Введение к работе
Объект исследования и актуальность темы. Традиционно твердое тело, способное деформироваться при внешнем воздействии, изучалось параллельно двумя науками: физикой твердого тела и механикой деформируемого твердого тела. В физике твердого тела рассматривалась связь макроскопической деформации с внутренней микроструктурой. В механике развивался макроскопический подход, в котором поля деформаций и напряжений изучались методами механики сплошной среды. Однако, при этом до последнего времени оставалась практ.тческн неисследованной область промежуточного пространственного масштаба между микроскопическим и макроскопическим — мезоскопического масштаба.
Необходимость промежуточного звена, связывающего результаты исследования микроуровня с феноменологическим подходом механики на макроуровне, понималась разными учеными її ранее. Но вполне четко это научное направление было сформулировано только после ВЕ'-дения концепции структурных уровнем деформации і: разрушения и масштабных уровней.
Исследования на мезоуровне особенно ваншы в материаловедении при создании новых материалов со структурой, обеспечивающей необходимые служебные свойства. Выполнение задач конструирования материалов традиционными методами, в основе которых лежат экспериментальные исследования, связано с большими материальными затратами. Более дешевый путь — дополнить реальные физ.гческие эксперименты численными расчетами. Особенностью численного моделирования в этом случае является учет в модели влияния внутренней структуры материалов и физико-химических процессов в них на развитие пластических деформаций и разрушение. Современные компьютеры и развитые численные методы позволяют решать такие сложные задачи. Именно поэтому проблема конструирования новых материалов с использованием компьютерных технологий приобретаег важное значение и активно развивается в последнее время.
Экспериментальные и теоретические исследования, проведенные ранее и в последнее время, показывают, что существенными для определения направления раззития процесса пластігческого деформирования либо к разрушению, либо к высоким степеням
пластической деформации являются особенности процессов локализации пластической деформации разных масштабов. И если процессы локализованного развития деформации па мнкроуровне достаточно хорошо исследованы г> теории дислокаций, физике прочности, тс особенности локализованного развития пластических деформаций на мезоуровне еще ждут своего активного изучения. Этим объясняется актуальность изучения процессов локализации пластической деформации лгезомаештаэа различными методами, в том числе и методам:? компьютерного моделирования.
Целью диссертационной работы является теоретическое изучение явлений локализации пластической деформации на мезоуровне при пластическом деформировании материалов.
Метод решения поставленной задачи — численное моделирование упруго-пластического течения материала на основе разностных методов решения динамически:-: уравнений механики сплошных сред.
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи:
-
Адаптировать методы механики сплошных ород для спісаиня процесса упругоплаетпческого деформирования 7,ттеряала ; .. мезоуровне и метод численного решения полученных уравнений;
-
Создать компьютерные программы для моделирования уируго-я.тістіїчеокого течения структурно-неоднородного материала с
. образованием областей локализованной деформации и эффектов фрагментации е условиях динамического нагружецця материалов на мезоуровне;
-
Методами численного моделирования изучить роль концентраторов ракрязкепнй различной физической природы в форм пропаян»: областей локализации пластической деформации на максо-и мезоуровнях;
-
Исследоаать общие закономерности и особенности процесса локализации пластической деформацин н стадии предрззрушеник і сгруктурїїо-неоянородг.ои среде на мезоскопичоском масштабном
VПО !' С.
Научкаг ноїлізіп. 1. bn^pewe с расчетах реализована математическая модель, в которой могут быть учтены нс-скомпенспрованные внутренние моменты, позволяющая описывать процессы зарождения и
развития локализованной пластической деформации на мезоскопическом масштабном уровне.
-
Впервые смоделированы процессы развития полос локализованной пластической деформации в структурно-неоднородных материалах на мезоскспнческол; масштабном уровне.
-
Обнаружено, что в области локализации пластической деформации отмечается значительное изменение приращений сдвиговой и поворотної! частей тензора пластической дисторсии, при этом повороты более чувствительны к локализации деформации.
-
Численными экспериментами установлено, что при локализации пластической деформации в мезообъеме могут формироваться объемные структурные элементы, которые смещаются как целые.
Научная и практическая значимость.
Развита численная методика для теоротнческого исследования процесса локализации пластической деформации ь структурно-неоднородных материалах на мезоуровно методами механики сплошных сред.
Изучены особенности зарождения и развития локализованной пластической деформации (полос сдвига) в структурно-неоднородных материалах для различных моделей сред как с учетом внутренних некомпенсированных моментов, так и по безмоментной теории.
Решение этих задач имеет существенное значение для физики и механики деформируемого твердого тела, для развития понимания процессов, происходящих в реальных структурно-неоднородных материалах в условиях механического нагружения, а также для развития методов механики сплошной среды и численных средств для задач математического моделирования и компьютерного конструирования материалов.
Разработанные программы могут быть применены при конструировании новых материалов, а также использованы в курсах по механике и физике деформируемого твердого тела для студентов соответствующих специальностей. В настоящее время они используются в проектах приоритетного направления "Компьютерное конструирование новых материалов" Государственной научно-технической программы России "Новые материалы" и проектов научно-техшгчеекой программы "Ког.шыотеркое конструирование и создание новых материалов для Сибирского региона" Государственного научного центра ИФПМ СО РАН. Разработанные программы и
результаты исследований используются в курсе "Механика сред со структурой", читаемого для студентов физико-технического факультета Томского госуниверслтета.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методика решения задачи об изучении процесса локализации пластической деформации на мезоуровне на основе численного решения динамических уравнений упруго-пластического течения структурно-неоднородных сред.
-
Результаты численного моделирования образования макроскопических полос сдвига от концентраторов напряжений макроскопического масштаба для плоского напряженного и плоского дефор;. їірованного состояний и полос сдвига на мезоуровне.
-
Результаты численного моделирования, показывающие, что локализация пластической деформации в мезообъемах мо:кет быть обусловлена структурными неоднородностямн И внутренними границами, которые приводят к существенно неоднородным поляг.; внутренних напряжений.
-
Эффект интенсивного развития материальных поворотов в областях локализации деформации.
-
При локализации пластической деформации в мезообъеме мог}" формироваться объемные структурные элементы, которые смещектся как целые.
6. Особенности деформирования алюминий-литиевых сплавов, когда
при незначительной общей деформации, соответствующей
упругим интервалам, формируются узкие зоны локализованной пластической деформации на границах фрагменте::, что приводит к невыской средней пластической деформации материала.
Обоснованность и достоверность результатов расчетов и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается математической корректностью постановки задачи, выбором численных методов, проведением тестовых расчетов, сопоставлением с опубликованными результатами других акторов, а также совпадением расчетных данных с экспериментальными.
Дп^о^бпяия_работъь Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: на международной конференции по механическому и физическому поведению материалов при динамическом нагружеш і DY.vlAT-91 (Франция, Страсбург, 1991 гЛ, на двух международных сомина >ах "Компьютерное
конструирование перспективных материалов и технологий '
CADAMT-92 (Томск, 1992 г.) и CADAMT-93, (Томск, 1993 г.). на .1-й
международной конференции "Компьютерное конструирование
перспективных материалов и технологий" CADAMT'95 (Томск,
1995 г.)- на втором (Китай, Спань, 1993 г.) и третьем (Калуга,
1995 г.) Российско-Китайскнх симпозиумах по перспективным
материалам и технологиям "Advanced Materials and Processes", на
международной конференции "Механика неклассических
материалов' Композиты-94 (Москва, 1994 г.), на международном симпозиуме-выставке по материала:,! с памятью формы SMM-94 (Китай, Пекин, 1G94 г.), па XIV Международней конференции пс физике прочности и пластичности материалов (Самара, 1995 г.).
Публикация. Основные результаты диссертации опубликованы е 9 раоотах. в том числе е 2 коллективных монографиях.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 150 наименований, изложена на 116 страницах и содержит 29 рисунков.
Данная диссертационная ребота выполнена в рамках приоритетного направления "Компьютерно? конструирование новых материалов" ' Государственной научно-технической программы России "Новые материалы" и проектов научно-технической программы "Компьютерное конструирование и создание новых материалов для Сибирского региона" Государственного научного центра ПФПМ СО РАН.
