Методика численного моделирования механических свойств пористых теплозащитных материалов на основе керамических волокон
Автор: Лурье С.А., Рабинский Л.Н., Соляев Ю.О., Бузник В.М., Лизунова Д.В.
Статья в выпуске: 4, 2016 года.
Бесплатный доступ
Предложена методика прогноза предела прочности и модуля упругости высокопористых керамик, состоящих из волокон или нитевидных кристаллов. Методика основана на прямом численном моделировании микроструктуры материала с использованием метода конечных элементов. Представительные фрагменты материала создаются на основе случайных алгоритмов с учетом заданных размеров, ориентации и объемного содержания волокон. Волокнистая структура представляется в виде системы длинных стержней, моделирующих волокна, и коротких стержней, моделирующих контакты между волокнами. Для рассматриваемых структур предлагается формулировка критерия прочности, в соответсвии с которым разрушение материала наступает вследствие нарушения контакта между волокнами. Предложено считать предел прочности контактов волокон неизвестным параметром модели, который следует определять из условия наилучшего соотвествия расчетных оценок прочности и данных эспериментальных исследований. На основе анализа напряженного состояния структуры материала под действием механического нагружения даются прогнозы значений эффективной жесткости и прочности при сжатии. В работе проведено исследование повторяемости результатов вычислений при рассмотрении однотипных представительных фрагментов с одинаковыми значениями усредненных характеристик микроструктуры. Проведено исследование сходимости получаемых результатов вычислений при увеличении размера представительного фрагмента. Представлены тестовые результаты моделирования механических свойств волокнистых материалов в зависимости от объемного содержания пористости и ориентации волокон. В работе показано, что для достаточно больших фрагментов (40 мкм и более) предложенная методика позволяет получать стабильные прогнозы механических свойств с относительно небольшим разбросом значений вследствие статистического отличия рассматриваемых фрагментов.
Моделирование, микроструктура, пористая керамика, волокнистые материалы, механические свойства
Короткий адрес: https://sciup.org/146211645
IDR: 146211645 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2016.4.15
Methodology of numerical modelling of mechanical properties of the porous heat-shielding material based on ceramic fibers
We propose a method to predict the compression strength and elastic modulus of high porous ceramics based on fibers or whiskers. The method is based on the direct numerical simulation of material microstructure using a finite element approach. The representative volume elements of material samples are created using the random algorithm taking into account the given sample size, fibers mean size and orientation and porosity volume fraction. The fiber structure is assumed to consist of long rods as fibers and short rods as links (contacts) between fibers. For the considered structures we proposed the formulation of the strength criterion, in accordance with which the destruction of the material occurs due to the failure of connections between the fibers. It is proposed to consider the ultimate strength of the fiber contacts as unknown model parameter. Its value should be determined using the fitting of the estimation results to the experimental data. Predicted values of effective stiffness and strength of material are based on the analysis of representative element stress state under mechanical pressure. In this paper, we studied the repeatability of the numerical calculations results for the same type of representative elements with the same average microstructural characteristics. The convergence of the effective properties values with the increasing of the fragments size is also studied. Test results of the mechanical properties modeling of fibrous materials with different porosity and fibers orientation are presented in this article.
Список литературы Методика численного моделирования механических свойств пористых теплозащитных материалов на основе керамических волокон
- Щетанов Б.В., Ивахненко Ю.А., Бабашов В.Г. Теплозащитные материалы//Российский химический журнал. -2010. -Т. 54, № 1. -С. 12-19.
- Каблов Е.Н. Доспехи для «Бурана».Материалы и технологии ВИАМ для МКС «Энергия-Буран».// -М.: Наука и Жизнь, 2013. -С. 172.
- Green D.J. Nondestructive Evaluation of Low Density Fibrous Ceramics//In D.O. Thompson & D.E. Chimenti (Eds.), Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. -Boston, MA: Springer US, 1983. -Vol. 2A. -P. 651-661 DOI: 10.1007/978-1-4613-3706-5_43
- Бабашов В.Г. Некоторые применения теплоизоляционных материалов в машиностроении//Глобальный научный потенциал. -2015. -№ 1 (46). -С. 67-70.
- Бабашов В.Г., Варрик Н.М. Высокотемпературный гибкий волокнистый теплоизоляционный материал//Труды ВИАМ. -2015. -№ 1. -С. 3.
- Алифанов О.М., Черепанов В.В. Математическое моделирование высокопористых волокнистых материалов и определение их физических свойств//Теплофизика высоких температур. -2009. -Т. 47, № 3. -С. 463-472 DOI: 10.1134/S0018151X09030183
- Экспериментально-теоретическое исследование процессов теплообмена в высокопористых материалах/О.М. Алифанов, С.А. Будник, А.В. Ненарокомов, В.В. Черепанов//Тепловые процессы в технике. -2011. -№ 2. -С. 53-65.
- Effect of temperature on the mechanical behavior of mullite fibrous ceramics with a 3D skeleton structure prepared by molding method/X. Dong, G. Sui, Z. Yun, M. Wang, A. Guo, J. Zhang, J. Liu//Materials & Design. -2016. -Vol. 90 -P. 942-948 DOI: 10.1016/j.matdes.2015.11.043
- Thermal and mechanical properties of fibrous zirconia ceramics with ultra-high porosity/J. Sun, Z. Hu, J. Li, H. Zhang, G.G. Sun//Ceramics International. -2014. -Vol. 40. -P. 11787-11793 DOI: 10.1016/j.ceramint.2014.04.008
- Nima N., Alexandre M. Three dimensional radiative heat transfer model for the evaluation of the anisotropic effective conductivity of fibrous materials//Int. J. Heat Mass Transf. -2014. -Vol. 83 DOI: 10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER
- Дульнев Г.Н., Заричняк Г.Н. Теплопроводность смесей и композиционных материалов//Справочная книга. -Л.: Энергия, 1974. -C. 263.
- Керамика для машиностроения/А.П. Гаршин, В.М. Гропянов, Г.П. Зайцев, С.С. Семёнов. -М.: Научтехлитиздат, 2003. -C. 384.
- Finite element analysis on tensile behaviour of 3D random fibrous materials/Q. Liu, Z. Lu, Z. Hu, J. Li//Model description and meso-level approach. Materials Science and Engineering. -2013. -Vol. 587. -P. 36-45 DOI: 10.1016/j.msea.2013.07.087
- Experiment and modeling on the compressive behaviors for porous silicon nitride ceramics/Z. Lu, Q. Liu, H. Han, D. Zhang//Materials Science and Engineering. -2013. -Vol. 559. -P. 201-209 DOI: 10.1016/j.msea.2012.08.081
- Scheffler M., Colombo P. Cellular Ceramics//Structure, Manufacturing, Properties and Applications. -N.Y.: Wiley, 2005. -P. 670 DOI: 10.1002/3527606696
- Refined gradient theory of scale-dependent superthin rods/S.A. Lurie, E.L. Kuznetsova, L.N. Rabinskii, E.I. Popova//Mechanics of Solids. -2015. -Vol. 50 (2). -P. 135-146 DOI: 10.3103/S002565441502003X
- Multiscale modelling of aluminium-based metal-matrix composites with oxide nanoinclusions/S. Lurie, D. Volkov-Bogorodskiy, Y. Solyaev, R. Rizahanov, L. Agureev//Computational Materials Science. -2016. -P. 62-73 DOI: 10.1016/j.commatsci.2015.12.034
- Lurie S.A., Solyaev Y.O. Identification method of gradient models parameters of inhomogeneous structures based on discrete atomistic simulations//PNRPU Mechanics Bulletin. -2014. -P. 89-112 DOI: 10.15593/perm.mech/2014.3.06
- A four-phase confocal elliptical cylinder model for predicting the effective thermal conductivity of coated fibre composites/C.P. Jiang, F.L. Chen, P. Yan, F. Song//Philosophical Magazine. -2010. -P. 3601-3615 DOI: 10.1080/14786435.2010.491806
- Lee J.K., Kim J.G. Governing equations for effective thermal conductivity of composites with coated short fibers//International Journal of Heat and Mass Transfer. -2013. -Vol. 67. -P. 654-658. DOI: 10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER.2013.08.075
