Введение к работе
К настоящему времени образовался разрыв между практическим применением анизотропных материалов и уровнем знаний о свойствах таких материалов при интенсивных динамических нагрузках, каким является удар. Как в России, так и за рубежом полученные результаты об особенностях поведения анизотропных материалов касаются в основном статических нагрузок и охватывают класс задач основанных на приближениях теории тонких оболочек. Это относится как к экспериментальным исследованиям, так и к математическому и численному моделированию. Существующие инженерные методики, основанные на упрощенных подходах, не позволяют проследить за динамикой разрушения анизотропных материалов и влияния на этот процесс волновых явлений, эволюция которых при ударном воздействии является одним из определяющих факторов.
Актуальность исследования закономерностей деформирования и разрушения анизотропных материалов при ударе обусловлена весьма ограниченным объемом информации о свойствах и особенностях их реакции на динамическую нагрузку, необходимостью создания моделей для адекватного описания и прогнозирования проведения анизотропных материалов и конструкций в широком диапазоне начальных условий.
Целью диссертационной работы является
—исследование ударно-волновых процессов деформирования и разрушения анизотропных материалов и конструкций при ударных нагрузках методами численного моделирования;
-разработка численной методики для исследования напряженно-деформированного состояния и прогнозирования поведения разнесенных и слоистых конструкций из анизотропных материалов с учетом различных значений пределов прочности на сжатие и растяжение, с произвольной ориентацией упругих и прочностных свойств материала.
Научная новизна:
Создана методика расчета динамических процессов в разнесенных и слоистых конструкциях из анизотропных материалов в трехмерной постановке с произвольной ориентацией свойств материала, учитывающая различные значения пределов прочности на сжатие и растяжение при ударе.
Проведен количественный и качественный анализ разрушения анизотропных пластин конечной толщшіьі при низкоскоростном ударе - на пределе пробития. Установлено, что формирование и направление развития зон разрушения в преграде определяется ориентацией упругих и прочностных свойств анизотропного материала по отношению к направлению удара. В зависимости от ориентации свойств возможно развитие конических трещин, обусловленных комбинированным действием растягивающих напряжений в волнах разгрузки и за счет внедрения ударника, либо разрушение материала в волне сжатия и разгрузки.
Впервые исследовано ударное взаимодействие двух анизотропных тел с различной ориентацией упругих и прочностных свойств. При рассмотренных условиях взаимодействия изменение ориентации свойств приводит к качественному изменению механизмов макроразрушения в волнах сжатия и разгрузки.
Проведен сравнительный анализ эффективности монолитных и разнесенных преград из анизотропных материалов. Установлено, что эффективность разнесенных конструкций возрастает с увеличением скорости взаимодействия и зависит от ориентации свойств анизотропного материала по отношению к направлению удара, определяющей динамику разрушения.
На защиту выносятся:
Методика расчета динамических процессов в разнесенных и слоистых конструкциях из анизотропных материалов в трехмерной постановке с произвольной ориентацией свойств материала, учитывающая различные значения пределов прочности на сжатие и растяжение при ударе.
Комплекс результатов численного моделирования процесса разрушения пластин из анизотропного материала с различной ориентацией свойств материала при низкоскоростном ударе - на пределе пробития.
Результаты исследования влияния ориентации свойств анизотропного материала на ударно-волновые процессы и разрушение при взаимодействии двух анизотропных тел. Результаты численных исследований влияния угла нутации на проникание удлиненных стержней в анизотропные преграды.
Комплекс результатов сравнительного анализа эффективности разнесенных и монолитных преград из анизотропных материалов при ударных нагрузках.
Достоверность полученных результатов подтверждается физической обоснованностью применяемых моделей среды, корректностью математической постановки задач, сравнением результатов с экспериментальными данными и численными результатами, полученными другими авторами, использованием известных, апробированных численных алгоритмов.
Практическая и теоретическая ценность работы:
Работа выполнялась в Учреждении Российской академии наук Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН и НИИ прикладной математики и механики Томского государственного университета в соответствии с планом работ по госбюджетному финансированию РАН, Минобразования, также работа получила поддержку Российского фонда фундаментальных исследований (граіггьі № 03-01-00006, № 06-01-00081), Президиума РАН (проект № 18.9), целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы 2009-2010 гг.", № 2.1.1/4147.
Полученные в работе результаты дают новые, более глубокие представления о свойствах анизотропных материалов при динамических нагрузках. На основе созданной численной методики можно исследовать динамическое поведение широкого класса хрупких анизотропных материалов с различной
симметрией, ориентацией свойств и степенью анизотропии и проводить компьютерное конструирование перспективных материалов с заданными свойствами для конкретных условий нагружения. Полученные результаты являются основой для создания моделей, учитывающих пластические, вязкие и другие свойства анизотропных материалов при динамических нагрузках.
Апробация работы и публикации:
Результаты диссертации представлены в 45 работах, опубликованных в российских и зарубежных научных журналах и сборниках, в том числе 3-х работах - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК, а также материалах Всероссийских и международных конференций, и докладывались на Международной конференции V Харитоновские тематические научные чтения "Вещества, материалы и конструкции при интенсивных динамических воздействиях" (Сэров, 2003 г.), Конференции молодых учёных "Механика летательных аппаратов и конструкций" (Томск, 2003 г.), Международном семинаре "Гидродинамика высоких плотностей энергии" (Новосибирск, 2003 г.), VII Международной конференции по физической мезомеханике и компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2003 г.), IV Школе-семинаре "Физика взрыва и применение взрыва в физическом эксперименте" (Новосибирск, 2003 г.), Научной сессии молодых ученых Научно-Образовательного Центра "Физика и химия высокоэнергетических систем" (Томск, 2004 г.), Конференции молодых учёных "Механика летательных аппаратов и конструкций" (Томск, 2004 г.), Международной конференции "Сопряженные задачи механики информатики и экологии" (Республика Алтай, 2004 г.), Международной конференции по физической мезомеханике компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2004 г.), XLIII Международная конференция "Актуальные проблемы прочности" (Витебск, 2004 г.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (Новосибирск, 2004 г.), Международной конференции "VII Харитоновские тематические научные чтения" (Сэров, 2005 г.), I Всероссийской конференции молодых ученых "Физика и химия высокоэнергетических систем" (Томск, 2005 г.), Международной конференции "Лаврентьевские чтения по математике, механике, физике" (Новосибирск, 2005 г.), Международной конференции "VIII Забабахинские научные чтения" (Снежинск, 2005 г.), Международной школе-конференции молодых ученых "Физика и химия нано-материалов" (Томск, 2005 г.), II Всероссийской конференции молодых ученых "Физика и химия высокоэнергетических систем" (Томск, 2006 г.), Международной конференции "Физическая мезомеханика, компьютерное моделирование и разработка новых материалов" (Томск, 2006 г.), Региональной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по физике (Владивосток, 2006 г.), VI Всероссийской конференции молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии" (Новосибирск, 2007 г.), XXII Международной конференции "Воздействие интенсивных потоков
энергии на вещество" (Эльбрус, 2007 г.), Международной конференции "IX Харитоновские чтения" (Саров, 2007 г.), Международной конференции "Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва" (Новосибирск, 2007 г.), Международной конференции по физике высоких плотностей энергии "IX Забабахинские научные чтения" (Снежинск, 2007 г.), V Всероссийской школе-семинаре по структурной макрокинетике для молодых ученых (Черноголовка, 2007 г.), VIII Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Новосибирск, 2007 г.), Всероссийская научная конференции молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (Новосибирск, 2007 г.), XXIII Международной конференции "Уравнения состояния вещества" (Эльбрус, 2008 г.), IV Всероссийской конференции молодых ученых "Физика и химия высокоэнергетических систем" (Томск, 2008 г.), II Международном семинаре "Гидродинамика высоких плотностей энергии" (Новосибирск, 2008 г.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (Новосибирск, 2008 г.), Международной конференции "XI Харитоновские тематические научные чтения" (Саров, 2009 г.), Конференции молодых учёных "Неравновесные процессы в сплошных средах" (Пермь, 2009 г.).
