Ученые Южно-Уральского государственного университета провели широкие исследования по изучению баллистических свойств популярного композитного материала – стеклопластика (GFRP), что позволит увеличить эффективность его применения в будущем. Результаты исследований опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Composites Part B: Engineering, входящем в базу цитирования Scopus (Q1).
Проверка на прочность
Популярность стеклопластика (GFRP) обеспечивается тем, что композит относительно дешев, но при этом имеет высокую прочность. Он широко используется в авиации, современном транспорте, ветряных электростанциях и т.д. Исследованию свойств этого композитного материала посвящено большое количество работ. Но практически все известные результаты о баллистических характеристиках стеклопластика не учитывают различные нагрузки, возникающие при эксплуатации конструкций или рассматриваются относительно небольшие скорости ударного нагружения. В то же время, более важной и распространенной проблемой является удар с высокой скоростью.
Команде ученых Политехнического института ЮУрГУ удалось установить баллистические характеристики стеклопластика под воздействием эксплуатационных нагрузок при высокой скорости ударного нагружения.
«Маски современных поездов, выполненные из композитных материалов, часто подвержены ударам во время движения. Перед нами была поставлена задача – изучить, как влияют ударные воздействия на пластину из композитного материала при штатной эксплуатационной нагрузке. Мы растягивали образец, т.е. создавали напряженное состояние и после этого производили по нему удар и определяли баллистические свойства», – рассказывает один из авторов проекта Михаил Жихарев.
Для изучения баллистических свойств использовался компактный разгонный стенд. Во время экспериментов баллистический стенд был помещен в испытательную машину, с помощью которой производилось растяжение образца до заданной величины предварительной нагрузки. Скорость снаряда варьировалась от 100 до 800 м/с для каждого уровня нагрузки.
.jpg)
Эксперименты для будущих исследований
Для получения полной картины свойств композитного стеклопластика также было проведено моделирование методом конечных элементов предварительно нагруженных пластин стеклопластика, подверженных баллистическому удару с использованием пакета ANSYS Workbench. При этом результаты числового моделирования были достаточно близки к данным, полученным в ходе реального эксперимента.
«Нами были получены зависимости величины баллистического предела от величины предварительной нагрузки, – поясняет Михаил Жихарев. – Так было выявлено, что при нагрузках до 50% от предела прочности баллистический предел пластины стеклопластика уменьшается на 15%. При учете полученных данных современные поезда и трамваи из стеклопластика будут проектироваться более устойчивыми к эксплуатационным нагрузкам. Это увеличит их надежность и срок службы».
Работа по исследованию свойств стеклопластика была проведена учеными Южно-Уральского государственного университета в рамках гранта Российского научного фонда. Полученная методика по исследованию свойств материалов будет использована при проектировании новых композитных материалов, создание которых планируется в ЮУрГУ.