Аспекты численного моделирования процессов разрушения упруго-хрупких тел
Автор: Вильдеман Валерий Эрвинович, Феклистова Евгения Вячеславовна, Мугатаров Артур Ильдарович, Муллахметов Максим Николаевич, Кучуков Артур Марсович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.16, 2023 года.
Бесплатный доступ
Для обеспечения надежности и безопасности ответственных конструкций, определения их прочностных и деформационных резервов, важным является понимание процессов зарождения и развития макродефектов в твердых телах. При численном моделировании зоны, где произошло разрушение материала, могут быть представлены как области со значительно заниженными жесткостными характеристиками, по аналогии с методом переменных параметров упругости, применяемым при решении краевых задач теории пластичности. Однако формальное использование численных алгоритмов пластичности не всегда приводит к адекватному описанию процессов разрушения, особенно упруго-хрупких тел. В связи с этим в работе рассмотрены такие аспекты численных (базирующихся на методе конечных элементов) алгоритмов процессов разрушения, как пересчет при неизменных граничных условиях напряженно-деформированного состояния после редуцирования жесткости конечных элементов путем организации соответствующей итерационной процедуры, выбор максимального числа «разрушаемых» за итерацию конечных элементов, величины шага нагружения и степени дискретизации расчетной области. Влияние перечисленных аспектов на результаты моделирования процесса разрушения иллюстрируется путем сравнения численных решений задачи деформирования полосы из упруго-хрупкого материала с краевым концентратором напряжений, полученных различными алгоритмами. Построены расчетные диаграммы нагружения, продемонстрирована реализация закритической стадии на макроуровне. Анализируется кинетика процесса разрушения при различной организации итерационной процедуры и разном количестве «разрушаемых» за итерацию элементов. Выявлено, что для более точного описания процесса деформирования и разрушения целесообразнее использовать автоматически подбираемую величину шага нагружения. Получено, что степень дискретизации расчетной области оказывает значительное влияние на результаты моделирования. В связи с этим сделано предположение, что размер конечного элемента должен соответствовать некоторой прочностной константе материала, имеющей размерность длины.
Разрушение, численное моделирование, пакет ansys, редуцирование жесткостей
Короткий адрес: https://sciup.org/143180963
IDR: 143180963 | УДК: 539.3 | DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.4.35
Aspects of numerical simulation of failure of elastic-brittle solids
Understanding the nucleation and evolution of microdefects in solid bodies is important to ensure the reliability and safety of critical structures and to identify their strength and deformation resources. In numerical modeling, failure zones can be represented as areas with significantly underestimated rigid characteristics by analogy with the method of variable elastic parameters used in solving the boundary-value problems of the theory of plasticity. However, the formal application of numerical algorithms of plasticity does not always lead to an adequate description of failure processes especially in elastic-brittle bodies. This paper considers some aspects of the numerical simulation of failure processes, such as the calculation of a stress-strain state after reducing the rigidity of finite elements under constant boundary conditions by organizing an appropriate iteration procedure, and the selection of the maximum number of finite elements fractured per iteration, the value of a loading step, and the discretization degree of the computational domain. The influence of the above aspects on the results of failure simulation is illustrated by comparing the numerical solutions to the problem of deformation of the strip made of elastic-brittle material with the edge stress concentrator, which were obtained by different algorithms. The loading diagrams were plotted, and the implementation of the post-critical stage at the macro level was demonstrated. Failure kinetics was analyzed for different variants of implementation of the iterative procedure and at a variable number of elements fractured per iteration. It has been found that, in order to get an accurate description of deformation and failure processes, the automatic selection of a loading step seems to be more reasonable. Analysis has indicated that the discretization degree of the computational domain has a strong impact on the modeling results. This suggests that the finite element size should correspond to a certain strength constant of a material having the dimensions of length.
Список литературы Аспекты численного моделирования процессов разрушения упруго-хрупких тел
- Ильиных A.В. Численное моделирование процессов структурного разрушения зернистых композитов с изотропными элементами структуры // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2011. № 2(23). С. 101-106. https://doi.org/10.14498/vsgtu947
- Вильдеман В.Э., Ильиных А.В. Моделирование процессов структурного разрушения и масштабных эффектов разупрочнения на закритической стадии деформирования неоднородных сред // Физ. мезомех. 2007. Т. 10, № 4. С. 23 29.
- Ильиных А.В., Вильдеман В.Э. Моделирование структуры и процессов разрушения зернистых композитов // Вычисл. мех. сплош. сред. 2012. Т. 5, № 4. С. 443-451. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2012.5.4.52
- Муллахметов М.Н., Ильиных А.В. Численное моделирование процесса разрушения пучков параллельных волокон // Master's Journal. 2020. № 1. С. 9-26.
- Вильдеман В.Э., Третьяков М.П. Испытания материалов с построением полных диаграмм деформирования // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2013. № 2. С. 93-98. (English version https://doi.org/10.3103/S1052618813010159)
- Цепенников М.В., Сметанников О.Ю., Повышев И.А. Идентификация параметров численной методики расчета разрушения конструкций из композиционных материалов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2015. № 2. С. 46-53.
- Цепенников М.В., Стром А.А., Повышев И.А., Сметанников О.Ю. Экспериментально-теоретическое исследование механического поведения 3D-композитов при квазистационарном разрушении // Вестник ПНИПУ. Механика. 2016. № 2. С. 143-158. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2016.2.10
- Цепенников М.В., Повышев И.А., Сметанников О.Ю. Верификация численной методики расчета разрушения конструкций из композиционных материалов // Вестник ПНИПУ. Прикладная математика и механика. 2012. № 10. С. 225-241.
- Степанов Г.В., Широков А.В. Моделирование кинетики распространения трещины // Проблемы прочности. 2010. № 4. С. 87-95. (English version https://doi.org/10.1007/s11223-010-9233-1)
- Feklistova E.V., Tretyakov M.P., Wildemann V.E. Numerical implementation issues of the deformation and destruction process of bodies with stress concentrators // AIP Conf. Proc. 2021. Vol. 2371. 050002. https://doi.org/10.1063/5.0059553
- Аношкин А.Н. Неупругое деформирование и прочность однонаправленных композитов при продольном сдвиге // Вестник ПГТУ. Математическое моделирование систем и процессов. 1995. № 3. С. 4-10.
- Boyce B.L., Kramer S.L.B., Fang H.E. et al. The Sandia Fracture Challenge: Blind round robin predictions of ductile tearing // Int. J. Fract. 2014. Vol. 186. P. 5-68. https://doi.org/10.1007/s10704-013-9904-6
- Hedayati Dezfuli F., Alam M.S. Sensitivity analysis of carbon fiber reinforced elastomeric isolators based on experimental tests and finite element simulations // Bull. Earthquake Eng. 2014. Vol. 12. P. 1025-1043. https://doi.org/10.1007/s10518-013-9556-y
- Козлов М.В., Шешенин С.В. Моделирование прогрессирующего разрушения слоистых композитов // МКМ. 2016. Т. 51, № 6. С. 991-1006. (English version https://doi.org/10.1007/s11029-016-9540-0)
- Ренев С.А. Шелофаст В.В. Решение задач прочности и трещиностойкости с использованием модифицированной функции "birth and death" для трех типов деформации в вершине трещины // Морские интеллектуальные технологии. 2017. № 4-3 (38). С. 72-78.
- Королев И.К., Петинов С.В., Фрейдин А.Б. Численное моделирование накопления повреждений и развития усталостной трещины в упругих материалах // Вычисл. мех. сплош. сред. 2009. Т. 2, № 3. С. 34-43. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2009.2.3.21
- Шаблей А.А., Сапожников С.Б., Шипулин Л.В. Расчетная оценка кинетики разупрочнения слоистых композитов на основе стохастического микро-мезо-моделирования // Вестник ЮУрГУ. Серия Машиностроение. 2017. Т. 17, № 4. С. 59-69. https://doi.org/10.14529/engin170406
- Крыжевич Г.Б., Филатов А.Р. Численное моделирование процессов упругопластического деформирования перекрытия ледового пояса морской ледостойкой платформы // Труды Центрального научно-исследовательского института им. академика А.Н. Крылова. 2015. № 86(370). С. 125-132.
- Новоселов А.В., Вильдеман В.Э. Исследование характера процесса разрушения ортотропных пластин с концентраторами напряжений на базе вычислительного эксперимента // Вестник ПНИПУ. Механика. 2012. № 4. С. 66-78.
- Соколкин Ю.В., Вильдеман В.Э., Зайцев А.В., Рочев И.Н. Накопление структурных повреждений и устойчивое закритическое деформирование композитных материалов // МКМ. 1998. Т. 34, № 2. С. 234-250. (English version https://doi.org/10.1007/BF02256036)
- Бартоломей М.Л., Труфанов Н.А. О применении пакета ANSYS для исследования деформирования здания с учетом трещинообразования // Вестник ПГТУ. Механика. 2009. № 1. С. 15-20.
- Шабан Б.А., Зузов В.Н. Особенности моделирования каркасных элементов кузовов и кабин автомобилей при исследовании пассивной безопасности // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 11. С. 81-104. https://doi.org/10.7463/1112.0486675
- Лю И., Зузов В.Н. Исследование влияния размеров конечных элементов на точность моделирования клеевого соединения в автомобильных конструкциях // Изв. МГТУ «МАМИ». 2021. Т. 15, № 3. C. 31-41. https://doi.org/10.31992/2074-0530-2021-49-3-31-41
- Шабан Б.А., Зузов В.Н. Особенности построения конечно-элементных моделей кабин для исследования пассивной безопасности при ударе в соответствии с правилами ЕЭК ООН №29 // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2013. № 3. C. 129-156. https://doi.org/10.7463/0313.0542301
- Lopes B., Arruda M.R.T., Almeida-Fernandes L., Castro L., Silvestre N., Correia J.R. Assessment of mesh dependency in the numerical simulation of compact tension tests for orthotropic materials // Composites Part C: Open Access. 2020. Vol. 1. 100006. https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2020.100006
- Monforte L., Ciantia M.O., Carbonell J.M., Arroyo M., Gens A. A stable mesh-independent approach for numerical modelling of structured soils at large strains // Computers and Geotechnics. 2019. Vol. 116. 103215. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2019.103215
- Galavi V., Schweiger H.F. Nonlocal multilaminate model for strain softening analysis // Int. J. Geomech. 2010. Vol. 10. P. 30 44. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1532-3641(2010)10:1(30)
- Кургузов В.Д. Выбор параметров сетки конечных элементов при моделировании роста трещин гидроразрыва // Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8, № 3. С. 254-263. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.3.21
- Сметанников О.Ю., Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Шустов Д.В. Численная модель развития трещины при повторном гидроразрыве пласта // Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8, № 2. С. 208-218. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.2.18
- Каспарова Е.А., Шушпанников П.С. Численные и аналитические методы моделирования роста и взаимодействия трещин // Вычисл. мех. сплош. сред. 2018. Т. 11, № 1. С. 79-91. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.1.7
- Pour A.E., Afrazi M., Golshani A. Experimental study of the effect of length and angle of cross-cracks on tensile strength of rock-like material // Iran. J. Sci. Technol. Trans. Civ. Eng. 2022. Vol. 46. P. 4543-4556. https://doi.org/10.1007/s40996-022-00891-0
- Xiao D., Yang W., Liu C., Hu R. Testing of mode-I fracture toughness of sandstone based on the fracturing mechanism of an explosion stress wave // Rock Mech. Rock Eng. 2022. Vol. 55. P. 7731-7745. https://doi.org/10.1007/s00603-022-03047-8
- Liu P., Liu Q., Huang X., Hu M., Bo Y., Yuan D., Xie X. Direct tensile test and FDEM numerical study on anisotropic tensile strength of kangding slate // Rock Mech. Rock Eng. 2022. Vol. 55. P. 7765-7789. https://doi.org/10.1007/s00603-022-03036-x
- Васильев В.В., Лурье С.А., Салов В.А. Определение нагрузки, вызывающей появление пластической деформации в растягиваемой пластине с трещиной // Изв. РАН. МТТ. 2020. № 4. С. 43-49. https://doi.org/10.31857/S0572329920040133
- Васильев В.В., Лурье С.А., Салов В.А. Новое решение задачи о трещине в растягиваемой ортотропной пластине // Изв. РАН. МТТ. 2021. № 6. С. 23-32. https://doi.org/10.31857/S0572329921060167
