Расчетные и экспериментальные исследования оценки механического поведения образцов из полимерных композиционных материалов с внедренным smart-слоем

В настоящее время особое внимание ученых направлено на возможность создания так называемых Smart-конструкций, которые способны проводить самодиагностику в режиме реального времени и/или функциональные изменения. В рамках данной работы рассматривается возможность создания конструкций, способных проводить диагностику деформационного состояния в режиме реального времени. При создании таких Smart-конструкций в качестве датчиков контроля, как правило, используют волоконно-оптические, пьезо- и тензометрические. Их применение обусловливается рядом преимуществ, таких как: малые размеры, возможность объединения в единую измерительную сеть, простота в использовании, широкий спектр измеряемых величин, способность передавать данные на большие расстояния. Однако при внедрении таких датчиков в конструкции возникает ряд сложностей: установки/демонтажа или внедрения в силу хрупкости волокна, сложность базирования чувствительного элемента, обеспечение целостности волоконно-оптической линии на выходе из полимерной конструкции. Авторским коллективом Научно-образовательного центра авиационных композитных технологий ПНИПУ разработан прототип Smart-слоя по технологии 3D-печати, способный решить описанные выше проблемы. Однако открытым остается вопрос изменения физико-механических характеристик конструкций из полимерных композиционных материалов со Smart-слоем. Таким образом, целью данной работы является проведение расчетных и экспериментальных исследований по оценке механического поведения образцов из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с внедренным Smart-слоем. Описана технология и схема изготовления Smart-слоя с внедренными волоконно-оптическими датчиками, а также схема укладки Smart-слоя в образцы из ПКМ. Поскольку свойства образцов из литых пластиков отличаются от напечатанных, проведены механические испытания на растяжение напечатанных образцов. Полученные значения предела прочности и модуля упругости использовались для идентификации математической модели. В рамках экспериментальной части проведены механические испытания на растяжение, сжатие и межслоевой сдвиг образцов из ПКМ с внедренным Smart-слоем. При анализе полученных экспериментальных результатов установлено, что максимальное процентное отклонение физико-механических характеристик (ФМХ) составляет не более 15 %, что лежит в рамках разброса ФМХ углепластика в рулоне препрега. Вследствие полученных данных можно сделать вывод, что внедрение таких Smart-слоев несущественно влияет на ФМХ итоговой конструкции из ПКМ. По результатам математического моделирования по растяжению образца из ПКМ с внедренным Smart-слоем установлено, что максимальное значение нормальных напряжений в образце достигает 540,28 МПа, что на 1,46 % превышает максимальное значение по статистическому пределу прочности образца. Максимальные значения напряжений по Мизесу для Smart-слоя не превышают значения предельной прочности, в то время как для эпоксидного связующего наблюдается существенное превышение предела прочности, на основании которого можно сделать предположение о его разрушении в процессе деформирования.