Как сообщает Минобрнауки России, ученые Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) и Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) исследовали деформацию усиленного волокнами пластика при повторяющихся нагрузках. Результаты помогут предотвратить внезапную поломку полимерных композитных деталей в многоразовых аэрокосмических системах.
В производстве современной аэрокосмической техники не обойтись без полимерных композитных материалов. Они выдерживают нагрузки космических полетов (высокие температуры, давление, глубокий вакуум, ударное воздействие микрочастиц и др.), снижают вес ракеты или космического корабля, сокращают расход топлива. Однако циклическая (повторяющаяся) нагрузка на конструкции приводит в конечном счете к накоплению микроповреждений до критического уровня и усталостному разрушению композита.
«Процесс микроповреждений в полимерных композитах весьма сложен: повреждение распределено по всему образцу, а не локализовано в небольшом объёме, как в металлах. Среди современных конструкционных авиационных материалов полимерные композиты занимают особое место благодаря своей малой плотности, высокой жесткости и прочности. Конструкции летательных аппаратов характеризуются цикличностью загрузки: взлет, приземление, маневрирование и вибрации. Поэтому с конструкциями при экспериментальной отработке агрегатов, кроме статических прочностных проверок, проводятся многоцикловые (106–107 циклов) и малоцикловые (103–104 циклов) испытания. С появлением многоразовых космических аппаратов и возвращаемых ракет-носителей потребность в исследованиях усталости материала при ультрамалоцикловом нагружении (менее 100 циклов) увеличилась», — говорит главный научный сотрудник, доктор технических наук, профессор Политехнического института ЮУрГУ Сергей Сапожников.
Путем трехточечного изгиба исследователи изучили статическую прочность и ультрамалоцикловую усталость (менее 100 циклов) армированного композита СТЭФ™. Испытания показали прогрессирующее одностороннее накопление деформаций и изменение жесткости образца. Это связано с двумя процессами: выпрямлением волокон в изначально регулярно искривленных нитях тканевого композита и накоплением микроповреждений — локальными расслоениями и разрывами наиболее нагруженных волокон.
«Мы впервые показали, что ультрамалоцикловое (до 100 циклов) нагружение характеризуется вполне измеряемыми усталостными явлениями и необходимо снижать нагрузки, чтобы исключить неожиданные поломки. Показано, что использование при проектировании ответственной техники коэффициента безопасности на уровне 1,5 может обеспечить сохранение прочности при ультрамалоцикловом нагружении. При проектировании обычных (одноразовых) ракет коэффициенты безопасности, как правило, ниже. В связи с этим циклическое повторение такого уровня полетных нагрузок может привести к внезапному разрушению ракеты и потере ценного груза», — добавляет Сергей Сапожников.
Как отметил ученый, раньше при оценке циклической долговечности использовали кривые усталости, получаемые при массовых испытаниях образцов по различным программам нагружения – весьма недешевый и долгий процесс. Кроме того, при замене технологии производства композита или полимерной матрицы на аналог от другого поставщика программу усталостных испытаний приходилось повторять. Физически обоснованные математические модели разрушения композитов позволят резко сократить объем испытаний без потери качества прогнозов.
По словам исследователей, многоразовые аэрокосмические системы, созданные с применением композитных материалов, должны быть легкими, прочными и безопасными в работе. При их проектировании необходимо учитывать ограниченную долговечность деталей под циклической нагрузкой, накопление рассеянных микроповреждений и постепенное снижение жесткости.
Исследование опубликовано в высокорейтинговом научном журнале Composite Structures (Q1).
Отметим, что ЮУрГУ выступает региональным проектным офисом Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (УМНОЦ).
Напомним, что создание и развитие сети научно-образовательных центров мирового уровня проходят в рамках реализации Минобрнауки России национального проекта «Наука и университеты».
Информация предоставлена пресс-службой Минобрнауки России
Источник фото: ru.123rf.com
