Экспериментальное и теоретическое исследование механизмов повреждений металлов и композиционных материалов с покрытиями в условиях многократного высокоскоростного каплеударного воздействия

В отчетном году в рамках разработки метода поверхностных функций Грина для моделирования процессов динамического деформирования изотропного и ортотропного полупространства и слоев с покрытием при каплеударном воздействии достигнуты следующие основные научные результаты: Разрешающие интегральные соотношения. Разработаны интегральные соотношения, связывающие перемещения и напряжения в полупространстве и слоях с покрытием с воздействующим на границу нестационарным давлением. Эти соотношения учитывают временное и пространственное распределение давления, возникающего при ударе капли жидкости, и позволяют моделировать динамическое поведение изотропных (металлы) и ортотропных (однонаправленные полимерные композиты) материалов. Эффективные численно-аналитические методы расчёта. Созданы численно-аналитические методы для расчета перемещений и напряжений, возникающих в конструкциях с покрытиями под воздействием капель. Методы обеспечивают высокую точность моделирования при значительном сокращении вычислительных затрат, что делает их применимыми для анализа сложных конструкций. Высокоточные квадратурные формулы. Построены квадратурные формулы для вычисления интегралов, входящих в разрешающие соотношения. Формулы позволяют аналитически выделять особенности подынтегральных функций, такие как сингулярности, возникающие на границах зон контакта капли с материалом. Это повысило устойчивость численных методов и позволило добиться высокой точности при расчётах. Алгоритмы расчёта динамического напряженно-деформированного состояния. Разработаны алгоритмы для анализа конструкций с покрытиями при периодических высокоинтенсивных каплеударных воздействиях. Алгоритмы учитывают накопление повреждений, временную и пространственную эволюцию напряжений, что позволяет оценивать долговечность материалов и определять критические параметры разрушения. Моделирование нестационарного поля распределения давления и напряжений. Смоделированы нестационарное поле распределения давления в жидкости, включая ударные волны, и нестационарное поле напряжений в твердых телах. Эти результаты позволяют детально описывать динамику взаимодействия капли с поверхностью, включая сложные эффекты, возникающие при высоких скоростях удара. Нестационарное распределение эквивалентного напряжения. Рассчитано нестационарное распределение эквивалентного напряжения в материалах с покрытиями, включая определение областей локализации максимальных эквивалентных напряжений. Это особенно важно для прогнозирования начала эрозии покрытия и разрушения материала. Связь параметров капли с характеристиками напряжений. Установлена связь между основными параметрами процесса взаимодействия (краевого угла смачиваемости, скорость движения капли, её размер) и характеристиками напряжений в материале. Разработаны простые аналитические формулы для оценки максимального напряжения, времени взаимодействия и размера зоны контакта, что значительно упрощает инженерные расчеты. Критические параметры удара для различных материалов. Проведен анализ критических параметров каплеударного воздействия на металлы и однонаправленные композиты с покрытиями с точки зрения начала эрозии. Установлено, что эрозия начинается при достижении определённого уровня локальных эквивалентных напряжений, зависящего от свойств материала и покрытия. Достигнутые результаты значительно расширяют возможности анализа динамического поведения материалов с покрытиями при каплеударных воздействиях. Разработанные теоретические, численные и алгоритмические подходы позволяют эффективно моделировать процессы, прогнозировать разрушение покрытий и разрабатывать конструкции с повышенной устойчивостью к каплеударным нагрузкам. Экспериментальное исследование. Подготовлены образцы из алюминиево-магниевого сплава на которые нанесли эпоксидно-полиэфирные покрытия различной толщины: 75, 100, 125, 150, 175 мкм. Определены свойства покрытий расчетно-эеспериментальным методом с использованием наноиндентирования. Проведены испытания на растяжение и 3х точечный изгиб. Определены физико-механические характеристики слоистых структур. Проведены каплеударные испытания. Определены зоны повреждения от каплеударных воздействий. Изготовлены образцы из ПКМ на которые нанесено эпоксидно-полиэфирное покрытие толщиной 100 мкм. Проведены испытания на растяжение и 3х точечный изгиб. Определены физико-механические характеристики слоистых структур. Проведены каплеударные испытания. Определены зоны повреждения от каплеударных воздействий. Достигнутые результаты значительно расширяют возможности анализа динамического поведения материалов с покрытиями при каплеударных воздействиях. Разработанные теоретические, численные и алгоритмические подходы позволяют эффективно моделировать процессы, прогнозировать разрушение покрытий и разрабатывать конструкции с повышенной устойчивостью к каплеударным нагрузкам.