Старые формулы ошибаются. Новая модель переворачивает представление о прочности волокнистых композитов

Композитные материалы, состоящие из матрицы и армирующих волокон, широко используются в авиации, автомобилестроении и других высокотехнологичных отраслях благодаря их легкости и прочности. Однако точное прогнозирование их механических свойств остается сложной задачей. Российские исследователи из Хабаровского Федерального исследовательского центра ДВО РАН предложили новую модель, которая учитывает нелинейные свойства материалов и позволяет более точно оценить упругий модуль композитов с короткими волокнами.

Традиционные модели, такие как правило смесей или модель Halpin-Tsai, часто упрощают реальные процессы, происходящие в композитах. Новая модель, названная Hyperelastic Shear Lag (HESL), основана на строгом анализе деформации матрицы и волокон с учетом гиперупругих свойств материалов, что делает ее более точной, особенно для полимерных композитов. Ученые использовали уравнения нелинейной упругости и учли эффекты сдвига и радиального сжатия, которые игнорируются в классических подходах.

Одним из ключевых результатов работы стала формула, связывающая упругий модуль композита с характеристиками его компонентов: отношением модулей матрицы и волокна, длиной волокна относительно его диаметра и объемной долей волокон. Модель показала, что вклад волокон в общую жесткость композита может быть выше, чем предполагалось ранее, особенно для длинных волокон и материалов с высокой разницей в модулях упругости.

Сравнение с численными методами, такими как метод конечных элементов (FEM) и метод граничных элементов (BEM), подтвердило точность новой модели. Например, для композитов с жесткими волокнами и высоким соотношением модулей упругости HESL дает результаты, близкие к данным численного моделирования, в то время как традиционные модели занижают оценку.

Новая модель открывает возможности для оптимизации композитных материалов, позволяя инженерам точнее подбирать параметры волокон и матрицы под конкретные задачи. В будущем исследователи планируют расширить модель для учета случайной ориентации волокон и эффектов межфазного взаимодействия, что сделает ее еще более универсальной и полезной для промышленности.

Результаты исследования опубликованы в журнале «Физическая мезомеханика»

Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.