ИСТИНА

Композитные материалы (КМ) широко применяются во всех отраслях промышленности, строительства, медицины, авиаракетной технике благодаря своим высоким удельным механическим и физическим характеристикам. Один из перспективных классов КМ – углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ). Они обладают очень высокой термостойкостью и применяются для изготовления теплозащитных покрытий аппаратов, сопел и внутренних стенок ракетных двигателей, тормозных дисков для самолетов, электродов и других изделий. Объемно-армированные УУКМ, как правило, изготавливаются по многоэтапным технологиям пропитки каркасов из высокомодульных углеродных волокон (уложенных в определенном порядке жгутов-стержней диаметром 0.1-0.8 мм, изготовленных из углеродных нитей) жидким каменноугольным пеком или термореактивной смолой с последующим нагревом до высоких температур с целью карбонизации и графитации. По типу армирования различают однонаправленные, двумерно-армированные и объемно-армированные УУКМ (типов 3-D, 4-DL, N-DL). С увеличением числа направлений укладки волокон, как правило, улучшаются прочностные характеристики. Механические и физические свойства УУКМ существенно зависят от особенностей технологии пропитки и высокотемпературной обработки, от условий (в частности, температуры и давления) проведения карбонизации и графитации. Одна из основных технологий изготовления КМ и изделий из них – жидкое композитное формование (литьевое формование, вакуумная инфузия), пропитка армирующих каркасов смолами. В процессе пропитки вследствие выделения и взаимодействия пузырьков газа и захвата дополнительного газа из-за особенностей геометрии каркаса и течения образуются многочисленные поры. Их наличие, как правило, ухудшает физические и механические характеристики КМ. Эти поры становятся концентраторами напряжений и, в конечном итоге, могут привести к образованию и росту трещин и разрушению материала. Для моделирования затекания связующего (вязкой жидкости с пузырьками газа) в каркас и изучения механизмов образования пор в процессе пропитки КМ и способов управления процессом формирования пористости используется модель течения двухфазной вязкой несжимаемой жидкости в пористой среде с учетом эффектов поверхностного натяжения, протекания экзотермической реакции полимеризации смолы и влияния температуры и степени полимеризации на вязкость смолы. Численная реализация осуществлена на базе открытого кода «Basilisk», позволяющего производить параллельные вычисления на адаптивных сетках, основанных на вейвлетном анализе. Адаптивные сетки эффективны в задачах моделирования многофазных течений, которые сопровождаются большими скачками свойств среды (плотность, вязкость) и других физических величин (скорость, давление и т.п.). Необходимо измельчать сетку вблизи поверхностей раздела фаз (жидкость, газ, твердое тело), чтобы получить более точное решение и разрешать микромасштабы, а в области с гладким решением применять более грубую сетку для экономного использования компьютерных ресурсов. Возможности кода «Basilisk» ограничены: моделирование либо только двухфазного течения (жидкость-жидкость), либо однофазного течения с твердыми телами. Был разработан новый модуль для описания каркасов с произвольной геометрией методом погруженных границ (методом пенализации Бринкмана), который позволяет моделировать трехфазные системы (жидкость-жидкость-твердое тело). Для моделирования течения термореактивной смолы разработан модуль для учета изменения вязкости в зависимости от температуры и степени полимеризации. Получены тестовые результаты расчета многофазного течения сквозь пористую среду.