Теоретичне визначення міцності композитного матеріалу в умовах всебічного стиснення
Loading...
Date
2024
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
НМетАУ, УДУНТ, Дніпро
Abstract
UKR: Мета. Метою дослідження є теоретичне обґрунтування міцності вітчизняного композитного матеріалу в умовах всебічного стискання та створення моделі, яка дозволяє передбачити поведінку матеріалу під навантаженнями. Методика. У дослідженні використано метод кінцевих елементів (МКЕ) для моделювання напружено-деформованого стану композитного матеріалу. Експериментальна частина включала підготовку багатошарових зразків з полімерними композитними матеріалами, їхнє механічне навантажування в умовах всебічного стискування та порівняння результатів з розрахунковими даними. Додатково застосовано параметричне моделювання в середовищі Ansys Workbench для вивчення впливу змінних, таких як товщина шару та прикладена сила. Результати. Отримано залежності між товщиною композитного шару, величиною навантаження та деформаційними характеристиками матеріалу. Найкращі механічні властивості виявлено у зразків з товщиною шару 2 мм, які демонструють оптимальний баланс між міцністю та здатністю до поглинання енергії. Моделювання показало, що найбільші напруження виникають на межі контакту полімерного шару з металевою основою, що вказує на необхідність поліпшення адгезійних властивостей. Наукова новизна. Запропоновано параметричну модель для аналізу напружено-деформованого стану полімерних композитних матеріалів. Удосконалено методику оцінки міцності багатошарових композитів в умовах всебічного стиснення, що дозволяє враховувати взаємодію шарів та їхніх геометричних параметрів. Практична значущість. Результати дослідження можуть бути використані для розробки нових композиційних матеріалів з поліпшеними механічними властивостями для застосування в авіаційній, автомобільній та енергетичній промисловостях. Рекомендації щодо оптимізації товщини шарів і технології виготовлення дозволять підвищити довговічність і ефективність композитних конструкцій.
ENG: Purpose. The aim of the study is to theoretically substantiate the strength of domestic composite material under conditions of comprehensive compression and to create a model that allows predicting the behavior of the material underloads. Methodology. The study used the finite element method (FEM) to model the stress-strain state of the composite material. The experimental part included the preparation of multilayer specimens with polymer composite materials, their mechanical loading under conditions of comprehensive compression, and comparison of the results with the calculated data. Additionally, parametric modeling in the Ansys Workbench environment was used to study the effect of variables such as layer thickness and applied force. Findings. The dependencies between the thickness of the composite layer, the load, and the deformation characteristics of the material were obtained. The best mechanical properties were found in samples with a layer thickness of 2 mm, which demonstrate an optimal balance between strength and energy absorption. Modeling has shown that the highest stresses occur at the interface between the polymer layer and the metal substrate, indicating the need to improve the adhesive properties. Originality. A parametric model for analyzing the stress-strain state of polymeric composite materials is proposed. The methodology for assessing the strength of multilayer composites under conditions of comprehensive compression has been improved, which allows taking into account the interaction of layers and their geometric parameters. Practical value. The results of the study can be used to develop new composite materials with improved mechanical properties for use in the aviation, automotive, and energy industries. Recommendations for optimizing the thickness of layers and manufacturing technology will increase the durability and efficiency of composite structures.
ENG: Purpose. The aim of the study is to theoretically substantiate the strength of domestic composite material under conditions of comprehensive compression and to create a model that allows predicting the behavior of the material underloads. Methodology. The study used the finite element method (FEM) to model the stress-strain state of the composite material. The experimental part included the preparation of multilayer specimens with polymer composite materials, their mechanical loading under conditions of comprehensive compression, and comparison of the results with the calculated data. Additionally, parametric modeling in the Ansys Workbench environment was used to study the effect of variables such as layer thickness and applied force. Findings. The dependencies between the thickness of the composite layer, the load, and the deformation characteristics of the material were obtained. The best mechanical properties were found in samples with a layer thickness of 2 mm, which demonstrate an optimal balance between strength and energy absorption. Modeling has shown that the highest stresses occur at the interface between the polymer layer and the metal substrate, indicating the need to improve the adhesive properties. Originality. A parametric model for analyzing the stress-strain state of polymeric composite materials is proposed. The methodology for assessing the strength of multilayer composites under conditions of comprehensive compression has been improved, which allows taking into account the interaction of layers and their geometric parameters. Practical value. The results of the study can be used to develop new composite materials with improved mechanical properties for use in the aviation, automotive, and energy industries. Recommendations for optimizing the thickness of layers and manufacturing technology will increase the durability and efficiency of composite structures.
Description
С. Білодіденко: ORCID 0000-0002-5768-594X
Keywords
композитні матеріали, всебічне стиснення, метод скінченних елементів, напружено-деформований стан, міцність, адгезійні властивості, composite materials, comprehensive compression, finite element method, stress-strain state, strength, adhesive properties, КГМ
Citation
Білодіденко С. В., Іщенко А. О., Рассохін Д. О., Бем Р. Теоретичне визначення міцності композитного матеріалу в умовах всебічного стиснення. Теорія і практика металургії. 2024. № 2 (143). С. 60–67. DOI: https://doi.org/10.34185/tpm.2.2024.09.