Уральские ученые изучали баллистические свойства стеклопластика в условиях предварительного растягивающего усилия, возникающего при эксплуатации композитных конструкций.
Композитные материалы сегодня находят широкое применение в промышленности в силу высокой прочности, малого веса и доступности. Однако повреждения в композитных конструкциях, вызванные ударными воздействиями, приводят к снижению их прочности и работоспособности. Для того, чтобы конструкции из композитных материалов были долговечными и надежными, необходимо уметь анализировать последствия ударных повреждений.
Ученые из Челябинска представили экспериментальные результаты влияния предварительного растягивающего усилия на баллистические свойства композитного материала. Композитные пластины из стеклопластика толщиной 2 мм подвергались растяжению, после чего по ним проводился баллистический удар. Специалисты проводили баллистические испытания с помощью специально разработанной пороховой баллистической пушки, позволяющей разгонять снаряд до 900 м/с. Кроме того, было проведено моделирование процесса ударного воздействия с помощью специализированных программ.
Исследования проходили на базе Южно-Уральского государственного университета в лабораториях кафедры «Техническая механика». Руководителем данной работы выступил доктор технических наук, заведующий кафедрой «Техническая механика» Сергей Борисович Сапожников, в которой он занимался расчетными исследованиями. В число участников рабочей группы вошли: кандидат тех. наук, инженер-исследователь кафедры «Техническая механика» Олег Кудрявцев; доцент кафедры «Материаловедение и физико-химия материалов» Владилен Михайлович Жихарев и инженер-исследователь кафедры «Техническая механика» Михаил Владиленович Жихарев. Результаты экспериментальной работы научного коллектива опубликованы в международном научном издании Composites Part B 168 (2019) 524–531.
Участник проекта Михаил Владиленович Жихарев – кандидат тех. наук, инженер-исследователь кафедры «Техническая механика», доцент кафедры «Вычислительная математика и высокопроизводительные вычисления» Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск) – рассказал о ключевых аспектах проведенного исследования.
«Помимо ударного воздействия, конструкции из композитных материалов находятся под воздействием штатных эксплуатационных квазистатических нагрузок. Например, это может быть: растяжение или сжатие, двухосное растяжение/сжатие, сдвиг, а также комбинация этих нагрузок. В качестве примера можно привести нижние панели фюзеляжа самолета, которые обычно находятся под сжимающей нагрузкой во время взлета и подвергаются ударному воздействию осколков гравия с взлетно-посадочной полосы. Такие осколки могут достигать скоростей до 300 м/с. Поэтому исследование и рассмотрение таких нагрузок и их последствий являются важной частью изучения эффективности конструкции», – пояснил ученый Южно-Уральского государственного университета.
На фото - Жихарев Михаил Владиленович – кандидат тех. наук, инженер-исследователь кафедры «Техническая механика», доцент кафедры «Вычислительная математика и высокопроизводительные вычисления» Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск)
В качестве композитного материала для изучения баллистических свойств специалистами был взят стеклопластик (GFRP). Как пояснил Михаил Жихарев, «Нами был выбран стеклопластик марки СТЭФ. Это промышленно выпускаемый высокопрочный композит, который выступает в роли модельного материала, имеющего те же механизмы деформирования и разрушения, что и конструкционные тканевые угле- или органопластики. Он является доступным, дешевым, с достаточно стабильными свойствами. На данном материале отрабатывалась методика, которую можно применить на конструкционных композитах».
Целью уральских инженеров было исследовать влияние предварительного растяжения на баллистические свойства композита, главным из которых является баллистический предел. «Результаты исследования показали уменьшение баллистического предела (скорости, при которой происходит пробитие образца при ударе по нему) с ростом величины предварительной нагрузки (Рис. 1). Это было ожидаемо, что и подтвердилось. Вопрос был в том, насколько преднагрузка уменьшает баллистический предел. В итоге мы получили эту зависимость. Другим, более неожиданным результатом стало, что зона разрушения уменьшается с ростом величины предварительной нагрузки (Рис 2). То есть, чем сильнее мы нагружаем материал, тем меньшие повреждения мы видим при ударе по нему. Этому тоже было дано логичное объяснение. Все полученные результаты были в дальнейшем использованы для верификации модели стеклопластика, которую можно использовать в дальнейшем для изучения других способов нагружения, возникающих в конструкции. При этом не проводя дополнительных экспериментальных исследований, поскольку они являются дорогостоящими и трудоемкими», – объяснил Михаил Жихарев.
Рисунок 1. Зависимость баллистического предела от величины предварительного нагружения
Рисунок 2. Зависимость размера зоны повреждения от начальной скорости удара при разных уровнях предварительного нагружения
Помимо экспериментального исследования авторами было произведено расчетное исследование ударного воздействия с помощью метода конечных элементов. Расчеты показали схожие результаты с экспериментальными данными.
«Метод конечных элементов (МКЭ) – это математический метод решения системы дифференциальных уравнений. Строится трехмерная модель объекта для изучения, разбивается на элементы и далее с помощью данного метода можно вычислить напряжения и деформации в каждом элементе этого объекта, определить, где будет происходить разрушение и каковы будут его размеры. Это самый распространенный на сегодняшний день метод для решения задач прочности и надежности конструкций», – пояснил челябинский ученый.
Разработанная модель стеклопластика является одним из главных достоинств данной работы, поскольку с ее помощью можно рассматривать более широкий спектр нагрузок, возникающих в конструкциях.
В планах уральских ученых - рассмотреть другие композитные материалы и изучить их свойства. «В данный момент наша научная группа занимается разработкой нового типа композитных материалов с управляемой нелинейностью механического поведения. Как раз для разработанных новых материалов, которые могут быть использованы в элементах турбовентиляторных двигателей, предполагается провести похожие исследования по изучению баллистических свойств по уже отработанной методике, в том числе и в преднагруженном состоянии», – сказал Михаил Жихарев.
