Диссертация (Разрушение и пластическое деформирование конструкционных материалов при ударно-волновых нагрузках)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиСЕЛЮТИНА НИНА СЕРГЕЕВНАРАЗРУШЕНИЕ И ПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕКОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УДАРНО-ВОЛНОВЫХНАГРУЗКАХ01.02.04 – Механика деформируемого твердого телаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительдоктор физ.-мат. наукчлен-корреспондент РАНпрофессор Ю.В. ПетровСанкт-Петербург2016ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ .....................................................................................................................

4ГЛАВА 1. ОБЗОР ВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯПРИРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И МАКРОСКОПИЧЕСКОЙ ТЕКУЧЕСТИМЕТАЛЛОВ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ .............. 161.1. Классические и неклассические критерии хрупкого разрушения итекучести при ударно-волновых нагрузках ....................................................... 181.2. Структурно-временной критерий на основе общего механизмаинкубационного времени .......................................................................................

221.3. Единая концепция инкубационного времени для процессов разрушенияи пластического деформирования ........................................................................ 251.4. Интегральный критерий текучести с релаксационной моделью упругихнапряжений ............................................................................................................... 27ГЛАВА 2. РОЛЬ ИНКУБАЦИОННОГО ВРЕМЕНИ ПРИ ХРУПКОМРАЗРУШЕНИИГОРНЫХПОРОДИБЕТОНАКАКСВОЙСТВАМАТЕРИАЛА ПРИ МЕДЛЕННЫХ И БЫСТРЫХ НАГРУЗКАХ ................... 342.1.

Определение прочности горных пород и бетона в широком диапазонескоростей деформаций ............................................................................................ 342.2. Физический смысл инкубационного времени на примере поведенияпрочности бетона с различными наполнителями .............................................

392.3. Определение прочности на различных масштабных уровнях. Различиемежду размерным и масштабным эффектами ................................................... 50ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ КОНЦЕПЦИИ ИНКУБАЦИОННОГО ВРЕМЕНИК ПРОЦЕССАМ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ 583.1. Определение динамического предела текучести по интегральномукритерию текучести ................................................................................................ 5923.2.

Физическая интерпретация инкубационного времени как характерноговремени релаксации упругих напряжений (эффект «зуба текучести»). ....... 633.3.Применениерелаксационноймоделидлякрупнозернистыхимелкозернистых металлов при статической и динамической нагрузке ......

713.4. Соответствие параметров классической и модифицированной моделиДжонсона-Кука с характеристиками критерия инкубационного времени . 75ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 85Список литературы..................................................................................................... 863ВВЕДЕНИЕВ современном мире для уменьшения отказов конструкции необходимоиметь наиболее полное представление о возможных условиях эксплуатации.Особенно острым вопросом остается поведение конструкций при динамическихнагрузках. На основе дорогостоящих натурных испытаний или экспериментов влабораторных условиях, устанавливаются критические напряжения (пределтекучести, предел прочности), используемые для теоретических расчетов, сбольшим коэффициентом запаса по государственному стандарту.

Полученныерезультаты не всегда удовлетворяют реальному поведению конструкции поддействием ударной нагрузки.Одной из главных причин является различная реакция внутренних силматериала на внешнее воздействие в условиях статических и динамическихнагрузок.

В литературе в качестве примера приводится эффект инверсиипрочности [1,2], когда материал с более однородной структурой, обладающийнаибольшей статической прочностью, имеет низкую прочность при быстрыхнагрузках в отличие от более неоднородного материала. Другим примеромявляется переход от упругопластического деформирования материала пристатических нагрузках к хрупкому при динамических нагрузках. В силусложности описания поведения материала при динамических воздействиях,инженерные расчеты проводят на основе различных упрощений. Стоит отметить,что в классических подходах при статических нагрузках вкладом «инерционных»сил часто пренебрегают. Например, рассматривают ударные процессы упругихтел(абсолютнопропорциональнуютвердыхтел)зависимостькакмеждумгновенныеилистатическимивводятипрямуюдинамическиминагрузками.

Подобные пренебрежения, часто основанные на экспериментальныхнаблюдениях, приводят к ошибкам в инженерных расчетах и соответственно кнеполному представлению о поведении материала при ударно-волновых4нагрузках. Таким образом, применений классических подходов и эмпирическихгипотез не достаточно.Введение наиболее фундаментального подхода, описывающего поведениекритическиххарактеристикматериалапридинамическихнагрузках,винженерной практике до сих пор является незавершенной задачей.Увеличение объема экспериментальных данных позволяет выявить рядзакономерностей по характеристикам, которые являются свойствами материалапри статическом воздействии и параметрами процесса при динамическомвоздействии.

Одним из примеров является нестабильное поведение предельныхзначений материала (прочность при хрупком разрушении и предел текучести припластическом деформировании). Для объяснений неустойчивого поведенияпредельного напряжения под ударными нагрузками на основе статическойпрочности обычно используются аппроксимации экспериментальных данныхнелинейными (степенными, экспоненциальными) функциями в зависимости отскорости деформации. Слабая связь подобных интерпретаций с физикой процессане способствует развитию фундаментального объяснения новых эффектов,наблюдаемых для широкого спектра материалов.

Другим из таких явленийпрочности материала при хрупком разрушении, является ее зависимость отгеометрических размеров объектов, так называемый размерный эффект прочности[3,4]. Расчеты строятся по закону подобия деформирования твердых тел, спомощьювведенияэмпирическиустанавливаемыхкоэффициентовпропорциональности. Связанные с параметрами процесса полученные оценкипрочности не дают удовлетворительного результата при введении новых внешнихусловий. Подтверждение последнего можно наблюдать на классической моделиДжонсона-Кука [7] в сравнении с модифицированной моделью Джонсона-Кука[5,6],показывающее,чточисленныемоделимогутнеработатьпривысокоскоростном деформировании без участия дополнительных предположений.Наблюдаемые эффекты способствуют развитию сложных структурных моделей,основанных либо на поведении уже известных свойств материала, либо5эмпирически измеряемых параметров, не имеющих физического описанияпроцесса.Разрабатываемые теоретические модели, описывающие динамическиеэффекты, часто являются перенасыщенными новыми параметрами.

В частности,применение многофазовых моделей, объясняющих явление «зуба текучести» какдинамического эффекта поведения пластической деформации, требует разделенияматериала на определенные области, что на практике является затруднительнымдля реализации. Таким образом, новый фундаментальный подход для инженернойпрактики должен не только описывать наблюдаемые эффекты, но и иметьизмеряемые физически обоснованные параметры.В данной работе применяется критерий инкубационного времени (в видекритериев разрушения и текучести), описывающий динамические эффектыповедения прочности при хрупком разрушении и предела текучести припластическом деформировании.

Преимуществом подхода является единственныймакроскопический временной параметр, не зависимый от геометрии, способанагрузки и феноменологически связанный со структурными изменениями вматериале на микро-уровне. Предлагаемый подход не только объясняет, в рамкахобщего механизма концепции инкубационного времени, наблюдаемые вэкспериментах динамические эффекты прочности и предела текучести, но и даетпростые схемы измерения внедренной временной характеристики. В работепредлагается интерпретировать влияние наполнителя, металлических волокон напрочностные свойства материала в широком спектре внешних воздействий (придинамических нагрузках изменение наиболее ярко выражено) на основеконцепции инкубационного времени.Важная часть работы посвящена введению феноменологической модели [8]деформационнойкривойупругопластическихматериаловдляразличныхскоростей деформации на основе концепции инкубационного времени.