Моделирование физических свойств композиционного материала армированного короткими случайно расположенными волокнами

1. ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА   На тему «Моделирование физических свойств композиционного материала армированного короткими

ФГБОУ ВО Ульяновский государственный университет
Инженерно-физический факультет высоких технологий
Кафедра Физического материаловедения
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
На тему «Моделирование физических свойств композиционного
материала армированного короткими случайно расположенными
волокнами»
Н АУ Ч Н Ы Й Р У К О В О Д И Т Е Л Ь :
Р Ы Б И Н В Л А Д И С Л А В В И ТА Л Ь Е В И Ч
ВЫПОЛНИЛА :
С Т УД Е Н Т К А Г Р У П П Ы Н А Н - О - 1 8 / 1
К А Д Ы Ш Е В А Я Н А А Н АТ О Л Ь Е В Н А
Ульяновск
2022 г.
1

2.

Цели и задачи
Целью данной работы является оценить на основе предложенной модели как
форма и размер включений влияет на физические свойствах.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Обзор фундаментальных понятий о природе упрочнения материалов,
морфологии и особенности их распоряжения.
2. Обзор некоторых моделей композиционного материала.
2

3.

Морфология, материалы и особенности расположения
Рис.1. Структура стекловолокна
Рис. 2. Текстура углеродного волокна.
Рис. 3. Волокно Кевлара характерного золотисто-жёлтого цвета
3

4.

Природа упрочнения материалов, армированных волокнами.
1.1. Влияние свойства волокнистых композитов
Удельная прочность для большинства армированных волокнами композитов улучшается при включении жёстких,
но хрупких волокон в более мягкую пластичную матрицу. Благодаря материалу матрицы обеспечивается передача
напряжения в полимерном композите от матрицы на волокна, которые несут большую часть приложенной нагрузки.
Но также и матрица обеспечивает защиту волокон от внешних и атмосферного воздействия.
Механические свойства композитов определяют такие характеристики как:
• длина волокон;
• их ориентация;
• объёмная доля;
• направление внешней нагрузки.
4

5.

1.2. Особенности включения волокон в матрицу.
У волокнистых композитов матрица армирована высокопрочными волокнами,
проволокой, жгутами и т. п., воспринимающими нагрузку, за счет чего и достигается
упрочнение композитов.
В зависимости от материала матрицы композиты делятся на пластики (полимерная
матрица), металлокомпозиты (металлическая матрица), композиты с керамической
матрицей и матрицей из углерода.
5

6.

1.3.Способы армирования волокнами.
Рис.4. Классификация композитов по конструктивному признаку.
а — хаотически армированные (1 — короткие волокна; 2—
непрерывные волокна); б— одномерно-армированные (1 —
непрерывные волокна; 2— короткие волокна); в —
двухмерно-армированные (1 — непрерывные нити; 2 —
ткани); г — пространственно-армированные (1 — три
семейства нитей; 2 — п семейств нитей)
6

7.

Модель элементарной ячейки композита с однонаправленными волокнами.
1.
2.
3.
4.
Рис. 5. Модели элементарных ячеек описывающих
композит с длинными волокнами с наименьшей
плотностью
Рис. 6. Модели элементарных ячеек описывающих
композит с короткими волокнами с наибольшей
плотностью
7

8.

-1
-2
-3
-4
-1
-2
-3
-4
а)
b)
Рис. 7. Кривые растяжения построены для разных моделей а)для первой серии b) для
второй серии
8

9.

a)
b)
Рис. 8. (a): Случайное распределение волокон. (b): схематическое изображение образцов, вырезанных под
разными углами .
9

10.

Рис.9. Сравнительный график кривых для разного количества
элементарных ячеек
10

11.

Рис. 10. Геометрия анализируемого
микроструктурного образца и его пространственная
дискретизация.
Рис. 11. Сравнение кривых напряжения-деформации,
полученных с использованием метода усреднения по
ориентации.
11

12.

Рис. 12. Геометрия анализируемого микроструктурного
образца и его пространственная дискретизация.
Рис. 13. Сравнительный график кривых для разного количества
элементарных ячеек
12

13.

Вывод: Количество и распределение волокон , определяет механические
свойства композиционного материала. Поэтому моделирование
композиционного материала армированного короткими случайно
расположенными волокнами имеет важное практическое значение ,для
создания новых композиционных материалов
13

14.

Спасибо за внимание!
14