Modeling of the local elastic and limiting strength characteristics of foam-polymer materials
UDC
539.3EDN
OMWKSPDOI:
10.31429/vestnik-18-3-19-25Abstract
In this work, a model for predicting local elastic characteristics (components of the stress concentration operator) and ultimate strength indicators for uniaxial compression of foam-polymer materials is constructed, taking into account the volumetric content of air-filled spherical pores. Epoxy binders ED-16 and ED-22, hardened with "T" grade aromatic polyamine, were considered as a matrix. To calculate the local elastic characteristics of foam-epoxy materials, the generalized singular approximation of the random fields theory in a version of the iterative self-consistency method was used. In this case, the values of the elastic modulus tensor obtained at the previous iteration step were taken as the parameters of the homogeneous comparison body. The elastic characteristics in the Voight approximation were used as the initial values of the parameters of the reference body, since this approximation does not require inversion of the singular matrix of the tensor of elastic moduli for such a component of foam-epoxy materials as pores filled with air. Based on the developed model, in this work a numerical simulation of the values of the components of the stress concentration operator of foam-epoxy materials depending on the volumetric content of pores is carried out.
When modeling the values of the ultimate strength of foam-epoxy materials, a method developed by the authors for predicting the ultimate strength characteristics of matrix composites was used, based on the concept of the stress concentration operator and information on the strength properties of the polymer matrix. According to this method, a compressive load applied to a composite material in a certain direction becomes destructive when the internal stress in the polymer matrix begins to exceed its ultimate strength. For the mentioned above foam-epoxy materials based on ED-16 and ED-22, a numerical simulation of their ultimate strength parameters under uniaxial compression was carried out. Model calculations considered changes in the volumetric content of pores in the material. It is numerically confirmed that an increase in porosity leads to a weakening of the strength indicators of model foam-epoxy materials, which in this case change according to a law close to linear.
Keywords:
modeling, stress concentration operator, local elastic characteristics, mechanical strength, foam-polymer material, foam-epoxy material, pores, epoxy binderFunding information
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (20-08-00155-а).
References
- Берлин А.А., Шутов Ф.А. Пенополимеры на основе реакционно-способных олигомеров. М.: Химия, 1978. 296 с. [Berlin, A.A., Shutov, F.A. Foam polymers based on reactive oligomers. Khimiya, Moscow, 1978. (In Russian)]
- 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)]
- Дементьев А.Г., Тараканов О.Г. Структура и свойства пенопластов. М.: Химия, 1983. 176 с. [Dementyev A.G., Tarakanov O.G. The structure and properties of foams. Khimiya, Moscow, 1983. (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)]
- Дворко И.М., Коцелайнен И.В. Пенопласты на основе порошковых эпоксидно-новолачных композиций // Пластические массы. 1998. № 2. С. 40–42. [Dvorko, I.M., Kotselainen, I.V. Foams based on powder epoxy-novolac compositions. Plasticheskiye massy [Plastic mass], 1998, no. 2, pp. 40–42. (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. Treniye i smazka v mashinakh i mekhanizmakh [Friction & lubrication in machines and mechanisms], 2015, no. 10, pp. 43–47. (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. 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)]
- Бардушкин В.В., Сычев А.П., Сычев А.А., Бардушкин А.В. Моделирование эффективных упругих характеристик пенополимерных материалов с однонаправленно ориентированными неизометричными порами // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2020. Т. 17. № 3. С. 22–28. DOI: 10.31429/vestnik-17-3-22-28. [Bardushkin, V.V., Sychev, A.P., Sychev, A.A., Bardushkin, A.V. Modeling of the effective elastic characteristics of foam materials with unidirectionally oriented non-isometric pores. Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation, 2020, vol. 17, no. 3, pp. 22–28. DOI: 10.31429/vestnik-17-3-22-28 (In Russian)]
- Колесников В.И., Яковлев В.Б., Бардушкин В.В., Сычев А.П. О прогнозировании распределений локальных упругих полей в неоднородных средах на основе обобщенного сингулярного приближения // Вестник Южного научного центра РАН. 2015. Т. 11. № 3. С. 11–17. [Kolesnikov, V.I., Yakovlev, V.B., Bardushkin, V.V., Sychev, A.P. On the prediction of local elastic fields' distributions in non-uniform media on the basis of a generalized singular approximation. Vestnik Yuzhnogo nauchnogo tsentra RAN [Bulletin of the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2015, vol. 11, no. 3, pp. 11–17. (In Russian)]
- Бардушкин В.В., Сорокин А.И., Сычев А.П. Концентрация напряжений и деформаций в полимерных композитах с наполненными смазкой сферическими микрокапсулами и дисперсными включениями бесщелочного стекла // Вестник РГУПС. 2016. № 1. С. 8–13. [Bardushkin, V.V., Sorokin, A.I., Sychev, A.P. Stress and strain concentration in the polymer-based composites with lubricated spherical microcapsules and disperse inclusions of E-glass. Vestnik RGUPS [Bulletin of RGUPS], 2016, no. 1, pp. 8–13. (In Russian)]
- Колесников В.И., Бардушкин В.В., Яковлев В.Б., Сычев А.П., Кириллов Д.А., Сорокин А.И. О методе прогнозирования предельных прочностных характеристик матричных композитов, основанном на использовании оператора концентрации напряжений // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2014. № 1. С. 45–51. [Kolesnikov, V.I., Bardushkin, V.V., Yakovlev, V.B., Sychev, A.P., Kirillov, D.A., Sorokin, A.I. About a method of predicting of ultimate strength characteristics of the matrix composites, based on use of the operator of stresses concentration. Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation, 2014, no. 1, pp. 45–51. (In Russian)]
- Бардушкин В.В., Сорокин А.И., Сычев А.П. Моделирование предельных значений прочностных показателей полимерных композитов с наполненными смазкой сферическими микрокапсулами и дисперсными включениями бесщелочного стекла // Вестник РГУПС. 2016. № 3. С. 8–13. [Bardushkin, V.V., Sorokin, A.I., Sychev, A.P. Modeling the limiting strength of the polymer-based composites with spherical microcapsules filled with lubricate and disperse inclusions of E-glass. Vestnik RGUPS [Bulletin of RGUPS], 2016, no. 3, pp. 8–13. (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. 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. 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. Interdisciplinary approach to predicting macroscopic and filtration-capacitive properties of hydrocarbon reservoirs. Dr. phys.-math. sci. diss. Moscow, 2013. (In Russian)]
- Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука, 1977. 399 с. [Shermergor, T.D. Micromechanics of inhomogeneous medium. Nauka, Moscow, 1977. (In Russian)]
- Паньков А.А. Методы самосогласования механики композитов. Пермь: изд-во ПГТУ, 2008. 253 с. [Pan'kov, A.A. 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.) 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. 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) 2021 Колесников В.И., 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.
