Численное моделирование процессов деформации и разрушения сред с поровыми структурами при динамических нагрузках Пасько, Евгений Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность исследований

Исследование закономерностей механического поведения хрупких сред с поровыми структурами, построение моделей и методов расчета процессов деформации и разрушения является актуальной задачей механики деформируемого твердого тела. Указанные модели сред применяются для описания и прогнозирования механического поведения современных конструкционных керамических материалов в широком диапазоне условий нагружения.

Подходы к описанию механического поведения пористых сред были сформулированы и развиты в работах: Качанова Л.М., Новожилова В.В., Работнова Ю.Н., Фомина В.М., Никифоровского В. С., Шемякина Е.И., Кондаурова В.И., Кинеловского С.А., Бетехтина В.И., Ревуженко А.Ф., Гольдштейна Р.В, Аптукова В.Н., а также в работах Carroll M.M., Holt A.C., Johnson G. R., Holmquist, T. J., Seaman L., Curran D.R., и др.

Использование подхода механики повреждаемых сред позволило решить большой круг фундаментальных и прикладных задач, связанных с механическим поведением пористых сред в широком диапазоне условий нагружения.

Модели и подходы для численного моделирования деформации разрушения пористых сред в условиях динамических воздействий получили развитие в работах Псахье С.Г., Макарова П.В., Скрипняка В.А., Смолина А.Ю., Киселева С.П., Белова Н.Н., Калинина А.В., Герасимова А^., Gust W.H., Dandekar D, и др.

Актуальность развития исследований с использованием моделирования поведения хрупких сред с поровыми структурами сохраняется в связи с потребностью более полного понимания закономерностей процессов повреждения и разрушения, происходящих в конструкционных керамических материалах под действием нагрузок, и прогноза их деформации разрушения в условиях интенсивных импульсных воздействий.

Исследования влияния поровых структур на механическое поведение керамических материалов в условиях динамического нагружения актуально не только с научной точки зрения, но представляет интерес для инновационных разработок в области создания защитных элементов конструкций, изделий энергетического машиностроения, химического машиностроения и добывающих отраслей промышленности.

В последнее десятилетие интенсивно развиваются подходы физической мезомеханики и многоуровневого моделирования процессов и физико- механических явлений в структурированных средах, в рамках которых разрабатываются модели, позволяющие изучать влияние структуры на закономерности деформации и разрушения сред и материалов.

Развитие численно-аналитического аппарата для прогнозирования поведения структурированных керамических материалов при высокоскоростной деформации связано с решением актуальных фундаментальных и прикладных задач экспериментальной физики, разработке новых защитных и функциональных элементов конструкций авиационной, космической и военной техники, теплоэнергетике, машиностроении, при разработке технологий получения новых конструкционных керамических материалов с заданными физико- механическими свойствами.

Целью диссертации является разработка вычислительной модели для описания и прогнозирования неупругого деформирования, эволюции поврежденности и разрушения сред с поровыми структурами при динамическом нагружении.

Для достижения поставленных целей были сформулированы и решены следующие задачи:

1. 1. Разработана физико-математическая модель для описания деформации, эволюции поврежденности и разрушения хрупких структурированных пористых сред при динамическом нагружении, с учетом параметров поровой структуры (распределения пор по размерам, формы пор, наличия поровых кластеров).

   2. Разработана методика моделирования механического поведения оксидных керамических материалов с поровыми структурами, с учетом распределения пор в объеме материала и параметров поровой структуры.

   3. Методом численного моделирования в 2D и 3D постановках исследованы закономерности процессов высокоскоростной деформации и эволюции поврежденности структурированной пористой керамике при ударно волновых воздействиях.

   4. Методом численного 2D и 3D моделирования исследовано влияние поровых структур на протекание процессов деформации и разрушения керамических материалов и напряженно-деформированное состояние в элементарных объемах структурированных материалов.

   Научная новизна диссертации состоит следующем:

   1. предложена математическая модель и разработаны соответствующие алгоритмы расчета для исследования процессов деформации и разрушения керамических материалов при динамическом нагружении, учитывающая влияние на механическое поведение материалов распределения пор по размерам, формы пор, наличия поровых кластеров;

   2. предложена оригинальная методика прогнозирования механического поведения керамических материалов при интенсивных импульсных воздействиях с амплитудами до 10 ГПа, включающая численное моделирование процессов ударно-волнового нагружения и экспериментальное определение параметров поровых структур (распределения пор по размерам, средних значение коэффициента формы пор, параметров поровых кластеров);

   3. предложена методика оценки величины Гюгониевкого предела упругости керамических материалов в зависимости от параметров поровой структуры;

   получены:

   4. закономерности неупругой деформации и разрушения оксидных керамических материалов со стохастическими и регулярными поровыми структурами при нагружении ударными волнами с амплитудами, превышающими предел упругости Гюгонио;

   5. результаты, демонстрирующие существенное влияние поровых кластеров на закономерности развития неупругой деформации и разрушения оксид-алюминиевых керамических материалов при ударно-волновом нагружении;

   6. результаты, свидетельствующие о невозможности образования самоподдерживающейся волны разрушения в оксид-алюминиевых конструкционных керамических материалах.

   Научная и практическая ценность диссертации заключается в следующем:

   7. развит подход к решению задач механики деформируемого твердого тела для численного исследования процессов деформации и разрушения в квазихрупких средах с поровыми структурами, который может быть использован для компьютерного конструирования перспективных материалов с требуемыми свойствами;

   8. получены и обобщены данные о поровых структурах в керамических материалах конструкционного назначения отечественного производства на основе оксида алюминия, которые могут быть использованы для прогнозирования деформационных и прочностных свойств современных материалов защитных элементов конструкций в условиях динамического нагружения;

   9. получены результаты исследований влияния параметров поровых структур на механические характеристики керамических материалов, которые могут быть использованы при разработке технологий производства конструкционных керамических материалов.

   Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет» с соответствии с планом работ по госбюджетному финансированию, а также работа получила поддержку Минобрнауки РФ в рамках АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)", (проекты 2.1.2/6809, 2.1.1.5993 2.1.2/13526 , 2.1.1/13521), проектов ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (ГК П604 от 06.08.2009 г., ГК

   П1247 от 07.06.2010 г., ГК П1228 от 27.08.2009 г.).

   Полученные результаты исследований дают новые и более полные представления о закономерностях деформации и разрушения керамических материалов с поровыми структурами при интенсивных динамических воздействиях.

   Разработанные модели, методика компьютерного моделирования и разработанные модули программ могут быть использованы для решения широкого круга научных и практических задач механики сред с поровыми структурами.

   На защиту выносятся следующие положения и результаты:

   9. 5. Математическая модель для описания деформации, эволюции поврежденности и разрушения структурированных пористых сред при динамическом нагружении, с учетом параметров поровой структуры (распределения пор по размерам, формы пор, наличия поровых кластеров).

      6. Методика моделирования механического поведения оксидных керамических материалов с поровыми структурами, учитывающая экспериментальные данные о распределении размеров и формы пор в объеме материала, параметры пространственного распределения пор в поровой структуре.

      7. Результаты численного моделирования в 2D и 3D постановках распространения ударных импульсов в структурированных объемах пористой оксидной керамики, свидетельствующие о существенном влиянии поровых кластеров на величину предела упругости Гюгонио, в также закономерности процессов высокоскоростной деформации и эволюции поврежденности при ударно волновых воздействиях.

      8. Результаты экспериментального исследования поровых структур в высокопрочных оксидных керамических материалов, используемых в защитных элементах конструкций, методами оптической, зондовой сканирующей и электронной микроскопии. Полученные данные свидетельствуют о наличии в керамических материалах кластеров наноразмерных и микроскопических пор, наряду с структурами из пор, имеющих размеры от 6 до 60 мкм.

      9. Результаты численного исследования напряженно-деформированного состояния в элементарных объемах керамических материалов, свидетельствующие о слабом влиянии формы пор на величину пределов упругости Гюгонио оксид-алюминиевой керамики при относительном объеме пор до 20 %, но оказывает влияние на кинетику повреждения и разрушение керамических материалов.

      10. Результаты численного исследования и выявленные особенности развития процессов неупругой деформации и разрушения хрупких структурированных пористых сред, свидетельствующие о невозможности образования самоподдерживающейся волны разрушения в оксид- алюминиевых конструкционных керамических материалах.

      Достоверность полученных результатов

      Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается математической корректностью постановок задач, применением апробированных методов решения, решением тестовых и модельных задач, подтверждается хорошим совпадением полученных численных результатов, в частных случаях, с численными решениями и экспериментальными данными других исследователей.

      Личный вклад автора

      При выполнении диссертационной работы личный вклад автора состоял в физико-математической постановке задач, разработке и численной реализации моделей поведения сред, проведении экспериментальных исследований и численных расчетов, анализе полученных результатов, написании статей, обосновании научных рекомендаций.

      Апробация работы

      Основные результаты и положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: Международной конференции XI Харитоновские чтения, РФЯЦ-ВНИИЭФ (г. Саров, 2009г.); Международной конференции Физика экстремальных состояний вещества - (п. Эльбрус, 2007г.); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2008г.); Всероссийская научная конференция «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы - 2008г.»; Открытая школа-конференция стран СНГ (г. Уфа, БГУ, 4-9 августа 2008г.); XLVI Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2008г.); XV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (г. Москва, МГУ, 2008г.); Четвертая Всероссийская конференция молодых ученых "Физика и химия высокоэнергетических систем", (г. Томск, 2008г.); Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения» (г. Москва, МАТИ, 2008г.); V Всероссийская конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, ИМАШ УрО РАН, 2008г.); Вторая Международная школа-конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (г. Томск, 2009г.); Всероссийская научная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения профессора М.С. Горохова - основателя Томской школы баллистики (г. Томск, 2009г.); Молодежная научная конференция Томского государственного университета (г. Томск, 2009г.); Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, ИФПМ СО РАН, 2009г.); Пятая Всероссийская конференция молодых ученых "Физика и химия высокоэнергетических систем" (г. Томск, 2009 г. ); II

      Всероссийская молодежная научная конференция «Современные проблемы математики и механики» (г. Томск, 2011 г.).

      Публикации

      Основные результаты исследований опубликованы в 17 печатных работах, из них 2 - статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ, 12 - статьи в сборниках трудов, материалах Всероссийских и Международных конференций, 3 - тезисы докладов.

      Объем и структура работы

      Диссертация состоит из введения, трех разделов и заключения. Общий объем работы 116 страниц, включая 104 рисунка, 3 таблицы, 163 библиографические ссылки в списке использованной литературы.

      Похожие диссертации на Численное моделирование процессов деформации и разрушения сред с поровыми структурами при динамических нагрузках

      Моделирование процессов деформации, повреждения и разрушения хрупких гетерогенных сред при динамических нагрузкахКоробенков, Максим Викторович

      

      Численное моделирование процессов деформации и разрушения геологических средСтефанов Юрий Павлович

      

      Развитие подхода клеточных автоматов для описания процессов деформации и разрушения хрупких материалов и сред со сложной структуройШилько Евгений Викторович

      

      Моделирование процессов деформации и разрушения в трехмерных структурно-неоднородных материалахРоманова Варвара Александровна

      

      Развитие метода подвижных клеточных автоматов для моделирования деформации и разрушения сред с учётом их структурыСмолин Алексей Юрьевич

      Математическое моделирование процесса разрушения ледяного покрова под действием динамических нагрузокПрокудин, Александр Николаевич

      

      Моделирование процессов деформирования и повреждения полимерных труб при термомеханических нагрузках Устюгов Владимир Аркадьевич

      

      Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов интенсивной пластической деформации легких конструкционных сплавов при динамическом канально-угловом и разноканальном прессованииКрасновейкин Владимир Алексеевич

      

      Изучение закономерностей деформации и разрушения интерфейсных материалов и средАстафуров Сергей Владимирович

      

      Многомасштабные закономерности локализации пластической деформации и разрушения металлов при динамическом нагруженииЛяпунова, Елена Аркадьевна