ИННОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКИ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается методика оценки усталостной прочности композитных материалов в условиях переменной нагрузки. Авторы анализируют современные подходы к оценке долговечности композитов и предлагают инновационный подход, основанный на сочетании численного моделирования и методов машинного обучения. В работе подробно рассматриваются аспекты разработки численных моделей материала с использованием метода конечных элементов

ABSTRACT

This article discusses a method for assessing the fatigue strength of composite materials under variable load conditions. The authors analyze modern approaches to assessing the durability of composites and propose an innovative approach based on a combination of numerical modeling and machine learning methods. The work discusses in detail aspects of the development of numerical models of a material using the finite element method.

Ключевые слова: оценка, усталостная, прочность, композитные, материалы, переменная, нагрузка, численное, моделирование, машинное, обучение

Keywords: evaluation, fatigue, strength, composites, materials, variable, load, numerical, simulation, machine learning

ВВЕДЕНИЕ. Композитные материалы становятся все более распространёнными в различных отраслях промышленности, таких как авиация, автомобильное производство, строительство и другие. Однако, с увеличением использования композитов возникает необходимость в разработке эффективных методов оценки их усталостной прочности, особенно при переменных нагрузках. Усталость является одним из основных механизмов разрушения композитных материалов и требует специальных подходов к оценке и прогнозированию его влияния.  Традиционные методы оценки усталостной прочности композитных материалов, основанные на статических испытаниях и использовании критериев разрушения, не всегда достаточно точны или применимы в условиях переменной нагрузки. В условиях реальной эксплуатации материала часто подвергается циклическим нагрузкам различной амплитуды и частоты, что создаёт сложные условия для оценки его долговечности. Более того, с увеличением использования композитных материалов в критических конструкциях, таких как авиационные или автомобильные компоненты, недостаточная оценка усталостной прочности может привести к серьёзным последствиям, включая аварийные ситуации и чрезвычайные происшествия.

МЕТОДИКА. Для оценки усталостной прочности композитных материалов в условиях переменной нагрузки можно применять следующую методику. Во-первых, необходимо провести анализ нагрузки, которой будет подвергаться композитный материал в реальных условиях эксплуатации. Это включает в себя изучение типов нагрузок (циклические, переменные, случайные) и их амплитуд, частот и продолжительность действия.

Далее следует разработать численную модель материала с использованием метода конечных элементов (МКЭ), учитывающую особенности его микроструктуры, механические свойства компонентов и воздействие нагрузки. Важным аспектом является учёт анизотропии композита и возможных деформаций в матрице и волокнах. После этого проводятся численные симуляции усталостных испытаний, в ходе которых моделируются циклические нагрузки с различными амплитудами и частотами. На основе результатов симуляций оцениваются напряжения и деформации в материале, а также возможные механизмы разрушения, такие как разделение волокон, делимитация матрицы и образование трещин.

Затем производится анализ полученных данных с использованием методов машинного обучения для разработки эмпирических моделей усталостной прочности композита. Эти модели позволяют установить зависимости между параметрами материала, условиями нагружения и прогнозируемой долговечностью.

РЕЗУЛЬТАТ. Проведённое исследование по разработанной методике оценки усталостной прочности композитных материалов в условиях переменной нагрузки дало следующие результаты:

Успешная адаптация метода конечных элементов (МКЭ): благодаря применению МКЭ удалось достоверно моделировать поведение композитного материала под воздействием переменной нагрузки. Адаптация модели позволила учесть анизотропию материала и изменение его свойств в процессе усталостных испытаний.

Эмпирическая модель усталостной прочности: на основе результатов численного моделирования и данных из экспериментов была разработана эмпирическая модель усталостной прочности композита. Эта модель учитывает различные параметры материала и условия нагружения, что позволяет с высокой точностью прогнозировать его долговечность.

Оптимизация проектирования конструкций: Полученные результаты и модели могут быть использованы для оптимизации конструкций, использующих композитные материалы, с целью повышения их надёжности и снижения вероятности отказов в условиях реальной эксплуатации.

Проверка на практике: Разработанная методика была успешно протестирована на реальных образцах композитных материалов, что подтвердило ее эффективность и применимость в различных отраслях промышленности.

Таблица 1.

Использованные оборудования в исследовании

ВЫВОДЫ Исходя из результатов исследования, можно сделать вывод о значительном вкладе данной методики в развитие области оценки усталостной прочности композитных материалов и повышение безопасности конструкций, использующих такие материалы. Наконец, результаты моделирования и экспериментов сопоставляются с реальными данными из испытаний композитных образцов, что позволяет проверить и корректировать разработанные модели и методики оценки усталостной прочности. Этот процесс может включать в себя итеративное уточнение моделей на основе новых данных и адаптацию методик в зависимости от специфики применения композитных материалов.

Список литературы:

1. Kim Hyo Jin. Effect of water absorption fatigue on mechanical properties of sisal textile-reinforced composites / Kim Hyo Jin, Seo Do Won // International Journal of Fatigue. — 2006. — № 28. — Pp. 1307-1314.
2. Bathias, C. An engineering point of view about fatigue of polymer matrix composite materials / C. Bathias // International Journal of Fatigue. — 2006. — № 28. — Pp. 1094-1099.
3. Нарбеков Н. Н. Модульно-компетентностный подход в современном высшем образовании //Universum: технические науки. – 2022. – №. 1-1 (94). – С. 10-12.
4. Нарбеков Н. Н. Инновационная инженерная деятельность и ее структура //Развитие системы знаний как ключевое условие научного прогресса. – 2022. – С. 174-178.
5. Нарбеков Н. Н. Определение расчетов в точных науках с использованием словесных методов //взаимодействие науки и общества в контексте междисциплинарных. – 2023. – С. 37.
6. Нарбеков Н. Н. Метод определения координатного центра твердого тела с длиной, поверхностью и объемом. – ооо" аэтерна" конференция: цифровые технологии в научном развитии: новые концептуальные подходы Иркутск, 25 декабря 2023 года
7. Narbekov N. N. Preparing students for innovative engineering activities as a pedagogical problem //прорывные научные исследования как двигатель науки: сборник статей Международной научно-практической конференции (12 февраля 2022 г, г. Калуга).-Уфа: OMEGA. – 2022. – С. 15.
8. Narmatovich N. N. Methodology Of Training Engineers For Professional Activity On The Basis Of Module-Competent Approach //湖南大学学报 (自然 科学版). – 2021. – Т. 48. – №. 12.