\chapter{Локальные поля напряжений и деформаций в представительных объемах тканого композита с поликристаллической матрицей} \section{Математическая модель упруго-хрупкого поведения тканого композита с поликристаллической матрицей} \subsection{Геометрическая модель слоя тканого композита} Будем моделировать слой тканого композита с армирующим каркасом полотняного переплетения образованного волокнами круглого поперечного сечения постоянного диаметра $D$, толщина которого которого составляет $2,5 D$. Будем считать, что искривление нитей основы и утка ткани задается дугой окружности $a$ с центральным углом $\alpha = \pi \mathord{\left/ {\vphantom {\pi 4}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} 4 $ и прямой $b$ (рис.~\ref{fig:c2:geometry}) \cite{bib:imankulova}. В силу малости деформаций будем считать углы $\alpha$ неизменными при нагружении слоя. \begin{figure} \centering \includegraphics[width=17cm]{geom} \caption{Геометрия изгиба волокна} \label{fig:c2:geometry} \end{figure} Построение геометрической модели слоя тканого композита будем проводить с помощью платформы для численного моделирования SALOME, которая представляет собой набор пре- и постпроцессинга. Первоначально задуманная как программное обеспечение CAD-CAE, SALOME реализует возможности параллельных вычислений, объединяет модули, применяемые в различных приложениях численного моделирования и САПР. Так, например, платформа SALOME используется как база для проекта NURESIM (European Platform for NUclear REactor SIMulations), предназначенного для полномасштабного моделирования реакторов \cite{bib:salome}. С помощью операции экструзии вдоль кривой, показанной на рис.~\ref{fig:c2:geometry}, формируется сегмент волокна, из которого, в свою очередь, с помощью операций трансляции и зеркалирования формируется фрагмент ткани (рис.~\ref{fig:c2:regular}~а). Матрица моделируется с помощью операции вычитания из твердотельного прямоугольного параллилепипеда фрагмента ткани, после чего матрица и фрагмент ткани совмещаются для получения твердотельной модели тканого композита с поликристаллической матрицей (рис.~\ref{fig:c2:regular}~б) \cite{bib:salome:geom, bib:salome:additional_geom, bib:laduga:geom}. \begin{figure}[h] \centering \includegraphics[width=17cm]{geometry/v1/regular_all} \caption{Фрагмент слоя тканого композита с идеальной периодической структурой: а)~только волокна, б)~волокна, окруженные матрицей} \label{fig:c2:regular} \end{figure} Коэффициенты армирования моделируемого слоя тканого композита с поликристаллической матрицей --- $\alpha_{1} = \alpha_{3} = 0{,}14$. Здесь и далее оси $x_1$ и $x_3$ ортогональной декартовой системы координат принадлежат плоскости слоя. Будем рассматривать дефекты, типичные для тканых композитов с поликристаллической матрицей: пропуск нити основы (рис.~\ref{fig:c2:fiber_skip}), разрыв волокна основы (рис.~\ref{fig:c2:one_fiber_break}), разрыв волокон основы и утка (рис.~\ref{fig:c2:two_fibers_break}), а также внутреннюю технологическую пору (рис.~\ref{fig:c2:pore}). \begin{figure}[h] \centering \includegraphics[width=17cm]{geometry/v1/d1d2} \caption{Фрагмент тканого композита с пропуском нити без дополнительной пропитки (а) и с пропиткой (б)} \label{fig:c2:fiber_skip} \end{figure} \begin{figure}[h!] \centering \includegraphics[width=17cm]{geometry/v1/d3d6} \caption{Фрагмент тканого композита с разрывом волокна основы без дополнительной пропитки (а) и с пропиткой (б)} \label{fig:c2:one_fiber_break} \end{figure} \begin{figure}[ht!] \centering \includegraphics[width=17cm]{geometry/v1/d4d7} \caption{Фрагмент тканого композита с разрывом волокон основы и утка без дополнительной пропитки (а) и с пропиткой (б)} \label{fig:c2:two_fibers_break} \end{figure} \begin{figure}[ht!] \centering \includegraphics[width=10cm]{geometry/v1/d5} \caption{Фрагмент тканого композита с внутренней технологической порой} \label{fig:c2:pore} \end{figure} Полости, образующиеся в результате разрывов нити основы, нитей основы или утка или вызванные наличием внутренней технологической поры имеют характерные размеры, соизмеримые с характерными размерами неоднородностей, не изменяют значительно интегральные коэффициенты армирования композита. Полость, образующаяся при пропуске волокна основы уменьшает коэффициент армирования вдоль основы до $0{,}13$. При дополнительном уплотнении с последующей карбонизацией или доосаждением матрицы из газовой фазы эти полости могут быть заполнены материалом матрицы либо оставаться незаполненными. \subsection{Постановка краевой задачи теории упругости} Будем предполагать, для простоты, что волокна и матрица слоя модельного тканого композита изотропные, линейно упругие, не изменяющие геометрию, взаимное расположение и тип симметрии при нагружении. Тогда компоненты тензора напряжений $\sigma_{ij,j} ({\bf r})$ удовлетворяют уравнениям равновесия \begin{equation} \sigma_{ij,j} ({\bf r}) = 0,\label{eq:Eqvilibrium} \end{equation} \noindent а компоненты тензора малых деформаций $\varepsilon_{ij}$ связаны с компонентами вектора перемещений $u_{i}$ геометрическими соотношениями Коши \begin{equation} \varepsilon_{ij} ({\bf r}) = \frac{1}{2}\left[u_{i,j} ({\bf r}) + u_{j, i}({\bf r}) \right]. \label{eq:Koshi} \end{equation} Введем для описания геометрии слоя тканого композита единичную кусочно-однородную индикаторную функцию $\lambda({\bf r})$ радиус-вектора ${\bf r}$, которая принимает значение $1$, если точка принадлежит нити основы или утка, и $0$, если матрице. Тогда определяющие соотношения могут быть записаны следующим образом: \begin{equation} \sigma_{ij} ({\bf r}) = \left\{ C_{ijkl}^{f}\lambda({\bf r}) + C_{ijkl}^{m} \left[ 1-\lambda({\bf r}) \right ] \right\} \varepsilon_{kl}({\bf r}), \label{eq:Guck} \end{equation} \noindent где верхними индексами $f$ и $m$ отмечены материальные коэффициенты, относящиеся к волокнам и матрице соответственно. Краевая задача \eqref{eq:Eqvilibrium}--\eqref{eq:Guck} должна быть дополнена граничными условиями \begin{equation} \begin{array}{c} u_1 {\bf (r)}|_{\Gamma_2} = u_1^0, \quad u_3 {\bf (r)}|_{\Gamma_1} = u_3^0, \\ u_1 {\bf (r)}|_{\Gamma_4} = u_3 {\bf (r)}|_{\Gamma_3} = u_2 {\bf (r)}|_{\Gamma_5} = u_2 {\bf (r)}|_{\Gamma_6} = 0, \\ \sigma_{12} {\bf (r)}|_{\Gamma_4} = \sigma_{13} {\bf (r)}|_{\Gamma_4} = \sigma_{13} {\bf (r)}|_{\Gamma_3} = \sigma_{23} {\bf (r)}|_{\Gamma_3} = 0, \\ \sigma_{12} {\bf (r)}|_{\Gamma_5} = \sigma_{13} {\bf (r)}|_{\Gamma_5} = \sigma_{12} {\bf (r)}|_{\Gamma_6} = \sigma_{13} {\bf (r)}|_{\Gamma_6} = 0, \end{array} \label{eq:b_cond} \end{equation} \noindent обеспечивающими заданное макрооднородное равнокомпонентное деформирование в плоскости слоя и условиями идеального сопряжения \begin{equation} \left[\sigma_{ij} {\bf (r)} n_{j} \right] |_{\Gamma_7^{+}} = \left[\sigma_{ij} {\bf (r)} n_{j} \right] |_{\Gamma_7^{-}}, \quad \left[u_i {\bf (r)}\right]|_{\Gamma_7^{+}} = \left[u_i {\bf(r)}\right]|_{\Gamma_7^{-}} \label{eq:b_cond_ideal} \end{equation} \noindent на границах раздела фаз $\Gamma_7$ (рис.~\ref{fig:c2:b_cond}). \begin{figure}[!ht] \centering \includegraphics[width=12cm]{geometry/v1/bc} \caption{Граничные условия краевой задачи теории упругости} \label{fig:c2:b_cond} \end{figure} Полости, вызванные наличием локальных дефектов и незаполенные матрицей имеют внутреннюю поверхность $\Gamma_8$, на которой отсутствуют ограничения на перемещения, а сама поверхность свободна от напряжений: \begin{equation} \sigma_{ij} {\bf (r)} n_{j} |_{\Gamma_8} = 0. \label{eq:b_cond_free} \end{equation} \section{Модели тканого композита с поликристаллической матрицей с периодическим и квазипериодическим расположением волокон} \section{Выводы ко второй главе}