Многовариантное численное моделирование неупругого деформационного поведения полимерных и композиционных материалов в качестве защитных, защитно-упрочняющих и антифрикционных покрытий и прослоек

Термомеханика материалов и конструкций является междисциплинарной темой исследования. Основными направлениями исследований в данной отрасли знаний являются: реология, вязкоупругость, вязкопластичность, фазовые переходы, термо-напряженное состояние материалов и объектов исследования, память формы и т.д. Особый интерес представляет описание поведения материалов, технологических процессов и рабочих режимов конструкций в рамках термомеханики при помощи феноменологических определяющих соотношений и многоуровневых моделей. Достаточно большой класс задач связан с описанием и моделированием нелинейного поведения материалов с учетом реологических и фазовых переходов. Объектами исследований являются: полимерные и композиционные материалы, используемые в медицине, строительстве недропользовании, кабельной промышленности, оптике; жидкостные среды (нефть, связующие материалы, смазочные материалы и т.д.), влияющие на технологические процессы производств и рабочие режимы готовых изделий; материалы аддитивных производств, металлы и сплавы. Полимерные материалы и композиты находят широкое применение в биомедицине и промышленности в качестве антифрикционных, защитных и защитно-упрочняющих покрытий и прослоек, твердых смазок, а также в элементах конструкций разного назначения, работающих в условиях сложного термомеханического нагружения. Актуальной задачей термомеханики также является моделирование сложных технологических процессов, связанны с объектами исследования: вулканизация (сшивка) полимерных материалов, вторичная переработка полимерных композиционных материалов , производство композиционных материалов и изделий из них, тепломассоперенос, старение материалов , прогнозирование срока службы конструкций, сопряжение с элементами разной природы и т.д. Значительное число работ направлено на исследование физико-механических характеристик материалов в различных условиях работы. Но интересны и вопросы влияния качества обработки поверхностей сопряжения, взаимодействия материалов с металлическими и неметаллическими поверхностями и разными средами, в том числе со смазочными материалами, на поведение узла. А также влияние геометрической конфигурации покрытий и прослоек на напряженно-деформированное состояние материалов, как на модельных задачах, так и в реальных конструкциях, в том числе при разных температурах. Качественное описание термомеханики материалов, позволит получить более адекватные данные о технологических процессах и поведении реальных конструкциях. Что в свою очередь позволит рационализировать технологические процессы и конфигурации объектов исследования, с целью повышения качества конечного продукта (изделия, конструкции), а также оптимизировать рабочие режимы. Термомеханика материалов и конструкций является междисциплинарным направлением исследования и затрагивает широкий спектр актуальных задач медицинского, инженерного, технического и промышленного сектора России в целом и Пермского края в частности. Проект направлен на анализ влияния термомеханического поведения материалов с учетом вязкости и реологии на деформационное поведение в качестве относительно тонких защитных, защитно-упрочняющих и антифрикционных покрытий и прослоек при контакте с металлическими и неметаллическими поверхностями с разным характером обработки (полированная или шероховатая поверхность сопряжения). Формирование базы данных о процессах неупругого деформирования материалов в качестве относительно тонких защитных, защитно-упрочняющих и антифрикционных покрытий и прослоек в широком диапазоне температурно-силовых нагрузок с учетом разного характера их сопряжения с металлическими и неметаллическими материалами на тестовых и модельных задачах и в моделях реальных конструкций. В том числе при циклическом нагружении для прогнозирования рабочего ресурса материалов в широком диапазоне температур. Для выполнения планируемых исследований ставятся следующие задачи: - разработка математических моделей, описывающих процессы температурно-силового деформирования материалов защитных покрытий и прослоек при разном характере сопряжения с металлическими и неметаллическими материалами, в том числе смазками; - получение новых данных о закономерностях процессов неупругого деформирования материалов в широком диапазоне рабочих температур, разного уровня и сочетания нагрузок (вертикальная, горизонтальная, циклическая); - получение новых данных о влиянии характера сопряжения и геометрии защитных покрытий и прослоек при сложном температурно-силовом нагружении на напряженно-деформированное состояние материалов с учетом контактного взаимодействия с металлическими и неметаллическими материалами; - развитие моделей прогнозирования рабочего ресурса защитных, защитно-упрочняющих и антифрикционных покрытий и прослоек при циклическом нагружении, подвергнутых комплексному термомеханическому воздействию в условиях работы динамических и кинематических систем; - разработка научно-обоснованных практических рекомендаций по конструктивному оформлению объектов исследования и рационализации технологических процессов, подкрепленные результатами решения поставленных задач в рамках термомеханики с учетом реологии полимерных материалов и композиций, характера их сопряжения с металлическими и неметаллическими материалами. Первый год реализации Первый этап проекта направлен на концептуальную и математическую постановки проблем термомеханики материалов защитных покрытий и прослоек при разном характере сопряжения с металлическими и неметаллическими материалами, в том числе смазками, с учетом особенностей технологических процессов и рабочих режимов. Комплексное исследование напряженно-деформированного состояния защитных, защитно-упрочняющих и антифрикционных покрытий и прослоек разной геометрической конфигурации при разном характере сопряжения с металлическими и неметаллическими материалами, в том числе смазками. Задачи этапа: 1. Концептуальная, техническая и математическая постановка процессов температурно-силового деформирования материалов защитных покрытий и прослоек при разном характере сопряжения с металлическими и неметаллическими материалами, в том числе смазками. 2. Уточнение термомеханического поведения полимерных и композиционных материалов на основе феноменологических определяющих соотношений учитывающих вязкость и реологию с использование ранее созданных механизмов численной идентификации моделей поведения материала и их уточнение при необходимости. 3. Апробация численных алгоритмов на основе результатов натурных экспериментов и имплантация новых моделей поведения исследуемых полимерных материалов и композитов в прикладные программные пакеты инженерного анализа. 4. Верификация новых математических моделей поведения материалов с учетом термомеханических и реологических процессов на тестовых задачах и модельных образцах, анализ влияния геометрической конфигурации покрытий и прослоек, в том числе при разном характере сопряжения с целевыми поверхностями. Второй год реализации Второй этапа направлен на формирование базы данных о процессах неупругого деформирования материалов в качестве относительно тонких защитных, защитно-упрочняющих и антифрикционных покрытий и прослоек в широком диапазоне температурно-силовых нагрузок с учетом разного характера их сопряжения с металлическими и неметаллическими материалами на модельных и тестовых задачах. Задачи этапа: 1. Создание новых и уточнение ранее созданных моделей поведения материалов и геометрических моделей тестовых и модельных задач: - создание моделей полимерных материалов защитно-упрочняющих покрытий анизотропных оптических волокон с учетом переменного коэффициента температурного расширения, зависящего от температуры окружающей среды; - создание новых и уточнение ранее созданных моделей нелинейного поведения полимерных материалов в рамках контактного взаимодействия слоя скольжения с учетом релаксации; - моделирование однослойного и многослойного защитно-упрочняющего покрытия анизатропных оптических волокон с разным характером сопряжения со стеклянными элементами конструкции, металлической целевой поверхностью сопряжения и между слоями многослойной структуры в плоской постановке; - моделирование контактного взаимодействия полимерной антифрикционной прослойки с учетом углублений под смазочный материал с металлическими поверхностями, с учетом разного характера контакта на границе сопряжения смазка-полимер, смазка-металл и полимер-металл. 2. Многовариантное численное моделирование неупругого деформационного поведения полимерных и композиционных материалов в качестве защитных, защитно-упрочняющих и антифрикционных покрытий и прослоек на тестовых и модельных задачах: - исследования при широком диапазоне рабочих температур, разного уровня и сочетания нагрузок (вертикальная, горизонтальная, циклическая); - анализ влиянии характера сопряжения с металлическими и неметаллическими материалами на напряженно-деформированное состояние покрытий и прослоек; - анализ влияния геометрии защитных покрытий и прослоек на напряженно-деформированное состояние контактного узла при сложном температурно-силовом нагружении. 3. Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния защитных, защитно-упрочняющих и антифрикционных покрытий и прослоек на тестовых и модельных задачах при упругом, упругопластическом и вязкоупругом повелении материалов. 4. Анализ результатов многовариантного численного моделирования деформационного поведения защитных, защитно-упрочняющих и антифрикционных покрытий и прослоек в рамках тестовых и модельных задач, выявление качественных и количественных закономерностей. Третий год реализации Третий этапа направлен на формирование базы данных о процессах неупругого деформирования материалов в качестве относительно тонких защитных, защитно-упрочняющих и антифрикционных покрытий и прослоек в широком диапазоне температурно-силовых нагрузок с учетом разного характера их сопряжения с металлическими и неметаллическими материалами в моделях реальных конструкций. Задачи этапа: 1. Математическое моделирование поведения современных полимерных и композиционных материалов в реальных конструкциях с учетом термомеханических и реологических процессов: анизотропные оптические волокна; сферические подшипники скольжения. 2. Многовариантное численное моделирование неупругого деформационного поведения полимерных и композиционных материалов в качестве защитных, защитно-упрочняющих и антифрикционных покрытий и прослоек в моделях реальных конструкций: - исследования при широком диапазоне рабочих температур, разного уровня и сочетания нагрузок (вертикальная, горизонтальная, циклическая); - анализ влиянии характера сопряжения с металлическими и неметаллическими материалами на напряженно-деформированное состояние покрытий и прослоек; - анализ влияния геометрии защитных покрытий и прослоек на напряженно-деформированное состояние контактного узла при сложном температурно-силовом нагружении. 3. Анализ результатов многовариантного численного моделирования деформационного поведения защитных, защитно-упрочняющих и антифрикционных покрытий и прослоек в моделях реальных конструкций, выявление качественных и количественных закономерностей. 4. Оценка неупругого поведения защитных, защитно-упрочняющих и антифрикционных покрытий и прослоек при циклическом нагружении, подвергнутых комплексному термомеханическому воздействию для прогнозирования рабочего ресурса. 5. Выработка научно-обоснованных практических рекомендаций по конструктивному оформлению объектов исследования и рационализации технологических процессов, подкрепленные результатами решения поставленных задач в рамках термомеханики с учетом реологии полимерных материалов и композиций и характера их сопряжения с металлическими и неметаллическими материалами.