Анализ мезоструктуры и кинетики разрушения элементов сетчатых композитных конструкций при трансверсальном сжатии с использованием стохастической МКЭ-микромеханики

Проведён анализ мезоструктуры конструктивных элементов сетчатых авиационных конструкций - рёбер, состоящих из чередующихся слоёв равной толщины из однонаправленного углепластика и чистого матричного материала. В экспериментальных исследованиях были получены упругие характеристики однонаправленного углепластика при трехточечном изгибе и трансверсальном сжатии. В результате продольный модуль упругости слоистого композита оказался равным 101 ГПа, модуль сдвига 2,95 ГПа. Также было выполнено численное моделирование мезо- и микромеханики взаимодействия отмеченных слоёв при трансверсальном сжатии вплоть до разрушения. Использован программный комплекс конечно-элементного анализа ANSYS (явная и неявная формулировки). Рассмотрены регулярная и стохастическая укладка волокон в поперечном сечении при сжатии. Диаметры волокон в композитном элементе были измерены на шлифах с помощью цифрового микроскопа Zeiss Axio Observer D1m и равны 5,1 ± 0,8 мкм. Слои с объемной долей волокон, которая составила около 60 %, чередуются со слоями чистой эпоксидной смолы. В качестве микромеханического критерия разрушения при сжатии и растяжении предложено использовать лишь первое главное напряжение в матрице. На первом этапе расчетов была решена задача трансверсального сжатия ячейки с регулярной укладкой волокон (погрешность величины трансверсального модуля упругости составила менее 2 %). На втором этапе была проведена оценка прочности и накоплении микроповреждений при сжатии в модели слоистой структуры со стохастической укладкой волокон. Анализ напряженно-деформированного состояния слоистой мезоструктуры при сжатии позволил объяснить причину того, что слоистое ребро имеет в два раза меньшую трансверсальную прочность, чем однородный углепластик. Расчётные значения пределов прочности при трансверсальном сжатии слоистого ребра хорошо согласуются с экспериментальными.