книги / Методические указания по освоению дисциплины Механика композиционных материалов для студентов бакалавриата по направлению 22.03.01 Материаловедение и технологии материалов

Расчет эффективных модулей упругости квазиизотропных композитов методом периодических составляющих.

Тема 26. Прогнозирование макроскопических упругих свойств перекрестно и объемно-армированных композитов. Понятие элементарного слоя. Упругие свойства ортотропной среды. Прогнозирование свойств перекрестноармированных композитов: подходы, модели, приближения. Прогнозирование свойств объемно-армированных композитов на основе свойств однонаправленных композитов. Примеры решения.

Раздел 11. Упругопластические композиты Л – 1 ч, ПЗ – 2 ч, СРС – 6 ч

Тема 27. Упругопластические композиты. Упругопластическая модель среды. Физические уравнения упругопластической однородной фазы: изотропный и анизотропный случаи. Физические уравнения упругопластических композитов. Прогнозирование макросвойств упругопластических композитов.

Раздел 12. Вязкоупругие композиты Л – 1 ч, ПЗ – 2 ч, СРС – 4 ч

Тема 28. Вязкоупругие композиты. Вязкоупругая модель среды. Физические уравнения вязкоупругой однородной среды: изотропный и анизотропный случаи. Физические уравнения вязкоупругих композитов. Прогнозирование макросвойств вязкоупругих композитов.

3 Методические указания для студентов по изучению дисциплины

При изучении дисциплины обучающимся целесообразно выполнять следующие рекомендации:

1.Изучение учебной дисциплины должно вестись систематически.

2.После изучения какого-либо раздела по учебнику или конспектным материалам рекомендуется по памяти воспроизвести основные термины, определения, понятия раздела.

3.Особое внимание следует уделить выполнению отчетов по практическим занятиям и индивидуальным комплексным заданиям на самостоятельную работу.

4.Изучение дисциплины осуществляется в течение двух семестров, график изучения дисциплины приводится п.7.

Тематика вопросов, изучаемых самостоятельно

Тема 9. Фазовая структура композитов. Кристаллическое состояние.

Тема 25. Прогнозирование макроскопических упругих свойств слоистых композитов. Точное решение для упругих модулей слоистых композитов. Примеры решения задачи.

Варианты тем индивидуальных заданий

1.Расчет структурных деформаций в квазиизотропных композитах.

2.Расчет структурных напряжений в квазиизотропных композитах.

3.Расчет эффективных модулей упругости квазиизотропных композитов в корреляционном приближении

4.Расчет эффективных модулей однонаправленных волокнистых композитов.

5.Расчет эффективных модулей упругости слоистых композитов.

6.Расчет эффективных модулей объемно-армированных композитов.

7.Прогнозирование упругопластических свойств композитов.

8.Прогнозирование вязкоупругих свойств композитов.

12

Типовые вопросы и задания для экзамена по дисциплине

Типовые вопросы для контроля усвоенных знаний:

1.Понятие о композиционных материалах (КМ). Структурные уровни.

2.Основные направления создания и совершенствования существующих КМ.

3.Основные типы КМ.

4.История разработки КМ.

5.Механизмы разрушения.

6.Понятие о модели микронеоднородной среды.

7.Микроскопические и макроскопические величины.

8.Закон Гука для микронеоднородной среды.

9.Принцип локальности.

10.Метод локального приближения.

11.Понятие о тензорах различных порядков.

12.Тензорные случайные поля. Понятие изотропного тензорного поля.

Типовые вопросы и практические задания для контроля освоенных умений и владений:

1.Микронапряжения и макронапряжения. Их связь.

2.Микродеформации и макродеформации. Их связь.

3.Структурные и макроскопические модули упругости.

4.Модель Фойгта для расчета эффективных модулей упругости периодической структуры.

5.Модель Рейсса для расчета эффективных модулей упругости периодической структуры.

6.Постановка краевой задачи механики микронеоднородных сред.

7.Эффективные модули упругости квазиизотропной среды.

8.Этапы решения краевой задачи микромеханики композитов.

9.Расчет структурных деформаций.

10.Расчет структурных напряжений.

11.Расчет эффективных модулей упругости пористой среды.

12.Упругие модули однонаправленно армированных композитов.

13.Комплексное задание 1. Определите эффективные модули упругости волокнистого композита со случайной структурой. Объемная доля волокон υf = 0,5. Матрица – эпоксидная смола ЭДТ-10: Em = 2910 MПа, коэффициент Пуассона νm = 0,356; волокно – стекло: модуль Юнга Ef = 100000 MПа, коэффициент Пуассона νf = =0,21. Используйте модель Фойгта.

13

Текущий и промежуточный контроль освоения заданных дисциплинарных частей компетенций

Текущий и промежуточный контроль освоения заданных дисциплинарных частей компетенций проводится в следующих формах:

-контрольная работа;

-текущий опрос для анализа усвоения материала предыдущих лекций;

-защиты отчетов по практическим занятиям.

-оценка работы студента на лекционных и практических занятиях в рамках рейтинговой системы.

Рубежный и промежуточный контроль освоения заданных дисциплинарных частей компетенций

Промежуточный контроль освоения компетенций проводится по окончании модулей дисциплины в следующих формах:

контрольные работы (модуль 1,2);

выполнение индивидуальных заданий (модуль 2).

Итоговый контроль освоения заданных дисциплинарных частей компетенций

- Зачет

Зачет по дисциплине выставляется по итогам проведенного промежуточного контроля, при условии выполнения типовых заданий на практических занятиях и при выполнении индивидуальных работ.

-Экзамен

Экзамен по дисциплине проводится в устной форме по билетам. Билет содержит два теоретических вопроса и одно практическое задание. Экзаменационная оценка выставляется с учётом результатов промежуточной аттестации.

Государственная итоговая аттестация

Типовые вопросы для контроля усвоенных знаний

1 Понятие о композиционных материалах (КМ). Основные типы КМ.

2 Понятие о модели микронеоднородной среды. Микроскопические и макроскопические величины.

3 Закон Гука для микронеоднородной среды.

4 Операторы объемного и статистического осреднения.

14

5Понятие о макроскопически однородной среде. Понятие о макроскопически неоднородной среде. Понятие о квазиизотропной среде.

6 Понятие локально-эргодического поля.

7 Принцип локальности. Метод локального приближения.

8 Метод периодических составляющих.

9 Понятие о функции Грина для регулярной среды.

10 Закон Гука для микронеоднородной среды с учетом накопления структурных повреждений.

Типовые вопросы для контроля освоенных умений

1 Микронапряжения и макронапряжения. Их связь.

2.Микродеформации и макродеформации. Их связь.

3.Структурные и макроскопические модули упругости.

4.Постановка краевой задачи механики микронеоднородных сред.

5.Классификация краевых задач механики микронеоднородных сред.

6.Функция Грина для неограниченного однородного изотропного пространства.

7.Этапы решения краевой задачи микромеханики композитов.

8.Расчет структурных деформаций.

9.Расчет структурных напряжений.

10.Понятие об удельных упругих и прочностных характеристиках.

Типовые вопросы для контроля освоенных владений

1.Модель Фойгта для расчета эффективных модулей упругости периодической структуры.

2.Модель Фойгта для расчета эффективных модулей упругости стохастической структуры.

3.Модель Рейсса для расчета эффективных модулей упругости периодической структуры.

4.Модель Рейсса для расчета эффективных свойств стохастической структуры.

5.Доказательство существования функционала Ф(Θ) для макрооднородной среды при малых дисперсиях физических свойств.

6.Эффективные модули упругости квазиизотропной среды.

7.Эффективные модули упругости гранулированных композитов с жесткими сферическими включениями.

8.Расчет эффективных модулей упругости пористой среды.

9.Упругие модули однонаправленно армированных композитов.

10.Модули упругости слоистых структур.

4 Требования к оформлению и способам представления результатов

Результаты выполнения индивидуальных и практических заданий должны быть оформлены в форме отчетов в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32–2001

15

«Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления».

Страницы не обводятся в рамках, поля не отделяются чертой. Размеры полей не менее: левого – 30 мм, правого – 10 мм, верхнего – 20 мм и нижнего – 20 мм. Нумерация страниц отчета - сквозная: от титульного листа до последнего листа приложений. Номер страницы на титульном листе не проставляют. Номер страницы ставят в центре нижней части листа, точка после номера не ставится. Страницы, занятые таблицами и иллюстрациями, включают в сквозную нумерацию.

Шрифт 14пт, Times New Roman, через 1 интервал. Отчеты должен быть отпечатан на формате А4 и подшит в папку. Описания должны быть сжатыми. Объем приложений не регламентируется.

Титульный лист является первым листом отчета, не нумеруется, но входят в общее количество страниц. Титульный лист отчета оформляется по установленной единой форме, приводимой в приложении. За титульным листом в отчете по выполнению индивидуального или практического задания помещается содержание, основная часть, заключение, список литературы, приложения.

Разделы отчета нумеруют арабскими цифрами в пределах всего отчета. Наименования разделов должны быть краткими и отражать содержание раздела. Переносы слов в заголовке не допускаются.

Цифровой материал необходимо оформлять в виде таблиц. Каждая таблица должна иметь номер и тематическое название. Таблицу следует помещать после первого упоминания о ней в тексте.

Приложения оформляют как продолжение отчета. В приложении помещают материалы, не вошедшие в основной текст отчета.

Основные результаты выполнения индивидуального задания целесообразно представить в форме статьи для периодического научного издания.

16

Библиографический список

Основная литература

1.Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты = ReinforcingFibersandFibrousPolymericComposites / К. Е. Перепелкин.—

Санкт-Петербург : Науч. основы и технологии, 2009 .— 479 с.

2.Вильдеман В.Э, Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов. — М.: Наука, 1997. — 288 с.

3.Волков С.Д., Ставров В.П. Статистическая механика композитных материалов. – Минск.: БГУ, 1978. — 205 с.

4.Волокнистые полимерные композиционные материалы в технике / Ю. А. Михайлин .— Санкт-Петербург : Науч. основы и технологии, 2013 .— 715 с.

5.Конструкционные материалы : полный курс : учебное пособие / М. Ф. Эшби, Д. Р. Х. Джонс .— Долгопрудный : Интеллект, 2010 .— 671 с.

6.Конструкционные пластики - микроструктура, характеристики, применения

:учебно-справочное руководство : пер. с англ. / Н. Миллс.— Долгопрудный

:Интеллект, 2011 .— 509 с.

7.Краткая энциклопедия по структуре материалов : пер. с англ. / Х. И. Ааронсон [и др.] ; Под ред. Д. В. Мартина .— Москва : Техносфера, 2011 .— 607 с.

8.Материаловедение : учебник для втузов / Г. М. Волков, В. М. Зуев .— 2-е изд., перераб .— Москва : Академия, 2012 .— 446 с.

9.Механика и технология композиционных материалов : учебно-справочное

руководство / С. Л. Баженов. — Долгопрудный : Интеллект, 2014 .— 326 с. 10.Механическое поведение конструкционных материалов : пер. с нем. :

учебное пособие / И. Реслер, Х. Хардерс, М. Бекер .— Долгопрудный :

Интеллект, 2011 .— 502 с.

11.Остаточные напряжения в слоистых композитах : монография / Ю. П. Трыков [и др.] ; Волгоградский государственный технический университет

.— Москва : Металлургиздат, 2010 .— 237 с.

12.Перспективные композиционные и керамические материалы : учебное пособие / В. Б. Кульметьева, С. Е. Порозова, А. А. Сметкин ; Пермский национальный исследовательский политехнический университет .— Пермь :

Изд-во ПНИПУ, 2013 .— 275 с.

13.Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. — М:МГУ, 1984. — 336 с.

14.Полимерные композиционные материалы : учебное пособие / А. Н. Бобрышев, В. Т. Ерофеев, В. Н. Козомазов ; Ассоциация строительных вузов

.— Москва : Изд-во АСВ, 2013 .— 474 с.

15.Полимерные композиционные материалы. Прочность и технология / С. Л. Баженов [и др.] .— Долгопрудный : Интеллект, 2010 .— 347 с.

16.Полимерные конструкционные материалы (структура, свойства, применение) : учебное пособие для вузов / Б. Б. Бобович .— Москва :

17

ФОРУМ, 2014 .— 398 с.

17.Соколкин Ю.В., Вотинов А.М., Ташкинов А.А., Постных А.М., Чекалкин А.А. Технология и проектирование углерод–углеродных композитов и конструкций. — М.:Наука, 1996. — 240 с.

18.Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика деформирования и разрушения структурно–неоднородных тел. — М.: Наука, 1984. — 116с.

19.Специальные полимерные композиционные материалы / Ю. А. Михайлин

.— Санкт-Петербург : Науч. основы и технологии, 2014 .— 658 с. 20.Углерод, углеродные волокна, углеродные композиты / А. И. Мелешко, С.П.

Половников .— Москва : Сайнс-Пресс, 2007 .— 189 с.

21.Углеродные материалы. Свойства, технологии, применения : учебное пособие для вузов / С. Н. Колокольцев .— Долгопрудный : Интеллект, 2012

.— 295 с.

22.Физико-химические основы технологии композиционных материалов: директивная технология композиционных материалов : учебное пособие для вузов / В. И. Костиков ; Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий .— Москва : Издат. дом МИСиС, 2011 .— 162 с.

23.Физико-химические основы технологии композиционных материалов: теоретические основы процессов создания композиционных материалов : учебное пособие для вузов / В. И. Костиков ; Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий .— Москва : Издат. дом МИСиС, 2011 .— 239 с.

24.Физикохимия и механика композиционных материалов : учебное пособие для вузов / А. А. Шевченко .— Санкт-Петербург : Профессия, 2010 .— 223 с.

25.Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. — М.: Наука, 1977. — 400 с.

Дополнительная литература

26.Babushkin A.V., Sokolkin Yu.V., Chekalkin A.A. Fatigue resistance of structurally inhomogeneous powdered materials in a complex stress-strain state//Mechanics of Composite Materials. -2014. -Vol. 50, № 1. -Р. 1-8.

27.Efimik V.A., Chekalkin A.A. Analysis of the dynamic behavior of soundabsorbing structures by the method of finite elements and a technique of assessment of the efficiency of noise absorption//Mechanics of Composite Materials. -2015. -Vol. 51, № 1. -Р. 99-114.

28.Features of powder material deformation with cyclic loading/V.N. Antsiferov, A.V. Babushkin, Yu.V. Sokolkin, A.A. Shatsov, A.A. Chekalkin//Powder Metallurgy and Metal Ceramics. -2001. -Vol. 40, № 11-12. -Р. 569-572.

29.Long-term durability of glass-fiber-reinforced composites under operation in pulp and reactant pipelines/A.A. Chekalkin, A.V. Babushkin, A.G. Kotov, S.E. Shakleina//Mechanics of Composite Materials. -2003. -Vol. 39, № 3. -Р. 273-282.

30.Sokolkin Yu.V., Chekalkin A.A., Babushkin A.V. Structure analysis, fatigue

18

testing, and lifetime prediction of composite steels//Mechanics of Composite Materials. -1998. -Vol.34, №3. -P.269-278.

31.Sokolkin Yu.V., Kotov A.G., Chekalkin A.A. Structural multistage model of the bearing capacity of carbon-carbon laminate shells//Mechanics of Composite Materials. -1994. -Vol. 30, № 1. -Р. 55-60.

32.Исследование микроструктуры углерод-углеродного композита 2D + 1 при термохимической обработке и насыщении пироуглеродом/А.В. Долгодворов, А.Г. Докучаев, П.А. Судюков, А.А. Чекалкин//Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2013. -Т. 79, № 12. -С. 31-33

33.Макарова Е.Ю., Соколкин Ю.В., Чекалкин А.А. Структурнофеноменологические модели прогнозирования упругих свойств высокопористых композитов//Вестн. Сам. Гос. техн. ун-та. Сер.: Физ.-мат. науки. -2010. -№ 5(21). -С. 276-279.

34.Макарова Е. Ю. , Соколкин Ю. В. Нелинейные многоуровневые модели механики деформирования и разрушения композитов // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2013. - Т. 19, № 3. - С. 395405.

35.Макарова Е. Ю. , Соколкин Ю. В. Эффективные упругие свойства высокопористых композитов с учетом естественного разброса свойств матрицы / // Научно-технический вестник Поволжья. - 2012. - № 6. - С. 24-

27.

36.Соколкин Ю.В., Аношкин А.Н., Котов А.Г., Чекалкин А.А. Информационная система «Композиционные материалы и конструкции»//Механика композиционных материалов и конструкций. - 1996. -Т. 2, №1. -С. 91-93.

37.Соколкин Ю.В., Вотинов А.М., Ташкинов А.А., Постных А.М., Чекалкин А.А. Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций. Москва, Наука, Физматлит, 1996, 240 с.

38.Соколкин Ю.В., Макарова Е. Ю. Нелинейные многоуровневые связанные краевые задачи механики деформирования и разрушения композитов, Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. 2011. № 4. ч. 5. — С. 2502 -2504.

39.Соколкин Ю.В., Чекалкин А.А., Бабушкин А.В. Прогнозирование физических и механических свойств порошковых и армированных высокопрочными волокнами металлических материалов//Изв. вузов. Цветная металлургия. -1995. -№ 2. -С. 53-57.

19

ПРИЛОЖЕНИЕ

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

аэрокосмический факультет кафедра «Механика композиционных материалов и конструкций»

направление: 22.03.01 – Материаловедение и технологии материалов

Отчет по выполнению индивидуального задания на тему:

«Расчет структурных деформаций в квазиизотропных композитах»

Выполнил студент гр.______

_________________________________

___

(Фамилия, имя, отчество)

_________________________________

(подпись)

Проверил:

______________________________________

(должность, Ф.И.О. научного руководителя)

___________ _________________________

(оценка) (подпись)

_____________

МП (дата)

Пермь 20__

20