирование структуры и свойств композитов на основе нетканых полотен

Моделирование структуры и свойств композитов на основе нетканых полотен Моделирование структуры и свойств композитов на основе нетканых полотен
Michail Treschalin, профессор, доктор технических наук, профессор

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Россия

Трещалин Юрий Михайлович, инженер, кандидат технических наук

Московский государственный технологический университет Станкин, Россия

Участник первенства: Национальное первенство по научной аналитике - "Россия";

Открытое Европейско-Азиатское первенство по научной аналитике;

В статье рассматривается структура нетканой основы. Проводится геометрическое моделирование композиционного материала и нетканой основы. Дается численный анализ распределения интенсивности напряжений в композите, обусловленных полимеризацией связующего в поровом пространстве основы.

Ключевые слова: композит, нетканая основа, структура, полиэфирные волокна, моделирование, физико-механические свойства.

This article discusses the structure of the nonwoven substrate. Conducted geometric modeling and composite nonwoven substrate. Given a numerical analysis of the intensity distribution of stresses in the composite due to polymerization of the binder in the pore space of the base.

Keywords: composite, nonwoven base, structure, polyester fiber, simulation, physics-mechanical properties.

 

Нетканая основа позволяет реализовать различные подходы к изготовлению изделий из композитов, когда необходимо сохранение работоспособности в условиях динамического нагружения, включая специфические сочетания напряжений от механических, термических и ударных воздействий. В отличие от металла, бетона и других традиционных строительных материалов, композиты на нетканой основе обладают большей вязкостью разрушения, т.е. способностью поглощать энергию ударов, сотрясений и других динамических факторов.

При разработке и проектировании композиционных материалов определяющим фактором является соблюдение требований, обусловленных условиями эксплуатации и, в частности, величины и направления прикладываемых нагрузок, которые должна выдерживать конструкция без потери прочности. Применение сложных форм заданной конфигурации для укладки и последующей пропитки связующим нетканой основы, позволяет сделать несущий элемент с повышенным сопротивлением изгибу, сдвигу и сжатию. Подобные подходы возможны и при решении вопроса об изготовлении изделий опорного назначения: различных балок открытого и замкнутого профиля, уголков, опор, труб и других второстепенных несущих элементов. Выбранный вариант должен быть удобным и экономичным. Однако, текстильные изделия с фиксированным расположением структурных элементов (ткань, трикотаж, плетеные преформы) обладают анизотропией, требуют применения сложной и дорогостоящей технологии изготовления, что ведет к удорожанию композитов на их основе.

Анализируя варианты основы композитов с точки зрения «цена-качество», обращают на себя внимание нетканые полотна, известные под торговой маркой «Холлофайбер», производимые из первичного полиэфирного волокна путем термической обработки, обладающие достаточно высокой прочностью и являющиеся более дешевыми по сравнению с иной текстильной продукцией по технологии изготовления и виду используемого сырья.

Принимая во внимание важность влияния распределения и взаимодействия волокон основы на свойства создаваемых композитов, проведено исследование структуры некоторых материалов «Холлофайбер» при помощи микроскопа БИОЛАМ с увеличением 130 крат, результаты которого представлены на рис. 1.

Рис. 1. Фрагменты структуры различных нетканых материалов «Холлофайбер»

На фотографиях видно, что структура различных полотен отличается количеством волокон, попадающих в поле зрения объектива микроскопа, что связано с их различной поверхно­стной плотностью. Строение не имеет больших различий с точки зрения случайного распределения одиночных воло­кон по объёму материала. Случайное расположение структурных элементов дает возможность предположить наличие изотропных свойств рассматриваемых полотен. С точки зрения структуры нетканых материалов они представляют идеальный упрочняющий  каркас будущего композиционного материала. Кроме того, капиллярно-пористое строение позволяет реализовать качественную пропитку связующим нетканых полотен «Холлофайбер».

Определяющим параметром изготавливаемых композитов является прочность. Поэтому одной из самых актуальных задач является прогнозирование эксплуатационных свойств будущих изделий, что связано с сокращением сроков разработки новых материалов в широком диапазоне требуемых свойств, определяемых условиями эксплуатации. Решение таких задач невозможно без применения математического моделирования, позволяющего прогнозировать механические свойства, как нетканой основы, так и будущих композитов с учетом технологии изготовления, волокнистого состава и применяемого связующего.

Следовательно, возникает необходимость построения моделей, позволяющих провести оценку структуры и свойств нетканых полотен и композитов на их основе по заранее заданным техническим характеристикам. Для расчета и моделирования структуры волокнистой основы и композита, вследствие сложности и вероятностного характера геометрических размеров и формы компонентов композиционного материала, наиболее целесообразно использовать численные методы расчета и, в частности, метод конечных элементов. В качестве программного комплекса выбран ANSYSMechanicalAPDLver, 14.1. Исходные данные для построения геометрической модели нетканых полотен «Холлофайбер» приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Геометрические и механические характеристики полиэфирных волокон различной линейной плотности

Наименование показателей

Волокно, текс

0,17

1,7

1.

Линейная плотность, текс

0,17

1,7

2.

Средняя штапельная длина, мм

37,3

62,9

3.

Частота извитости

2

1

4.

Степень извитости, %

9,7

12,8

5.

Устойчивость извитости, %

86,6

88,9

6.

Разрывная нагрузка, мН

34,2

447,2

7.

Относительное удлинение при разрыве, %

34,7

51,5

8.

Удельная разрывная нагрузка, мН/текс

201,2

263

Таблица 2

Экспериментальные значения характеристик структуры различ­ных видов нетканых полотен «Холлофайбер»

Тип материала

Средняя длина волокна, мм.

Средняя час­тота извитости, см -1

Средняя сте­пень извитости, %

Объём­ная плотность, кг/м3

Тол­щина, мм

Холлофайбер Софт Р 5190, 70 г/м2

37,3

2

10

8,75

8

Холлофайбер Медиум Р 173, 300 г/м2

35

3

11

9,68

31

Холлофайбер Хард Р 274, 170 г/м2

33

2

9

20

10

Холлофайбер Хард F Р 205, 230 г/м2

36,3

4

9.5

25

10

Наибольшую сложность при моделировании структуры представляет разработка ее геометрической модели. Для решения данной задачи разработано программное обеспечение, учитывающее вероятностный характер распределения одиночных волокон нетканых полотен. На рис. 2 представлен один из вариантов вероятностной геометрической модели структуры нетканого материала «Холлофайбер Софт Р 5190», 70 г/м2, построенной в SolidWorks.

Рис. 2. Вероятностная геометрическая модель структуры нетканого материала «Холлофайбер Софт Р 5190».

Качество построенной геометрической модели, кроме указанных выше ко­личественных показателей структуры материала, можно оценить и визуальным способом. Для этого была сфотографирована структура элемента  материала «Холлофайбер Софт  Р5190»,  размером 20×20×7 мм и произведено сравнение с геометрической моделью при со­блюдении масштабного фактора. Результаты моделирования геометрической структуры нетканого материала «Холлофайбер Софт Р 5190»  и фото­графия его структуры приведены на рис. 3.

Сопоставление структур, приведенных на рис. 3 показывает удовлетворительное совпадение расчетной геометрической модели материала и его реального строения.

Следующим этапом после построения геометрической модели, является моделирование связующего, представленного в виде прямоугольника, содержащего армирующую нетканую основу внутри себя. Диаграммы деформирования компонентов, составляющих композит, принимались идеально упругими. Геометрическая модель композиционного материала на основе нетканых полотен, построенного в SolidWorks, представлена на рис. 4.

Рис. 4. Геометрическая модель композиционного материала на основе нетканых полотен.

Геометрическая модель композиционного материала экспортировалась в ППП ANSYS. После задания физико-механических свойств полиэфирных волокон и связующего необходимо наложить на модель граничные условия, которые имитировали испытания образца на разрывной машине. Для определения момента разрушения использовался метод последовательных нагружений. Один из вариантов расчета в виде распределения интенсивности напряжений в композите приведен на рис. 5 и 6.

Как следует из результатов расчета, наибольшие напряжения в композите испытывает нетканая основа. Это связано с тем, что предел прочности полиэфирных волокон почти на порядок больше предела прочности полимеризованного связующего. Матрица испытывает равномерное напряженное состояние, характерное для такого вида деформации. 

Проведенные расчеты напряженно-деформированного состояния нетканой основы, представленные на рис. 7, показывают, что вследствие своего хаотичного расположения и отсутствия четкой ориентации одиночных волокон по отношению к направлению действия нагрузки, они испытывают существенно различные напряжения. Диапазон изменения напряжений в композиционном материале доходит до величины одного порядка.

Рис. 7. Распределение интенсивности напряжений нетканой основы композиционного материала.

С целью проверки адекватности модели были изготовлены пять образцов композитов на основе материала «Холлофайбер Софт Р 5190», 70 г/м2. При изготовлении образцов композитов применялось связующее на базе смолы POLYLITE 516-М855. Экспериментальные исследования образцов композиционного материала проводились в соответствии с ГОСТ 6943.10-79. Результаты испытаний и расчета на растяжение композита на основе нетканого полотна «Холлофайбер Софт Р 5190», 70 г/м2 приведены в табл. 4.

Таблица 4.

Результаты испытаний на растяжение образцов композиционного материала на основе  «Холлофайбер Софт Р 5190», 70 г/м2

№ образца

Предел прочности при растяжении в эксперименте, Па

Предел прочности при растяжении  расчетный, Па

1

63,0·105

72,6·105

2

109,5·105

62,7·105

3

97,4·105

120,3·105

4

61,0·105

94,0·105

5

76,1·105

84,2·105

Среднее

81,4·105

86,76·105

Оценка адекватности разработанной конечно-элементной модели производилась путем сравнения среднего значения напряжения при разрыве, полученного экспериментальным и теоретическим методами. Численное сравнение показывает, что погрешность расчетов находится в пределах 6,5 %. Различие теоретических и экспериментальных данных можно объяснить множеством факторов, основным из которых, безусловно, является случайный характер строения нетканых материалов. Учитывая относительно небольшую погрешность теоретических расчетов можно рекомендовать разработанную модель для решения задач прогнозирования физико-механических свойств композиционных материалов на основе нетканых полотен.

Кроме того, эксперимент показал, что нетканая основа «Холлофайбер Софт Р 5190», оказывает существенный упрочняющий эффект: предел прочности композита в 7,1 раза больше аналогичного показателя полимерной матрицы.

0
Ваша оценка: Нет Средняя: 6.5 (2 голоса)
Комментарии: 10

Казанцев Алексей Николаевич

Читаю Ваши доклады по композитам, работа проделана хорошая, но по результатам испытаний возникает много вопросов... Во-первых, мало образцов и из этих сразу можно выкинуть 2 точки, получаем анализ по 3 точкам и там средняя погрешность более 10%. Второе, учитывался ли в образцах краевой эффект(при изготовлении деталей из композитов очень часто край срезается, так как там очень большая неоднородность). Третье, условия изготовления образцов одинаковые? и проведение испытаний (климатические условия выдержаны?).

Бабаев Накибулло Хабибуллаевич

Уважаемый Юрий Михайлович! Мне как специалисту в этой области ваша работа очень близка и интересна ( Я, д.т.н. по специальности 05.17.11) заканчивал ВУЗ по спец. вяжущие материалы, сейчас это спец технологией цемента и композиционных материалов называется. По сути представленного материала видно что работа выполнена на высоком научно-техническом уровне: проведено геометрическое и численное математическое моделирование композита, приведены наглядно обоснованные данные о распределении интенсивности напряжений в композиционном материале и т.д. Произведена оценка адекватности разработанной расчетной модели композитного материала. Статья вызывает интерес практически по всем рассмотренным в ней вопросам. Работа имеет огромное практическое значение в технологии разработке инновационных композитных материалов. Желаю Вам успехов в дальнейших исследованиях. С уважением GDPh, д.т.н., проф. Бабаев Н.Х.

Бабаев Накибулло Хабибуллаевич

Уважаемый Юрий Михайлович! Работа выполнена на высоком научном уровне: проведено геометрическое и численное моделирование композита, приведены наглядные данные о распределении интенсивности напряжений в композиционном материале и т.д. Произведена также оценка адекватности разработанной расчетной модели. Статья вызывает интерес по всем рассмотренным в ней вопросам, например, за какое количество шагов по методу последовательных нагружений достигнуты приемлемые численные результаты?

Артамонова Елена Николаевна

Работа выполнена на высоком научном уровне: проведено геометрическое и численное моделирование композита, приведены наглядные данные о распределении интенсивности напряжений в композиционном материале и т.д. Произведена также оценка адекватности разработанной расчетной модели. Статья вызывает интерес по всем рассмотренным в ней вопросам, например, за какое количество шагов по методу последовательных нагружений достигнуты приемлемые численные результаты?

Мариюс Григола

Уважаемые соавторы! Хотя я и некомпитентен по теме вашего доклада, но хочу заметить, что его прочел с интересом. Практичный и понятный подход к выдвенутой проблеме. Успехов вам. С уважением, Мариюс Григола.

Тагаев Бахром Хожамбердиевич

Приведены интересные результаты по геометрическое моделирование композиционного материала и нетканой основы. Думаю, что Ваша работа будет весьма интересной для работающих в этой области. Желаю успехов в этой работе. С уважением Х. Тагаев.

Симонян Геворг Саркисович

Уважаемый Юрий Михайлович! Отличная работа. Жаль, что не в нашей секции. Т С уважением к.х.н., доцент Г.С.Симонян.

Очень интересный доклад, имеющий практическую значимость. Желаю дальнейших успехов! С уважением, Лариса Крючкова.

Андрианов Николай Михайлович

Уважаемый Юрий Михайлович! С большим интересом прочитал Вашу статью. Думаю, что предложенная Вами модель, обладая столь низкой погрешностью, найдет широкое применение в практике. Желаю успехов. С уважением. профессор Н.М. Андрианов

клюйков сергей фёдорович

Уважаемый Юрий Михайлович! Сейчас Вашей статье добавить нечего, для нас это - классика! В будущем предлагаем заменить вероятностное моделирование идеальным моделированием. С уважением, Клюйковы, sklujkov@gmail.com.
Комментарии: 10

Казанцев Алексей Николаевич

Читаю Ваши доклады по композитам, работа проделана хорошая, но по результатам испытаний возникает много вопросов... Во-первых, мало образцов и из этих сразу можно выкинуть 2 точки, получаем анализ по 3 точкам и там средняя погрешность более 10%. Второе, учитывался ли в образцах краевой эффект(при изготовлении деталей из композитов очень часто край срезается, так как там очень большая неоднородность). Третье, условия изготовления образцов одинаковые? и проведение испытаний (климатические условия выдержаны?).

Бабаев Накибулло Хабибуллаевич

Уважаемый Юрий Михайлович! Мне как специалисту в этой области ваша работа очень близка и интересна ( Я, д.т.н. по специальности 05.17.11) заканчивал ВУЗ по спец. вяжущие материалы, сейчас это спец технологией цемента и композиционных материалов называется. По сути представленного материала видно что работа выполнена на высоком научно-техническом уровне: проведено геометрическое и численное математическое моделирование композита, приведены наглядно обоснованные данные о распределении интенсивности напряжений в композиционном материале и т.д. Произведена оценка адекватности разработанной расчетной модели композитного материала. Статья вызывает интерес практически по всем рассмотренным в ней вопросам. Работа имеет огромное практическое значение в технологии разработке инновационных композитных материалов. Желаю Вам успехов в дальнейших исследованиях. С уважением GDPh, д.т.н., проф. Бабаев Н.Х.

Бабаев Накибулло Хабибуллаевич

Уважаемый Юрий Михайлович! Работа выполнена на высоком научном уровне: проведено геометрическое и численное моделирование композита, приведены наглядные данные о распределении интенсивности напряжений в композиционном материале и т.д. Произведена также оценка адекватности разработанной расчетной модели. Статья вызывает интерес по всем рассмотренным в ней вопросам, например, за какое количество шагов по методу последовательных нагружений достигнуты приемлемые численные результаты?

Артамонова Елена Николаевна

Работа выполнена на высоком научном уровне: проведено геометрическое и численное моделирование композита, приведены наглядные данные о распределении интенсивности напряжений в композиционном материале и т.д. Произведена также оценка адекватности разработанной расчетной модели. Статья вызывает интерес по всем рассмотренным в ней вопросам, например, за какое количество шагов по методу последовательных нагружений достигнуты приемлемые численные результаты?

Мариюс Григола

Уважаемые соавторы! Хотя я и некомпитентен по теме вашего доклада, но хочу заметить, что его прочел с интересом. Практичный и понятный подход к выдвенутой проблеме. Успехов вам. С уважением, Мариюс Григола.

Тагаев Бахром Хожамбердиевич

Приведены интересные результаты по геометрическое моделирование композиционного материала и нетканой основы. Думаю, что Ваша работа будет весьма интересной для работающих в этой области. Желаю успехов в этой работе. С уважением Х. Тагаев.

Симонян Геворг Саркисович

Уважаемый Юрий Михайлович! Отличная работа. Жаль, что не в нашей секции. Т С уважением к.х.н., доцент Г.С.Симонян.

Очень интересный доклад, имеющий практическую значимость. Желаю дальнейших успехов! С уважением, Лариса Крючкова.

Андрианов Николай Михайлович

Уважаемый Юрий Михайлович! С большим интересом прочитал Вашу статью. Думаю, что предложенная Вами модель, обладая столь низкой погрешностью, найдет широкое применение в практике. Желаю успехов. С уважением. профессор Н.М. Андрианов

клюйков сергей фёдорович

Уважаемый Юрий Михайлович! Сейчас Вашей статье добавить нечего, для нас это - классика! В будущем предлагаем заменить вероятностное моделирование идеальным моделированием. С уважением, Клюйковы, sklujkov@gmail.com.
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.