Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Исследование процессов разрушения твердых тел, подвергнутых действию интенсивных кратковременных нагрузок, занимает важное место при решении многих прикладных сдач. Помимо традиционных приложений, связанных с военной техникой и вооружением, за последние десятилетия значительно возросли внимание и интерес к этой проблеме исследователей и инженеров, занимающихся вопросами разработки и эксплуатации конструкций, функционирующих в условиях импульсного воздействия (силового, теплового).
Фундаментальные представления о природе процессов в материалах при интенсивных напряжениях и высоких скоростях деформирования находят практическое применение в областях новой техники, в которых используются высокоэнергетические процессы. Большое значение имеют проблемы обеспечения функционирования и создания средств защиты конструкций от разрушающих воздействий взрыва, высокоскоростного удара или быстрого объемного разогрева. В ряде практических задач, напротив, требуется организовать управляемый целенаправленный процесс разрушения. Это выдвигает на первый план вопросы исследования пластических свойств и процессов разрушения.
Большая часть имеющейся экспериментальной информации о разрушении при высоких скоростях нагружения получена в условиях соударения, как правило, тонких скоростных ударников с толстыми мишенями, взрывном нагружении плоских преград нормальной детонационной волной, облучении тонких преград (металлических фолы) электронным пучком или электромагнитным излучением. Поскольку откол есть процесс
2 внутреннего разрушения или разрыва сплошной среды, то исключаете* возможность корректного прямого измерения параметров разрушения непосредственно в зоне откола. В связи с этим, вряд ли возможно чисте экспериментальными методами получить информацию об эволюции ве щества в зоне разрушения от состояния сплошности до полного или час тичного дробления.
По этой причине становится актуальной задача совместной использования физического и численного экспериментов. Подобное соче тание дает возможность построить достаточно полную и достоверную ( рамках применяемой в расчетах модели разрушения) картину происходя щих процессов. Для этого необходимо применение адекватных, обосно ванных и, в то же время, достаточно простых в численной реализациі моделей разрушения.
Цель работы. Основная цель работы состоит в последовательно! исследовании основных закономерностей и кинетики процесса откольног разрушения металлов при различных режимах динамического разрушение ударно-волновом при соударении, нагружении нормальной детонацион ной волной, быстром объемном разогреве.
Средством реализации сформулированной цели служат численно моделирование по двухстадийной микромеханической модели процесс откольного разрушения, верификация результатов физического и числеь ного экспериментов, в том числе особенностей и закономерностей ОТКОЛ! ного разрушения, их обобщение и совокупный анализ.
Научная новизна работы. Научная новизна содержится в следук щих результатах работы:
1) Впервые выполнен последовательный обобщенный анализ ре-
іультатов численного моделирования и физического эксперимента. Применение двухстадийной микромеханической модели к описанию явле-шя откольного разрушения металлов позволяет адекватно описать основ-ше его закономерности, зарегистрированные экспериментальным путем, іри разнообразных условиях нагружения.
-
На основе сравнения экспериментальных данных и результатов іисленного анализа выявлены некоторые особенности динамики развития іроцесса откольного разрушения металлов, такие как: зависимость степе-ш поврежденное от параметров импульса растягивающих напряжений, іремя разрушения, отсутствие минимума скорости движения свободной юверхности W(t) от времени при определенных режимах нагружения, за-іисимость "откольного импульса" от динамики развития поврежденности.
-
Проведен сравнительный анализ различных разработанных ки-іетических моделей откольного разрушения металлов, который показал іучшее согласие с опытными данными микромеханической кинетической юдели разрушения.
Достоверность полученных результатов подтверждается их сравне-іием с большим количеством известных экспериментальных данных ітечественньїх и зарубежных исследователей, экспериментальным обосно-анием ряда положений, касающихся кинетической модели разрушения, а акже решением тестовых задач.
Практическая ценность работы. Практическую ценность работы оставляют:
I) комплекс программно-алгоритмических средств, включая кине-ическую модель разрушения, для расчета процессов откольного разруше-ия металлов в плоских волнах расширения, конкретные значения пара-
4 метров модели;
-
возможность, на основе полученных результатов, расчетной прогноза откольного разрушения металлов в широкой области значенні параметров действующей нагрузки;
-
возможность построения на основе двухстадийной микромеха ническои кинетической модели разрушения упрощенных кинетически моделей, пригодных для описания процесса откольного разрушения узких фиксированных областях параметров нагружения;
-
сравнительный анализ различных кинетических моделей от кольного разрушения.
Личный вклад соискателя в результаты исследований, выпо; ненных по теме диссертации, и в ней изложенные, заключается в елі дующем:
-
Разработан пакет прикладных программ расчёта распространі ния одномерных волн напряжений в упругопластической среде и развит! повреждённости для различных кинетических моделей разрушения nj разнообразных условиях импульсного нагружения металлов: соудареш плоских ударника и мишени, падении нормальной детонационной волн облучении импульсным электронным пучком.
-
Отработан и применён практически расчётно-экспериментал ный метод определения параметров применяемой в работе двухстадийн кинетической модели. Путём использования интерактивной системы аг лиза изображений поверхности откольного разрушения получены конкрс ные значения этих параметров для урана природного, никеля, танта armco-железа, меди.
-
Впервые выполнен последовательный обобщённый анализ результатов физического и численного эксперимента в широкой области изменения параметров импульса растягивающих напряжений в твёрдом теле. Для целого ряда металлов (уран, медь, тантал, armco-железо и др.) получено адекватное описание основных экспериментально установленных особенностей и закономерностей откольного разрушения. Это обстоятельство сделало возможным применить результаты численного моделирования к исследованию и анализу процессов развития несплошностей в зоне разрушения, которые не могут быть непосредственно зарегистрированы существующими экспериментальными методами.
-
Методом численного моделирования выявлены некоторые особенности динамики развития повреждённости. В частности, показано, что:
- время разрушения уменьшается с увеличением амплитуды ударной
волны, распространяющейся по твёрдому телу;
- амплитуда растягивающих напряжений возрастает с амплитудой удар
ной волны;
- с ростом амплитуды ударной волны более интенсивно происходит
процесс релаксации растягивающих напряжений;
- имеет место корреляция степени повреждённости ш с параметром R
[ы возрастает с увеличением R).
5. Исследованы процессы распространения волн напряжений в
неталлах в режиме быстрого объёмного разогрева, обусловленного облуче-
іиєм сильноточным импульсным пучком релятивистских электронов. Рас-
:мотрено влияние на поле напряжений неравномерности температурного
юля и конечности времени разогрева. На примере меди и бериллия
іродемонстрирована принципиальная возможность применения двухста-
дийной микромеханической кинетической модели для описания отколь ного разрушения металлов при быстром разогреве.
Апробация работы. Изложенные в работе результаты доложень автором на следующих международных конференциях:
1) III и IV Забабахинские научные чтения (Кыштым, 1992 і
Снежинск, 1995);
2) "Новые модели и численные схемы ударно-волновых процессо
в конденсированных средах" (Санкт-Петербург, 1995);
3) "Ударные волны в конденсированных средах" (Санкт-Петер
бург, 1996).
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на межот раслевых конференциях по теплофизическим свойствам веществ (Арзамас 16, 1993; Снежинск, 1995).
Публикации. Основные результаты работы отражены в 17 публк кациях.
Структура и объем работы. Диссертация содержит: аналитически обзор кинетических моделей; описание микромеханической кинетическо модели и обсуждение способов определения параметров модели из незав» симых экспериментов; результаты численного моделирования и их сравні ниє с опытными данными для трех типов динамического нагружени анализ и обобщение основных особенностей и закономерностей кинет] ческого процесса откольного разрушения металлов. Диссертация состої из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, изложена і 118 страницах, включая 55 рисунков и 86 библиографических ссылок.
