Моделирование механического поведения и прогнозирование прочности гетерогенных композитных сред (от нано- до макро-) на базе современных аналитико-численных методов и многомасштабных подходов - квантовая химия, квантовая механика, фрактальный анализ, объектно-ориентированный МКЭ, нейродинамика и др.

С использованием квантово-механического подхода решались несколько задач, в частности задача разработки новых видов эпоксидных клеев с заданными свойствами. Квантово-механическое моделирование с использованием оригинального пакета квантово-механических разработанных в ИПРИМ РАН программ NDDO/sp-spd в параллельном режиме счета позволило в рамках прямого вычислительного эксперимента рассмотреть особенности процессов, происходящих в межфазных слоях эпоксидных клеевых композиций, и учесть влияние химического строения частиц ряда перспективных наполнителей на их механическую прочность. Выполнены сравнительный анализ немодифицированных наполнителей и компьютерный подбор модификации компонентов с целью повышения прочностных характеристик эпоксиклеев. В качестве потенциальных наполнителей эпоксидных клеев рассматривали шунгит, фуллерен, графен, оксид графена, частицы оксида алюминия, алюминия, оксида титана и титана. В результате было установлено, что самым эффективным наполнителем, показывающим самые высокие механические сдвиговые показатели, является оксид графена. Несколько уступают ему силикатный наполнитель и открытые углеродные нанотрубки. Углеродные гидрофобные частицы не показывают высоких механических показателей, они могут считаться неактивными наполнителями. Частицы алюминия и оксида алюминия мало влияют на улучшение механических свойств межфазных слоев в эпоксидных клеях. Титан демонстрирует несколько лучшие показатели. Как в случае алюминия, так в случае титана оксиды этих металлов являются более эффективными наполнителями, чем чистые металлы. Кроме того, проведено изучение изменения прочностных характеристик эпоксидных матриц при их наполнении частицами монтмориллонита (органоглины). Как правило, введение небольших количеств органоглины (до 10 масс.%) в полимерную матрицу приводит к существенному повышению модулей упругости получаемых таким образом композитов. Для получения композита на основе глины и полимера для высотемпературных применений необходимо использовать матрицу, подобную смолам эпоксидной смолы, и сополимер, один компонент которого совместим с глиной, а другой - с матрицей полимера. Были рассмотрены энергетический и механический аспекты взаимодействия монтмориллонита с фрагментом молекулы эпоксидной смолы, а также результаты размещения в области между пластинками монтмориллонита ионов кальция, молекул воды, органических катионов и др. Установлено, что лучшее сцепление эпоксидной смолы с частицами глины наблюдается в случае, когда поверхность глины модифицирована органикой. С использованием фрактального анализа было установлено, что введение в полимерную матрицу частиц наполнителя, чьи исходные размеры находятся в нанометровом диапазоне, не обязательно приводит к образованию истинного наноматериала (нанокомпозита). Для достижения этой цели необходима реализация определенной структуры наполнителя в полимерной матрице. В случае наноструктурированных композитов полимер/органоглина истинный нанокомпозит можно получить только при условии эсфолиированной структуры органоглины. Переход от микрокомпозита к истинному нанокомпозиту при прочих равных условиях сопровождается сильным (в несколько раз) увеличением модуля упругости. Кроме того, была показана применимость модели необратимой агрегации для теоретического описания процесса агрегации наночастиц наполнителя в полимерных композитах. Были определены основные факторы, влияющие науказанный процесс. Показано, что сильно выраженная агрегация наноразмерных частиц дисперсного наполнителя приводит к резкому (примерно в четыре раза) снижению реального модуля упругости сформированных фрактальных агрегатов. В отличие от композитов, наполненных микрочастицами, нанонаполненные композиты требуют обязательного учета межфазных эффектов для корректного описания модуля упругости в силу большой доли поверхности раздела фаз для них.Известно, что эффективное описание сложного и разнообразного механического поведения вязкоупругих сред (основы полимерных композиционных материалов) возможно лишь при использовании сложных моделей, в частности, с использованием искусственных нейронных сетей. С этой целью была синтезирована нейронная сеть с ассоциативной и наследственной памятью для моделирования напряжённо-деформационного поведения вязкоупругих сред в режиме конечных деформаций. Разработанная модель является обобщением нейронной сети Хопфилда на пространство L2 X и на наследственную память. Для идентификации нейронной сети физическому эксперименту она была дополнена входным и выходным нерекуррентными слоями, моделирующими экспериментальный стенд (реовискозиметр) и регистрирующее устройство. В отличие от моделей, построенных на интегральных и дифференциальных уравнениях, синтезированная нейросеть обладает свойством обобщения обучающего материала. Воспроизводимые обученной нейросетью зависимости механических характеристик конкретных материалов полностью совпадают с графиками, построенными по данным натурных экспериментов. Преимущество нейросетевой модели перед нелинейными моделями на основе интегральных и дифференциальных уравнений очевидно.