Особенности механического поведения и физико-механические характеристики слоистых волокнистых композитов и элементов конструкций при статическом нагружении: теория и эксперимент.

Запланированные исследования направлены на разработку теоретико-экспериментальных методов изучения на микро-, мезо- и макроуровнях механизмов деформирования, потери устойчивости, формирования остаточных деформаций и разрушения слоистых волокнистых композиционных материалов и элементов конструкций из них, образованных укладкой слоев под разными углами расположения волокон, при однократном и многократном (циклическом) сжатии (в отличие от проведённых ранее исследований при растяжении) и растяжении-сжатии. Экспериментальным путём будет показано, что в условиях сжатия в перекрёстно армированных волокнами композитах формируются более значительные остаточные (необратимые) деформации, чем при растяжении. Ввиду этого при симметричном циклическом растяжении-сжатии формируются отрицательные остаточные деформации из-за проявления явления разномодульности материала в условиях растяжения и сжатия. В развитие ранее полученных результатов будут разработаны такие программы испытаний тест-образцов из волокнистых композитов со структурой ±φ на сжатие, которые позволят вычленить из общей деформации: мгновенно упругую составляющую, нелинейно упругую (обратимую) деформацию микроперестройки, обусловленную реализацией микро- и мезомасштабных внутренних форм потери устойчивости (ФПУ) и не зависящую от времени, необратимую деформацию ползучести и обратимую вязкоупругую (наследственную) деформацию ползучести. Для теоретического анализа поведения слоистых волокнистых композитов будут построены уточнённые геометрически и физически нелинейные математические модели деформирования и на их основе в различных постановках будут сформулированы задачи о потере устойчивости как структурных элементов композита (волокон  пространственных ФПУ на микроуровне, пучков волокон  пространственных ФПУ на миниуровне, монослоёв  плоских ФПУ на мини- и макроуровнях), так и элементов конструкций из ВКМ (плоские ФПУ на макроуровне). Для построения их решений будут использоваться как аналитические, так и численные методы. Для физически и геометрически нелинейных задач при наличии областей с большими градиентами НДС будет применяться (эффективный для рассматриваемого класса задач) метод интегрирующих матриц (конечных сумм). Теоретически и численно будут исследованы вопросы точности и сходимости построенных решений. Будет проведен анализ полученных решений и теоретическими методами выяснены причины таких явлений, как существенная зависимость предела прочности при сжатии от толщины образца (в отличие от случая растяжения), а также причины того, что при сжатии образцов, образованных укладкой монослоев под разными углами ±φ к направлению края образца, формируются остаточные деформации на порядок больше, чем при растяжении. Будет показано, что одной из основных причин такого явления является потеря устойчивости фаз композита. Научная новизна описанных выше результатов, не имеющих аналогов в мировой научной литературе, главным образом, будет состоять в том, что значительную часть нелинейно упругих деформаций в косоугольно армированных волокнистых композитах в условиях их сжатия составляют обратимые нелинейно упругие деформации микроперестройки, вызванные реализацией различных ФПУ структурных элементов композита в зонах с ослабленными физико-механическими характеристиками. Такие ФПУ претерпевают непрерывную трансформацию в процессе нагружения и выдержки под напряжением (из-за явлений ползучести), оказываются различными в условиях растяжения и сжатия, чем и можно объяснить различие их диаграмм деформирования как при однократном, так и многократном (циклическом) нагружениях. Актуальность результатов предлагаемых исследований обусловлена необходимостью уточнения существующих в настоящее время стандартов испытаний композитных материалов, необходимостью создания уточнённых теоретических и экспериментальных методов выявления особенностей деформирования элементов конструкций из волокнистых композитов при эксплуатации изделий того или иного назначения, а также с возможностью выявления направлений улучшения структуры ВКМ на основных этапах технологических процессов их создания и производства (волокон, пучков волокон, препрегов и т.д.).