Экспериментально-аналитическое исследование течения неньютоновских жидкостей с целью улучшения механических характеристик перспективных композиционных материалов, армированных короткими волокнами

Цель работ - исследование течения неньютоновских жидкостей для улучшения механических характеристик перспективных композиционных материалов, армированных короткими волокнами. Разработаны технология изготовления термореактивных композиционных материалов, армированных короткими волокнами различной длины, с различными коэффициентами объемного содержания волокна, технология проектирования и производства оснасток для литья образцов из композиционных материалов, армированных короткими высокопрочными волокнами. Созданы методика математического моделирования литья изделий, армированных короткими волокнами, методика проектирования и производства аэрокосмических конструкций с учетом механических характеристик короткоармированных композитов и технология изготовления образцов из короткоармированного композиционного материала. Получены результаты испытаний механических характеристик образцов из короткоармированного композиционного материала. В 2016 г. проведены моделирование, изготовление и испытание стандартных образцов короткоармированного термореактивного материала с однородным напряженно-деформированным состоянием. Для изготовления образцов выбрана технология их вырезки гидроабразивным методом из пластин-заготовок, отливаемых из отечественной термореактивной смолы Этал-Карбон-М. Такая технология позволяет проводить исследование анизотропии материала путем сравнения механических характеристик образцов, вырезанных под различным углом к направлению литья пластины. Спроектирована и изготовлена оснастка для литья реактопластов с использованием универсальной сервогидравлической машины MTS 793. Оснастка состоит из формообразующей и нагнетающей части. Формообразующая часть оснастки - матрица на основе полимерных композиционных материалов, закрытая стеклом, позволяющим проводить наблюдение распространения фронта литья. Размеры изготавливаемой пластины-заготовки выбраны с учетом обеспечения возможности вырезки образцов для проведения испытаний по стандартам ISO-527-2-2012 и составляют 200 х 150 х 3,7 (мм). Нагнетающая часть оснастки представляет собой гидроцилиндр диам. 54 мм и ходом 85 мм, закрепляемый в зажимы универсальной сервогидравлической машины MTS-793 и подающий реактопласт, армированный короткими угольными волокнами, в формообразующую часть оснастки. Вырезка образцов осуществлялась на станке для гидроабразивной резки NC 3515B. Жесткость и прочность изготовленных образцов оценена по результатам их испытаний на растяжение по стандарту ISO-527-2-2012 с использованием универсальной сервогидравлической машина MTS 793. Проведены испытания образов для определения оптимального состава материала. На оптическом микроскопе рассмотрены боковой и торцевой срезы образцов материала. Математическое моделирование литья пластины из композиционного материала проведено в программном комплексе Moldex 3D, с учетом силы тяжести, существенно влияющей на литье исследуемых смесей реактопластов малой вязкости и малой скорости впрыска. Верификация построенной модели проведена путем сравнения результатов прохождения фронта литья, полученных теоретически и экспериментально. Проведен расчет ориентации армирующих волокон, позволяющий учитывать анизотропию свойств материала при прочностном анализе изготавливаемых из пластины образцов. На основе экспериментального определения механических характеристик образцов материала в системе DIGIMAT построена многоуровневая модель исследуемого реактопласта методом реверс-инжиниринга, позволяющая описывать характеристики короткоармированного композита в заданном направлении нагружения с учетом анизотропии его свойств. Расчет ориентации волокон и многоуровневая модель материала позволили провести в системе ANSYS расчет методом конечных элементов растяжения образцов по стандарту ISO-527-2-2012, вырезанных под углами 0; 45° и 90° к направлению литья. Результаты прочностного расчета сравнены с данными испытаний исследованных образцов.