Визначення ефективних характеристик демпфірування в’язкопружних композиційних матеріалів, армованих волокнами

Пропонується числовий метод визначення ефективних комплексних модулів і декрементів коливань армованих волокнами в’язкопружних композиційних матеріалів, що базується на скінченноелементному моделюванні представницького елемента об’єму і прирівнюванні пружної і в’язкої частин енергії деформування об’...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2009
Hauptverfasser: Дубенець, В.Г., Яковенко, О.О.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2009
Schriftenreihe:Проблемы прочности
Schlagworte:
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48400
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Визначення ефективних характеристик демпфірування в’язкопружних композиційних матеріалів, армованих волокнами / В.Г. Дубенець, О.О. Яковенко // Проблемы прочности. — 2009. — № 4. — С. 124-132. — Бібліогр.: 20 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-48400
record_format dspace
spelling irk-123456789-484002013-08-19T15:14:07Z Визначення ефективних характеристик демпфірування в’язкопружних композиційних матеріалів, армованих волокнами Дубенець, В.Г. Яковенко, О.О. Научно-технический раздел Пропонується числовий метод визначення ефективних комплексних модулів і декрементів коливань армованих волокнами в’язкопружних композиційних матеріалів, що базується на скінченноелементному моделюванні представницького елемента об’єму і прирівнюванні пружної і в’язкої частин енергії деформування об’ємів композиційного і квазіоднорідного матеріалів. Досліджено вплив структури армування на декремент коливань в ’язкопружних волокнистих композиційних матеріалів. Предлагается численный метод определения эффективных комплексных модулей и декрементов колебаний армированных волокнами вязкоупругих композиционных материалов, который базируется на конечноэлементном моделировании представительного элемента объема и приравнивании упругой и вязкой частей энергии деформации объемов композиционного и квазиоднородного материалов. Исследовано влияние структуры армирования на декремент колебаний вязкоупругих волокнистых композиционных материалов. We present a numerical method of assessment of the effective complex moduli and vibration decrements of fiber-reinforced viscoelastic composite materials, which is based on the finite-element simulation of a representative volume element and comparative analysis of strain energy elastic and viscous constituents for the volumes of composite and quasi-uniform materials. The effect of reinforcement structure on the vibration decrement of viscoelastic composite fibrous materials has been investigated. 2009 Article Визначення ефективних характеристик демпфірування в’язкопружних композиційних матеріалів, армованих волокнами / В.Г. Дубенець, О.О. Яковенко // Проблемы прочности. — 2009. — № 4. — С. 124-132. — Бібліогр.: 20 назв. — укр. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48400 539.3-534.1 uk Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
topic Научно-технический раздел
Научно-технический раздел
spellingShingle Научно-технический раздел
Научно-технический раздел
Дубенець, В.Г.
Яковенко, О.О.
Визначення ефективних характеристик демпфірування в’язкопружних композиційних матеріалів, армованих волокнами
Проблемы прочности
description Пропонується числовий метод визначення ефективних комплексних модулів і декрементів коливань армованих волокнами в’язкопружних композиційних матеріалів, що базується на скінченноелементному моделюванні представницького елемента об’єму і прирівнюванні пружної і в’язкої частин енергії деформування об’ємів композиційного і квазіоднорідного матеріалів. Досліджено вплив структури армування на декремент коливань в ’язкопружних волокнистих композиційних матеріалів.
format Article
author Дубенець, В.Г.
Яковенко, О.О.
author_facet Дубенець, В.Г.
Яковенко, О.О.
author_sort Дубенець, В.Г.
title Визначення ефективних характеристик демпфірування в’язкопружних композиційних матеріалів, армованих волокнами
title_short Визначення ефективних характеристик демпфірування в’язкопружних композиційних матеріалів, армованих волокнами
title_full Визначення ефективних характеристик демпфірування в’язкопружних композиційних матеріалів, армованих волокнами
title_fullStr Визначення ефективних характеристик демпфірування в’язкопружних композиційних матеріалів, армованих волокнами
title_full_unstemmed Визначення ефективних характеристик демпфірування в’язкопружних композиційних матеріалів, армованих волокнами
title_sort визначення ефективних характеристик демпфірування в’язкопружних композиційних матеріалів, армованих волокнами
publisher Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
publishDate 2009
topic_facet Научно-технический раздел
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48400
citation_txt Визначення ефективних характеристик демпфірування в’язкопружних композиційних матеріалів, армованих волокнами / В.Г. Дубенець, О.О. Яковенко // Проблемы прочности. — 2009. — № 4. — С. 124-132. — Бібліогр.: 20 назв. — укр.
series Проблемы прочности
work_keys_str_mv AT dubenecʹvg viznačennâefektivnihharakteristikdempfíruvannâvâzkopružnihkompozicíjnihmateríalívarmovanihvoloknami
AT âkovenkooo viznačennâefektivnihharakteristikdempfíruvannâvâzkopružnihkompozicíjnihmateríalívarmovanihvoloknami
first_indexed 2025-07-04T08:49:50Z
last_indexed 2025-07-04T08:49:50Z
_version_ 1836705636485693440
fulltext УДК 539.3-534.1 Визначення ефективних характеристик демпфірування в’язко- пружних композиційних матеріалів, армованих волокнами В. Г. Д убенец ь, О. О. Я к овенко Чернігівський державний технологічний університет, Чернігів, Україна Пропонується числовий метод визначення ефективних комплексних модулів і декрементів коливань армованих волокнами в ’язкопружних композиційних матеріалів, що базується на скінченноелементному моделюванні представницького елемента об’єму і прирівнюванні пруж­ ної і в ’язкої частин енергії деформування об ’ємів композиційного і квазіоднорідного мате­ ріалів. Досліджено вплив структури армування на декремент коливань в ’язкопружних волок­ нистих композиційних матеріалів. К л ю ч о в і с л о в а : композиційний матеріал, ефективні комплексні модулі, декре­ мент коливань, метод скінченних елементів. Вступ. Дослідження властивостей композиційних матеріалів, зокрема волокнистих на полімерній основі, свідчить про перспективність їх викорис­ тання в багатьох галузях промисловості, у перш у чергу завдяки високим характеристикам питомої міцності і внутрішнього розсіяння енергії та можли­ вості регулювання механічних характеристик шляхом зміни структурних параметрів. Реалізувати переваги композиційних матеріалів можна завдяки раціональному вибору схем армування, відповідному вибору компонентів, методів розрахунку, які дозволяють врахувати розривні матеріальні функції по о б ’єму композита і відповідні визначальні співвідношення для матеріалів, що складають композит. Точні аналітичні розв’язки задачі, яка враховує ці особливості, можливі тільки в небагатьох випадках [1], у зв ’язку з чим у розрахунках використовують так звані “ефективні” характеристики компо­ зитів [2], які, у свою чергу, визначаються або експериментально, або розра­ хунковими методами. Оскільки експериментальні і більшість наближених аналітичних методів не дозволяють точно врахувати особливості розподілу напружень і дефор­ мацій по о б ’єму, пошук і використання уточнених методів отримання ефек­ тивних характеристик є актуальною задачею, особливо враховуючи можли­ вість оптимізації конструкцій з композитів. Визначенню ефективних характе­ ристик, зокрема пружних модулів однонаправлених композиційних матері­ алів, присвячено багато робіт, наприклад [3, 4]. Значно менше робіт, що стосуються визначення ефективних пружних властивостей перехресно-армо- ваних (армованих у двох напрямках) композитів [5, 6], композитів з о б ’ємним армуванням (армування у трьох, чотирьох і більше напрямках) [7, 15] і зовсім мало досліджень ефективних характеристик неідеально пружних матеріалів, зокрема характеристик демпфірування [16-20]. Відомо, що зі збільшенням напрямків армування в композиційному матеріалі при незмінному коефіцієнті армування змінюються властивості всього матеріалу [3, 11]. У зв’язку з наяв­ ністю великої кількості просторових схем армування постає питання про © В. г . ДУБЕНЕЦЬ, О. О. ЯКОВЕНКО, 2009 124 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 4 Визначення ефективних характеристик демпфірування доцільність використання кожної зі схем при проектуванні конструкцій з композиційних матеріалів із заданими властивостями. М етою даної роботи є розробка методу визначення ефективних комплексних модулів і декрементів коливань композиційних матеріалів із в ’язкопружними компонентами та до­ слідження впливу особливостей армування на характеристики демпфірування волокнистих композиційних матеріалів. М етод аналізу. Для розрахунку ефективних характеристик композицій­ ного матеріалу розглядається так званий представницький елемент о б ’єму [2]. Потім визначаються граничні умови, що мають місце для цього елемента при роботі у складі конструкції, і розв’язуються крайові задачі, кількість яких дозволяє знайти всі невідомі параметри умовного квазіоднорідного матеріалу. Набір таких елементів із достатньою точністю імітує поведінку всього компо­ зиційного матеріалу. Представницькі елементи о б ’єму для просторово-армо- ваних композиційних матеріалів наведено на рис. 1, структура чотиринаправ- леного композиту - на рис. 2 [11]. Рис. 1. Представницькі елементи об’єму для одно- (а), дво- (б) і тринаправленого (в) компо­ зиційного матеріалу. Рис. 2. Чотиринаправлений композиційний матеріал. Для отримання ефективних характеристик в ’язкопружного композицій­ ного матеріалу припустимо, що залежності м іж напруженнями і деформа­ ціями для матеріалів, які складають композит, записано у вигляді рівнянь Больцмана-Вольтерра: ґ а ( () = / ґ - Т)&(Т , (1) 0 НЗЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 4 125 В. Г. Дубенецъ, О. О. Яковенко де о , є - вектори напружень і деформацій; К( 1 —г) - матриця функцій йє релаксації; 1 - час; є - швидкість деформації, є = — . аг Рівняння стаціонарних коливань скінченноелементної моделі представ­ ницького елемента композиційного матеріалу, яке зв ’язує конструктивні і механічні характеристики елемента з вузловими переміщеннями и, матиме вигляд [19] Мій + К * (и) = Г є ш , (2) де М - матриця мас; К * (и ) - матричний інтегральний оператор; Р є іті - вектор зовніш ніх навантажень. Приймемо розв’язок (2) у вигляді ІШЇ \и = ц є (3) і отримаємо алгебраїчну задачу для визначення вектора ц: Z( іт )ц = Б , (4) де Z (іт) - матриця динамічної жорсткості, Z ( іт) = К ( іт) + Х М ; К ( іт) - матриця жорсткості, К ( іт) = К '(т) + ІК" ( т); т -ч а ст о т а ; Х = ( іт )2 . Компоненти матриці Z( іт) залежать від комплексних модулів матеріалів, що складають композит, які, у свою чергу, можуть залежати від частоти. 1 Помножимо ліву і праву частини рівняння (4) на 2 та спряжено-транс- понований вектор ц н і запишемо 1 и 1 и 2 ц Z (іо ) ц = 2 ц Б ■ (5) Отримання рівняння можна розглядати як закон збереження енергії за цикл коливань з амплітудою ц. За відсутності зовніш ніх сил маємо 1 и 2 ц Д к о ) ц = 0 (6) або після розділення матриці Z ( іт) на дійсну й уявну частини - 1 и 1 и 2 ц + 2 Іц ц = ° (7) Як видно, пружна енергія визначається дійсною частиною матриці Z( іт ), а дисипативна - уявною. Приймемо, що умовою еквівалентності композиційного і квазіоднорід- ного матеріалів є рівність енергій деформації: 126 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, N 4 Визначення ефективних характеристик демпфірування 1 н 1 нд Х( т ) д = - д г еф( т ) д , 2" 4 ^ 2 або з урахуванням розділення (7) (8) 2 2 2 (9) Розділимо у рівнянні (9) дійсні й уявні доданки без урахування сил інерції (квазістатичне деформування) і отримаємо д н К 'д = д н К Єф д; д * К " д = д ^ ф д.н (10) Для визначення лівих частин рівнянь (10) необхідно розглянути скін- ченноелементні моделі представницького елемента одиничних розмірів, ро­ зв ’язати відповідну кількість крайових задач при заданих граничних умовах окремо для дійсної й уявної частин матриці К і знайти відповідні енергії деформації о б ’єму елемента V V " . Енергії деформації одиничного о б ’єму квазіоднорідного матеріалу при заданих переміщеннях (рис. 3) визначаються за формулами т “ ‘ " ^ (11)2П ' = 8 т СЄф є; 2П" = 8 т СЄф £, де 8 - вектор деформації у точках о б ’єму елемента; СЄф, Сеф - матриці дійсних і уявних частин комплексних модулів квазіоднорідного матеріалу. У 1 І,/ У м / - ґ у 1 Т— -7? І V Л і- - і - е У - < - , ^ ' є ж з Рис. 3. В аріанти граничних умов для переміщ ень характерного елем ента о б ’єму. ТББЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 4 127 В. Г. Дубенець, О. О. Яковешо Компоненти матриць ефективних модулів в’язкопружного композицій­ ного матеріалу С'еф, С"еф знаходяться з рівнянь ( 11). Як видно, процедура визначення компонент матриць комплексних модулів однакова для дійсних і уявних складових. Для ортотропного матеріалу достатньо розглянути дев’ять варіантів гра­ ничних умов (рис. 3). Компоненти матриці декрементів коливань визначаються за формулою [16] Г"Г е ф і , 7 ( 12)= * Г Матриця декрементів для ортотропного композиційного матеріалу має такий вигляд: Д = І 11 ІІ12 І 13 0 0 0 <Іи d 22 І 23 0 0 0 І 13 І 23 І 33 0 0 0 0 0 0 і 44 0 0 0 0 0 0 І 55 0 0 0 0 0 0 І 66 (13) де компоненті матриці декрементів d l l відповідає деформація розтягу-стиску вздовж осі х; компоненті d 22 - деформація розтягу-стиску вздовж осі у; компоненті d зз - деформація розтягу-стиску вздовж осі г; компоненті d l2 - деформація розтягу-стиску вздовж осей х і у; компоненті d 13 - деформація розтягу-стиску вздовж осей х і Г; компоненті d 23 - деформація розтягу- стиску вздовж осей у і г; компонентам d 44, d 55, d 66 - відповідно дефор­ мації циклічного зсуву вздовж осей х , у , г. Р езультати досл ідж ен ь . Розглянемо представницькі елементи в ’язко- пружного композиційного матеріалу одиничних розмірів (рис. 1, 2). Для чотирьох варіантів просторового армування приймалися такі характеристики матеріалів основи й армуючих волокон: комплексний модуль армуючого ма­ теріалу К 1 = 93 + 3 ,72 і ГПа; комплексний модуль матеріалу основи К 2 = = 3,3 + 0,594 і ГПа; коефіцієнт Пуассона армуючого матеріалу V 1 = 0,267; ко­ ефіцієнт Пуассона матеріалу основи V 2 = 0,35. Максимальний коефіцієнт армування ] (відношення о б ’єму армуючих волокон до о б ’єму елемента композиційного матеріалу) для одно- і дво- направленого композита дорівнює 0,7854, для тринаправленого - 0,589, для чотиринаправленого - 0,7 [9]. За результатами розрахунків отримано залеж­ ності дев’яти компонент матриці декрементів коливань для одно- (Ш ), дво- (2Б ), три- (3Б ) і чотиринаправленого (4Б ) композита (рис. 4 -8 ). Як видно, максимальні значення компоненти d ll матриці декрементів коливань характерні для двонаправленого композиційного матеріалу, компо­ ненти d 22 - для однонаправленого. Максимальні значення компоненти d 33 характерні для композиційного матеріалу, армованого у чотирьох напрямках, причому зі зменшенням напрямків армування значення декремента коливань матеріалу також зменшуються. 128 ISSN 0556-171Х. Проблеми прочности, 2009, № 4 Визначення ефективних характеристик демпфірування ... а б Рис. 4. Залежність компоненти йп (а) і компоненти ^ (б) матриці декрементів коливань від коефіцієнта армування для просторово-армованих композиційних матеріалів. (Тут і на рис. 5-8: ♦ - 1Б; ■ - 2Б; Д - 3Б; X - 4Б.) а б Рис. 5. Залежність компоненти 3̂3 (а) і компоненти ^ 2 (б) матриці декрементів коливань від коефіцієнта армування для просторово-армованих композиційних матеріалів. а б Рис. 6. Залежність компоненти (а) і компоненти і.2з (б) матриці декрементів коливань від коефіцієнта армування для просторово-армованих композиційних матеріалів. Максимальні значення компоненти й і2 матриці декрементів коливань характерні для двонаправленого композиційного матеріалу, а компонент й із і й 23 - для однонаправленого. Зі збільшенням напрямків армування спосте­ рігається зменшення значень декремента коливань матеріалу для компоненти й і2 матриці декрементів коливань. Найбільші значення декрементів коливань й 44 , й 55 і й 66 мають місце для однонаправленого композиційного матеріалу. /ЖЖМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 4 129 В. Г. Дубенець, О. О. Яковенко а б Рис. 7. Залежність компоненти (а) і компоненти й55 (б) матриці декрементів коливань від коефіцієнта армування для просторово-армованих композиційних матеріалів. Рис. 8. Залежність компоненти й66 матриці декрементів коливань від коефіцієнта армування для просторово-армованих композиційних матеріалів. Рис. 9. Залежність модуля пружності Ех і декремента коливань йи при деформації розтягу- стиску вздовж волокна від коефіцієнта армування ̂ для однонаправленого композиційного матеріалу: Д - експериментальні дані [3]; • - дані, отримані методом скінченноелементного моделювання; лінії - дані [20]. 130 0556-171Х. Проблеми прочности, 2009, № 4 Визначення ефективних характеристик демпфірування Отримані результати свідчать про суттєвий вплив структури армування на характеристики розсіяння енергії в композиційному матеріалі, причому цей вплив залежить від виду напруженого стану. Для перевірки цих даних було проведено порівняння значень модуля пружності Е 1 і декремента коли­ вань d n при деформації розтягу-стиску вздовж волокна, що отримали за д о ­ помогою запропонованого вище методу скінченноелементного моделювання, з результатами роботи [20] і експериментальними даними [3] (рис. 9). У роз­ рахунку приймалися значення модулів пружності і коефіцієнтів розсіяння енергії (подвоєного декремента коливань), що наведені у вказаних роботах. Результати порівняння свідчать про працездатність запропонованого методу. В исновки. За допомогою енергетичного п ідходу на основі скінченно- елементної моделі дослідж ено вплив просторового армування на розсіяння енергії у волокнистих композиційних матеріалах. Встановлено, що макси­ мальні значення декрементів коливань мають м ісце для однонаправленого композиційного матеріалу. Отримані результати свідчать про суттєвий вплив просторового армування на характеристики розсіяння енергії і іх можна використовувати для оптимального проектування конструкцій з просторово- армованих композиційних матеріалів. Р е з ю м е Предлагается численный метод определения эффективных комплексных м о­ дулей и декрементов колебаний армированных волокнами вязкоупругих ком­ позиционных материалов, который базируется на конечноэлементном м оде­ лировании представительного элемента объема и приравнивании упругой и вязкой частей энергии деформации объемов композиционного и квазиодно- родного материалов. И сследовано влияние структуры армирования на декре­ мент колебаний вязкоупругих волокнистых композиционных материалов. 1. П о б ед р я Б. Е. Механика композиционных материалов. - М.: Моск. гос. ун-т, 1984. - 326 с. 2. П обедря Б. Е. О точности эффективных характеристик в механике компо­ зитов // Механика композитных материалов. - 1990. - № 2. - С. 408 - 413. 3. К ом позиц ион ны е материалы: Справочник / П од общ. ред. В. В. Василь­ ева, Ю. М. Тарнопольского. - М.: М ашиностроение, 1990. - 512 с. 4. Г руп т а В. Р . Расчет микромеханических свойств композитных матери­ алов с податливой матрицей // Конструирование и технология машино­ строения. - 1987. - № 1. - С. 42 - 48. 5. Г оловчан В. Т., К ущ В. И . Упругое равновесие и эффективные модули перекрестно армированного волокнистого композита // Прикл. механика. - 1992. - 28, № 1. - С. 47 - 56. 6. К у ч ер Н. К ., Д вей ри н А. 3 ., З ем ц ов М . П ., А нкянец О. К . Характеристики упругости слоистых тканых стеклопластиков // Пробл. прочности. - 2004. - № 6. - С. 26 - 32. ІЇЗМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 4 131 В. Г. Дубенецъ, О. О. Яковенко 7. Д ж а н г И. П., Г уо В. Л ., Юэ 3. Ф. Исследование трехмерного микро- механического поведения тканых композитов // Механика композитных материалов. - 2006. - 42, № 2. - С. 209 - 220. 8. П а р д о эн Д ж . С. Улучшенный метод расчета конструкции из углерод- углеродных композиционных материалов с объемным ортогональным армированием // Ракет. техника и космонавтика. - 1975. - № 6. - С. 57 - 63. 9. К р е ге р с А. Ф ., Т ет ере Г. А . Структурная модель деформирования анизо­ тропных пространственно армированных композитов // Механика ком­ позитных материалов. - 1982. - № 1. - С. 14 - 22. 10. Д елн ест Л ., П е р е с Б. Неупругая модель из конечных элементов для четырехнаправленного углерод-углеродного композиционного материала // Аэрокосм. техника. - 1984. - № 6. - С. 3 - 11. 11. Тарнополъский Ю . М . Пространственно-армированные композиционные материалы. - М.: М аш иностроение, 1987. - 224 с. 12. Ванин Г. А . Упругость и разрушение триортогональных армированных сред. 1. Характеристики жгутов // Механика композитных материалов. - 1989. - № 2. - С. 269 - 275. 13. М алм ей ст ер А. К ., Т ам уж В. П ., Т ет ере Г. А . Сопротивление поли­ мерных и композитных материалов. - Рига: Зинатне, 1980. - 570 с. 14. П айм уш ин В. Н ., С и д о р о в И. Н . М атематическое моделирование про­ цессов создания волокнистых композитных материалов и тонкостенных элементов конструкций силовой намоткой. 2. Алгоритм создания эффек­ тивных модулей упругости и модельные задачи // Механика композит­ ных материалов. - 1990. - № 4. - С. 724 - 735. 15. М ун гал ов Д . Д ., К р е ге р с А. Ф. Определение деформативных свойств пространственно-плетеного композитного материала // Там же. - 1990. - № 5. - С. 795 - 802. 16. Б олот ин В. В . О рассеянии энергии при колебаниях конструкций из армированных полимеров // Динамика и прочность машин: Тр. МЭИ. - М., 1967. - С. 9 - 25. 17. Я ковлев А. П . О демпфирующ их свойствах композиционного материала с однонаправленными волокнами // Пробл. прочности. - 1973. - № 2. - С. 60 - 64. 18. Я ковлев А. П . Диссипативные свойства неоднородны х материалов и систем. - Киев: Наук. думка, 1985. - 248 с. 19. Д у б е н е ц В. Г ., Х илъчевский В. В. Колебания демпфированных компо­ зитных конструкций. - Киев: Вища шк., 1995. - 226 с. 20. Зиновъев П. А., Е рм аков Ю . Н . Анизотропия диссипативных свойств волокнистых композитов // Механика композитных материалов. - 1985. - № 5. - С. 816 - 825. Поступила 03. 04. 2008 132 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 4