Введение к работе
Диссертационная работа посвящена экспериментальному и численному моделированию деформирования современных полиуретановых и металлических материалов с учетом больших деформаций.
Актуальность темы.
В современной технике применяется большое количество новых конструкционных материалов (силиконовые и полиуретановые материалы, новые сплавы на основе алюминия, циркония и титана). Поэтому становятся актуальными теоретические, компьютерные и экспериментальные исследования квазистатических процессов поведения тел из таких материалов в условиях сильной нелинейности их деформирования.
Физическое и численное моделирование дает новые экспериментальные данные и математические модели для инженерного проектирования систем и конструкций из современных материалов.
В промышленности и, в частности, машиностроении происходит усовершенствование агрегатов и механизмов за счет усложнения форм и использования для их создания новых конструкционных материалов. На смену изделиям из резины (манжеты топливных труб, отсечные клапаны, всевозможные гасители вибраций, мягкие узлы сочленения рычагов подвески колесной техники и т.д.), которые часто работают в агрессивных средах (нефтепродукты, озон, солевые смеси) приходят термостойкие силиконы и пластики, полиуретаны и полимерные композитные материалы, физико-химические и механические качества которых превосходят такие качества у резин. Многие свойства таких материалов могут быть адаптированы для работы при заданных условия эксплуатации еще на этапе проектирования (полиуретаны, силиконы).
В этой связи возникает ряд задач, связанных с расширением области применения таких материалов, моделированием работы изделий из них в критических режимах эксплуатации при больших деформациях и построением моделей для описания их механического поведения. Существуют материалы, способные претерпевать большие упругие деформации (несколько сотен процентов) без повреждения структуры материала. Потребность математического моделирования деформирования тел и конструкций из таких материалов стимулирует развитие теории больших деформаций гиперупругих тел, алгоритмов численных процедур решений уравнений гиперупругости.
Большие деформации могут также наблюдаться при деформировании металлических материалов при так называемых режимах «сверхпластич-
ности» - это соответствует деформированию при повышенных температурах. Деформирование при таких режимах может сохранять ресурс изделия на стадии его изготовления и быть основой для разработки новых ресурсосберегающих технологий.
Для этого необходимо многоплановое исследование свойств материалов при повышенных температурах, в том числе свойств, связанных со сдвиговыми деформациями. Однако определение деформаций сдвига по соотношениям Надай для больших деформаций приводит к не выполнению условия «единой кривой» для испытаний на растяжение, сжатие и простой сдвиг в рамках теории ползучести и повреждаемости со скалярным параметром поврежденности. Сдвиговые характеристики материалов, являющиеся доминирующими при расчетах процессов формообразования, определяются из экспериментов на кручение тонкостенных цилиндрических образцов. Однако при деформациях свыше 8 - 10 % тонкостенные образцы теряют устойчивость. В связи с этим для исследования больших деформаций следует использовать толстостенные или сплошные образцы.
Испытания по растяжению и сжатию в условиях ползучести наиболее просты в реализации, поэтому актуальна также задача разработки метода нахождения из них параметров сдвигового деформирования материала.
В случае тонкостенных конструкций, подверженных осевому сжатию при ползучести, на определенном этапе деформирования начинается быстрый рост деформаций, и процесс теряет устойчивость, что сопровождается быстрым изменением формы и потерей несущей способности. Во избежание подобного рода катастрофических явлений необходимо уметь определять как критические времена, так и формы выпучивания сжатых тонкостенных конструкций в условиях ползучести.
Цель работы.
Провести экспериментальное исследование деформирования полиуре-танового материала при различных температурах и режимах нагружения (сжатие, растяжение, кручение) с учетом больших деформаций. Провести расчеты этих типов деформирования в программном пакете MSC.Marc 2012.
Исследовать поведение сплошных круглых стержней из алюминиевых и титановых сплавов при кручении постоянным моментом в условиях повышенных температур с учетом больших деформаций.
Обосновать возможность использования меры сдвиговой деформации в форме Одквиста при описании ползучести материалов с помощью кинетических уравнений ползучести и повреждаемости и выполнения условия единой кривой.
Получить параметры модели ползучести и повреждаемости для этих материалов при простом сдвиге. Проверить возможность получения аналогичных параметров из экспериментов на растяжение и сжатие.
С использованием экспериментальных данных о высокотемпературном поведении труб из циркониевого сплава под действием постоянной осевой сжимающей силы провести математическое моделирование процессов деформирования и выпучивания сжатых по оси круговых цилиндрических оболочек в условиях ползучести с использованием пакета прикладных программ MSC.Marc 2012.
Научная новизна.
Получены новые данные о поведении полиуретана (Duothan QA965). Проведены серии экспериментов по растяжению, сжатию, стесненному и свободному кручению цилиндрических образцов кругового сечения с использованием современной системы фиксации полей деформаций Vic-3D.
На основе сравнения теоретических, расчетных и экспериментальных данных определены границы применимости моделей Генки, Муни -Ривлина, Кирхгофа - Сен-Венана в случае свободного и стесненного кручения.
Показано, что модель Муни - Ривлина наиболее близко к экспериментальным данным описывает поведение дуотана при кручении, по сравнению с моделями материалов Генки и Кирхгофа - Сен-Венана.
Получены новые экспериментальные данные поведения дуотана при пониженных (до -80 С) и повышенных (до 80 С) температурах.
В рамках модели гиперупругого материала Генки построена качественная диаграмма изменения модуля упругости дуотана от температуры
Получены новые экспериментальные данные по деформированию буфера для гашения вибраций из дуотана при пониженных температурах.
Обоснована возможность использования меры сдвиговой деформации в форме Одквиста при описании ползучести материалов с помощью кинетических уравнений ползучести и повреждаемости при выполнении условия «единой кривой».
На основе экспериментальных данных кручения круглых валов при повышенных температурах до больших углов закрутки получены константы модели ползучести и повреждаемости для сплавов АК4-1Т, ВТ-9, 1161, Д16Т. Показано выполнение гипотезы прямых радиусов и плоских сечений на сплавах ВТ-9, 1420 при больших деформациях.
На основе экспериментальных данных осевого сжатия тонкостенных труб из циркония при повышенных температурах проведено моделирование выпучивания круговых оболочек в условиях ползучести, которое показало совпадение форм выпучивания в эксперименте и расчете. Впервые получены не симметричные относительно горизонтальной оси формы выпучивания.
Научная и практическая ценность.
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы для расчетов и проектирования элементов конструкций из гиперупругих материалов, испытывающих большие деформации при различных температурах, для моделирования поведения элементов конструкций из титановых, алюминиевых и циркониевых сплавов при ползучести, для моделирования процессов формообразования в режимах ползучести.
Представленные в диссертационной работе исследования выполнены при поддержке грантов РФФИ (проекты 11-08-00845-а, 12-08-00707, 13-01-00481), ФЦП «научные и научно-педагогические кадры инновационной России» государственный контракт 14.740.11.0355, интеграционного проекта Президиума РАН № 25 и гранта Президента РФ по поддержке ведущих научных школ № НШ-246.2012.1.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, основана на корректном использовании уравнений механики деформируемого твердого тела, методе конечных элементов, обеспечивается современным экспериментальным оборудованием и системой замеров, удовлетворительным соответствием результатов расчетов с известными аналитическими решениями и экспериментальными данными.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: IX Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (г. Ниж-ний-Новгород, 2011), II Всероссийская конференция «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций» (г. Новосибирск, 2011), XII Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» (г. Санкт-Перетрбург, 2011), IV Всероссийская конференция «Безопасность и живучесть технических систем» (г. Красноярск, 2012), XVIII зимняя школа по механике сплошных сред (г. Пермь, 2013), XXIII Всероссийская конференция по
численным методам решения задач теории упругости и пластичности (г. Барнаул, 2013)
Публикации.
Основные результаты по теме диссертации опубликованы в работах [5-14]. Публикации, в журналах входящих в список ВАК, отмечены символом «*».
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы содержащего 97 наименований. Объем диссертации составляет 132 страницы, включая 46 рисунков, 11 таблиц и 1 приложение.
