Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 7
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 16
ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА СТРУКТУРНО-ИМИТАЦИОННОГО МОДЕ
ЛИРОВАНИЯ НА ЭВМ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЦЕССОВ РАЗ
РУШЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 20
I. Методологические аспекты моделирования на ЭВМ
процессов разрушения композиционных материалов... 21
2. Анализ микромеханизмов разрушения композиционных
материалов на основании фрактографических и
структурных исследований 31
3. Механика взаимодействия компонентов при деформи
ровании композиционных материалов и накоплении в
^ них повреждений 49
4. Статистические подходы к исследованию процессов
разрушения композиционных материалов 57
5. Влияние физико-химического взаимодействия компо
нентов на макромеханизмы разрушения композицион
ных материалов 69
ГЛАВА П. ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ НАКОПЛЕНИИ ПО
ВРЕЖДЕНИЙ В ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИА
ЛАХ 84
I. Одномерные модели перераспределения напряжений в
композиционных материалах' с дискретными или раз
рушенными волокнами 85
2. Построение модели перераспределения напряжений
при разрыве волокна в композиционном материале.... 98
Перераспределение напряжений в композиционном материале с разрушенным волокном при упругом деформировании компонентов . 105
Перераспределение напряжений в композиционном материале с разрушенным волокном при упругопласти-ческом деформировании матрицы 115
Влияние предварительного растяжения и осевой нагрузки, воспринимаемой матрицей, на перераспределение напряжений при разрыве волокна в композиционном материале 125
Влияние уровня нагрузки и объемных долей компонентов на перераспределение напряжений при разрыве волокна в композиционном материале с упругопластичес-кой матрицей , 135
Перераспределение напряжений в композиционном материале с разрушенным волокном, вызванное ползучестью и релаксацией напряжений в матрице 144
Распределение напряжений в композиционном материале с надрезом 151
Перераспределение напряжений в композиционном материале при локальной потере пластической устойчивости волокон 160
10 Критериальные зависимости, применяемые при модели
ровании микромеханизмов разрушения на ЭВМ 172
Ш. ДИНАМИКА ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ И ОТСЛОЕНИЯ ВОЛОКОН
В КСМП03ЙЦИ0ННЫХ МАТЕРИАЛАХ 177
I. Модели, учитывающие динамические эффекты при раз
рыве волокон в композиционных материалах 178
_ 4 -
Уравнения движения разрушившегося волокна и воло
кон, его окружающих 182
Динамика перераспределения напряжений в.разрушив
шемся волокне при упругом деформировании компонен
тов композиционного материала 196
Динамика перераспределения напряжений в разрушив
шемся волокне при упругопластическом деформирова
нии матрицы 206
динамика отслоения разрушившегося волокна от ма
трицы 218
Динамика перераспределения напряжений в волокнах,
соседних с разрушившимся 230
Влияние динамических эффектов, сопутствующих раз
рывам и отслоениям волокон в композиционных мате
риалах, на взаимодействие микромеханизмов разруше
ния 245
Динамические эффекты, учитываемые при моделирова
нии микромеханизмов разрушения на ЭВМ 256
СТРУКТУРНЫЕ МОДЕЛИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ЭВМ МЖР0МЕХАНИЗМ0В
РАЗРУШЕНИЯ 259
Имитация на ЭВМ процессов разрушения в материалах
на микроструктурном уровне 260
Построение структурных моделей композиционных ма
териалов с хрупкими волокнами 271
Имитация на ЭВМ дробления волокон под действием
волн напряжений (линейная модель) 283
Имитация на ЭВМ перехода от этапа накопления по
вреждений к макроразрушению композиционного мате
риала (плоская модель). Алгоритмизация перераспре
деления напряжений 292
стр.
Моделирование на ЭВМ композиционных материалов в
различными видами укладки волокон. Введение нерав
номерности и дефектов укладки волокон 306
Алгоритмизация процессов отслоения разрушившихся
волокон от матрицы и процессов развития микротре
щин в матрице 314
Моделирование на ЭВМ накопления повреждений в композиционном материале при разрушении отдельных волокон и отслоении их от матрицы (объемная модель). 320 Моделирование на ЭВМ взаимодействия различных микромеханизмов разрушения (квазиобъемная модель).... 326 Имитация на ЭВМ макромеханизмов разрушения и прогнозирование прочностных свойств бороалюминия и углеалюминия при активном растяжении вдоль волокон 341 ПРОІНОЗИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ КСМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ЭВМ ПРОЦЕССОВ
РАЗРУШЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ НАГРУІЕНИЯ 364
Моделирование на ЭВМ процессов ползучести и прогно
зирование длительной прочности композиционных ма
териалов 365
Построение на ЭВМ кривых ползучести направленно
кристаллизованных эвтектических композиционных ма
териалов 379
Моделирование на ЭВМ механизмов разрушения и прогнозирование времени до разрушения композиционных материалов под действием постоянной растягивающей
нагрузки 396
Моделирование на ЭВМ зарождения и развития трещин в слоистых материалах при циклическом нагружении и построение структурных моделей композиционных ма-
стр.
териалов с хрупкими компонентами и пористыми гра
ницами между ними 414
5, Моделирование на ЭВМ механизмов разрушения слоис
тых композиционных материалов при циклическом на-
гружении и прогнозирование их усталостной прочности 423
6. Моделирование на ЭВМ процессов разрушения компози
ционных материалов с учетом макронеоднородности
напряженного состояния (надрезы, трещины, эксцент
риситет приложения нагрузки) 440
7. Применение структурно-имитационного моделирования процессов разрушения на ЭВМ к решению технологических задач обработки композиционных материалов давлением (учет сложного напряженного состояния при
имитации накопления повреждений) 451
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 459
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ 462
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 467
ПРИЛОЖЕНИЯ 494
АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 512
Введение к работе
Проблемы, связанные с разрушением конструкционных материалов, были актуальны на всех этапах развития техники. В настоящее время, несмотря на значительные достижения в понимании физических аспектов прочности, в разработке методов расчета и прогнозирования механических свойств, в области создания высокопрочных материалов, актуальность этих проблем еще более возрастает. Важность исследований в области разрушения материалов обусловлена разнообразными факторами. Первая группа факторов связана с увеличением нагрузок, с расширением диапазона рабочих температур, с появлением агрессивных сред, облучения и т.д. Вторая группа факторов связана с возрастанием требований к экономичности конструкций и к их безопасности. И, наконец, третья группа факторов, непосредственно обусловливающих актуальность таких исследований, связана с созданием и внедрением в технику принципиально новых конструкционных материалов.
В решениях ХХУ и ХХУІ съездов КПСС в Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года среди первоочередных задач, направленных на интенсификацию экономики, отмечается необходимость расширять производство композиционных материалов с комплексом заданных свойств и изделий из них*'.
Создание композиционных материалов стимулировало развитие новых подходов к проблемам прочности и исследованию процессов разрушения. Прочностные свойства композиционных материалов формируются на микроструктурном уровне. В силу этого, наряду с не-
х) Материалы ХХУІ съезда КПСС, М., 1981, с. 145.
обходимостью учета физико-химических аспектов взаимодействия компонентов," изучение- вопросов, связанных с разрушением материалов, требуется; уже на стадии их разработки, проектирования, при выборе и оптимизации технологических процессов производства композиционных материалов.
Наличие компонентов с резко различающимися механическими свойствами, упорядоченное расположение и физико-химическое взаимодействие которых образует определенную структуру материала, предопределяет особенности разрушения композитов. Эти особенности развития разрушения композиционных материалов, связанные с многообразием ситуаций, возникающих на микроструктурном уровне (дробление волокон, расслоения по границам компонентов, растрескивание матрицы), требуют создания специализированных структурных моделей материалов. В то же время, имеющиеся математические модели микронеоднородных сред пока не в состоянии достаточно полно учесть многообразие реальных микромеханизмов разрушения. При их применении значительная часть экспериментальной информации об отдельных актах микроразрушения и накоплении повреждений в композитах остается без эффективного использования.
Методологический анализ различных подходов к проблемам прочности и разрушения показывает, что явления разрушения в структурно неоднородных материалах, в ряде случаев, необходимо рас-сматривать как принципиально сложные процессы (следуя принятой в кибернетике терминологии): их математическое описание затрудняется тем, что любая попытка построения общей концепции не обеспечивает достаточно адекватного отражения многообразия конкретных реальных механизмов. Использование современной вычислительной техники, развитие методов машинного моделирования открывает но-
вые возможности в исследовании сложных систем и процессов, позволяет ставить вопрос о создании алгоритмизированной теории разрушения материалов, в которой, наряду с кинетической общей концепцией, учитывались бы конкретные механизмы разрушения на различных структурных уровнях.
В данной работе для исследования процессов разрушения композитов применяется метод структурно-имитационного моделирования на ЭВМ. Термины "математическое моделирование" или "моделирование на ЭВМ" используются многими исследователями в весьма разнообразных ситуациях, когда для решения тех или иных задач применяется ЭВМ. Структурно-имитационное моделирование предусматривает формирование в ЭВМ информации об отдельных структурных элементах некоторой системы и условиях взаимодействия, а также воспроизведение на ЭВМ процессов, протекающих в данной системе при изменении внешних параметров. Применительно к исследованию процессов разрушения композитов это означает формирование в памяти ЭВМ информации о локальных прочностных свойствах и взаимном расположении компонентов, разработку и ввод в ЭВМ критериев локальных разрушений, алгоритмов перераспределения напряжений и условий взаимодействия микромеханизмов разрушения и, далее, имитацию на ЭВМ различных ситуаций, связанных с накоплением повреждений в материалах при изменении внешних нагружающих факторов.
Структурно-имитационное моделирование опирается, с одной стороны, на кинетическую концепцию прочности, согласно которой разрушение материала представляется в виде процесса, развивающегося или с течением времени, или по мере увеличения уровня нагрузки, и, с другой стороны, на определенные представления об элементарных актах разрушения в материале на микроструктурном уровне или на представлении о микромеханизмах разрушения. Инфор-
мадию об отдельных микромеханизмах разрушения, их последовательности и взаимодействии получают, используя разнообразные экспериментальные методы, например, микроструктурные (металлографические) исследования и фрактографический анализ. В то же время, получение критериев локальных разрушений и анализ взаимодействия микромеханизмов разрушения проводится на основе исследования перераспределения напряжений в материале, сопутствующего отдельным актам разрушения на микро структурном уровне. При формировании информации о локальных свойствах компонентов и при анализе микромеханизмов разрушения учитывается статистический характер прочностных свойств компонентов.
Объектами исследования в данной работе являются композиционные материалы, состоящие из металлических матриц и высокопрочных неорганических волокон. Исследуются процессы разрушения бороалюминия, углеалюминия, процессы ползучести и разрушения эвтектических направленно кристаллизованных композитов и процессы усталостного разрушения слоистых композитов.
Структура работы в определенной степени отражает необходимые компоненты метода структурно-имитационного моделирования на ЭВМ, этапы его развития и применения к исследованию композиционных материалов. Работа состоит из пяти глав.
В первой главе рассматриваются методологические аспекты применения машинного моделирования к исследованию процессов разрушения, обсуждаются вопросы получения исходной информации. Дается анализ вероятностных подходов, кинетических моделей разрушения, а также различных подходов к исследованию перераспределения напряжений в композитах.
Вторая глава посвящена исследованию перераспределения напряжений в композитах при разрыве отдельных волокон и при некоторых других видах накопления микроповреждений. Разрабатываются
- II -
алгоритмы расчета полей напряжений для случаев упругого, упруго-пластического и вязкоупругого поведения компонентов, анализируются полученные зависимости и выделяются критериальные соотношения, используемые при имитационном моделировании процессов разрушения на ЭВМ.
Третья глава посвящена исследованию динамических эффектов, сопутствующих разрушению высокомодульных волокон. Построены уравнения движения, учитывающие инерционные свойства как волокон, так и матрицы. Приведены алгоритмы и результаты численных расчетов динамических волн напряжений в разрушившемся и в соседних с ним волокнах при упругом и упругопластическом деформировании матрицы, а также при отслоении разрушившегося волокна от матрицы. Выделяются динамические эффекты, учитываемые при построении структурных моделей композитов и при алгоритмизации взаимодействия микромеханизмов разрушения.
Четвертая глава посвящена непосредственной разработке структурных моделей композиционных материалов, алгоритмизации микромеханизмов разрушения и имитационному моделированию на ЭВМ процессов разрушения. Разработаны алгоритмы построения линейных, плоских, объемных и квазиобъемных структурных моделей композитов с хрупкими волокнами, позволяющие имитировать на ЭВМ различные микромеханизмы разрушения и их взаимодействие, а также воспроизводить качественно различные виды макроразрушения. Исследованы" особенности развития процессов разрушения в бороалюминии и угле-алюминии в зависимости от объемных долей компонентов, статистического распределения прочности волокон и неравномерности их укладки, а также от степени физико-химического взаимодействия компонентов, достигнутой в процессе получения композитов.
В пятой главе систематизированы варианты применения метода структурно-имитационного моделирования на ЭВМ для решения некото-
рых характерных задач, возникающих при прогнозировании прочностных и деформационных свойств композиционных материалов в различных условиях и режимах нагружения. Строятся кривые ползучести и прогнозируется длительная прочность направленно кристаллизованных эвтектических композиционных материалов. Прогнозируются кривые длительной прочности утлеалюминия и кривые усталости слоистых металлических композитов. Приведены примеры моделирования процессов разрушения бороалюминия и утлеалюминия при наличии мак-ронеоднородных полей напряжений, в частности в образцах с надрезами, а также моделируются процессы накопления повреждений в условиях трехосного напряженного состояния при некоторых видах обработки давлением композиционных материалов.
Научная новизна работы состоит в комплексном подходе к исследованию механизмов разрушения и прочностных свойств композиционных материалов, основанном на методе структурно-имитационного моделирования процессов разрушения на ЭВМ. Этот подход включает:
создание дискретных структурных моделей композиционных материалов (с использованием методики статистического моделирования Монте-Карло), которые позволяют имитировать на ЭМ микромеханизмы разрушения, их последовательность и взаимодействие и воспроизводить различные виды макроразрушения композитов;
разработку и алгоритмизацию моделей перераспределения напряжений, а также исследование динамических эффектов, сопутствующих разрывам волокон, отслоениям их от матрицы и другим отдельным актам накопления повреждений в композиционных материалах на микроструктурном уровне;
использование экспериментальной информации о локальных прочностных свойствах компонентов, их физико-химическом взаимодействии и о микромеханизмах разрушения для прогнозирования проч-
- ІЗ -
ностных свойств композиционных материалов при различных условиях и режимах нагружения.
Практическую денность представляют разработанные программы для ЭВМ, базирующиеся на дискретных структурных моделях композиционных материалов и алгоритмах имитации процессов разрушения и позволяющие проводить многофакторные исследования по влиянию отдельных микроструктурных параметров на развитие процессов разрушения и прочностные свойства получаемых композиционных материалов. Применение этих программ предусматривает наличие информации о структуре композиционного материала, об исходных свойствах компонентов и характере их физико-химичеоксго; взаимодействия и дает возможность решать задачи, имеющие практическое значение для проектирования композитов, при выборе технологических режимов их производства, при оценке прочностных и деформационных характеристик материалов. Отдельные программы позволяют:
проводить многофакторные исследования влияния исходных свойств компонентов и степени их физико-химического взаимодействия на характер разрушения и прочность композиционных материалов;
давать оперативные оценки влияния отдельных микроструктурных параметров и совместного влияния нескольких факторов на развитие разрушения композиционных материалов;
прогнозировать прочностные и деформационные свойства композиционных материалов при различных условиях и режимах нагружения;
давать рекомендации по выбору технологических режимов получения и обработки композиционных материалов.
Автор защищает новый подход к исследованию процессов разрушения структурно неоднородных конструкционных материалов, который опирается на вероятностные представления о развитии процессов
разрушения; микромеханику взаимодействия структурных элементов материалов, применение кибернетических методов имитационного моделирования сложных процессов. Основу предлагаемого автором подхода составляет метод структурно-имитационного моделирования процессов разрушения на ЭВМ, позволяющий синтезировать разнообразную экспериментальную информацию о микро- и макромеханизмах разрушения с информацией о свойствах компонентов и их взаимодействии и прогнозировать прочностные свойства композиционных материалов при различных условиях нагружения.
Вклад автора в развитие рассматриваемых проблем состоит в разработке методологии исследования, постановке конкретных задач, непосредственной разработке всех математических моделей и вычислительных алгоритмов, анализе результатов и формулировке выводов. Участие сотрудников Института металлургии им. А.А.Байко-ва АН СССР и сотрудников других организаций на различных этапах исследований отражено совместными публикациями.
Автор выражает глубокую благодарность проф., д.т.н. B.C.. Ивановой и ст.н.сотр., к.т.н. И.М.Копьеву за постоянное внимание к работе, ее поддержку и обсуждение на всех этапах, а также инж. Н.К.Билсагаеву, Ю.С.І'усеву и к.ф.-м.н. Е.Н.Сахаровой за помощь в составлении программ и отладке их на ЭВМ.
Внедрение результатов работы. Разработанные подходы, отдельные программы, некоторые алгоритмы и результаты работы были использованы и используются в
Институте проблем материаловедения АН УССР для оптимизации технологических процессов получения композитов со специальными свойствами;
Всесоюзном институте авиационных материалов для прогнозирования ресурса работы направленно кристаллизованных эвтектических композиционных материалов при высоких температурах и для
оценки прочностных свойств углеалюминия с разной степенью физико-химического взаимодействия компонентов;
НИИ порошковой металлургии для оптимизации структур слоистых композитов, работающих в условиях циклического нагружения;
МВТУ им. Н.Э.Баумана на кафедре "Машины и автоматизация обработки давлением" для назначения режимов гибки бороалюминие-вых листов;
Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе АН СССР для изучения закономерностей накопления повреждений в твердых телах на микроструктурном уровне.
В приложениях к работе приводятся акты об использовании и внедрении в практику результатов исследований, а также акты о выполнении соответствующих работ по договорам о содружестве, полученные от перечисленных предприятий.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, сводку основных результатов, список литературы (27 стр., 282 наим.) и приложения. Общий объем работы 522 стр., в том числе основного текста 298 стр., иллюстраций 142 стр.
Нумерация формул в каждом параграфе своя. Если имеется ссылка на формулу из другого параграфа, то вместе с номером формулы указывается номер параграфа. Если дается ссылка на формулу из другой главы, то указывается и номер главы. Аналогичным образом организована нумерация рисунков и ссылки на них.
