Speaker
Description
Сочетание низкой плотности и экстремальной анизотропии (высокого модуля упругости и предела прочности в направлении укладки волокон в однонаправленных композитах и низких трансверсально-сдвиговых характеристик) позволяет проектировать авиакосмические конструкции высокого весового совершенства. Однако случайные локальные ударные воздействия в процессе эксплуатации (бетонной крошкой при взлёте, градом или инструментом при обслуживании) и возникающие при этом скрытые повреждения типа расслоений и разрывов волокон приводят к необходимости увеличения толщины композита, чтобы возникший дефект не привёл к катастрофическому разрушению конструкции при штатной эксплуатации. Рост толщины приводит к резкому снижению весовой эффективности и уже более 30 лет подогревает интерес к развитию методов обнаружения скрытых дефектов в композитах, технологиям трансверсально-сдвигового упрочнения и расчётным методам, позволяющим проводить анализ деформирования и разрушения на разных масштабных уровнях при локальном ударе (в системе SCOPUS на эту тему индексировано более 5000 статей).
Способы обнаружения скрытых дефектов в слоистых композитах делят на ручные и автоматизированные, «полевые» и локальные, пассивные и активные, визуальные и
инструментальные. Большими перспективами обладают методы, основанные на интегрированных в конструкции волоконно-оптических сенсорах, а также индикаторных покрытиях. Отмечено, что достаточную точность и оперативность инспекции может обеспечить сочетание полевых автоматизированных и ручных локальных способов.
Проведён анализ прямых и косвенных методов трансверсально-сдвигового упрочнения слоистых полимерных композитов для снижения размеров скрытых дефектов до безопасного уровня. Среди них можно выделить методы инжиниринга межслоевого интерфейса тонкими прокладками, модификацию матричного полимера наночастицами, Z-армирование тонкими
стержнями или нитями (пиннинг и тафтинг), сквозную прострочку и иглопробивные методы для сухих преформ (фелтинг). Серьёзное внимание в литературе уделяется также методам трёхмерного армирования непрерывными нитями.
Развитие методов оценки прочности слоистых композитов при локальном ударе прошло несколько этапов, начиная с экспериментальных исследований на конкретных материалах и конструкциях (около 80% опубликованных статей в журналах системы SCOPUS) и заканчивая комплексными расчётно-экспериментальными подходами с широким привлечением современной вычислительной техники, программного обеспечения (пакеты конечно-элементного анализа) и пользовательских моделей разрушения, учитывающих возникновение различных механизмов повреждения (около 20% опубликованных статей).
В обзоре отмечается, что лишь расчётные модели материалов, учитывающие прямым или косвенным способом внутри- и межслойную сдвиговую нелинейность, накопление повреждений в волокнах и матрице на границе с волокнами позволяет адекватно прогнозировать результаты локального удара и его влияния на остаточную прочность. Иными словами, для каждого механизма разрушения должны быть записаны условия развития поврежденности с минимальным набором параметров. Важную научно-методическую задачу представляет разработка рациональных методов определения этих параметров с учётом особенностей численной реализации, а также гомогенизации структуры композита при переходах с одного масштабного уровня на другой.
