Modeling of the Effective Elastic Characteristics of Foam Materials with Unidirectionally Oriented Non-isometric Pores
UDC
539.3EDN
RXKBBJDOI:
10.31429/vestnik-17-3-22-28Abstract
In this work, a model for predicting effective elastic characteristics (components of the tensor of effective elastic moduli) of foam polymer materials is constructed with consideration of the volume content and shape of unidirectionally oriented non-isometric pores. The model is based on a generalized singular approximation of random field theory. To calculate the effective elastic characteristics of the foam polymers, an iterative method of self-consistency was used, and the elastic modulus tensor values obtained at the previous iteration step were taken as parameters of a homogeneous comparison body. The elastic parameters in the Voight approximation were taken as the initial values of the parameters of the comparison body. This approximation does not require the inversion of the singular matrix of the elastic moduli tensor for such a component of foam polymers as pores filled with air. The usage of this approach allowed providing calculations of the effective elastic moduli of porous materials.
Based on the developed model, a numerical simulation of the effective elastic characteristics of the foamed epoxides and elastic anisotropy parameters in the directions of the axes of a rectangular coordinate system was carried out in this work. An epoxy binder ED-20 was considered as a matrix. It was reckoned that the pores have the form of ellipsoids of revolution oriented by their main semiaxis along the vertical axis. Simulation considered a change in the volumetric content of pores and a variation in their aspect ratio. Numerical calculations showed that with an increase in porosity, the values of the effective elastic moduli decrease without becoming negative, i.e. foams maintain their integrity at a high pore concentration. In addition, an increase in both the volumetric content of pores and deviations from unity of the value of their aspect ratio leads to increased anisotropy in the directions of all axes of the rectangular coordinate system (especially along the direction of the vertical axis).
Keywords:
modeling, foam-polymer material, foam-epoxy material, pores, epoxy binder, effective elastic moduli, anisotropyReferences
- Берлин А.А., Шутов Ф.А. Упрочненные газонаполненные пластмассы. М.: Химия, 1980. 224 с. [Berlin, A.A., Shutov, F.A. Strengthened gas-filled plastics. Khimiya, Moscow, 1980. (In Russian)]
- Тараканов О.Г., Шамов И.В., Альперн В.Д. Наполненные пенопласты. М.: Химия, 1989. 344 с. [Tarakanov, O.G., Shamov, I.V., Al'pern, V.D. Filled foam plastics. Khimiya, Moscow, 1989. (In Russian)]
- Патент РФ 2187433. Способ получения теплоизоляционного материала на основе синтактной пены, теплоизолированная труба и способ нанесения теплоизоляционного покрытия на внешнюю поверхность трубы / Телегин В.А., Телегина Е.Б., Горев В.А., Шестаков С.П., Ремизов В.В., Михайлов Н.В., Тимонин В.И., Газиянц А.П. Заявл. 21.10.1999. Опубл. 20.08.2002. Бюлл. № 23. [Telegin, V.A., Telegina, E.B., Gorev, V.A., Shestakov, S.P., Remizov, V.V., Mikhajlov, N.V., Timonin, V.I., Gazijants, A.P. Mi>Patent RU 2187433. Method for production of heat-insulating material based on sintact froth, heat-insulated pipe and method for application of heat-insulating coating on pipe outer surface. Ann. 21.10.1999. Publ. 20.08.2002. Bull. no. 23. (In Russian)]
- Патент РФ 2694325. Теплоизоляционный материал на основе пенополиуретана / Кочерженко А.В., Сулейманова Л.А., Кочерженко В.В. Заявл. 25.06.2018. Опубл. 11.07.2019. Бюлл. № 20. [Kocherzhenko, A.V., Sulejmanova, L.A., Kocherzhenko, V.V. Mi>Patent RU 2694325. Heat-insulating material based on foamed polyurethane. Ann. 25.06.2018. Publ. 11.07.2019. Bull. no. 20. (In Russian)]
- Патент РФ 2526549. Композиция на основе вспениваемых винилароматических полимеров с улучшенной теплоизоляционной способностью, способы ее получения и вспененное изделие, полученное из этой композиции / Понтикьелло А., Гидони Д., Фелисари Р. Заявл. 01.05.2009. Опубл. 27.08.2014. Бюлл. № 24. [Pontik'ello, A., Gidoni, D., Felisari, R. Mi>Patent RU 2526549. Composition, based on foamed vinylaromatic polymers with improved heatinsulating ability, methods of its obtaining and foamed product, obtained from thereof. Ann. 01.05.2009. Publ. 27.08.2014. Bull. no. 24. (In Russian)]
- Патент РФ 2528842. Способ изготовления деталей из полимерного ультрадисперсного пористого материала / Маркелов В.В., Кременчугский М.В., Пинегин А.В. Заявл. 09.04.2013. Опубл. 20.09.2014. Бюлл. № 26. [Markelov, V.V., Kremenchugskij, M.V., Pinegin, A.V. Mi>Patent RU 2528842. Method of making components from ultrafine porous polymer material. Ann. 09.04.2013. Publ. 20.09.2014. Bull. no. 26. (In Russian)]
- Левин В.А., Лохин В.В., Зингерман К.М. О построении эффективных определяющих соотношений для пористых материалов со случайно распределенными порами при конечных деформациях и их наложении // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естественные науки. 2000. Спецвыпуск. С. 107–115. [Levin, V.A., Lokhin, V.V., Zingerman, K.M. On the construction of effective defining relations for porous materials with randomly distributed pores at finite strains and their superposition. Mi>Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskiy region. Yestestvennyye nauki [Bulletin of higher education institutes North Caucasus region. Natural sciences], 2000, special iss., pp. 107–115. (In Russian)]
- Баюк И.О. Теоретические основы определения эффективных физических свойств коллекторов углеводородов // Ежегодник РАО. 2011. Вып. 12. С. 107–120. [Bayuk, I.O. The theoretical basis for determining the effective physical properties of hydrocarbon reservoirs. Mi>Yezhegodnik RAO [RAE Yearbook], 2011, iss. 12, pp. 107–120. (In Russian)]
- Баюк И.О. Междисциплинарный подход к прогнозированию макроскопических и фильтрационно-емкостных свойств коллекторов углеводородов. Автореф. ... дис. докт. физ.-мат. наук. М., 2013. 188 с. [Bayuk, I.O. Mi>Interdisciplinary approach to predicting macroscopic and filtration-capacitive properties of hydrocarbon reservoirs. Dr. phys.-math. sci. diss. Moscow, 2013. (In Russian)]
- Бардушкин В.В., Сорокин А.И., Сычев А.П. Моделирование эксплуатационных упругих свойств полимерных композитов с наполненными смазкой сферическими микрокапсулами и дисперсными включениями бесщелочного стекла // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2015. № 10. С. 43–47. [Bardushkin, V.V., Sorokin, A.I., Sychev, A.P. Modeling of performance elastic properties of polymer-based composites with lubricated spherical microcapsules and disperse inclusions of E-glass. Mi>Treniye i smazka v mashinakh i mekhanizmakh [Friction & lubrication in machines and mechanisms], 2015, no. 10, pp. 43–47. (In Russian)]
- Колесников В.И., Бардушкин В.В., Колесников И.В., Мясников Ф.В., Сычев А.П., Яковлев В.Б. Прогнозирование эксплуатационных упругих свойств трибокомпозитов с микрокапсулами, заполненными жидкой смазкой // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2017. Т. 18. № 9. С. 398–403. [Kolesnikov, V.I., Bardushkin, V.V., Kolesnikov, I.V., Myasnikov, F.V., Sychev, A.P., Yakovlev, V.B. Forecasting the operational elastic properties of tribocomposites with microcapsules filled with liquid lubricant. Mi>Sborka v mashinostroyenii, priborostroyenii [Assembling in mechanical engineering and instrument-making], 2017, vol. 18, no. 9, pp. 398–403. (In Russian)]
- Бардушкин В.В., Лавров И.В., Бардушкин А.В., Яковлев В.Б., Сычев А.П., Сычев А.А. Прогнозирование эксплуатационных упругих характеристик пенополимерных материалов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2020. Т. 21. № 6. С. 265–269. DOI: 10.36652/0202-3350-2020-21-6-265-269. [Bardushkin, V.V., Lavrov, I.V., Bardushkin, A.V., Yakovlev, V.B., Sychev, A.P., Sychev, A.A. Predicting the operational elastic characteristics of foam-polymer materials. Mi>Sborka v mashinostroyenii, priborostroyenii [Assembling in mechanical engineering and instrument-making], 2020, vol. 21, no. 6, pp. 265–269. DOI: 10.36652/0202-3350-2020-21-6-265-269 (In Russian)]
- Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука, 1977. 399 с. [Shermergor, T.D. Mi>Micromechanics of inhomogeneous medium. Nauka, Moscow, 1977. (In Russian)]
- Колесников В.И., Бардушкин В.В., Яковлев В.Б., Сычев А.П., Колесников И.В. Микромеханика поликристаллов и композитов (напряженно-деформированное состояние и разрушение). Ростов-на-Дону: изд-во РГУПС, 2012. 288 с. [Kolesnikov, V.I., Bardushkin, V.V., Yakovlev, V.B., Sychev, A.P., Kolesnikov, I.V. Micromechanics of polycrystals and composites (stress-strain state and destruction). Rostov State Transport University Publ., Rostov-on-Don, 2012. (In Russian)]
- Паньков А.А. Методы самосогласования механики композитов. Пермь: изд-во ПГТУ, 2008. 253 с. [Pan'kov, A.A. Mi>Methods of self-consistency mechanics of composites. Perm State Technical University Publ., Perm, 2008. (In Russian)]
- Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с. [Grigor'ev, I.S., Meilikhov, E.Z. (eds.) Mi>Physical Quantities: A Handbook. Energoatomizdat, Moscow, 1991. (In Russian)]
- Лапицкий В.А., Крицук А.А. Физико-механические свойства эпоксидных полимеров и стеклопластиков. Киев: Наукова думка, 1986. 92 с. [Lapitsky, V.A., Kricuk, A.A. Mi>Physical and mechanical properties of the epoxy polymers and fiberglasses. Naukova Dumka, Kiev, 1986. (In Russian)]
Downloads
Downloads
Dates
Submitted
Accepted
Published
How to Cite
License
Copyright (c) 2020 Бардушкин В.В., Сычев А.П., Сычев А.А., Бардушкин А.В.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
