CC BY
82. Указ Президента РФ № 164 от 05.03.2020 «Об основах государственной политики РФ в Арктике на период до 2035 года»
3. Бузник В.М., Каблов Е.Н. Арктическое материаловедение. - Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2018. Вып. 3. 44 с.
4. Официальный сайт: The lens [Электронный ресурс], URL: https://www.lens.org/ (дата обращения 11.07.2024)
5. Официальный сайт: Espacenet [Электронный ресурс], URL: https://worldwide.espacenet.com/ (дата обращения 11.07.2024)
6. Приказ Роспатента от 23 января 2017 г. No 8 «Об утверждении Методических рекомендаций по подготовке отчетов о патентном обзоре (патентный ландшафт)». М.: ФИПС, 2017. -16 с.
7. Выявление тенденций развития области морозостойких эластомерных материалов с использование патентной аналитики / Гайдукова Л.В., Гарчева П.С., Курлянд С.К., Мурашев С.В. // Полимерные и композиционные материалы в условиях севера. Труды Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, посвященной 120-летию открытия синтетического каучука И.Л. Кондаковым. Якутск, октябрь 2021 г. С. 26-28.
DOI: 10.24412/cl -37269-2024-1-209-212
ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ НОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
Гусев ЕЛ.1, 2, Петрова П.Н.1, Гоголева О.В.1, Колесова ЕС.1
1 Институт проблем нефти и газа ФИЦ «ЯНЦ СО РАН, г. Якутск 2 Институт математики и информатики Северо-Восточного федерального
университета, г. Якутск [email protected]
На основе разрабатываемой методологии прогнозирования определяющих характе-стик композиционных материалов и конструкций в рамках вариационных постановок обратных задач прогнозирования проведены исследования возможности оптимального прогнозирования срока службы ряда новых полимерных композиционных материалов при воздействии экстремальных климатичесикх факторов внешней среды, характерных для холодного климата Арктической и Субарктической зоны.
В последние десятилетия при разработке новых функциональных полимерных композиционных материалов (ПКМ) для применения в экстремальных условиях Арктической и Субарктической зоны недостаточно только улучшения ключевых эксплуатационных характеристик, таких как прочность, эластичность, износостойкость и электропроводность. При создании полимерных материалов (ПМ), полимерных композиционных материалов (ПКМ) в экстремальных условиях Арктической и Субарктической зоны важно учитывать множество требований к работе в экстремальных условиях Севера. Одним из центральных требований к ПМ, ПКМ в экстремальных условиях Арктической и Субарктической зоны является требование стабильности определяющих свойств материалов под воздействием экстремальных климатических факторов. Проведение климатических испытаний позволяет как определить текущие изменения в свойствах материалов, так и прогнозировать изменение этих свойств в будущем [1-9].
На основе разрабатываемой методологии как краткосрочного, так и средне-, и долгосрочного прогнозирования определяющих хаарктеистик композиционных материалов и конструкций в рамках вариационных постановок обратных задач прогнозирования проведены исследования возможности оптимального прогнозирования срока службы ряда новых полимерных композиционных материалов при воздействии экстремальных климатичесикх факторов внешней среды, характерных для холодного климата Арктической и Субарктической зоны [1-9].
На основе проведенных натурных испытаний и разрабатываемой методологии оптимального прогнозирования определяющих характеристк композитов в экстремальных условиях в рамах вариационных постановок обратных задач прогнозирования были проведены исследования возможности построения объективных оценок степени воздействия экстремальных климатических факторов на физико-механические свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и композиционных материалов на его основе. Натурные испытания сверхвысокомолекулярного полиэтилена и композиционного материалов на его основе проводились как с добавлением стабилизатора, так и без его добавления.
В качестве армирующего наполнителя для полимерной матрицы на основе СВМПЭ использовались углеродные волокна марки «Белум». В качестве противостарителя был выбран стабилизатор марки СО-4. Исследования по естественному старению композита проводились в экстремальных климатических условиях г. Якутска на открытом испытательном полигоне ИПНГ ФИЦ «ЯНЦ СО РАН» в соответствии с ГОСТ 9.708-83.
В работе [10] было установлено, что СВМПЭ и ПКМ на его основе подвергаются старению уже к шестому месяцу экспонирования. При этом установлено, что процесс старения материалов сопровождается падением механических характеристик.
Известно, что старение полимеров сопровождается конкурирующими процессами, связанными с дополнительным структурированием и разрушением полимерных цепей. Для предотвращения процессов старения был использован стабилизатор марки СО-4.
В работах [12, 13] показана перспективность применения данного стабилизатора для использования в полиэтиленовых композитах с целью повышения климатической стойкости.
В качестве армирующего наполнителя для полимерной матрицы на основе СВМПЭ использовались углеродные волокна марки «Белум». В качестве противостарителя был выбран стабилизатор марки СО-4. На рис. 1 приведены результаты климатических испытаний в условиях г. Якутска СВМПЭ с углеродными волокнами (УВ) в качестве армирующего наполнителя, со стабилизатором и без стабилизатора.
Рис. 1. Зависимость относительного удлинения (а) и предела прочности (б) СВМПЭ, СВМПЭ+5масс%УВ и СВМПЭ+0,5масс%СО-4+5масс%УВ от времени экспонирования
Натурные эксперименты показали, что физико-механические характеристики СВМПЭ остаются стабильными только на протяжении первых 90 дней экспозиции (рис.1). В случае модификации ПКМ только углеродными волокнами ухудшение физико-механических характеристик начинается уже после 80 дней экспозиции. Натурные эксперименты также показали, что ПКМ на основе СВМПЭ с добавлением 0,5 мас.% стабилизатора сохраняет свои деформационные и прочностные свойства на уровне неэкспонированного образца уже в течение 13 месяцев.
Одной из центральных проблем является проблема создания новых перспективных композиционных материалов с повышенным сроком службы. Для решения данной проблемы возникает необходимость в разработке методологии объективной оценки срока службы разрабатываемых новых перспективных КМ. В работах [3-9] в рамках вариационных постановок была разработана методология оптимального прогнозирования определяющих характеристи композитов.
В рамках вариационных постановок обратных задач прогнозирования разработана оптимальная обобщенная модель долговечности (ОМД), учитывающая одновременное воздействие нескольких дестабилизирующих факторов на композит [3-9]. При предположениях, что различные физические факторы оказывают на композит влияние, независимое от воздействия других факторов, разработанная ОМД, описывающая одновременное воздействие нескольких физических факторов на материал, может быть представлена в виде:
р I \
Я=Я¥, (] и- ,2'-'иьь;*) • (1)
}=1
В этих обозначениях R есть определяющее свойство материала, (иуД'и]21,...,и]Л ;*)'(] = 1'2'...,р) - модель, описывающая воздействие j-го фактора на композит, иь,1 ,и-,2'...'иь'/. - система неопределенных параметров, описывающих характер
воздействия j-го фактора на композит, t - время. Каждая из функций Fj, описывающая воздействие j -го фактора на композит может быть представлена в виде разложения в ряд по систем
опорных базисных функций (ОБФ) ¡V- (к ;*),(к = 1'2'3,...) , в наиболее полной мере характеризующих особенности процесса увеличения поврежденности материала при воздействии эстремальных факторов внешней среды. В результате общее выражение для ОМД может быть представлено в виде
я( ; *) = Яо + £ £ а- (и„1'...' ] \ь к (ил1'-' иы]); * ] • (2)
-=1 к=1
В этих обозначениях а-(и]Д'...'и]^1 )'Р-(иц'...'и].,1 )А] =1'2'...'р; к = 0'1'2'...) неопределенные параметры модели, которые характеризуют воздействие j -го фактора. N - число слагаемых при разложении j-го фактора в ряд по системе ОБФ.
При разработке новых композиционных материалов с повышенным сроком службы одной из центральных проблем является проблема оценки и долгосрочного прогнозирования срока службы новых композиционных материалов, на основе проведенных натурных климатических испытаний в первые несколько лет. В качестве определяющих характеристик для прогнозирования срока службы СВМПЭ были выбраны относительное удлинение е % и
прочность а р .
Разрабатываемая методология в рамках вариационных постановок обратных задач прогнозирования [3-9] была применена для оценки влияния на срок службы СВМПЭ стабилизатора марки СО-4. Для оценки срока службы принимались предельные значения работоспособности при относительном удлинении: е % «30—50%, прочность: а ~ 10— 15МПа . Проведенные вычислительные эксперименты по разрабатываемой методологии прогнозирования в рамках вариационных постановок [3-9] позволили получить достаточно достоверные про-
гнозы срока службы СВМПЭ с добавлением стабилизатора марки СО-4. При этом проведенные вычислительные эксперименты позволили установить, что срок службы СВМПЭ с добавлением стабилизатора марки СО-4 является одинаковым при задании предела работоспособности как по относительному удлинению £ %, так и по прочности о. Полученные результаты свидетельствуют о большой достоверности прогноза на основе разрабатываемой методологии прогнозирования в рамках вариацонных постановок обратных задач прогнозирования.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИПНГ ФИЦ «ЯНЦ СО РАН», Якутск, Россия (номер гос. регистрации 122011100162-9).
Литература
1. Каблов Е.Н., Старцев В.О. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных композиционных материалов по данным отечественных и зарубежных источников (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 2(51). С. 47-58. DOI: 10.18577/2071 -9140-2018-0-2-47-58.
2. Petukhova E.S., Fedorov A.L. Investigation of the climate resistance of stabilized polyethylene composite materials // Procedia Structural Integrity. 2019. Vol. 20. P. 75-80.
3. Gusev E.L. Using parallel procedures for the searching of the extremum for the decision of the inverse problems prediction of the defining characteristics of the composite materials// Material Physics and Mechanics, 2016, V.26, N 1, P. 70-72.
4. Gusev E.L., Bakulin V.N. Variation formulations of inverse problems in forecastting the residual life of composites //Doklady Physics, 2018, v.63, N 9, P. 388-392.
5. Gusev E.L., Bakulin V.N. Optimal control under a decrease in the thermal-field intensity based on selection of the heterogeneous -construction structure in the variational formulation// Doklady physics, 2018, V. 63, N 5, P. 213-217.
6. Gusev E. L., Bakulin V. N., Chernykh V. D. Development of combined search methods for efficiency indicator extreme in variation statement of forecasting tasks for determine characteristics of composite materials // Journal of Physics: Conference Series. , Supercomputer Technologies in Mathematical Modelling, 19-21 June 2019, Moscow, Russian Federation 2019. Vol. 1392. 012008.
7. Gusev E.L., Bakulin V.N. Variational Methods of Solving Problems on Control of the Intensity of a Temperature Field // Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2021, v. 94, № 5, P.1117-1123.
8. Gusev E.L., Bakulin V.N. Generalized Durability Models and their Application to Solving Problems on Predicting the Defining Characteristics of Composites// Mechanics of Composites Materials, V. 58, N 3, 2022, P. 355-364
9. Gusev E.L., Bakulin V.N. Mathematical Methods for Predicting the Determining Characteristics of Composite under the Influence of Extreme Factors //AIP Conference Proceedings, 2023, 2948(1), 020030
10. Колесова ЕС., Гоголева О.В., Петрова П.Н. Разработка ПКМ на основе СВМПЭ с высокой стабильностью свойств в условиях резко-континентального климата // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. - 2021. - Т. 26, № 4. - С. 122-131.
11. Грасси Н., Скотт Дж. Деструкция и стабилизация полимеров: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 446 с.
12. Петухова Е.С., Федоров А.Л. Климатические испытания полиэтиленовых композиционных материалов, содержащих различные стабилизирующие добавки // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2019. № 4(24). С. 169-178. DOI: 10.31242/2618-9712-2019-24-4-16.
13. Смирнова А.И., Осовская И.И. Функциональные материалы в производстве пластмасс: Антиоксиданты. СПб: СПбГТУРП, 2015. 31 с.
