Разработка физической модели структуры ПКМ с дефектом в виде поры на границе раздела волокно-матрица.

В качестве базовой модели для дальнейшего исследования была выбрана модифицированная модель Розена, т.к. она наиболее близка к реальной.

Модель представляет собой непрерывные волокна, окруженные блоком матрицы. Волокна однонаправлено расположены в матрице.

На рисунке 2.6 для случая одиночного разрушения волокна показаны напряжения в волокне и распределение напряжений на границе волокна и матрицы.

Изучение распределения напряжений между волокном и матрицей в армированном непрерывными волокнами композите, является основой для дальнейшего оптимизирования композиционных материалов. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации аналитических моделей и уточнения теории или для исследования влияния граничного слоя между волокнами и матрицей.

Ниже будет рассмотрена элементарная КЭ модель, которая характеризуется следующим:

• все непрерывные волокна ориентированы в одном направлении;

• взаимодействие между волокном и матрицей на границе раздела считается идеальным;

• нагрузки задаются перемещениями;

• перераспределение напряжений осуществляется с помощью поперечных и продольных деформаций;

• модель осесимметрична

Следующие параметры могут варьируется:

• диаметр волокна df

• объемное содержание волокна Vf

• модуль упругости (Ef, Em,) и коэффициент Пуасона (nf, nm)

• пластичность матрицы задана графически (зависимость «напряжение-деформация»).

Предполагается, что эта модель будет максимально соответствовать реальной, поскольку сравнение измеренного и рассчитанного модуля упругости и напряжений при растяжении показывают хорошее согласование. Оценка обобщенных напряжений достигнута на основе критерия фон Мизеса.

На рисунке 2.12 представлена геометрическая структурная модель ПКМ.

Рисунок 2.12. Геометрическая модель композиционного материала на основе непрерывных углеродных волокон и эпоксидной матрицы

Геометрическая модель была разработана таким образом, чтобы найти компромисс между ограниченными компьютерными ресурсами и приближенностью к реальным композитам настолько, насколько возможно с использованием литературных данных. КЭ модель должна быть ограничена в размере. На рисунке 2.13 показано извлечение единичной ячейки из безграничной модели. Повторение этой единичной ячейки (включая ее перевертывание – инверсию) воспроизводит полностью форму модели.

Рисунок 2.13 Извлечение элементарной модели из безграничной.

На рисунке 2.14 представлена физическая модель ПКМ с дефектом в виде поры на границе раздела волокно-матрица при одноосном растяжении.

Рисунок 2.14 Физическая модель ПКМ на основе непрерывных углеродных волокон и эпоксидной матрицы при одноосном растяжении вдоль волокна.

Все результаты по анализу деформационно-прочностных свойств моделируемого ПКМ получены с помощь программного комплекса ANSYS с применением конечно элементного анализа [20].