Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Основная область приложения механики деформируемого твердого тела - это оценка прочности конструкций и их элементов. Эта оценка проводится на основе критериев разрушения и прочностных характеристик материала конструкции. Характеризовать прочность принято величинами, измеряемыми по стандарту. Проведение таких испытаний подразумевает выполнения ряда условий, главными из которых является скорость нагружения, температура и влажность. Известно, что несоблюдение этих требований при испытаниях приводит к другим значениям прочности. Наиболее предпочтительными являются испытания при однородном напряженном состоянии. Работа элементов конструкций чаще всего происходит при условиях, отличных от рекомендованных стандартом - это и неоднородное напряженное состояние и иное приложение нагрузок во времени. Многообразие условий, возникающих на практике при эксплуатации различных конструкций, не может быть охвачено стандартными испытаниями. Поэтому развитие методов расчета прочностных характеристик материалов в условиях, отличных от рекомендованных стандартом, является актуальной задачей. Применение таких методов, например в машиностроении, позволяет снизить материалоемкость и вес изделий без ущерба для их ресурса, тем самым, удешевляя изделия и поднимая их конкурентную способность, что не мало важно на современном этапе развития экономики.
Применительно к испытаниям на длительную прочность горных пород с целью получения характеристик этих сред, пригодных для описания поведения горных сооружений во времени, актуальным является создание методик, позволяющих их определять. Следует отметить крайне малый накопленный экспериментальный материал по этому вопросу.
Создание экспресс-методов испытаний горных пород не утратило своей актуальности, потому что прочностные свойства таких сред меняются в пределах шахтного поля. Для практических испытаний требуются простые способы, как проведения испытаний, так и подготовки образцов. Проведение измерений прочности горных пород в условиях одноосного растяжения, в частности, требует специфического оборудования, и довольно трудоемкой работы по изготовлению и креплению образцов, поэтому испытания на прямое растяжение на практике заменены косвенными, самым распространенным из которых, из-за простоты реализации, стал метод "бразильской пробы". Метод не является универсальным и поэтому возникает необходимость развития и других схем нагружения. При косвенных испытаниях поле напряжений является чаще всего неоднородным. По полученным из таких испытаний величинам прочности необходимо определить прочность среды при однородном растяжении, так как эта величина является более универсальной. Применение нелокальных критериев разрушения помогает решить эту задачу.
Использование нелокальных критериев прочности подразумевает описание разрушения, как процесса происходящего в окрестности опасной точки, размер которой описывается структурным параметром среды. Для его определения в рамках предлагаемого подхода необходимо знание трещиностойкости материала.
Развитие методик определения трещиностойкости, ориентированных на горные породы, позволяет получить необходимую информацию. Характеристики прочности и трещиностойкости горных пород обладают ярко выраженной индивидуальностью, так как зависят от минерального состава, структурных особенностей и т.д. В связи с этим разработка простых и надежных методик определения прочностных характеристик горных пород представляется актуальной задачей.
Целью работы является создание набора методик для определения прочностных характеристик горных пород и хрупких материалов, разрушение которых происходит под действием растягивающих напряжений.
Идея работы заключается в использовании кинетической концепции прочности Журкова С.Н. для описания временных аспектов прочности горных пород; в применении нелокальных критериев прочности при описании разрушения в неоднородных полях напряжений, когда проявляется структура среды.
Задачи исследований:
создание и апробация методики регистрации зависимости прочности от скорости нагружения и на основе этих данных разработка способа определения параметров уравнения долговечности Журкова С.Н.;
анализ возможных неточностей определения параметров уравнения долговечности и разработка способа оценки этих параметров по величине трещиностойкости материала;
применение нелокальных критериев разрушения к описанию прочности горных пород в условиях неоднородного растяжения;
разработка экспресс - метода определения прочности на растяжение по результатам измерений изгибной прочности;
усовершенствование метода "бразильская проба";
разработка методики определения трещиностойкости горных пород в статическом и динамическом режиме;
- развитие методов, позволяющих экспериментально определять трещиностой-
кость хрупких сред, которые можно использовать для проверки численных расче
тов коэффициентов интенсивности напряжений.
Методы исследований:
проведение экспериментальных исследований по разрушению образцов разной геометрии с регистрацией необходимых параметров цифровым оборудованием на базе персонального компьютера;
методы математической статистики для обработки результатов испытаний;
анализ источников научно-технической информации с целью сравнения полученных данных с имеющимися в литературе;
математическое моделирование и проведение численных расчетов;
оптической метод "каустики" для определения коэффициентов интенсивности напряжений при проведении испытаний на трещиностойкость.
Основные научные положения, защищаемые автором.
- оценка безопасного напряжения в кинетической концепции разрушения Журко
ва С.Н. дает величину этой прочности приблизительно равную 20% от временной
прочности на растяжение;
методика определения параметров уравнения долговечности Журкова С.Н., которая позволила определить данные параметры для ряда горных пород разной крепости, основана на регистрации зависимости разрушающих напряжений от скорости нагружения;
начальная энергия активации разрушения не зависит от напряженного состояния для хрупких пород, у которых временная прочность на сжатие более 130 МПа;
величины прочности хрупких сред, испытанных в однородных и неоднородных полях растягивающих напряжений согласованы посредством применения нелокальных критериев разрушения;
методика расчета прочности на растяжение по результатам испытаний на изгиб;
модификация метода "бразильской пробы" внесением концентратора напряжений в виде малого осевого отверстия позволила расширить рамки применения бразильского теста на породы, которые не могут быть испытаны стандартным бразильским способом, применение такого метода испытаний горных пород позволяет уменьшить количество испытываемых образцов.
методика определения трещиностойкости, ориентированная на горные породы, которая позволяет получать значения критического коэффициентов интенсивности напряжений, необходимые для реализации выше перечисленных методов определения прочности на растяжение.
верификация методики определения трещиностойкости, основанной на регистрации механических параметров разрушения, с помощью более точного оптического метода каустики.
Достоверность научных результатов подтверждается:
использованием эталонных датчиков и апробированной регистрирующей аппаратуры, тарированной по эталонным приборам;
совпадением расчетных характеристик с измеренными в эксперименте;
сравнением полученных характеристик с данными других авторов или справочников, которое показывает их удовлетворительное совпадение;
совпадением результатов, полученных независимыми экспериментальными методами.
применением корректных методов статистической обработки экспериментальных данных.
Новизна научных положений:
получена оценка безопасного напряжения в модели разрушения Журкова С.Н. Уровень безопасного напряжения составляет приблизительно 20% величины временной прочности на растяжение;
разработанная и апробированная методика для определения параметров уравнения долговечности основана на регистрации зависимости прочности горных пород от скорости нагружения. С её помощью определены соответствующие характеристики длительной прочности для ряда горных пород различной крепости;
впервые на одних и тех же горных породах определены величины начальной энергии активации разрушения при сжатии, растяжении и изгибе.
разработан алгоритм расчета прочности на растяжение по результатам испытаний на изгиб, который позволяет реализовать на его основе простую экспресс -методику определения прочности на растяжение для горных пород.
предложенная модификация метода "бразильской пробы", которая дает значительные преимущества перед стандартным бразильским тестом;
оптическим методом каустики - определения коэффициентов интенсивности напряжений, откалибрована методика определения трещиностойкости, основанная на регистрации двух параметров разрушения: длины трещины и усилия внедрения инструмента.
Личный вклад автора состоит:
в проведении всех описанных в работе испытаний образцов горных пород и хрупких сред;
в проведении расчетов по полученным из испытаний данным;
в анализе возможных ошибок при использовании данных модельных представлений;
в разработке методик: определения начальной энергии активации разрушения U0 и параметра у - постоянных, входящих в уравнение долговечности твердых сред; определения прочности на растяжение по результатам испытаний на изгиб; определения трещиностойкости хрупких материалов.
Практическая ценность:
определены зависимости прочности от скорости нагружения для ряда горных пород различной крепости, в дальнейшем эти данные могут быть использованы при расчете длительной прочности в рамках любых моделей, которые нацелены на оценку ресурса горных сооружений.
предложенная методика определения параметров уравнения долговечности позволяет воспользоваться для описания разрушения кинетической концепцией прочности, развитой школой Журкова С.Н. Для ряда горных пород определены с её помощью константы, входящие в уравнение долговечности.
предложена методика определения прочности на растяжение по результатам испытаний на изгиб;
модифицирован метод "бразильской пробы". Апробация его показала уменьшение разброса прочности образцов и расширение диапазона применения его на породы с прочностью, которые не могут быть испытаны стандартным методом.
предложена методика определения трещиностойкости горных пород и с её помощью определены величины критического коэффициента интенсивности напряжений ряда горных пород и хрупких материалов.
реализован оптический метод измерений коэффициентов интенсивности напряжений, который позволяет проводить экспериментальную проверку расчетных данных.
Апробация работы. Отдельные результаты диссертационной работы докладывались на «Всероссийской школе-семинаре по современным проблемам механики деформированного твердого тела» (г. Новосибирск 2003 г.); на международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» (г. Новосибирск, 2004 г.); на конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» (г. Новосибирск, 2005 г.); на всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций» (г. Новосибирск, 2007 г.); на конференциях с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» (г. Новое и-
бирск, 2007, 2009, 2011, 2013 гг.), на IV Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем» (г. Красноярск, 9-13 окт. 2012 г.)
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 27 статей, 18 из которых входят в перечень рецензируемых научных журналов ВАК.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 3 приложений, изложенных на 271 странице, содержит 79 рисунков, 34 таблицы, список литературы из 278 наименований.
Похожие диссертации на Разработка методов определения физических параметров, характеризующих разрушение горных пород
