Исследование прочности и теплостойкости углепластика в условиях периодического термоциклирования

Авторы

Николаев В. Н.^1*, Петров М. Г.^1**, Гусев С. А.^{2, 3***}

1. Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С. А. Чаплыгина, 630051, Россия, г. Новосибирск-51, ул. Ползунова, 21
2. Институт вычислительной математики и математической геофизики CO РАН, Новосибирск, Российская Федерация
3. Новосибирский государственный технический университет, проспект К. Маркса, 20, Новосибирск, 630073, Россия

*e-mail: nikvla50@mail.ru
**e-mail: mark-stein@list.ru
***e-mail: sag@osmf.sscc.ru

Аннотация

Возможность применения полимерных композиционных углепластиков в конструкциях сверхзвукового пассажирского самолета требует оценки способности элементов конструкций планера сохранять эксплуатационные характеристики при детерминированных и случайных тепловых и механических нагрузках. В результате этих действий происходят циклические расширения и сжатия углепластиков, которые вызывают внутренние механические напряжения. Это приводит к образованию микротрещин внутри элементов углепластика и является причиной значительного снижения прочности материалов и эксплуатационной надежности самолета. Для компьютерного моделирования термических напряжений углепластика в условиях перепадов температуры рассматривается одномерная несвязанная задача термоупругости, представляющая собой систему двух краевых задач в условиях эксплуатационных параметров режима полета и воздушной среды за бортом самолета. Экспериментально температурный профиль полета моделировался в климатической камере СМ–60/90-500 ТВХ. После выполнения определенного количества термоциклов проводили испытания элементов углепластика АСМ 102-С130UD на прочность и теплостойкость методом продольного изгиба. По техническому заданию на прочность для демонстратора комплекса технологий сверхзвукового гражданского самолета ресурс назначен 100 полетов и соответственно 100 термоциклов при испытаниях. Оценка изменений прочности и теплостойкости в исследованном диапазоне термоциклирования до 120 термоциклов позволяет предположить о возможном применении данного углепластика при температуре от 220 до 420 К.

Ключевые слова:

моделирование случайных термических напряжений углепластика, одномерная несвязанная задача термоупругости, метод продольного изгиба прочностных испытаний, испытания на прочность и теплостойкость термоциклирования

Список источников

1. Болотин В.В. Распределение времен до разрушения при случайных нагрузках // Прикладная механика и техническая физика. 1980. Т. 21. № 5. С. 149–158.
2.  Валишин А. А., Карташов Э.М. Математическое моделирование термических напряжений в твердом теле с внутренней трещиной // Математическое моделирование и численные методы. 2018. № 3(19). C. 3–21. DOI: 10.18698/2309-3684-2018-3-321
3.  Каблов Е.Н., Старцев В.О. Влияние внутренних напряжений на старение полимерных композиционных материалов. Обзор // Механика композитных материалов. 2021. Т. 57. № 5. С. 805—822. DOI: 10.22364/mkm.57.5.01
4.  Новацкий В. Теория упругости / Пер. с польского Б.Е. Победря. М.: Мир, 1975. 872 с.
5.  Коваленко А.Д. Термоупругость. Киев: Вища школа, 1975. 216 с. 
6.   Полянин А.Д. Справочник. Линейные уравнения математической физики. М.: Физматлит, 2001. 576 с. 
7.  Гихман И.И., Скороход А.В. Введение в теорию случайных процессов. 2-е изд. М.: Наука, 1977. 568 с.
8.  Kloeden PE, Platen E. Numerical solution of stochastic differential equations. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1992. 632 p. DOI: 10.1007/978-3-662-12616-5
9.  Кузнецов Д.Ф. Стохастические дифференциальные уравнения: теория и практика численного решения. 4-е изд., испр. и доп. СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2010. 786 с. 
10.  Блазнов А.Н., Петров М.Г., Старцев О.В., и др. Методы механических испытаний армированных пластиков. Бийск: Изд-во АлтГТУ, 2025. 405 с.
11.  Савин В.Ф., Блазнов А.Н. (ред.). Испытания упругих стержней методом продольного изгиба: Монография. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2009. 222 с.
12.  Блазнов А.Н., Савин В.Ф., Волков Ю.П. и др. Методы механических испытаний композиционных стержней: Монография. Бийск: Изд-во АлтГТУ, 2011. 314 с.
13.  Арнаутов А.К., Тарнопольский Ю.М. Продольный изгиб как метод определения изгибной прочности композитных материалов // Механика композитных материалов. 2004. Т. 40. № 1. С. 25–42.
14.  Волков Ю.П., Луговой А.Н., Савин В.Ф. и др. Метод определения механических характеристик стержней по результатам испытаний на продольный изгиб // Заводская лаборатория. 2004. Т. 70. №9. С. 58–62.
15.  Атясова Е.В. Оптимизация рецептурно-технологических параметров, обеспечивающих максимальную теплостойкость полимерных композитов, определяемую усовершенствованными методами термомеханических испытаний: Дисс. ... канд. техн. наук. Бийск, 2016. 120 с.
16. Kuznetsov VV, Levyakov SV. Complete solution of the stability problem for elastica of Euler’s column. International Journal of Non-Linear Mechanics. 2002;37(6):1003-1009. DOI: 10.1016/S0020-7462(00)00114-1
17.  Петров М.Г. Особенности и закономерности разрушения однонаправленного стеклопластика при продольном изгибе // Численные методы решения задач теории упругости и пластичности: Сборник трудов XXIV Всероссийской конференции (2–4 июня 2015; Омск). Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. С. 167–170.
18.  Рудольф А.Я., Поздеев С.П., Савин В.Ф., и др. Способ определения термомеханических характеристик полимерных композиционных материалов. Патент RU 2564520 C1. Бюл. № 28, 10.10.2015. 
19. Petrov MG, Startsev OV, Lebedev MP, et al. Strength Characteristics of Carbon Fiber Reinforced Plastic in Shear and Cyclic Extension – Compression after 7 Years of Climate Exposure. Universal Journal of Carbon Research. 2024;2(1):1–13. DOI: 10.37256/ujcr.2120244131
20. Петров М.Г., Лебедев М.П., Старцев О.В., и др. Влияние низких температур и влаги на прочностные свойства углепластика // Доклады РАН. Химия, науки о материалах. 2021. Т. 500. № 1. С. 62–68. DOI: 10.31857/S2686953521050149