Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Разрушение материалов под воздействием взрывных, ударных и других динамических нагрузок является объектом исследования на протяжении многих десятилетий. Не смотря на столь давнее внимание к этой проблеме, до сих пор не сформировался общепризнанный взгляд на вопросы, связанные с природой динамической прочности материалов.
В этой связи особый интерес представляет экспериментальное изучение эффектов, характеризующих реакцию материала на прикладываемые динамические нагрузки, а также анализ существующих и появляющихся опытных данных. Особенно важной представляется корректная трактовка результатов экспериментов.
Как правило, процессы, связанные с распространением волн в твердых телах, с трудом поддаются аналитическому исследованию из-за сложностей, связанных с решением систем уравнений, описывающих происходящие динамические процессы. В этой'связи наибольший интерес из-за относительной простоты описывающих поведение системы соотношений представляют эксперименты, соответствующие одномерной модели распространения возмущений. Так, в первой главе предложенной работы произведен анализ двух классов экспериментов по исследованию динамического откольного разрушения материалов под действием кратковременных прикладываемых нагрузок, позволяющих осуществить переход к одномерному моделированию распространения возмущений в исследуемых образцах.
Ставшая классической при исследовании квазистатического разрушения концепция энергетического баланса А. Гриффитса основана на понятии удельной поверхностной энергии разрушения, являющейся параметром материала. Как свидетельствуют многочисленные экспериментальные данные, в случае разрушения, вызванного ударными нагрузками, удельная энергоемкость разрушения, как правило, значительно отличается от аналогичной характеристики, полученной в условиях квазистатических экспериментов. К сожалению, большинство используемых для исследования динамического разрушения экспериментальных схем не позволяет с достаточной точностью оценить энергию, переданную образцу нагружающим устройством, и, следовательно, исследовать энергобаланс разрушаемого образца. Во второй главе предложенной работы
исследован энергобаланс для некот JRqfg. нОД%ЙЦ37ШЩРРческих
БИБЛИОТЕКА j
экспериментов и сделана попытка оценить удельную энергоемкость начального этапа распространения трещины под воздействием импульсной нагрузки.
Во многих технологических процессах, связанных с разрушением, энергозатраты составляют значительную, если не основную, часть производственных затрат. Список таких процессов включает в себя процессы бурения, измельчения материалов, различные виды ведения горных работ и т.д. Это делает актуальным исследование возможности минимизации энергозатрат на разрушение материалов под воздействием, динамических нагрузок. В заключительной главе диссертации исследована модельная задача о страгивании центральной трещины в бесконечной плоскости под действием внезапно приложенной нагрузки. При этом особое внимание уделялось энергозатратам на продвижение трещины со стороны нагружающего устройства. Данная задача является первым приближением к исследованию энергозатрат на промышленные процессы разрушения различных материалов.
Результаты исследования могут представлять интерес как для теоретической и экспериментальной' механики динамического, разрушения, так и для широкого практического применения в промышленных процессах, связанных с разрушением значительных объемов различных материалов.
Цели работы
Исследование возможности перехода к одномерной модели волновых процессов в динамически нагружаемых тонких стержнях.
Анализ возмущений, вызываемых подповерхностными
откольными трещинами, возникающими в динамически нагружаемых плоских дисках.
Определение удельной энергоемкости старта трещины под действием кратковременной динамической нагрузки. * Исследование возможности оптимизации энергозатрат на продвижение имеющихся в материале трещин.
Научная новизна работы
-
Определены условия, при которых возможен переход к одномерной модели распространения возмущений, вызванных приложенным на одном из концов тонкого стержня динамическим импульсом давления.
-
Исследовано искажение, графика перемещений точки свободной поверхности плоского диска, находящегося в условиях откола,
— 5 —
при возникновении подповерхностных откольных трещин различных размеров. Путем анализа получаемого в ходе эксперимента графика скорости точки свободной поверхности диска, произведена оценка размера подповерхностных трещин, возникающих в результате откольного нагружения плоских дисков.
-
В результате анализа известных экспериментов по динамическому воздействию кратковременными импульсными нагрузками на образцы из ПММА произведена оценка удельной энергоемкости процесса старта динамически распространяющейся трещины в этом материале. Показано, что в условиях динамического нагружения удельная энергоемкость процесса распространения трещины может значительно (в некоторых случаях на несколько порядков) превышать величину энергоемкости, характерную для квазистатического разрушения образцов из ПММА. Исследована зависимость энергоемкости разрушения от длительности прикладываемых импульсов нагрузки.
-
Установлена возможность оптимизации энергозатрат на разрушение образцов с трещинами. Показано, что при определенной комбинации амплитуды и длительности прикладываемого к образцу с трещиной прямоугольного импульса воздействия достигается абсолютный минимум переданной образцу нагружающим устройством энергии. Исследована зависимость оптимальных с точки зрения энергозатрат параметров разрушающих импульсов воздействия от размера имеющейся в образце трещины.
Достоверность результатов работы
Достоверность представленных результатов подтверждается сравнением с экспериментальными и численными данными, а также использованием точных аналитических соотношений.
Положения, выносимые на защиту
1. Возможность перехода к одномерному приближению в экспериментах на динамическое откольное разрушение. Особенности распространения динамических возмущений в тонких стержнях. Условия, при которых возможен переход к одномерной модели распространения таких возмущений. Анализ влияния возникающих в динамически нагружаемых дисках подповерхностных трещин на перемещение точек свободной поверхности диска. Установление факта возникновения откольного макроразрушения в динамически нагружаемых плоских дисках путем исследования размера возникающих в диске подповерхностных трещин. Размер
образующихся трещин вычисляется в результате анализа снимаемой1 в ходе эксперимента интерферограммы скоростей точек свободной поверхности диска.
-
Возможность использования энергобаланса динамически нагружаемого образца для исследуемого класса экспериментов. Оценка удельной* энергоемкости начального этапа, распространения трещин в образцах из ПММА под действием динамических кратковременных прикладываемых нагрузок.
-
Возможность минимизации энергозатрат на продвижение трещины в образце под воздействием динамических импульсных нагрузок прямоугольной - формы, при определенных амплитуде и длительности воздействия. Зависимость оптимальных с точки зрения энергозатрат параметров воздействия от размера имеющейся в образце трещины. Возможность, оптимизации энергозатрат на различные производственные- процессы, связанные с разрушением больших объемов различных материалов.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на XXV, XXVI, XXVII, Международных молодежных научных конференциях- Тага-ринские чтения" (Москва, 1999, 2000, 2001); международной конференции Svenska Mekanik Dagar (Ґетеборг, 2003); научных семинарах кафедры теории упругости мат.-мех. ф-та СПбГУ под руководством проф. Н.Ф.Морозова (Санкт-Петербург); научных семинарах Института Проблем Машиноведения Российской Академии Наук.
Публикации
Полный список научных трудов по теме диссертации содержит семь наименований.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 76 наименований. Работа содержит 139 страниц и 27 рисунков.