9.2 Соединение узлов между собой с ограничением степеней свободы (Coupling dof) на левой, правой границах модели и границе раздела:

М_М: Preprocessor> Coupling DOF > Coupling DOF> On Nods.

Отметить все узлы конечно элементной модели по левой вертикальной границе модели и нажимаем ОК.

Выбрать строку UX Рисунок 3 .42(связать узлы и ограничить степень свободы по вертикали и горизонтали).

Отметить все узлы конечно элементной модели по правой вертикальной границе модели и нажимаем ОК.

Выбрать строку UX (связать узлы по вертикали).

Отметить все узлы конечно элементной модели по границе раздела до дефекта в виде поры и после, узлы КЭ принадлежащие поре не соединяются и могут свободно перемещаться. Нажимаем ОК.

Выбрать строку ALL (связать узлы и ограничить степень свободы по вертикали и горизонтали). Таким образом, моделируется идеальное взаимодействие между волокно и матрицей на границе раздела фаз, исключая пору, где взаимодействия вообще нет.

Рисунок 3.42 Точки соединения (nodes)

Решение (Solving)

Решение задачи включает в себя определение методов и параметров расчета, задание граничных условий, запуск решателя.

10. Расчёт.

MM: Solution>Solve>Current LS.

Нажать ОК для запуска программы на счёт, предварительно проанализировав сообщение окне /STAT Command (Рисунок 3 .43).

После решения задачи закрыть окно Information, нажав Close.

Рисунок 3.43. Окно запуска расчёта.

Анализ результатов (Postprocessing)

11. Отображение деформированного и недеформированного состояния модели.

Устанавливаем первый вариант расчёта для отображения. Для статической задачи он является единственным:

M_M: General Postproc>Read Results>First Set

Отображение деформированного состояния (Рисунок 3 .44):

M_М: General Postproc>Plot Results>Deformed Shape. Выбрать Def + undeformed и нажать ОК.

Рисунок 3.44. Деформированное состояние модели

12. Отображение полей напряжений и деформаций. Отображение полей напряжений по Von Mises (Рисунок 3 .45):

M_М: General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu.

Выбрать Stress (показать напряжения).

Далее выбрать von Mises Stress (эквивалентные напряжения по Von Mises) и ОК.

Рисунок 3.45. Поля напряжений.

Отображение деформаций (Рисунок 3 .46):

M_М: General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu.

Выбрать DOF Solution>Displacement vector sum и ОК.

Рисунок 3.46. Отображение деформаций

13. Одновременное отображение графической и численной информации о напряжениях и деформации.

Для наглядности отобразить модель в виде поверхностей: U_M: PIot>Areas.

Для того чтобы узнать численное значение деформации или напряжения в любой точке, необходимо выполнить команду:M_M: General Postproc>Query ResuIts>Subgrid Solu.

Далее мышкой указывать интересующие точки.

14. Выход из Ansys.

Для выхода из Ansys выбрать в верхнем меню U_M: File>Exit либо в инструментальной панели ТВ: QUIT. В окне Exit form ANSYS выбрать пункт Save Geo+Ld+Solu для сохранения геометрии, граничных условий (закреплений и нагружений) и результатов решения. ОК.

Результаты исследования влияние наномодификации термопластичной матрицы и наличия дефекта на границе раздела стеклопластика на деформационно - прочностные свойства.МКЭ модели

Результаты конечно элементного анализа (МКЭ) подставлены в виде графических зависимостей. На Рисунок 3 .47, Рисунок 3 .48 показаны нормальные напряжения на границе волокно-матрица в зависимости от расстояния от дефекта при трех значениях деформации: 100%, 50%, 25% от разрушающей. Из графиков видно, что максимальное значение напряжения возникает на вершине трещины и с увеличением расстояния начинает уменьшаться.

Рисунок 3.47 Нормальные напряжения σх на границе раздела волокно - матрица придеформациях 100% (а), 50% (б), 25% (в) от разрушающей деформации волокна

в зависимости от расстояния от дефекта.

Рисунок 3.48 Напряжения σу на границе раздела волокно - матрица при деформациях 100% (а), 50% (б), 25% (в) от разрушающей деформации волокна в зависимости от расстояния от дефекта.

На Рисунок 3 .49 показаны напряжения сдвига (_x-y) на границе волокно-матрица в зависимости от удаленности от дефекта.

а)

б)

в)

Рисунок 3.49 Сдвиговые напряжения τху на границе волокно – матрица при деформации 100% (а), 50% (б), 25% (в) от разрушающей деформации волокна в зависимости от расстояния от дефекта.

При разрушении ПКМ армированного длинными волокнами рост трещины происходит вдоль волокна по границе раздела. Из полученных функциональных зависимостей видно, что максимальные напряжения при разрушении ПКМ армированного непрерывными волокнами находятся в вершине дефекта. Далее напряжения с увеличением расстояния от вершины дефекта снижаются. Также из полученных зависимостей видно, что модификация матрицы с помощью введения наночастиц, увеличивает максимальные напряжения разрушения за счет более высоких значений модуля упругости матрицы и некоторого увеличения адгезионной прочности взаимодействия волокна с матрицей.

Анализ напряженного состояния показал, что в разрушении ПКМ главную роль играют нормальные напряжения и разрушение происходит за счет нормальных напряжений, а сдвиговые напряжения мало влияют на процесс разрушения.

Работоспособность модели можно оценить по согласованию полученных результатов с литературными данными. По сравнению со справочными данными модель дает отклонение не превышающее 3% таблица 7.3.

Таблица 3.9 Сравнение свойств экспериментального ПКМ и промоделированного ПКМ.

Параметр	Моделирование		Справочные данные [9]
	Не модифицированная матрица	Модифицированная	Не модифицированная матрица	Модифицированная
Напряжения σ+ МПа	75	88	78	82

Таким образом, предложенная модель является достоверной и адекватной.

В результате проведенных исследований:

Разработана модель развития дефекта на границе раздела фаз в стеклопластике на основе термопластичной поликапроамидной матрицы, модифицированной наночастицами слоистого алюмосиликата монтмориллонита.

Установлено, что низкие значения модуля упругости термопластичных матриц не позволяют реализовать в полной мере высокие физико-механические свойства армирующих наполнителей в ПКМ. Для улучшения механических свойств используют модификацию термопластичной матрицы наночастицами, которые позволяют: достичь значений модуля упругости для термопластов соизмеримых с модулем упругости реактопластов; достичь равномерного перераспределения напряжений с матрицы на волокна и одновременного эффективного поглощения энергии ударного разрушения; достичь снижения уровня остаточных напряжений в зоне контакта порожденных усадкой матрицы в процессе охлаждения и различием в модулях упругости; улучшить совместимость компонентов ПКМ.

С помощью пакета прикладных программ ANSYS получены поля напряжений в материале при сложном одноосном растяжении. Путем анализа полей напряжения были получены графические зависимости изменения напряжений в зависимости от расстояния до дефекта. Анализ этих зависимостей, возникающих в ПКМ при разрушении, показал, что модификация матрицы наночастицами позволяет достичь равномерного перераспределения напряжений, при этом нормальные и сдвиговые напряжения не превосходят свои предельные значения, а материал даже при разрушающих деформациях для волокна, сохраняет работоспособность. Это является следствием того, что на начальной стадии пластических деформаций в нанокомпозите формируются микротрещины в матрице между стопками силикатных пластинок, которые затем выполняют роль стопперов, что приводит к значительному повышению трещиностойкости материала. Кроме того, введение наночастиц в поликапроамидную матрицу улучшает ее физико-механические свойства, в результате чего возрастает степень реализации механических свойств армирующих стеклянных волокон в ПКМ.

Апробация модели показала, что полученные данные хорошо коррелируют со значениями из литературных источников.

Полученная модель может быть использована для дальнейшего усовершенствования путем уточнения начальных условий и исключения допущений, а также оптимизации путем варьирования параметров.