Композиционные материалы с каждым годом находят всё более широкое применение, задействуются в самых разнообразных отраслях. Но с ростом областей применения и сложности растут и требования к характеристикам материала, что требует разработки и изучения способов модификации композитов. Одним из современных способов модификации является введение фуллеренов или фуллереновой сажи. В ходе данной работы разработана конечно-элементная модель для описания нового композиционного материала на основе термопластичного связующего, армированного углеродными волокнами и изготавливаемого методом пултрузии. Кроме того, было изучено влияние дефектов направления укладки волокон и изогнутости волокна на эффективные характеристики композита. С помощью метода моделирования, учитывающего прогрессирующее разрушение связующего, удалось описать нелинейное поведение композиционного материала в тесте на трехточечный изгиб. С помощью экспериментальных данных образцов композита, модифицированных фуллереновой сажей в концентрациях 1, 2 и 4%, были исследованы различные подходы для учета влияния модификатора на механические свойства композита. Для конкретных концентраций модификатора были определены характеристики модели, позволяющие описывать поведение композита в соответствии с экспериментом. Полученные результаты могут применяться для выполнения расчетов конструкций из исследованного композиционного материала, в том числе и модифицированного фуллереновой сажей в рассмотренных концентрациях. Расчеты проводились с помощью программы конечно-элементного анализа ANSYS.

Composite materials become more widely used from year to year. They are used in a wide variety of industries. However, with the growth of applications and complexity, the material characteristics requirements also grow, which requires the development and study of composites modifying methods. One of the modern methods of composites modification is the fullerenes or fullerene soot introduction. In the course of this work, a finite element model was developed which describes a new composite material based on a thermoplastic binder reinforced with carbon fibers and manufactured by pultrusion. Also, the influence of defects in the fiber laying direction and fiber bending on the composite effective characteristics was studied. Using a modeling method that considers the progressive destruction of the binder, nonlinear behavior of the composite material in a three-point bend test was described. Using experimental data of modified with fullerene soot composite samples with concentrations 1, 2, and 4%, various modeling approaches were studied to describe the effect on the mechanical properties of the composite. For specific soot concentrations, the model characteristics were determined that allows to describe the behavior of the composite in accordance with the experiment. The results of this work might be used to perform structural analysis of structures made by studied composite material, including modified with fullerene soot in the considered concentrations. The calculations were performed using the ANSYS finite element analysis program.

• РЕФЕРАТ
• На 55 с., 34 рисунков, 6 таблиц.
• Введение
• Глава 1. Конечно-элементное моделирование композиционных материалов на основе метода гомогенизации
• Глава 2. Изучение влияния дефектов структуры композита на его механические характеристики
  • 2.1 Влияние отклонения направления укладки волокна
  • 2.2 Влияние непрямолинейности волокна
• Глава 3. Моделирование поведение композита при прогрессирующем разрушении связующего
• Глава 4. Влияние фуллереновой сажи на механические свойства композита
  • 4.1 Описание линейного поведения материала
    • 4.1.1 Подход 1. Увеличение жесткости связующего с помощью моделирования элементарной ячейки с фуллереном
    • 4.1.2 Подход 2. Увеличение жесткости отдельных элементов связующего
    • 4.1.3 Подход 3. Увеличение жесткости областей связующего
    • 4.1.4 Подход 4. Увеличение жесткости связующего в целом
  • 4.2 Описание нелинейного поведения материала
    • 4.2.1 Подход 1.
    • Изменение свойств материала отдельных элементов связующего
    • 4.2.2 Подход 2. Моделирование усиленных областей материала в связующем
    • 4.2.3 Подход 3. Изменение пределов прочности связующего на растяжение и сжатие
    • 4.2.4 Подход 4. Разрушение связующего только при растяжении
    • 4.2.5 Подход 5. Неравные пределы прочности связующего на растяжение и сжатие
• Заключение
• Список литературы