Численное исследование процессов разрушения деформируемых тел с концентраторами напряжений с учетом статистического распределения прочности структурных элементов
Автор: Феклистова Е.В., Мугатаров А.И., Вильдеман В.Э.
Статья в выпуске: 4, 2024 года.
Бесплатный доступ
Решение проблемы обеспечения прочности и безопасности ответственных конструкций требует изучения их механического поведения не только в условиях нормальной эксплуатации, но и при реализации процессов разрушения на структурном уровне. Для численного моделирования процессов разрушения применяются различные методы, одним из широко используемых является подход, связанный с редуцированием жесткости конечных элементов при выполнении критерия разрушения. При данном подходе важным является учет неоднородности распределения прочностных характеристик структурных элементов в объеме тела. В работе проведено численное исследование процессов разрушения тел с концентраторами напряжений при учете стохастичности распределения прочностных характеристик структурных элементов. Приведена постановка краевой задачи деформирования и разрушения и алгоритм ее решения методом конечных элементов. На примере решения типовой задачи изучено влияние геометрии концентратора напряжений и характерного размера зоны повреждения на поведение тела на макроуровне, его несущую способность и кинетику процесса накопления повреждений. Отмечена реализация закритической стадии деформирования на макроуровне при высоком значении разброса прочностных характеристик. Выявлено наличие порогового значения дисперсии распределения пределов прочности структурных элементов, по достижении которого концентратор напряжений перестает влиять на процесс разрушения. Отмечена существенная зависимость результатов численного моделирования от характерного размера зоны разрушения и целесообразность подбора данного параметра путем сопоставления полученных результатов с экспериментальными данными. Сделан вывод о рациональности учета неоднородности распределения прочностных характеристик структурных элементов при изучении процессов разрушения конструкций.
Разрушение, метод конечных элементов, численное моделирование, концентратор напряжений, распределение прочностных характеристик
Короткий адрес: https://sciup.org/146283048
IDR: 146283048 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2024.4.07
Simulation of fracture in deformable bodies with stress concentrators taking into account the statistical distribution of ultimate strength in structural elements
To solve the problem of ensuring the strength and safety of critical structures, it is required to study their mechanical behavior at the structural level not only under normal operating conditions but also under destruction. Various methods are used to simulate destruction processes; one of them implies the reduction of the stiffness of finite elements when fulfilling the destruction criterion. When using this approach, it is important to take the heterogeneous distribution of strength characteristics of structural elements in the body’s volume into account. The paper presents a numerical study of the destruction processes of bodies with stress concentrators taking into account the stochasticity of the distribution of strength characteristics of the structural elements. We present the statement of the boundary value problem of deformation and destruction, also its solution algorithm using the finite element method. By solving a typical problem, we study the influence of the stress concentrator geometry and the characteristic size of the damage zone on the behavior of the body at the macrolevel, its bearing capacity and the kinetics of the damage accumulation process. The implementation of the postcritical stage of deformation at the macrolevel with a wide range of strength characteristics is noted. There is a threshold value of the variance of the distribution of the strength limits of structural elements, upon which the stress concentrator ceases to affect the destruction process. A significant dependence of the simulation results on the characteristic size of the destruction zone and the expediency of selecting this parameter by comparing the obtained results with experimental data are noted. When studying structural destructions it is important to take heterogeneity of the distribution of strength characteristics of structural elements into account.
Список литературы Численное исследование процессов разрушения деформируемых тел с концентраторами напряжений с учетом статистического распределения прочности структурных элементов
- Kumar, A. Passive Constrained Layer Damping: A State of the Art Review / A. Kumar, R.K. Behera // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2019. – Vol. 653. – art. No. 012036. DOI: 10.1088/1757-899X/653/1/012036
- Nashif, A.D. Vibration Damping / A.D. Nashif, D.I.G. Jones, J.P. Henderson. – Wiley, 1985. – 453 p.
- Sun, C.T. Vibration Damping of Structural Elements / C.T. Sun, Y.P. Lu. – Prentice-Hall, 1995. – 372p.
- Stanway, R. Active constrained-layer damping: A state-ofthe- art review Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I / R. Stanway, J.A. Rongong, N.D. Sims // Journal of Systems and Control Engineering. – 2003. – Vol. 217, no 6. – P. 437–456. DOI: 10.1177/095965180321700601
- Trindade, M.A. Hybrid Active-Passive Damping Treatments using Viscoelastic and Piezoelectric Materials: Review and Assessment / M.A. Trindade, A. Benjeddou // Journal of Vibration and Control. – 2002. – Vol. 8, no. 6. – P. 699–745. DOI: 10.1177/1077546029186
- Sahoo, S.R. Active damping of geometrically nonlinear vibrations of smart composite plates using elliptical SCLD treatment with fractional derivative viscoelastic layer / S.R. Sahoo, M.C. Ray // European Journal of Mechanics – A/Solids. – 2019. – Vol. 78. – art. No. 103823. DOI: 10.1016/j.euromechsol.2019.103823
- Sahoo, S.R. Active control of laminated composite plates using elliptical smart constrained layer damping treatment / S.R. Sahoo, M.C. Ray // Composite Structures. – 2019. – Vol. 211. – P. 376–389. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.12.004
- Ватульян, А.О. К исследованию колебаний цилиндра с вязкоупругим покрытием / А.О. Ватульян, В.В. Дударев // Вычислительная механика сплошных сред. – 2021. – Т. 14, № 3. – P. 312–321. DOI: 10.7242/1999-6691/2021.14.3.26
- Park, C.H. Modeling of a Hybrid Passive Damping System / C.H. Park, S.J. Ahn, H.C. Park // Journal of Mechanical Science and Technology, 2005. – Vol. 19, no. 1. – P. 127–135. DOI: 10.1007/BF02916111
- Trindade, M.A. Optimization of passive constrained layer damping treatments applied to composite beams / M.A. Trindade // Latin American Journal of Solids and Structures, 2007. – Vol. 4, no. 1. – P. 19–38.
- Vibration Control of Beams with Active Constrained Layer Damping / F.-M. Li, K. Kishimoto, Y.-S. Wang, Z.-B. Chen, W.-H. Huang // Smart Materials and Structures, 2008. – Vol. 17, no. 6, art. No. 065036. DOI: 10.1088/0964-1726/17/6/065036
- Trindade, M.A. Optimization of Active-Passive Damping Treatments using Piezoelectric and viscoelastic Materials / M.A. Trindade // Smart Materials and Structures. – 2007. – Vol. 16. – P. 2159–2168. DOI: 10.1088/0964-1726/16/6/018
- Vibration Control of Plate by Active and Passive Constrained Layer Damping / S. Meena, N. Kumar, S.P. Singh, B.C. Nakra // Advances in vibration engineering. – 2009. – Vol. 8(4). – P. 345–356.
- Gupta, A. An actively constrained viscoelastic layer with the inclusion of dispersed graphite particles for control of plate vibration / A. Gupta, S. Panda, R.S. Reddy // Journal of Vibration and Control. – 2020. – Vol. 27, no. 17–18. – P. 2152–2163. DOI: 10.1177/1077546320956533
- Mead, D.J. The Forced Vibration of a Three-Layer, Damped Sandwich Beam with Arbitrary Boundary Conditions / D.J. Mead, S. Markus // Journal of Sound and Vibration. – 1969. – Vol. 10, no. 2. – P. 163–175. DOI: 10.1016/0022-460X(69)90193-X
- Design of an Active Damping System for Vibration Control of Wind Turbine Towers / H. Bai, Y. Aoues, J.-M. Cherfils, D. Lemosse // Infrastructures. – 2021. – Vol. 6, no. 11. – art. No. 162. DOI: 10.3390/infrastructures6110162
- Vinyas, M. Influence of active constrained layer damping on the coupled vibration response of functionally graded magneto- electro-elastic plates with skewed edges / M. Vinyas, D. Harursampath, T. Nguyen-Thoi // Defence Technology. – 2020. – Vol. 16, no. 5. – P. 1019–1038. DOI: 10.1016/j.dt.2019.11.016
- Active Vibration Control of Composite Cantilever Beams / Z. Huang, F. Huang, X. Wang, F. Chu // Materials (Basel). – 2022. – Vol. 16, no. 1. – art. No. 95. DOI: 10.3390/ma16010095
- Modeling and topology optimization of cylindrical shells with partial CLD treatment / R.Z. Zhu, X.N. Zhang, S.G. Zhang, Q.Y. Dai, Z.Y. Qin, F.L. Chu // International Journal of Mechanical Sciences. – 2022. – Vol. 220. – art. No. 107145. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2022.107145
- Vibration Control of an Aero Pipeline System with Active Constraint Layer Damping Treatment / J. Zhai, J. Li, D. Wei, P. Gao, Y. Yan, Q. Han // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9, no. 10. – art. No. 2094. DOI: 10.3390/app9102094
- Yang, Q. Development of Multi-Staged Adaptive Filtering Algorithm for Periodic Structure-Based Active Vibration Control System / Q. Yang, K. Lee, B. Kim // Appl. Sci. – 2019. – Vol. 9. – art. No. 611. DOI: 10.3390/app9030611
- Panda, S. A design of active constrained layer damping treatment for vibration control of circular cylindrical shell structure / S. Panda, A. Kumar // Journal of Vibration and Control. – 2016. – Vol. 24, no. 24. – P. 5811–5841. DOI: 10.1177/1077546316670071
- Algorithm for solving problems related to the natural vibrations of electro-viscoelastic structures with shunt circuits using ANSYS data / N.A. Iurlova, D.A. Oshmarin, N.V. Sevodina, M.A. Iurlov // International Journal of Smart and Nano Materials. – 2019. – Vol. 10, no. 2. – P. 156–176. DOI: 10.1080/19475411.2018.1542356
- Численный алгоритм поиска компоновок электро- упругих тел с внешними электрическими цепями для получения наилучших демпфирующих характеристик / Н.А. Юрлова, Д.А. Ошмарин, Н.В. Севодина, М.А. Юрлов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2020. – № 3. – C. 108–124. DOI: perm.mech/2020.3.11
- Hagood, N.W. Damping of structural vibrations with piezoelectric materials and passive electrical networks / N.W. Hagood, A. Von Flotow // Journal of Sound and Vibration. – 1991. – Vol. 146, no. 2. – P. 243–268. DOI: 10.1016/0022-460X(91)90762-9
- Trindade, M.A. Effective electromechanical coupling coefficients of piezoelectric adaptive structures: critical evaluation and optimization / M.A. Trindade, A. Benjeddou // Mech. Adv. Mater. Struct. – 2009. – Vol. 16, no. 3. – P. 210–223. DOI: 10.1080/15376490902746863
- Comparison of passive damping treatments based on constrained viscoelastic layers and multi-resonant piezoelectric networks / B. Lossouarn, L. Rouleau, R. Darleux, J.-F. Deü // Journal of Structural Dynamics. – 2021. – Vol. 1. – P. 30–48. DOI: 10.25518/2684-6500.63
- Effects of viscoelastic bonding layer on performance of piezoelectric actuator attached to elastic structure / I.A. Ali, M.A. Alazwari, M.A. Eltaher, A.A. Abdelrahman // Mater. Res. Express. – 2022. – Vol. 9. – art. No. 045701. DOI: 10.1088/20531591/ac5cae
- Партон, В.З. Электромагнитоупругость пьезоэлектрических и электропроводных тел / В.З. Партон, Б.А. Кудрявцев. – М.: Наука, 1988. – 471 p.
- Карнаухов, В.Г. Механика связанных полей в элементах конструкций: в 5 т. Т. 4: Электротермовязкоупругость / В.Г. Карнаухов, И.Ф. Киричок. – Киев: Наукова Думка, 1988. – 316 с.
- Analysis of dissipative properties of electro-viscoelastic bodies with shunting circuits on the basis of numerical modelling of natural vibrations / V. Matveenko, N. Iurlova, D. Oshmarin, N.V. Sevodina // Acta Mech. – 2023. – Vol. 234. – Р. 261–276. DOI: 10.1007/s00707-022-03193-8
- Задача о собственных колебаниях электро-вязко-упругих тел с внешними электрическими цепями и конечно- элементные соотношения для ее численной реализации / В.П. Матвеенко, Д.А. Ошмарин, Н.В. Севодина, Н.А. Юрлова // Вычислительная механика сплошных сред. – 2016. – Т. 9, № 4. – С. 476–485. DOI: 10.7242/1999-6691/2016.9.4.40
- Matveenko, V.P. Damping of vibrations of smartsystems incorporating piezoelectric elements and shunt circuits with parameters derived from the models of continuum and discrete mechanics / V.P. Matveenko, N.A. Iurlova, D.A. Oshmarin // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2023. – Р. 1–11. DOI: 10.1080/15376494.2023.2241134
- An approach to determination of shunt circuits parameters for damping vibrations / V.P. Matveenko, N.A. Iurlova, D.A. Oshmarin, N.V. Sevodina, M.A. Iurlov // International Journal of Smart and Nano Materials. – 2018. – Vol. 9, no. 2. – P. 135–149. DOI: 10.1080/19475411.2018.1461144
- Zienkiewicz, O.C. The finite element method: Its Basis and Fundamentals. – 6th ed. / O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor, J.Z. Zhu. – Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2000. – 802 p.
- Kligman, E.P. Natural Vibration Problem of Viscoelastic Solids as Applied to Optimization of Dissipative Properties of Constructions / E.P. Kligman, V.P. Matveenko // Journal of Vibration and Control. – 1997. – Vol. 3, no. 1. – P. 87–102. DOI: 10.1177/107754639700300
- Weawer, Jr.W. Vibration problems in engineering, 5th ed. / Jr.W. Weawer, S.P. Timoshenko, D.H. Young. – Wiley, 1990. – 497 p.
- Матвеенко, В.П. Приложения метода Мюллера и принципа аргумента к задачам на собственные значения в механике деформируемого твердого тела / В.П. Матвеенко, М.А. Севодин, Н.В. Севодина // Вычислительная механика сплошных сред. – 2014. – Vol. 7, no. 3. – P. 331–336. DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.3.32
