Многоуровневое компьютерное моделирование механических свойств полимерных композиционных материалов

В работе представлены результаты многоуровневого моделирования полимерных композиционных материалов (ПКМ). Показано, что их механические характеристики формируются за счет совокупного вклада микроструктурных, мезоструктурных и макроскопических процессов деформирования. Предложен многомасштабный подход к построению цифровых моделей с учетом структурно-механических особенностей материала. В рамках данного подхода разработаны: микромодель углеродной нити, мезомодель ПКМ на основе триаксиальной ткани и макромодель рефлектора, что обеспечило прогнозирование напряженно-деформированного состояния на различных масштабных уровнях. Проведена оценка напряженно-деформированного состояния материала и проанализированы процессы его разрушения. Построены диаграммы деформирования и определены эффективные механические свойства ПКМ. Полученные модели обеспечивают возможность проведения виртуальных испытаний без привлечения ресурсоемких экспериментов и могут быть использованы для разработки, адаптации и оптимизации ПКМ под конкретные инженерные задачи.

1. Холмогоров С.А., Левшонкова Н.В. Экспериментальные исследования механизмов разрушения трехслойных тест-образцов с несущими слоями из однонаправленного волокнистого композита [0◦ ] при осевом сжатии // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. 2022. T. 164, кн. 4. C. 357–370. https://doi.org/10.26907/2541-7746.2022.4.357-370.

2. Kalidindi S.R., Buzzy M., Boyce B.L., Dingreville R. Digital twins for materials // Comput. Mater. Sci. 2022. V. 9. Art. 818535. https://doi.org/10.3389/fmats.2022.818535.

3. Wang Y., Tao F., Zuo Y., Zhang M., Qi Q. Digital-twin-enhanced quality prediction for the composite materials // Engineering. 2023. V. 22. P. 22–33. https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.08.019.

4. Eremin N.V., Moskvichev E.V. Multilevel model for calculating the strength and the service life of a metal composite pressure vessel // Russ. Metall. (Metally). 2023. V. 2023, No 10. P. 1557–1564. https://doi.org/10.1134/S0036029523100075.

5. Плескачевский Ю.М., Шимановский А.О. Компьютерное моделирование структуры и свойств композитов в нагруженных конструкциях // Механ. машин, механизм. и матер. 2016. № 1 (34). C. 41–50.

6. Lee W., Chung I., Baek K., Im S., Cho M. Multiscale modeling to characterize electromechanical behaviors of CNT/polymer nanocomposites considering the matrix damage and interfacial debonding // Mech. Adv. Mater. Struct. 2020. V. 29, No 16. P. 2322–2341. https://doi.org/10.1080/15376494.2020.1861396.

7. Vashisth A., Bakis C.E. Multiscale characterization and modeling of nanosilica-reinforced filament wound carbon/epoxy composite // Mater. Perform. Charact. 2019. V. 8, No 1. P. 1–21. https://doi.org/10.1520/MPC20180108.

8. Christoff B.G., Almeida J.H.S., Jr., Ribeiro M.L., Maciel M.M., Guedes R.M., Tita V. Multiscale modelling of composite laminates with voids through the direct FE2 method // Theor. Appl. Fract. Mech. 2024. V. 131. Art. 104424. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2024.104424.

9. Димитриенко Ю.И., Соколов А.П. Многомасштабное моделирование упругих композиционных материалов // Матем. моделир. 2012. T. 24, № 5. C. 3–20.

10. Димитриенко Ю.И., Губарева Е.А., Сборщиков С.В. Многомасштабное моделирование упругопластических композитов с учетом повреждаемости // Матем. моделир. и числ. методы. 2016. № 10. C. 3–23.

11. Chen Y.-W., Joseph R.J., Kanyuck A., Khan S., Malhan R.K., Manyar O.M., McNulty Z., Wang B., Barbiˇc J., Gupta S.K. A digital twin for automated layup of prepreg composite sheets // J. Manuf. Sci. Eng. 2022. V. 144, No 4. Art. 041010. https://doi.org/10.1115/1.4052132.

12. Kibrete F., Trzepieci´nski T., Gebremedhen H.S., Woldemichael D.E. Artificial intelligence in predicting mechanical properties of composite materials // J. Compos. Sci. 2023. V. 7, No 9. Art. 364. https://doi.org/10.3390/jcs7090364.

13. M´ugica J.I., Lopes C.S., Naya F., Herr´aez M., Mart´ınez V., Gonz´alez C. Multiscale modelling of thermoplastic woven fabric composites: From micromechanics to mesomechanics // Compos. Struct. 2019. V. 228. Art. 111340. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111340.

14. Hofer U., Luger M., Traxl R., Lackner R. Multiscale modeling of the viscoelastic response of braid-reinforced polymers: Model formulation and experimental assessment considering different rheological models // Composites, Part B. 2020. V. 182. Art. 107398. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.107398.

15. Lin S., Yang L., Xu H., Jia X., Yang X., Zu L. Progressive damage analysis for multiscale modelling of composite pressure vessels based on Puck failure criterion // Compos. Struct. 2021. V. 255. Art. 113046. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.113046.

16. Spahn J., Andrae H., Kabel M., Mueller R., Linder C. Multiscale modeling of progressive damage in elasto-plastic composite materials // Proc. 11th World Congr. on Computational Mechanics (WCCM XI), 5th Eur. Conf. on Computational Mechanics (ECCM V), 6th Eur. Conf. on Computational Fluid Dynamics (ECFD VI). V. IV. Onate E., Oliver J., Huerta A. (Eds.). ˜ Barcelona: CIMNE, 2014. P. 3426–3437.

17. Соколов А.П., Першин А.Ю., Козов А.В., Кириллов Н.Д. Гомогенизация многоуровневых многокомпонентных гетерогенных структур для определения физико-механических характеристик композиционных материалов // Физ. мезомехан. 2018. T. 21, № 5. C. 90–107.

18. Breuer K., Spickenheuer A., Stommel M. Statistical analysis of mechanical stressing in short fiber reinforced composites by means of statistical and representative volume elements // Fibers. 2021. V. 9, No 5. Art. 32. https://doi.org/10.3390/fib9050032.

19. Zhao Q., Hoa S.V., Ouellette P. Triaxial woven fabric (TWF) composites with open holes (part II): Verification of the finite element models // J. Compos. Mater. 2003. V. 37, No 10. P. 849–873. https://doi.org/10.1177/0021998303037010001.

20. Wang L., Zheng C., Luo H., Wei S., Wei Z. Continuum damage modeling and progressive failure analysis of carbon fiber/epoxy composite pressure vessel // Compos. Struct. 2015. V. 134. P. 475–482. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.08.107.

21. Hashin Z. Failure criteria for unidirectional fiber composites // J. Appl. Mech. 1980. V. 47, No 2. P. 329–334. https://doi.org/10.1115/1.3153664.

22. Евдокимов А.С., Пономарев С.В., Буянов Ю.И. Совместный расчет напряженнодеформированного состояния и диаграммы направленности космических рефлекторов // Вестн. Томск. гос. ун-та. Матем. и механ. 2011. № 1 (13). C. 74–82.

23. Eremin N.V., Moskvichev V.V. A probabilistic model of fracture of the composite material of a composite overwrapped pressure vessel // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1431. Art. 012020. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1431/1/012020.