МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПЛИТАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ НАГРУЗОК

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматривается процесс моделирования поведения композитных материалов в плитах под воздействием различных типов нагрузок с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Анализируются статические и динамические воздействия на плиты, состоящие из нескольких слоев, ориентированных под разными углами. Представляются результаты численного моделирования, включающие распределение напряжений и деформаций в материале при разных режимах нагрузки. Особое внимание уделяется выявлению критических зон, где возможен риск разрушения, и предложению рекомендаций для усиления конструкции в этих областях. Также анализируются вклад различных слоев материала в общую прочность плиты и эффективность предложенной методики, подтвержденная сравнением с экспериментальными данными.

ABSTRACT

This paper considers the process of modeling the behavior of composite materials in slabs under the influence of various types of loads using the finite element method (FEM). Static and dynamic effects on slabs consisting of several layers oriented at different angles are analyzed. The results of numerical modeling are presented, including the distribution of stresses and strains in the material under different loading conditions. Particular attention is paid to identifying critical zones where there is a risk of failure and proposing recommendations for strengthening the structure in these areas. The contribution of various layers of material to the overall strength of the slab and the effectiveness of the proposed method, confirmed by comparison with experimental data, are also analyzed.

Ключевые слова: моделирование, композитные, материалы, плиты, нагрузки, напряжения, деформации, метод, конечных, элементов

Keywords: modeling, composite, materials, plates, loads, stresses, deformations, finite element method

Введение: Современные инженерные задачи требуют использования высокоэффективных материалов, способных выдерживать сложные эксплуатационные условия. Композитные материалы широко применяются в строительстве, авиации, судостроении и других отраслях благодаря их легкости, прочности и устойчивости к воздействию окружающей среды. Важной частью их исследования является моделирование поведения композитных плит под различными типами нагрузок, что позволяет предсказать их эксплуатационные характеристики и повысить надежность конструкций. Однако, несмотря на достижения в этой области, остаются нерешённые задачи, связанные с точностью прогнозирования их поведения в сложных условиях.

Методология: Анализ напряженно-деформированного состояния композитных плит с использованием МКЭ. Данная методика направлена на исследование поведения композитных плит при различных типах нагрузок с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Она предполагает поэтапное выполнение моделирования и анализа, что позволяет учитывать сложные физико-механические свойства материалов и условия эксплуатации. Сначала собираются данные о структуре композитного материала. Необходимо определить количество слоев, их толщину, ориентацию волокон и физико-механические свойства каждого слоя, включая модуль упругости, коэффициент Пуассона и предел прочности. Эти параметры формируют основу для построения модели. Далее создается цифровая геометрическая модель композитной плиты. В специализированном программном обеспечении, таком как ANSYS или Abaqus, задается точная конфигурация плиты, включая ее размеры и форму. Особое внимание уделяется корректному воспроизведению слоистой структуры, чтобы учесть особенности распределения напряжений и деформаций.

Следующий этап включает задание граничных условий. Это может быть фиксация краев плиты, задание нагрузок (статических, динамических или ударных) и моделирование взаимодействия с окружающей средой. При этом задаются параметры материала и условия эксплуатации, такие как температура и влажность, если они оказывают влияние на поведение плиты.

Результат: В ходе исследования по методике Анализ напряженно-деформированного состояния композитных плит с использованием МКЭ были получены значимые данные, подтверждающие эффективность разработанного подхода. Моделирование проводилось для композитной плиты толщиной 15 мм, состоящей из пяти слоев с различной ориентацией волокон: 0°, 45°, 90°, −45° и 0°. Использовались статические и ударные нагрузки для оценки поведения материала в условиях, приближенных к реальным эксплуатационным.

Результаты численного анализа показали, что при статической нагрузке 500 Н/м² максимальное напряжение в плите достигало 78 МПа, что составляет 65% от предела прочности наружного слоя. Деформация составила 2,3 мм, что находится в пределах допустимых значений. При моделировании ударной нагрузки с энергией 150 Дж максимальное напряжение увеличилось до 120 МПа, что составило 95% от предела прочности наружного слоя. Это указывает на необходимость усиления конструкции в критических зонах, расположенных в центре плиты, где происходит наибольшая концентрация напряжений. Анализ распределения напряжений показал, что внутренние слои, ориентированные под углами 45° и −45°, эффективно перераспределяют нагрузки, снижая риск разрушения. Их вклад в общее сопротивление плиты оценен в 30%.

Сравнение с экспериментальными данными показало расхождение менее 8%, что подтверждает высокую точность разработанной модели. Это позволяет рекомендовать данную методику для проектирования композитных плит в конструкциях, работающих в условиях статических и ударных нагрузок.

Таблица 1.

Результаты анализа напряженно-деформированного состояния композитных плит

Заключение: Исследование поведения композитных плит под различными нагрузками является ключевым этапом в обеспечении их надежности и долговечности. Применение методов численного моделирования, таких как МКЭ, позволяет значительно повысить точность расчетов и минимизировать риски при проектировании конструкций. В будущем развитие алгоритмов и увеличение вычислительных мощностей будут способствовать созданию еще более точных моделей, что сделает композитные материалы ещё более привлекательными для использования в ответственных конструкциях.

Список литературы:

1. Benerjee S, Kundu T 2006 Journal of Acoustical Society of America 119(4) 2006-2017.
2. Safarov, I.I., Teshayev, M.K., Boltayev, Z.I. and Akhmedov, M.S, International Journal of Theoretical and Applied Mathematics,3, pp. 191-198 (2017).
3. ПЕТРОСЯН, С. К. (2022). Моделирование линий влияния в многопролетной балке кинематическим способом на тренажере. in строительство и реконструкция (pp. 280-283).
4. Mirzakabilov, N., & Mirzakabilov, B. (2022, October). Forced vibrations of a viscoelastic three-layer plate. In AIP Conference Proceedings (Vol. 2637, No. 1). AIP Publishing.