книги / Методические указания по освоению дисциплины Механика композиционных материалов для студентов бакалавриата по направлению 22.03.01 Материаловедение и технологии материалов
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Кафедра общей физики
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по освоению дисциплины «Механика композиционных материалов»
для студентов бакалавриата по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов»
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2017
Составители: Е.Ю. Макарова, Ю.В. Соколкин
УДК 620.22-419.8:539.3(072.8) М54
Рецензент д-р техн. наук, проф. А.Н. Аношкин
(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Методические указания по освоению дисциплины «Механика М54 композиционных материалов» для студентов бакалавриата по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» / сост. Е.Ю. Макарова, Ю.В. Соколкин. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед.
политехн. ун-та, 2017. – 21 с.
Приведены список тем учебной дисциплины и основная используемая литература. Список периодических изданий и дополнительная литература предназначены для организации самостоятельной работы студентов.
Предназначено для студентов бакалавриата по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов».
Утверждено на заседании кафедры механики композиционных материалов и конструкций: протокол № 16 от 31.05.2017
УДК 620.22-419.8:539.3(072.8)
© ПНИПУ, 2017
2
Содержание |
|
Введение |
4 |
1Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине, |
|
соотнесенных с планируемыми результатами |
|
освоения образовательной программы |
5 |
2 Содержание разделов и тем учебной дисциплины |
8 |
3 Методические указания для студентов по изучению |
|
дисциплины |
12 |
4 Требованиякоформлениюиспособампредставления |
|
результатов |
15 |
Библиографическийсписок |
17 |
Приложение |
20 |
3
Введение
Цель учебной дисциплины – изучение основных физико-химических процессов при создании композиционных материалов, изучение влияния свойств матриц, волокон, поверхностей раздела, технологических процессов на макроскопические свойства композитов.
Во время освоения данной дисциплины студент углубляет и демонстрирует следующие профессиональные компетенции подготовки:
–готовность использовать методы моделирования при прогнозировании и оптимизации технологических процессов и свойств материалов, стандартизации и сертификации материалов и процессов (ПК-3);
–способность использовать в исследованиях и расчетах знания о методах исследования, анализа, диагностики и моделирования свойств веществ (материалов), физических и химических процессах, протекающих в материалах при их получении и модификации (ПК-4);
–способность выбирать и применять соответствующие методы моделирования физических, химических и технологических процессов (ПК-7).
Задачи учебной дисциплины
•изучение основных принципов построения моделей композитов; методов проектирования физико-механических свойств композиционных материалов;
•формирование умения учитывать структуру материала при прогнозировании эффективных свойств композитов; определения эффективных упругих и прочностных свойств композиционных материалов;
•формирование навыков решения краевых задач структурнофеноменологическим методом; учета быстроосцилирующих моментных функций высших порядков при моделировании структуры композита.
Предметом освоения дисциплины являются следующие объекты:
•физико-механические свойства композиционных материалов;
•физико-химические свойства композиционных материалов;
•макроскопические свойства композиционных материалов;
•анизотропные свойства композиционных материалов;
•функции осреднения;
•краевые задачи.
В результате изучения дисциплины обучающийся должен освоить части указанных выше компетенций и демонстрировать следующее:
знать:
- свойства основных типов матриц, волокон, границ раздела и схемы армирования композиционных материалов; - физико-химические процессы при создании и деформировании композиционных материалов; - типовые механизмы разрушения;
уметь:
4
-оценить влияние внутренних поверхностей раздела на формирование композиционных материалов;
-прогнозировать упругие и прочностные свойства квазиизотропных однонаправленно армированных композитов, композитов слоистой структуры, объемно-армированных композитов и статистических смесей;
владеть:
-методами определения полей деформаций в структурных композитах;
-принципами построения моделей механики микронеоднородных сред;
-опытом использования испытательной и вычислительной техники для определения физико-механических свойств композиционных материалов.
1.Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине, соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной
программы
Учебная дисциплина обеспечивает формирование частей компетенций ПК-3, ПК-4; ПК-7.
Дисциплинарная карта компетенции ПК-3
Код ПК-3
Код ПК-3.Б1.В.09
Формулировка компетенции
готовность использовать методы моделирования при прогнозировании и оптимизации технологических процессов и свойств материалов, стандартизации и сертификации материалов и процессов
Формулировка дисциплинарной части компетенции
готовность использовать методы моделирования при прогнозировании свойств материалов
Требования к компонентному составу части компетенции
Перечень компонентов |
Виды учебной |
Средства оценки |
||
работы |
||||
|
|
|
||
В результате изучения дисциплины |
Лекции. |
Контрольные |
|
|
студент должен знать: |
Самостоятельная |
вопросы |
к |
|
– классификацию, номенклатуру и |
работа. |
текущему |
и |
|
свойства композиционных материалов; |
|
промежуточному |
|
|
– физико-химические процессы при |
|
контролю. |
|
|
создании композиционных материалов; |
|
Вопросы к зачету, |
|
|
– методы моделирования физико- |
|
|
||
|
экзамену |
|
||
химических процессов на поверхностях |
|
|
||
|
|
|
||
раздела композиционных материалов; |
|
|
|
|
– основы диагностики и моделирования |
|
|
|
|
свойств композиционных материалов |
|
|
|
|
Уметь: |
Практические |
Типовые задания к |
||
– строить определяющие соотношения на |
занятия. |
практическим |
|
|
структурном уровне; |
Индивидуальные |
занятиям, |
|
|
5 |
|
|
|
|
Перечень компонентов |
Виды учебной |
Средства оценки |
|
работы |
|||
|
|
||
– устанавливать связи между |
задания. |
индивидуальным |
|
структурными и макропараметрами |
Самостоятельная |
работам. |
|
деформирования композиционных |
работа. |
Контрольная |
|
материалов; |
|
работа. |
|
– осуществлять постановку краевой |
|
||
|
Типовые задания к |
||
задачи механики композитов с |
|
||
|
экзамену. |
||
периодической и стохастической |
|
||
|
|
||
структурой; |
|
|
|
– рассчитывать эффективные модули |
|
|
|
упругости композитов |
|
|
|
Владеть: |
Практические |
Типовые задания к |
|
– навыками исследования структуры |
занятия. |
практическим |
|
композиционных материалов; |
Индивидуальные |
занятиям, |
|
– навыками моделирования свойств |
задания. |
индивидуальным |
|
композиционных материалов на |
Самостоятельная |
работам. |
|
макроуровне |
|||
работа. |
Контрольная |
||
|
|||
|
|
работа. |
|
|
|
Типовые задания к |
|
|
|
экзамену. |
Дисциплинарная карта компетенции ПК-4
Код |
Формулировка компетенции |
ПК-4 |
способность использовать в исследованиях и расчетах знания о |
|
методах исследования, анализа, диагностики и моделирования |
|
свойств веществ (материалов), физических и химических |
|
процессах, протекающих в материалах при их получении и |
|
модификации |
Код ПК-4.Б1.В.09
Формулировка дисциплинарной части компетенции
способность использовать в исследованиях и расчетах знания о методах исследования, анализа, диагностики и моделирования свойств веществ (материалов)
Требования к компонентному составу части компетенции
Перечень компонентов |
Виды учебной |
Средства оценки |
|||
работы |
|||||
|
|
|
|
||
В результате изучения |
дисциплины |
Лекции. |
Контрольные |
|
|
студент должен знать: |
|
Самостоятельная |
вопросы |
к |
|
– современные методы решения краевых |
работа. |
текущему |
и |
||
задач микромеханики композитов; |
|
промежуточному |
|
||
– современные механизмы структурного и |
|
контролю. |
|
||
макроскопического |
разрушения |
|
Вопросы к зачету, |
|
|
композитов; |
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
6 |
|
|
|
|
|
Перечень компонентов |
|
|
Виды учебной |
Средства оценки |
||||||
|
|
|
работы |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
– объемную схему расчета конструкций из |
|
экзамену |
|||||||||
композиционных материалов |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Уметь: |
|
|
|
|
|
Практические |
Типовые задания к |
||||
– |
проводить |
оценку прогнозирования |
занятия. |
практическим |
|||||||
упругих |
и |
|
прочностных |
свойств |
Индивидуальные |
занятиям, |
|||||
композиционных материалов; |
|
|
задания. |
индивидуальным |
|||||||
– |
рассчитывать предельные поверхности |
||||||||||
прочности современных композиционных |
Самостоятельная |
работам. |
|||||||||
работа. |
Контрольная |
||||||||||
материалов; |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
работа. |
|||||
– рассчитывать структурные деформации |
|
||||||||||
|
Типовые задания к |
||||||||||
и |
напряжения |
в квазиизотропных |
|
||||||||
композитах |
|
|
|
|
|
|
экзамену. |
||||
Владеть: |
|
|
|
|
|
Практические |
Типовые задания к |
||||
– навыками моделирования структуры и |
занятия. |
практическим |
|||||||||
свойств на структурном уровне; |
|
и |
Индивидуальные |
занятиям, |
|||||||
– |
навыками |
прогнозирования |
задания. |
индивидуальным |
|||||||
оптимизации |
макроскопических |
свойств |
|||||||||
композиционных материалов |
|
|
Самостоятельная |
работам. |
|||||||
|
|
работа. |
Контрольная |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
работа. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Типовые задания к |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
экзамену. |
|||
|
Дисциплинарная карта компетенции ПК-7 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
Формулировка компетенции |
|
|
||||
|
Код |
|
|
|
|
||||||
|
ПК-7 |
|
|
способность выбирать и применять соответствующие методы |
|
|
|||||
|
|
|
|
моделирования физических, химических и технологических |
|
|
|||||
|
|
|
|
процессов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Формулировка дисциплинарной части компетенции |
|
|
|||||
|
Код |
|
|
|
|||||||
ПК-7.Б2.В.07 |
способность выбирать и применять соответствующие методы |
|
|
||||||||
моделирования физических процессов |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7
Требования к компонентному составу части компетенции
Перечень компонентов |
Виды учебной |
Средства оценки |
||
работы |
||||
|
|
|
||
В результате изучения дисциплины |
Лекции. |
Контрольные |
|
|
студент должен знать: |
Самостоятельная |
вопросы |
к |
|
– современные проблемы механики |
работа. |
текущему |
и |
|
композиционных материалов; |
|
промежуточному |
|
|
– современные масштабные уровни |
|
контролю. |
|
|
композитов: макроуровень, микроуровень, |
|
Вопросы к зачету, |
|
|
наноуровень |
|
|
||
|
экзамену |
|
||
|
|
|
||
|
|
|
||
Уметь: |
Практические |
Типовые задания к |
||
– использовать на практике современные |
занятия. |
практическим |
|
|
представления наук о композиционных |
Индивидуальные |
занятиям, |
|
|
материалов; |
задания. |
индивидуальным |
|
|
– оценивать влияние микро- и |
Самостоятельная |
работам. |
|
|
наномасштаба на свойства |
|
|||
работа. |
Контрольная |
|
||
композиционных материалов |
|
|||
|
работа. |
|
||
|
|
|
||
|
|
Типовые задания к |
||
|
|
экзамену. |
|
|
Владеть: |
Практические |
Типовые задания к |
||
– навыками определения свойств |
занятия. |
практическим |
|
|
композиционных материалов на макро-, |
Индивидуальные |
занятиям, |
|
|
микро- и субуровне; |
задания. |
индивидуальным |
|
|
– навыками использования |
Самостоятельная |
работам. |
|
|
испытательной и вычислительной техники |
|
|||
работа. |
Контрольная |
|
||
для определения физико-механических |
|
|||
|
работа. |
|
||
свойств композиционных материалов |
|
|
||
|
Типовые задания к |
|||
|
|
|||
|
|
экзамену. |
|
|
2 Содержание разделов и тем учебной дисциплины
Модуль 1. Основные понятия механики композитов, классификация и свойства композитов
Раздел 1. Основные понятия физико-химии и механики композитов Л – 1.5 ч, СРС – 2 ч
Тема 1. Введение. Основные определения. Определение композиционного материала. Объект исследования конструкции из композиционного материала. Основная задача – прогнозирование физико-механических свойств композитов и расчет на жесткость конструкций. Понятие о конструировании композиционных материалов: варьируемые параметры структуры и свойств элементов структуры.
Тема 2. Волокно и матрица. Роль волокон, матриц и поверхностей раздела в формировании деформационных и прочностных свойств композитов.
8
Раздел 2. Классификация, номенклатура и свойства композиционных материалов Л – 3.5 ч, СРС – 8 ч
Тема 3. Классификация и номенклатура композиционных материалов. Тема 4. Физико-механические свойства волокон. Удельные упругие
прочностные характеристики.
Тема 5. Физико-механические свойства матриц.
Тема 6. Физико-механические свойства однонаправленных волокнистых композитов. Удельные упругие и прочностные характеристики.
Раздел 3. Физико-химические процессы при создании композиционных материалов Л – 3 ч, СРС – 6 ч
Тема 7. Физико-химические процессы и явления при формировании композиционных материалов различных видов. Поверхностные и объемные эффекты.
Тема 8. Виды межфазного взаимодействия. Типы связей между компонентами. Химические, фазовые и релаксационные превращения, смачивание, адгезия, адсорбция, капиллярные явления.
Тема 9. Фазовая структура композитов. Аморфное состояние.
Высокоэластичное состояние. Стеклообразное состояние. Вязкотекучее состояние. Кристаллическое состояние.
Модуль 2. Модели композиционных материалов и схемы расчетов
Раздел 4. Основные принципы построения моделей композиционных материалов Л – 3 ч, ПЗ – 12 ч, СРС – 8 ч
Тема 10. Основные принципы построения моделей композиционных материалов. Понятие о модели микронеоднородной среды. Микроскопические и макроскопические величины. Их связь.
Тема 11. Модель Фойгта для расчета эффективных модулей упругости периодической и стохастической структуры. Модель Рейсса для расчета эффективных модулей упругости периодической и стохастической структуры. Вилки Фойгта-Рейсса, Хашина-Штрикмана.
Тема 12. Постановка краевой задачи механики композитов с периодической и стохастической структурой. Классификация краевых задач микромеханики композитов.
Раздел 5. Объемная схема расчета конструкций из композиционных материалов Л – 3 ч, ПЗ – 8 ч, СРС – 8 ч
Тема 13. Исходная информация. Исходная информация: Характеристики структуры, задание деформационных и прочностных свойств элементов структуры, характеристики адгезионной связи, учет технологических параметров, описание геометрии конструкции и условий нагружения.
Тема 14. Этапы решения задачи механики композитов. Этапы решения задачи: прогнозирование макросвойств; расчет макронапряжений и
9
макродеформаций; расчет микронапряжений и микродеформаций; критерии прочности и трещиностойкости, определение микроповрежденности и параметров микроразрушения и оценка надежности конструкций.
Раздел 6. Понятие о моментных функциях. Построение функционала краевой задачи Л – 2 ч, ПЗ – 6 ч, СРС – 4 ч
Тема 15. Моментные функции различных порядков. Понятие о моментных функциях различных порядков для описания структуры разупорядоченных композитов. Понятия макрооднородности и квазиизотропности микронеоднородной среды.
Тема 16. Традиционный метод решения краевой задачи. Традиционный метод решения краевой задачи для квазиизотропной среды, когда средой сравнения является среда с однородными свойствами. Построение функционала краевой задачи.
Раздел 7. Расчет структурных деформаций и напряжений ПЗ – 10 ч, СРС – 12 ч
Тема 17. Расчет структурных деформаций в квазиизотропных композитах. Тема 18. Расчет структурных напряжений в квазиизотропных композитах.
Раздел 8. Принцип локальности в механике композитов. Метод периодических составляющих Л – 3 ч, СРС – 6 ч
Тема 19. Принцип локальности в механике композитов. Тема 20. Метод локального приближения.
Тема 21. Метод периодических составляющих
Раздел 9. Расчет эффективных модулей упругости Л – 3 ч, ПЗ – 8 ч, СРС – 14 ч
Тема 22. Вычисление эффективных модулей упругости в корреляционном приближении.
Тема 23. Расчет эффективных модулей упругости квазиизотропных композитов методом периодических составляющих.
Тема 24. Расчет эффективных модулей упругости однонаправленных волокнистых композитов методом периодических составляющих.
Раздел 10. Прогнозирование макроскопических упругих свойств композиционных материалов Л – 2 ч, ПЗ – 8 ч, СРС – 12 ч
Тема 25. Прогнозирование макроскопических упругих свойств слоистых композитов. Упругие свойства трансверсально-изотропной среды. Модели и методы приближенного вычисления макросвойств слоистых композитов. Точное решение для упругих модулей слоистых композитов. Примеры решения задачи.
10