539.3 Структурная многомасштабная модель термодеструктирующих упругих композитов

Димитриенко Ю. И. (МГТУ им.Н.Э.Баумана), Юрин Ю. В. (МГТУ им.Н.Э.Баумана), Коряков М. Н. (МГТУ им.Н.Э.Баумана), Маремшаова А. А. (МГТУ им.Н.Э.Баумана)

ТЕРМОДЕСТРУКЦИЯ, КОМПОЗИТЫ, ЯЧЕЙКА ПЕРИОДИЧНОСТИ, МКЭ, ВЫСОКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, MANIPULA/SMCM


doi: 10.18698/2309-3684-2025-2-1936


Предложена структурная многомасштабная модель термодеструктирующих при высоких температурах композиционных материалов, которая позволяет прогнозировать термоупругие свойства композита на основе свойств исходных компонентов – фаз матрицы и фаз моноволокон. Модель учитывает кинетику фазовых превращений в матрице и моноволокнах, происходящих в них при высоких температурах, что позволяет описывать эффекты зависимости свойств композита не только от температуры, но и от скорости нагрева и предыстории нагрева. Предложенная модель состоит из 4 структурных уровней, на нижнем уровне находятся фазы матрицы и моноволокон, а на верхнем уровне – находятся ячейка периодичности, образованная нитями из моноволокон и окружающей их матрицы. Для каждого структурного уровня вводится своя ячейка периодичности. Для нижних уровней применяются приближенно-аналитическое решения задач на ячейках периодичности, предложенные ранее в работах Ю.И. Димитриенко, а для ячейки периодичности верхнего уровня строится 3D конечно-элементное решение локальной задачи. Многомасштабная модель термодеструктирующих композитов реализована в программном комплексе Manipula/SMCM, разрабатываемом в НОЦ «СИМПЛЕКС» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Приведен численный пример расчета упругих свойств тканевого стеклоэпоксидного композита при нагреве до высоких температур.


[1] Riccio A., Raimondo F., Sellitto A., Carandente V., Scigliano R., Tescione D. Optimum design of ablative thermal protection systems for atmospheric entry vehicle. Applied Thermal Engineering, 2017, no. 119, pp. 541–552.
[2] Carandente V., Savino R., Iacovazzo M., Boffa C. Aerothermal analysis of a sample-return reentry capsule. Fluid Dynamics and Materials Processing, 2013, vol. 9, iss. 4, pp. 461–484
[3] Weng H., Martin A. Numerical investigation on charring ablator geometric effects: study of stardust sample return capsule heat shield. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2015, art. no. AIAA 2015-0211. DOI: 10.2514/6.2015-0211
[4] Алифанов О.М., Иванков А.А., Нетелев А.В., Финченко В.С. Исследование характеристик теплозащитного покрытия аэроупругих тормозных устройств спускаемых в атмосфере планет аппаратов. Труды МАИ, 2013, № 71, c. 18.
[5] Полежаев Ю. В., Юревич Ф. Б. Тепловая защита. Москва, Энергия, 1976, 391 с.
[6] Ayasoufi A., Rahmani R.K., Cheng G., Koomullil R., Neroorkar K. Numerical simulation of ablation for reentry vehicles. Collection of Technical Papers — 9th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference Proceedings, vol. 1, pp. 14–25.
[7] Beerman A.F., Lewis M.J., Starkey R.P., Cybyk B.Z. Significance of nonequilibrium surface interactions in Stardust return capsule ablation modeling. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2009, vol. 23, no. 3, pp. 425–432.
[8] Weng H., Martin A. Numerical investigation on charring ablator geometric effects: study of stardust sample return capsule heat shield. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2015, art. no. AIAA 2015-0211. DOI: 10.2514/6.2015-0211
[9] Димитриенко Ю.И. Механика композитных конструкций при высоких температурах. Москва, Физматлит, 2018, 448 с.
[10] Dimitrienko Yu.I. Internal heat-mass transfer and stresses in thinwalled structures of ablating materials. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1997, vol. 40, no. 7, pp. 1701–1711.
[11] Dimitrienko Yu.I. Thermomechanical behaviour of composite materials and structures under high temperatures: 2. Structures. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 1997, vol. 28, iss. 5, pp. 463–471.
[12] Страхов В. Л., Разин А. Ф., Каледин Вл. О. Теплозащита напряженных композитных конструкций. Москва, Инновационное машиностроение, 2024, 355 с.
[13] Страхов В.Л, Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П. Математическое моделирование работы и определение комплекса характеристик вспучивающейся огнезащиты. Пожаровзрывобезопасность, 1997, № 3, с. 21-30.
[14] Dimitrienko Yu.I. A structural thermomechanical model of textile composite materials at high temperatures. Composite science and technologies, 1999, vol. 59, pp. 1041-1053.
[15] Dimitrienko Yu.I. Thermomechanics of Composites under High Temperatures. Kluwer Academic Publishers. Dordrecht/Boston/London, 1999, 347 p.
[16] Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н., Юрин Ю.В., Захаров А.А. Конечно-элементное моделирование термонапряжений в композитных термодеструктирующих конструкциях при аэродинамическом нагреве. Математическое моделирование и численные методы, 2019, № 2, с. 15–34.
[17] Димитриенко Ю.И., Коряков М.Н., Юрин Ю.В., Захаров А.А., Сборщиков С.В., Богданов И.О. Сопряженное моделирование высокоскоростной аэро-термодинамики и внутреннего тепломассопереноса в композитных аэрокосмических конструкциях. Математическое моделирование и численные методы, 2021, № 3, с. 42–61.
[18] Свидельство № 2020663790 Программа TERMALSTRESS-PCM_HT_MANIPULA для конечно-элементного расчета термонапряжений в конструкциях конического типа из тканевых полимерных композиционных материалов при воздействии высокотемпературного газового потока, с учетом криволинейно анизотропии и термодеструкции материала: свидетельство об офиц. регистрации программы для ЭВМ /Димитриенко Ю.И., Юрин Ю.В., Коряков М.Н., Сборщиков С.В., Захаров А.А., Богданов И.О.; заявитель и правообладатель МГТУ им. Н.Э. Баумана — № 2020662965; заявл. 26.10.2020; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 02.11.2020 ― [1].
[19] Бахвалов Н.С., Панасенко Г.П. Осреднение процессов в периодических средах. Математические задачи механики композиционных материалов. Москва, Наука, 1984, 352 с.
[20] Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. Москва, Издательство МГУ, 1984, 336 с.
[21] Димитриенко Ю.И. Кашкаров А.И. Расчет эффективных характеристик композитов с периодической структурой методом конечного элемента. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Естественные науки, 2002, № 2, с. 95-108.
[22] Димитриенко Ю. И., Юрин Ю. В., Сборщиков С. В. Многомасштабное моделирование упругопластических композиционных материалов. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2024, 228 с.


Димитриенко Ю.И., Юрин Ю.В., Коряков М.Н., Маремшаова А.А. Структурная многомасштабная модель термодеструктирующих упругих композитов. Математическое моделирование и численные методы, 2025, № 2, с. 19–36.



Скачать статью

Количество скачиваний: 7