Математическое моделирование, экспериментальные исследования и технологии создания функциональных композиционных материалов на макро-, мезо- и наноуровнях

Объектом исследования являются композиционные материалы различной природы. Целью работы является изучение их свойств, а также математическое и численное моделирование их поведения. Основные результаты 2021-го года: В рамках работы над проектом развит нелокальный подход к моделированию процессов накопления повреждений в материалах, подвергнутых большим пластическим деформациям. Схемы делокализации уравнений основаны на применении интегрального оператора усреднения. Усреднению подвергнут параметр Одквиста и скалярная мера накопленной поврежденности. Благодаря внедрению в определяющие соотношения характерного размера микроструктуры, некоторые из схем делокализации дают физически осмысленные решения с конечной шириной полос сдвига. Разработанные модели и комплексы программ могут послужить основой для более точного моделирования процессов деформирования и разрушения твердых тел. Особенно перспективным представляется применение нелокальных моделей для анализа технологии обработки металлов давлением. Примерами технологических процессов, в которых критически важно контролировать локализацию деформаций, являются глубокая вытяжка, экструзия и равноканальное угловое прессование. В рамках выполнения данного проекта были установлены новые зависимости от свойств материалов волокон и матрицы, а также от геометрии композита, характеризующие потерю устойчивости и частичного разрушения композиционных материалов. В частности, было продемонстрировано влияние данных параметров на моду потери устойчивости, которая сменяется с макроскопической на микроскопическую при увеличении контраста упругих модулей или уменьшении объемной доли жесткой фазы в периодических слоистых и волокнистых композитах. Было установлено, что дополнительные механические параметры, такие как сжимаемость или ограниченная растяжимость для нелинейной модели Гента, также оказывают влияние на стабильность. Для композитов с более сложной внутренней архитектурой продемонстрирован широкий спектр возможных деформационных паттернов, формирующихся после потери устойчивости. Новизной данного исследования является рассмотрение нелинейных механических моделей, благодаря которым возможна реализация некоторых эффектов, ненаблюдаемых в линейной постановке. На комплексе детонационного напыления CCDS2000 реализовано формирование композитного покрытия карбида хрома с никель-хромовым связующим с целью изучения остаточных напряжений, возникающих в покрытии в процессе напыления при различных условиях напыления. Показано, что детонационные покрытия, напыляемые в оптимизированных режимах, имеют компрессионный характер напряжений. Увеличение дистанции напыления положительно сказывается на величине остаточных компрессионных напряжений, что связано с остыванием частиц в процессе полета и интенсивности пиннинг-эффекта за счет рикошетирования большего числа твердых частиц. Увеличение угла наклона к поверхности подложки приводит к уменьшению величины ее прогиба, и как следствие, к уменьшению величины напряжений. Это связано с характером формирования покрытия – чем больше угол относительно нормали, тем меньше нормальная составляющая скорости частиц и тем меньше действие пиннинг-эффекта. Величина прогиба также изменяется при выборе марки порошка.