Введение к работе
Актуальность проблемы. Импульсные нагрузки, связанные с воздействиями ударного, взрывного, теплового, электромагнитного характера, получают все большее распространение в современной технике. Надежность и эффективность их использования при эксплуатации и изготовлении материалов и конструктивных элементов зависят от полноты представлений о поведении материала при различных условиях импульсного нагружения, корректности и адекватности моделей высокоскоростного деформирования, применяемых для .расчета технологических процессов, оценки прочности и ресурса элементов конструкций.
Параметры импульсного нагружения для многих областей применения новой техники находятся в различных диапазонах характерного для такого типа воздействий спектра (скорость нагружения 1 .., 10000 м/с, длительность - 1 ... 10" с, давление - до 100 ГПа, температура - до Тщ,), но для многих распространенных на практике процессов высокая скоррсть деформации материала (\ ... 10 с' ) является общим характерным фактором. Причем если диапазон 1 ... 10 с"1 достаточно хорошо изучен, то для описания'поведения материала в области 103... 106 с'1 крайне мало информации, которая, к тому же, носит в ряде случаев противоречивый характер., > Второй характерной особенностью таких процессов оказывается локальность интенсивного нестационарного пластического деформирования материала, область которого' обычно непрерывно перемещается относительно границ тела. Именно эти два фактора являются определяющими для таких задач, как проникание бойка в преграду, быстрое распространение трещин, технологические процессы запрессовки, сварки взрывом, обработки металлов резанием и давлением.
Оценка роли вязкопластических эффектов, обусловленных высокой
скоростью деформации, относится к числу наиболее актуальных и (сложных
проблем теории динамического деформирования и разрушения материалов
механики твердого деформируемого тела. Значительный научный интерес
представляет разработка моделей поведения материалов, применимых для расчетов
их высокоскоростного деформирования, а решение ряда задач, связанных с
интенсивным нестационарным локальным пластическим течением в процессах
проникания, резания, сварки взрывом, запрессовки, имеет существенное
практическое значение. ,
Корректный учет влияния скорости деформации крайне важен для надежного определения напряженно-деформированного, состояния и расчетов на прочность конструктивных элементов, тем самым обеспечивая повышение надежности их функционирования в эксплуатационных условиях, повышение качества и снижение материалоемкости при. изготовлении,, что ' имеет существенное народнохозяйственное значение.
2 Экспериментальные методы исследования связаны с большими материальными и временными затратами и не всегда дают возможность получить необходимую информацию о процессах, происходящих во взаимодействующих телах. Для их надежной оценки необходим комплексный подход, сочетающий наряду с экспериментальным численное и инженерное моделирование. В связи с этим важное значение приобретают создание современных средств математического моделирования сред с учетом специфики их деформирования в условиях высоких скоростей деформации и построение адекватных определяющих соотношений с использованием нелинейных реологических (вязких) свойств материалов.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась в соответствии с темами "Исследование влияния скорости нагружения на деформирование и разрушение конструкционных материалов различных классов и ее учет при расчетах элементов конструкций", "Учет нестационарного импульсного термомеханического нагружения в расчетах на прочность и долговечность конструкций", "Учет влияния специфических процессов поведения материалов при динамическом нагружении в расчетах деформирования и разрушения конструкций", которые выполнялись в 1991-1998 годах в Институте проблем прочности НАН Украины согласно Постановлениям отделения механики НАН Украины, а также в связи с проведением госбюджетных и хоздоговорных работ с ведущими организациями атомной энергетики, аэрокосмической, судостроительной и машиностроительной отраслей.
Целью работы является оценка вязкопластических эффектов и их учет в расчетах процессов высокоскоростного деформирования материалов для ряда практических задач изготовления и эксплуатации конструктивных элементов, связанных с непрерывно перемещающейся областью интенсивного локального пластического течения.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
-
Разработка методик и программных средств численного моделирования квазистатических и динамических многомерных нелинейных задач деформирования конструктивных элементов с учетом специфики высокоскоростной деформации реальных материалов, перемещающегося во времени источника интенсивного пластического течения, множественных контактных взаимодействий, появления и движения трещин, связности деформационных и тепловых процессов.
-
Анализ различных методик испытаний материалов при динамическом нагружении с целью уточнения их применимости и выработки рекомендаций по проведению испытаний, которые обеспечат достоверность получаемых с их по-
з мощью характеристик материалов в диапазоне скоростей деформаций 10 ...10б с"1. Анализ, интерпретация и обобщение экспериментальных данных по высокоскоростному деформированию материалов различных классов для их использования в расчетах.
3. Изучение основных закономерностей и специфики высокоскоростного деформирования материалов в процессах проникания, резания, запрессовки, сварки взрывом и других, связанных с непрерывно перемещающейся областью интенсивного локального пластического течения. Разработка рекомендаций по учету вязкопластических эффектов при оценке нестационарного напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов.
Научная новизна работы заключается в том, что:
разработаны алгоритмы и на их основе программные средства численного моделирования многомерных нелинейных квазистатических и динамических задач деформирования конструктивных элементов с учетом специфики высокоскоростной деформации и разрушения реальных материалов, непрерывного перемещения области интенсивного пластического течения, множественных контактных взаимодействий, связности деформационных и тепловых процессов;
для численных расчетов интенсивного нестационарного деформирования конструктивных элементов обосновано применение естественной нелинейной вязкости материала (вместо искусственной) в качестве регуляризатора решения в областях сильных градиентов и оптимальной с точки зрения минимизации аппроксимационной вязкости пространственно-временной дискретизации динамических задач упруговязкопластичности, что значительно повысило эффективность и достоверность изучения вязкопластических эффектов за счет повышения точности решений; .
всесторонний анализ наиболее распространенных методик динамических испытаний позволил уточнить границы их применимости и с учетом этого анализа выработать рекомендации по проведению испытаний для получения достоверных характеристик материалов в диапазоне скоростей деформации Ю3...10б с"1;
- развиты ранее разработанные автором представления об интенсивном
нелинейном характере поведения материалов в диапазоне скорости
деформации103...10б с"1 - значительном (до 10 раз) повышении уровня
сопротивления деформированию и нелинейном немонотонном характере
изменения вязкости материалов на основании анализа экспериментальных
данных, полученных при различных видах динамических испытаний,
обобщения новых и известных, результатов для материалов различных классов
4.1 . (металлы, твердые сплавы, высокопористые ячеистые материалы). Показано, что получаемое при динамических испытаниях немонотонное изменение характеристик прочности и пластичности связано с взаимовлиянием скорости деформации,и адиабатического разогрева;
- на основании комплексного анализа и обобщения роли вязкопластических
эффектов в процессах высокоскоростного локального деформирования
материалов и элементов конструкций изучен обширный класс практически
важных задач современной техники и технологии (проникание, обработка
металлов резанием и давлением, сварка взрывом, распространение быстрых
трещин), для которых существенное значение имеет влияние скорости
деформации, особенно в диапазоне ее изменения 103... 106 с'1. Для такого класса задач предложена обобщенная схема проявления эффектов скорости деформации за счет взаимовлияния изменения прочностных и деформационных характеристик материалов,' вида напряженного состояния, возникновения теплового разогрева и дополнительного давления. На основе этой схемы проанализированы:
изменение механизмов' разрушения материала (хрупкий, вязкий, снова хрупкий) с ростом' скорости нагружения либо движения трещины;
изменение механизмов стружкообразования, определяющих качество обработанной.' поверхности и стойкость инструмента* с ростом скорости резания; ,' , . '
значительное локальное снижение с дальнейшим линейным возрастанием сопротивления прониканию в определенном диапазоне скорости движения ударника;
для процессов проникания оценено влияние нелинейной вязкости материала на сопротивление прониканию на основе численных результатов и аналитических выражений для вязкой составляющей сопротивления прониканию при различных законах изменения сопротивления' материала деформированию от скорости деформации и для различных форм головной части ударника; уточнены на основе полученных экспериментальных и расчетных данных представления о характере движения материала преграды у проникающего ударника, в частности установлены возможность движения материала навстречу ударнику и вихреобразньш характер движения вследствие вязкопластических эффектов; ,
впервые путем численного моделирования зафиксировано волнообразование на контактной поверхности соударяющихся под углом пластин при их сварке взрывом и установлена зависимость его параметров от вязкости материала;
Практическая ценность работы. Предложенная обобщенная схема высокоскоростного деформирования материалов с учетом вязкопластических эффектов,
5 новые результаты по поведению материалов при динамическом нагружении и конструктивных элементов в процессах проникания, запрессовки, резания, сварки взрывом, углубили представления о процессах' высокоскоростного деформирования материалов, что позволит брлее надежно и 'эффективно проводить оптимизацию технологических процессов изготовления и расчеты конструктивных элементов при импульсном нагружении.
Разработанные методики и программные средства численного моделирования многомерных нелинейных квазистатических и динамических задач упруговязко-пластичности были и могут быть в дальнейшем использованы для решения задач аэрокосмической и военной техники, атомной энергетики и других областей современной техники и технологии.
Достоверность основных результатов дисертаиионной работы обеспечена
использованием всесторонне обоснованных методик и программных средств
численного моделирования, решением значительного объема модельных и
тестовых задач, сопоставлением результатов расчетов, выполненных различными
методами, полученных результатов инженерного (аналитического) и. численного
моделирования с экспериментальными и численными данными других
исследователей. '
Личный вклад автора. Автором предложены основные идеи развития методик
численного моделирования, расчетных схем решения задач и определяющих
уравнений; получены основные расчетные результаты, проведен анализ и
обобщение численных и экспериментальных данных, разработаны инженерные
модели рассматриваемых процессов. ' ' '
В материалах, которые опубликованы совместно с научным консультантом профессором Г.В.Степановьш, как постановщиком проблем диссертации, с аспирантами и сотрудниками, которые принимали участие в выполнении совместных хоздоговорных и госбюджетных .работ, автором была разработана теоретическая часть работ, проанализированы и обобщены полученные численные и экспериментальные результаты.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на IV Всесоюзном симпозиуме по импульсным давлениям' (Менделеево, 1983г.), VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986г.), I, II и III Республиканских семинарах «Динамическая прочность и трещиностойкость конструкционных материалов» (Киев, 1987, 1989, 1991гг.), Всесоюзной конференции «Прогрессивные процессы , обработки материалов давлением» (Гомель, 1989), Международной конференции "High rate fabrication materials" (Югославия, Любляна, 1989), региональной конференции «Современные материалы в машиностроении» (Пермь, 1990), Республиканском
семинаре «Прочность и формоизменение элементов конструкций при воздействии динамических физико-механических полей» (Киев, 1990г.), VUI Международной конференции "Equations of state" (п. Эльбрус, 1992г.), семинарах МВТУ (Москва, 1990, 1991гг.), семинаре по бронебаллистике (Киев, 1994г.), ПІ Международной конференции «Проблемы материаловедения при изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС» (С.-Петербург, 1994г.), Международной конференции «Эрозия и коррозия материалов ядерной энергетики» (Киев, 1995г.), XII Международной конференции «Structural Mechanics in Reactor Technology» SMIRT-95 (Бразилия, Porto-Allegro, 1995r.), Fourth Ukrainian-Russian-Chinese Symposium on Space Science and Technology (Киев, 1996г.), Международном семинаре "Materials Instability under Mechanical Loading" (С.-Петербург, 1996г.), украинско-американском семинаре по высокоскоростному взаимодействию (Киев, 1996г.), на научных семинарах Института проблем прочности НАНУ, Национального технического университета Украины "КПИ", Института проблем материаловедения НАНУ и других конференциях и научных семинарах.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 44 научных работах в научных журналах, тематических сборниках, трудах конференций, а также отражены в научно-технических отчетах.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, семи разделов, заключения. Объем диссертации составляет 287 страниц, в том числе 89 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 399 наименований.
Автор выражает сердечную благодарность научному консультанту, доктору технических наук, профессору Геннадию Владимировичу Степанову.
