Компьютерный синтез и исследование случайных полей структуры однонаправленно армированных волокнистых композитов

А.В. Зайцев, А.В. Лукин,  Н.В. Трефилов  (Пермь)

Исследование влияния случайной структуры на механическое поведение композиционных материалов при нагружении может быть осуществлено экспериментально в результате обработки микрошлифов, а также на основе анализа плоских или пространственных модельных синтезированных структур.

С помощью аппарата корреляционных функций проведено исследование закономерностей генерации модельных плоских структур двухфазных однонаправленно армированных композитов с круглыми и эллиптическими в поперечном сечении волокнами, сгенерированных с использованием различных алгоритмов. Для каждого из реализованных алгоритмов синтеза проанализированы случайные поля и определенно максимальное объемное наполнение материала в случае наличия или отсутствия гарантированной прослойки матрицы вокруг волокон. Компьютерный синтез структур с высокой степенью наполнения связан с корректировкой взаимного расположения частиц армирующего наполнителя (дополнительным смещением и, при необходимости, разворотом волокон). Это является причиной изменения типа случайного поля структуры с локально - эргодического на квази – локально - эргодический вследствие внесения в это поле квази - детерминированных составляющих.

Установлено, что отсутствие периодической составляющей в случайных полях, соответствующих разряженным и плотноупакованным структурам, является следствием возможности соприкосновения и дополнительного упорядочения армирующих элементов. Обнаружены и объяснены эффекты самоорганизации и регуляризации, проявляющиеся при генерации плотноупакованных случайных структур. Проанализировано влияние законов распределения толщины гарантированной прослойки матрицы, формы и размеров включений на свойства случайных полей. Проведено сравнение результатов компьютерного синтеза случайной структуры с данными, полученными в результате обработки микрошлифов однонаправлено армированных стеклопластиков на основе эпоксидной матрицы. Сформулированы принципы построения алгоритмов синтеза случайных структур двухфазных композитов. Обоснован выбор масштабных коэффициентов и предложены новые единые аппроксимационные зависимости нормированных корреляционных функций структуры волокнистых композитов во всем диапазоне изменения объемной доли армирующих элементов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ–Урал № 01–01–96479).