Механика композитных материалов 6 1980

Исследование механических свойств костей животных и человека началось в середине прошлого века. До 50-х годов нашего века число опубликованных работ было невелико. С 50-х годов начинается интенсивное развитие исследований в этом направлении, и к настоящему вре­ мени, судя по библиографии, приведенной в рецензируемой работе, их более 400. В ходе проведения этих исследований было установлено много важных фактов, касающихся строения и свойств различных костей человеческого скелета, однако ра­ бот, посвященных систематическому ис­ следованию костей как конструкций из анизотропного материала и изучению свойств этого материала, опубликовано было мало. Этим весьма важным в теоре­ тическом и практическом отношении во­ просом занялась лаборатория биомеха­ ники Института механики полимеров АН Латвийской ССР в 1969 г. В рецензируе­ мой монографии приводятся результаты исследований этой лаборатории.

Книга содержит шесть глав.

ных возрастных групп от 1 года до 95 лет. Динамические характеристики определяли акустическим методом; проводились так­ же кратковременные и длительные испы­ тания деформационных и прочностных характеристик образцов, вырезанных из костей в различных местах и по разным направлениям, с целью определения комп­ лекса анизотропных характеристик мате­ риала.

Третья глава посвящена изложению ре­ зультатов собственных исследований. Ре­ зультаты опытов по определению а(е) при растяжении позволили предположить, что костная ткань ведет себя как физически нелинейный материал. По всей вероят­ ности, это верно, но так как костная ткань является вязкоупругим материалом, что показано в данной работе и на что не об­ ращалось внимание во многих других ра­ нее опубликованных работах, то, следова­ тельно, характер физической нелиней­ ности может быть установлен или по син­ хронным кривым, или после введения со­ ответствующих поправок в зависимость

характер, приводятся сведения о механи­ ческих свойствах компактной костной ткани, спонгиозной костной ткани и сус­ тавных хрящей человека. Обзор достав точно полный. Следует, однако, заметить, что параграф 1.З., посвященный свойствам суставных хрящей, не имеет прямого отно­ шения к излагаемым далее исследованиям. Это отдельный и весьма важный вопрос биомеханики. Хрящи как по механическим свойствам, так и по структуре резко отли­ чаются от костной ткани. Исследование этих свойств является трудной задачей, ибо это достаточно тонкие (порядка деся­ тых долей миллиметра) образования с переменными по толщине свойствами. Судя по реферируемым в параграфе ра­ ботам, многие исследования проводились на недостаточно высоком методическом уровне. В результате, механические харак­ теристики хряща, полученные различными авторами, различаются на порядок. Пред­ лагаемые математические модели суставов достаточно далеки от реальной картины их работы в условиях граничной смазки.

Во второй главе обсуждаются особен­ ности определения механических характе­ ристик костной ткани и описывается мето­ дика определения ее механических свойств. Авторами использовались разно­ образные методики для комплексного определения механических свойств. Испы­ тывались образцы костной ткани различ­

деформации при данных испытаниях. Опыты показали, что костный материал существенно анизотропен. По-видимому, его можно считать ортотропным, однако для грубых прикидок его можно считать трансверсально-изотропным, ибо в транс­ версальном направлении различие моду­ лей невелико. Приводятся результаты ис­ следования прямой и обратной ползу­ чести, из которых следует, что в пределах физиологически допустимых нагрузок костную ткань можно считать линейным вязкоупругим материалом, а при больших нагрузках, ведущих к необратимым про­ цессам, — нелинейным материалом. Та­ ким образом, физическая нелинейность, видимо, связана с процессом частичного разрушения кости. Далее приводятся ре­ зультаты изучения деформирования и раз­ рушения костной ткани при кручении — случай практически важный. Временные эффекты при этом не изучались.

В четвертой главе приведены резуль­ таты исследования неоднородности меха­ нических свойств и биохимического со­ става по сечению кости. Существенной особенностью кости как элемента конст­ рукции является неоднородность свойств по сечению, впервые, видимо, столь под­ робно исследованная в данной работе. Эта неоднородность достаточно велика и, оче­ видно, связана с функциональными осо­ бенностями работы исследованной кости.

В других костях возможны иные законо­ мерности. Изучение этого вопроса пред­ ставляет значительный интерес для пони­ мания причин эффективности работы по­ добных конструкций и использования ана­ логичных идей в различных инженерных устройствах.

Пятая глава посвящена исследованию возрастных изменений свойств костей. Этот вопрос рассматривался во многих работах, где были получены весьма про­ тиворечивые результаты. В рецензируемой книге показано, что существует экстре­ мальная зависимость деформационных ха­ рактеристик от возраста, с чем, возможно, и связана противоречивость ранее полу­ ченных результатов.

В шестой главе приведены результаты

исследований акустической и фотонной эмиссии при деформации костной ткани. Эти опыты могут способствовать разра­ ботке способов неразрушающего контроля костной ткани in vivo.

Рассматриваемая монография является серьезным вкладом в биомеханику кост­ ных тканей; приведенные в ней данные могут представить интерес как для меди­ ков, занимающихся изучением и лечением костей, так и для инженеров, разрабаты­ вающих новые анизотропные йатериалы и конструкции. Книга хорошо написана и хорошо оформлена. Может быть, имея в виду ожидаемый контингент читателей, следовало бы несколько меньше использо­ вать специфическую медицинскую терми­ нологию.

С. Б. Айнбиндер

Рецензируемая книга посвящена изуче­ нию биомеханических свойств стенок крупных артериальных и венозных сосудов человека в возрастном аспекте и при па­ тологии. Предпринятые авторами исследо­ вания продиктованы необходимостью раз­ работки новых эффективных видов рекон­ структивных операций, поисков новых материалов для искусственных аналогов сосудов, пораженных атеросклерозом, вос­ палительными процессами, различными видами травм.

Монография состоит из четырех глав. В первой главе рассмотрены особен­ ности анатомического расположения и морфологического строения крупных кро­ веносных сосудов человека. Представлены архитектурные модели строения стенки артериальных и венозных сосудов и об­ суждены вопросы, связанные с патологи­ ческими изменениями строения стенки. С целью выяснения механизмов старения ар­ терий изучено распределение эластической и соединительной ткани по отдельным

оболочкам стенки.

Во второй главе изложены основные методы исследования артериальных и ве­ нозных сосудов при статическом и дина­ мическом режимах нагружения. Основные разделы ее посвящены особенностям ис­ следования и экспериментальному изуче­ нию биомеханических свойств кровенос­ ных сосудов человека. Многофакторным дисперсионным анализом установлено влияние различных факторов, в част­ ности локализации сосуда, возраста чело­ века, некоторых заболеваний и травм, на исследуемые биомеханические свойства. Изучены особенности старения различных сосудов и оценена роль эластина, колла­ гена и связующего вещества стенки в про­ цессе старения.

В третьей главе дан исчерпывающий об­ зор различных подходов к расчету напря­ женно-деформированного состояния сте­ нок кровеносных сосудов при различных видах нагружения. Предложены матема­ тические модели с учетом больших де­ формаций материала, который принят не­ линейным, упругим, несжимаемым и ортотропным. Показано хорошее совпадение теоретических и экспериментальных ре­ зультатов. Приведен подход к определе­ нию основных параметров механических свойств сосудистой стенки при наложении малых деформаций на большие.

Четвертая глава посвящена биомехани­ ческим основам реконструктивных опера­ ций на крупных артериальных сосудах, в ней даны рекомендации по использованию

томии.

Таким образом, в книге впервые пред­ ставлено комплексное исследование крове­ носных сосудов в онтогенетическом и ге­ ронтологическом аспектах, эксперимен­ тально изучены и аналитически описаны особенности процессов деформирования стенок крупных кровеносных сосудов че­ ловека при различных видах нагружения для установления общих закономерностей поведения сосудистой ткани.

Книга представляет несомненный инте­ рес для специалистов в области биомеха­ ники мягких тканей, конструкторов и на­ учных работников, занимающихся созда­ нием и разработкой новых искусственных заменителей биологических тканей.

Г. А. Тетере

29—31 октября 1980 г. в Риге состоя­ лась IV Всесоюзная конференция по ме­ ханике полимерных и композитных мате­ риалов, организованная Отделением ме­ ханики и процессов управления АН СССР,

Научным советом по механике конструк­ ций из композиционных материалов, На­ учным советом по проблемам прочности и пластичности при Отделении механики и процессов управления АН СССР, Комис­ сией по механике и физике полимеров и Научным советом по синтетическим мате­ риалам при Президиуме АН СССР и Ин­ ститутом механики полимеров АН Лат­ вийской ССР.

В работе конференции приняло участие 430 специалистов из более чем 100 научноисследовательских, конструкторско-техно­ логических и производственных организа­ ций и высших учебных заведений 39 го­ родов Советского Союза.

На конференции было заслушано 4 пле­ нарных доклада и 117 докладов на пяти секциях; 45 докладов было представлено

встендовой форме.

Во вступительном слове председатель

оргкомитета конференции президент АН Латвийской ССР А. К. Малмейстер отме­ тил все возрастающую роль полимеров и композитов в качестве конструкционных материалов; композитные материалы по своим механическим свойствам превосхо­ дят традиционные материалы, и их ис­ пользование особенно эффективно в экс­ тремальных условиях. Он отметил, что IV конференция по механике композитных

иполимерных материалов созвана для

обсуждения результатов научных работ по основным направлениям механики по­ лимеров и композитов, выполненных пос­ ле 1976 г., и дальнейших перспективных исследований в этой области.

В пленарном докладе В. В. Болотина был изложен метод изучения разрушения в композитах, объединяющий стадию дис­ персного разрушения, обусловленного ста­ тистическим распределением прочностных свойств материала, и стадию распростра­ нения магистральной трещины, при кото­ рой наиболее опасный дефект начинает расти детерминистически. Модель приме­ няется для прогнозирования распределе­ ний времен до зарождения первой мак­ роскопической трещины, а также времен до достижения критического состояния. Расчет был обобщен на случайные режимы нагружения.

обсуждены различные подходы к опре­ делению деформативных и прочностных

свойств композитов с учетом структуры армирования материалов, являющихся ос­ новой оптимизации. Рассматривались так­ же различные модели материала в опти­ мизируемых пластинах и оболочках — квазиоднородная модель с равномерным распределением различно ориентирован­ ных слоев армирующих элементов, дис­ кретно-слоистая модель (включая гибрид­ ные композиты), модель с переменными по координатам свойствами и пространст­ венно-армированная модель.

Вопросам влияния структуры кристал­ лических термопластов на комплекс их физико-механических свойств был посвя­ щен пленарный доклад В. В. Ковриги. По­ казано, что наличие структуры с продоль­ ной и поперечной ориентацией, сложив­ шейся в процессе ориентационной крис­ таллизации, существенно влияет на проч­ ностные и деформативные свойства тер­ мопластов. Это явление может быть ис­ пользовано для регулирования прочности и жесткости в процессе изготовления ма­ териала.

В пленарном докладе В. П. Тамужа были рассмотрены некоторые особенности разрушения композитных материалов, причем так же кдк в первом докладе вни­ мание было акцентировано на изучении дисперсного разрушения, приводящего к макроразрушению. Были сопоставлены теоретически вычисленные и эксперимен­ тально определенные уровни критической поврежденности в момент наступления макроразрыва. Наличие ярко выраженной стадии объемного разрушения в компози­ тах дает принципиальную возможность прогнозирования долговечности и разру­ шения.

На секции «Структура и свойства» (33 доклада) основное внимание было уде­ лено вопросам влияния структурных фак­ торов на свойства полимеров, а также влияния свойств матрицы и наполнителя и адгезии между ними на свойства композитов. О результатах применения динамического метода к исследованию механичёских свойств композитных материа­ лов нового типа — элементоорганопластов — сообщалось в докладе О. Г. Ни­ кольского, А. А. Аскадского и Г. Л. Сло­ нимского. Показано, что динамический ме­ тод является весьма эффективным для анализа химических превращений, проис­ ходящих в таких материалах. В докладе В. Е. Гуля и А. М. Дворецкой рассматри­ вались свойства систем, составленных из нескольких слоев пленок, связанных адге­ зионным взаимодействием, возможные способы регулирования прочности гетеро-

генных систем путем изменения адгези­ онного взаимодействия и вязкоупругих свойств слоев.

На секции «Деформирование» (21 док­ лад) были рассмотрены вопросы расчета упругих характеристик композитов, вязкоупругого деформирования и прогнозиро­ вания длительных деформативных и проч­ ностных свойств. Б. Е. Победрей и Т. Холматовым была дана постановка квазистатической задачи в напряжениях для сло­ истых композитов, в которых упругие слои чередуются с вязкоупругими. Пред­ ложен метод последовательных приближе­ ний, обобщающий метод аппроксимаций А. А. Ильюшина. О методах описания деформационных и прочностных свойств высоконаполненных полимерных систем сообщалось в докладе Ю. П. Зезина и Н. И. Малинина. О построении обращае­ мой связи между тензорами деформаций, напряжений и временем на базе элемен­ тарных функций для нелинейного вязкоуп­ ругого ортотропного материала было со­ общено А. Ф. Крегерсом. В докладе Р. Д. Максимова был рассмотрен вопрос прогнозирования длительного сопротивле­ ния композитных материалов по резуль­ татам экспресс-испытаний. Предложен экспериментально-аналитический способ предсказания длительной ползучести композитов с учетом структуры армиро­ вания. А. Я- Гольдман и С. А. Цыганков показали необходимость учета влияния шаровой части тензора деформаций в за­ дачах прогнозирования ползучести нели­ нейных материалов при сложном напря­ женном состоянии.

На секции «Прочность, усталось, разру­ шение» (37 докладов) рассматривались актуальные проблемы макро- и микроме­ ханики разрушения полимерных и компо­ зитных материалов. Значительное число работ было посвящено эксперименталь­ ному исследованию длительной прочности различных типов полимеров и композитов и ее феноменологическому описанию. Ши­ роко были представлены результаты уста­ лостных испытаний стеклопластиков, уг­ лепластиков, пластмасс. Рассмотрены тео­ рии как кратковременной, так и длитель­ ной прочности анизотропных сред при сложном напряженном состоянии. В ряде докладов были изложены результаты экспериментальных исследований процес­ сов накопления повреждений в полимер­ ных и композитных материалах с исполь­ зованием методов акустической эмиссии, механолюминесценции и др. В работе сек­ ции нашли отражение новые результаты экспериментальных исследований проч­ ности биополимерных материалов и влия­ ния на нее условий окружающей среды. Значительное внимание было уделено тео­ ретическим исследованиям по механике разрушения полимеров, волокнистых сред, слоистых композитов. Были рассмотрены вопросы моделирования на ЭВМ процес­ сов накопления повреждений в компози­ тах, армированных волокнами. Среди наи­ более интересных результатов, изложен­ ных на заседаниях секции, можно отме­ тить следующие. В докладе В. Д. Прота-

:ова, А. Ф. Ермоленко, Е. Ф. Харченко, И. П. Дмитриенко, посвященном экспери­ ментальному и теоретическому исследова­ нию процесса разрушения однонаправлен­ ного углепластика, показано, что этот процесс может рассматриваться как двух­ этапный — он начинается с растрескива­ ния матрицы вдоль армирующих элемен­ тов; последующее разрушение самих ар­ мирующих элементов происходит подоб­ но разрушению пучка несвязанных нитей. Отмечено, что теоретические результаты, полученные при описании посредством ма­ тематической модели разрушения как случайного процесса, дали хорошее совпа­ дение с экспериментальными данными. В обстоятельном докладе А. Н. Гузя были рассмотрены особенности расчета систем трещиновидных дефектов в высокоэласти­ ческих материалах. Подробно анализиро­ валось влияние начальных напряжений на развитие трещин. В докладе Г. А. Ванина изложены методы исследования физико­ механических свойств и характеристик разрушения композитов с регулярной дво­ якопериодической структурой, неоднород­ ным межфазным взаимодействием и кри­ волинейными трещинами отслаивания. Рассмотрена задача о перераспределении напряжений и росте трещин при учете влияния усадочных напряжений. Исследо­ вано, как взаимное расположение воло­ кон влияет на интенсивность напряжений около локальных трещин у межфазных границ в материале. С докладами о фено­ менологических аспектах механики разру­ шения композитов от группы авторов вы­ ступила Ю. В. Суворова. Рассмотрена мо­ дель длительного разрушения неупругих композитов, при этом предполагается, что процессы вязкого течения и накопления повреждений, происходящие при деформи­ ровании материала, могут быть представ­

рукций» (18 докладов) рассматривались актуальные проблемы проектирования ре­ альных конструкций из композитных ма­ териалов. В интересном докладе Н. П. Ер­ шова выведены инженерные формулы и дано их экспериментальное подтвержде­ ние для расчета гладких и подкрепленных цилиндрических оболочек из композитов на устойчивость при внешнем давлении и

В. Ф. Кутьинова, В. П. Когаева, А. В. Бе­ резина и В. В. Сулименкова приведен унифицированный метод конечного эле­ мента для расчета напряженного и де­ формированного состояния конструкций управляющих поверхностей летательных аппаратов из композитов. Приведены ре­ зультаты экспериментов и применения разработанных методов проектирования руля направления сверхзвуковогб пасса­ жирского самолета и элерона и интер­ цептора магистрального самолета. В док­ ладе Ю. С. Уржумцева, Л. М. Никитина, Т. Д. Бабе предложен метод оптимиза­ ции многослойных ограждающих конст­ рукций по параметрам тепло- и темпера­

туропроводности. Метод позволяет зна­ чительно ослабить прохождение темпера­ турных волн и повысить теплоустойчи­ вость ограждающих конструкций без уве­ личения их общей толщины, что имеет большое практическое значение для север­ ных районов. В докладе В. Т. Томашев­ ского, В. С. Яковлева показано, что про­ ектирование оболочек из композитных по­ лимерных материалов должно опираться на комплексный анализ устойчивости, учи­ тывающий структурные особенности ма­ териала на всех стадиях, начиная от про­ цессов технологической переработки до анализа характера разрушения.

На секции «Технология и переработка» (8 докладов) были рассмотрены вопросы математического моделирования процессов образования дефектов в слоистых компо­ зитных структурах в процессе технологи­ ческой переработки и модельного пред­ ставления закономерностей деформирова­ ния композитов и их компонентов в про­ цессе переработки. Г. В. Виноградов и Л. А. Файтельсон в своем докладе рас­ смотрели условия, обеспечивающие волокнообразование (самоармирование) при течении через насадок смесей расплавов полимеров и изменение материальных функций расплавов при введении дисперс­ ного наполнителя. А. А. Поздеев посвятил' свой доклад использованию методов оп­ тимизации при расчете формирующих высоконаполненные композиты устройств. О методах прогнозирования свойств компо­ зитных изделий и условиях, предотвра­ щающих технологические дефекты в сло­ истых и волокнистых композитах, от имени авторских коллективов доложили

А.Т. Томашевский, В. С. Екельчик и

А.И. Бейль.

Представленные на конференцию док­ лады содержали много новых результа­ тов и вызвали интенсивное обсуждение. Наиболее интересные сообщения приняты к опубликованию в журнале «Механика композитных материалов».

Конференция отметила, что развивались все направления механики полимеров и композитных материалов, которые были отмечены как наиболее актуальные в ре­ шении III Всесоюзной конференции по ме­ ханике полимеров в 1976 г. В частности, выявлены закономерности связи струк­ туры термопластов и термореактивных связующих с их физико-механическими свойствами, дальнейшее развитие полу­ чили исследования по адгезии наполните­ лей и полимерных матриц в композитах. Созданы новые перспективные гибридные композитные материалы на основе соче­ тания различных волокон и дисперсно-на­ полненные композиты с высокой степенью наполнения. Получен ряд новых резуль­ татов по структурной механике и опти­ мальному армированию композитов, в том числе и пространственному. Достигнуты дальнейшие успехи в изучении механизма разрушения и устойчивости полимерных и композитных материалов, в частности, пу­ тем исследования дисперсной повреждае­ мости и разрушения на микроуровне. Рас­ ширились исследования действительной

работы конструкций из композитных мате­ риалов и разработка методов их расчета с учетом геометрической и физической не­ линейности, реологических и пластиче­ ских свойств материала. Разработаны но­ вые методы оптимизации структуры и формы оболочек. Дальнейшее развитие получили методы прогнозирования дли­ тельного сопротивления полимеров и композитов. Разработанные для полиме­ ров методы аналогий распространены на композитные материалы с учетом ани­ зотропии и вязкоупругих свойств матрицы и наполнителей. Интенсивно развиваются исследования структуры и свойств био­ композитов. Получены новые результаты в изучении особенностей строения биопо­ лимеров и разработке методов диагнос­ тики повреждений тканей и степени их восстановления.

Большую работу в координации иссле­ дований по механике полимерных и композитных материалов за четыре года, прошедшие после предыдущей конферен­ ции, проделал журнал «Механика компо­ зитных материалов» (до 1979 г. «Меха­ ника полимеров»). Все это способствовало ускорению создания и освоения новых более эффективных материалов и конст­ рукций новой техники из них.

Конференция постановила в целях даль­ нейшего развития механики полимеров и композитных материалов:

1)продолжать исследования структуры

исвойств армирующих волокон и мат­ рицы и их взаимодействие в композитных материалах;

2)развивать экспериментальные и тео­ ретические исследования в области струк­ турной механики слоистых и пространст­ венных армированных композитов с уче­ том вязкоупругих и упругопластических свойств материала и на этой основе разви­ вать методы оптимизации пластин и обо­

лочек с переменными по координатам свойствами; продолжать исследования действительной работы элементов и кон­ струкций при различных видах нагруже­ ния, обращая внимание на физически и геометрически нелинейные свойства;

3)усилить исследования по механике гибридных (поливолокнистых и полиматричных) композитов; разработать эффек­ тивные структуры армирования для полу­ чения композитов, оптимально сопротив­ ляющихся деформированию и разру­ шению;

4)дальше развивать теорию армиро­

вания для создания новых оптимальных структур композитных материалов;

5) развивать исследования процесса разрушения полимеров и композитов на всех стадиях — от микро- (начиная с атомно-молекулярного уровня) до макро­ разрушения — путем применения прямых методов регистрации процессов разруше­ ния; по расчету и экспериментальному изучению разрушения при сложном напря­ женном состоянии и сложном нагружении; по изучению механизма разрушения кон­ тактных областей между компонентами в композитах, созданию методики расчета и технологии изготовления материалов с