Разработка теоретических основ создания полимерных композиционных материалов и элементов газотурбинных установок с улучшенным комплексом функциональных и конструкционных свойств

Разработана микроструктурная модель волоконного дискового (FibrCD) пьезоэлектрического актюатора, образованого намоткой большого числа витков тонкого электродированного пьезоэлектрического кабеля с радиально поляризованным пьезоэлектрическим слоем с последующей пропиткой и континуализацией витков полимерным связующим. Получено точное аналитическое решение осесиметричной связанной краевой задачи электроупругости для элементарной составной ячейки «пьезоэлектрический кабель/оболочка связующее» и получены точные аналитические решения для тензоров эффективных коэффициентов пьезоэлектрических напряжений и линейного пьезоэлектрического расширения волоконного композита как гомогенного с цилиндрической анизотропией дискового FibrCD-актюатора. Разработана электромеханическая математическая модель локации одиночного силового воздействия - вдавливания жесткой шаровой частицы в сенсорную поверхность индикаторного пьезоэлектрического MDS-покрытия со встроенной двойной спиралью электродов. Рассмотрено формирование информативных электрических импульсов напряжения на дугах электродов двойной спирали в круговой зоне возмущения индикаторного покрытия как результата деформирования пьезоэлектрика между электродами при вдавливании жесткой шаровой частицы. Исследованы закономерности влияния величины силы вдавливания множества жестких шаровых частиц на резонансные частоты первых шести форм колебаний тактильного покрытия; выявлен близкий к линейному характер зависимостей резонансных частот тактильного покрытия от величины силы вдавливания частиц, что эффективно для использования резонансного метода диагностировании внешних силовых воздействий. Дана постановка задачи динамического управления деформированием элемента авиационной конструкции; представлены разработанные математические модели механического поведения композитных конструкций; разработан алгоритм решения задачи многопараметрической оптимизации элемента авиационной конструкции; сформулированы целевая функция и ограничения для параметров конструкции; проведена сравнительная оценка эффективности различных параметров на достижение экстремумов целевой функции. Разработана резонаторно-интерферометрическая схема волоконно-оптического гироскопа при взаимодействии полей с широкополосным источником излучения. Представлен вывод аналитической формулы для описания результирующего выходного излучения с учетом эффекта Саньяка и связь с модулирующим сигналом. Представлен результат численного моделирования диапазона и характера сигнала с использованием полученного решения. Исследован принцип работы RFOG с широкополосным источником излучения, взаимодействие световых полей при прохождении оптической схемы. Разработана численная модель работы RFOG по полученной аналитической формуле, описывающей влияние характеристик резонатора, эффекта Саньяка и модулирующего сигнала на изменение выходного результирующего сигнала гироскопа. Проведено экспериментальное подтверждение представленной теоретической модели. Разработан метод нахождения специфических микроструктур, соответствующих экстремальным значениям мезодеформаций в зернах поликристаллических материалов, подход распространен на случай нахождения экстремальных кластеров по мезонапряжениям. Разработан метод вычислительного построения плотностей распределения вероятностей значений компонент тензоров мезонапряжений в зернах; с использованием этих распределений вычислены вероятности повреждения зерен при макронагружении для конкретных материалов. Разработанный метод применен к волокнистым композитам с поликристаллической керамической углеродной матрицей, для которых характерны разрушения без заметного повреждения волокон. Показано, что этим обусловлена экспериментально наблюдаемая высокая живучесть конструкций из таких материалов, несмотря на хрупкость структурных компонентов композита. Полученные результаты составляют основу нового вычислительного подхода к прогнозированию работоспособности высоконадежных изделий из поликристаллических материалов, для которых существенны маловероятные отказы, что важно для материаловедов и конструкторов высоконадежных изделий в России и мире. Предложенный подход преодолевает многие ограничения вычислительного характера, возникающие при прямом компьютерном моделировании. Осуществлен выбор адекватной физической модели для описания термомеханического поведения вязкоупругих полимерных материалов с памятью формы с учетом больших деформаций в условиях сложнонапряженного состояния, получены константы гиперупругости для модели Огдена с последующей имплементацией в ANSYS. Разработана методика изготовления термоусадочного ортеза для пальцев кисти руки, получена формула предварительной оценки давления на палец, позволяющая выбрать подходящий размер заготовки из ТУТ. Разработана и реализована пространственная конечно-элементная модель системы палец-бинт-ортез для точной оценки напряженно-деформированного состояния системы. Идентификация мультиэластичной модели поведения мягких тканей пальца и марлевого слоя осуществлена по разработанной программе оригинальной экспериментальной методики, основанной на винтовой ленточной намотке. Проведена численная оценка влияния перфорации ортеза на его эксплуатационные характеристики: давление на палец, продольная и изгибная жесткость.