Информация о докладе

Высокоскоростная деформация полимерных композиционных материалов
Сергеичев И.В. к.ф.-м.н., доцент, директор Центра Технологий Материалов АНОО ВО Сколковский институт науки и технологий
i.sergeichev@skoltech.ru
https://new.skoltech.ru/en/center/materials

Представлен обзор современного состояния экспериментальных исследований процессов динамического деформирования и разрушения полимерных композиционных материалов (ПКМ) в контексте решения трех основных задач: создание и теоретическое обоснование методик высокоскоростных и ударно-волновых испытаний ПКМ с различными схемами армирования; получение экспериментальных зависимостей механических свойств ПКМ и кривых деформирования от скорости деформации; построение и верификация на основании полученных экспериментальных данных определяющих соотношений и критериев прочности ПКМ, связывающих предельные состояния материала со скоростью деформации, параметрами анизотропии и видом напряженно-деформированного состояния.
Основными факторам, определяющими ограничения скорости деформации при проведении динамических испытаний, являются форма и размеры образцов ПКМ, которые, в свою очередь, определяются анизотропией и масштабом структурных неоднородностей материала. Поэтому, как правило, усилия исследователей направлены на определение параметров нагружения и геометрии образцов, проектирование специализированной оснастки, которые обеспечивают равномерную деформацию рабочей зоны и корректную форму разрушения образцов.
В настоящее время наибольшее развитие получили методики динамических испытаний ПКМ на базе классической схемы разрезного стержня Гопкинсона [1]. Несмотря на развитие исследований высокоскоростной деформации ПКМ с использованием метода РСГ, вопросом, требующим внимания, остается обеспечение однородного напряженно-деформированного состояния образца в процессе волнового нагружения. Если для металлических материалов предложено теоретическое обоснование квазистатичности процесса динамического деформирования образца при соблюдении определенных требований к соотношению длины образца и длительности нагружающего импульса, то для испытаний образцов ПКМ такое обоснование в общем случае отсутствует. Так, для решения задачи скорейшего достижения однородности напряженно-деформированного состояния образцов ПКМ и, следовательно, получения достоверной динамической диаграммы деформирования материала предложена схема нагружения кольцевого образца импульсом растяжения, который формируется в результате приложения в системе РСГ импульса сжатия к объему жидкости, ограниченного в радиальном направлении этим образцом, а в осевом направлении торцами стержней-волноводов, рисунок 1.  
Применяя метод РСГ и его модификации, в общем случае, практически невозможно обеспечить в процессе волнового нагружения образца ПКМ скорость деформации ниже 200 1/с [2]. Поэтому для проведения испытаний ПКМ в “среднем” диапазоне скоростей деформации, т.е. 0.1-200 1/c, применяют копровые системы или испытательные машины с севрогидравлическим приводом [3].
Для достижения скоростей деформации порядка 10000 1/c и выше требуются методы ударно-волнового и взрывного нагружения образцов ПКМ. Однако, в таких экспериментах, как правило, получают только зависимость прочности или предельной деформации материала от параметров нагружения. Для получения динамической диаграммы деформирования напряжение-деформация образцов ПКМ может применяться схема ударно-волнового нагружения, реализуемая, при электрическом взрыве проводника [4].

Рис. 1. Схема нагружения кольцевого образца импульсом растяжения на базе метода разрезного стержня Гопкинсона.

  В подавляющем большинстве исследований экспериментальный анализ эффектов скорости деформации выполнен в достаточно узком диапазоне ее изменения. В каждом случае испытания конкретного ПКМ проводятся при одном, в лучшем случае двух видах напряженно-деформированного состояния (например, только сжатие и сдвиг). Поэтому реализуемые исследователями комбинации напряженно-деформированных состояний и ориентаций образцов ПКМ в общем случае не позволяют получить зависимости характеристик материала от скорости деформации и параметров анизотропии, необходимые для определения параметров модели материала, применимой для инженерного анализа процессов динамического деформирования и разрушения конструкций из ПКМ [5].

Список основных работ, в которых публикуются результаты исследования
1.    Bragov, A. M., Lomunov, A. K., & Sergeichev, I. V. E. (2001). Modification of the Kolsky method for studying properties of low‐density materials under high‐velocity cyclic strain. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 42(6), 1090-1094.
2.    Simonov, A. P., & Sergeichev, I. V. (2024). On alternative strain rate analysis for direct impact method. International Journal of Impact Engineering, 184, 104835.
3.    Konev, S., A Eremeyev, V., M Sedighi, H., Igumnov, L., Bragov, A., Konstantinov, A., & Sergeichev, I. (2023). Strain-Rate Dependency of a Unidirectional Filament Wound Composite under Compression. Computer modeling in engineering & sciences, 1-13.
4.    Fedorenko, A., Sudenkov, Y., Konev, S., & Sergeichev, I. (2023). Exploding wire method for the characterization of dynamic tensile strength of composite materials. International Journal of Impact Engineering, 180, 104704.
5.    Fedulov, B. N., Konstantinov, A. Y., Fedorenko, A. N., & Sergeichev, I. V. (2024). Modeling of high-rate hardening of a polymer composite material under loading along the reinforcement direction. PNRPU Mechanics Bulletin, (1), 105-111.

Докладчики

• Сергеичев И.В. к.ф.-м.н., директор Центра технологий материалов АНОО ВО Сколковский институт науки и технологий