Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статьи журнала - Вычислительная механика сплошных сред
Все статьи: 723
Моделирование кольматации пористой среды при закачке воды с частицами примеси
Статья научная
В процессе извлечения нефти давление в пласте со временем постепенно уменьшается, и в этом случае для его поддержания прибегают к закачке воды в пласт - заводнению. Зачастую в составе пластовой воды присутствуют различные примеси, минералы и металлы. Они оседают на поверхности пор породного скелета и приводят к уменьшению начальной пористости призабойной зоны и замедлению продвижения фронта вытеснения нефти водой. Это негативно сказывается на продуктивности скважины и влечет за собой падение объёмов добытой нефти. В связи с этим исследование процесса заводнения является актуальной задачей. Естественный процесс засорения пор горных пород называется кольматацией. Цель данной работы заключается в оценке влияния параметров пласта и флюида (нефти, газа, воды) на распределение пористости, проницаемости и концентрации примеси в результате кольматации. Исследуемая проблема формулируется математически в виде системы уравнений механики сплошных сред и включает: уравнения баланса массы частиц в суспензии и несущей жидкости; закон Дарси для представления фильтрации воды в пласт; формулу Козени-Кармана для связи начальной пористости и проницаемости; уравнение, описывающее кинетику оседания частиц на скелете пористой среды. Решение системы уравнений осуществляется с помощью явной конечно-разностной схемы. Получено распределение концентрации примеси в пласте. Впервые показано, что уменьшение коэффициента кольматации приводит к снижению её скорости и возникновению стабилизированной зоны вблизи фронта вытеснения. Установлено, что коэффициент кольматации, хотя и является малым параметром, существенно влияет на характер процесса заводнения. Анализ чувствительности характеристик вытеснения нефти водой к параметрам пласта и флюида показывает, что скорость фронта вытеснения и координата этого фронта возрастают с увеличением проницаемости и давления на забое нагнетательной скважины и уменьшаются с ростом вязкости в соответствии с законом Дарси.
Бесплатно
Статья научная
Предлагается дискретно-механическая модель, описывающая взаимодействие поверхности нелинейно-упругого полимерного материала и кантилевера атомно-силового микроскопа (АСМ) при контактном режиме работы. Рассматриваются не только упругие силы, возникающие между зондом АСМ и исследуемым материалом, но и межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса, а также силы поверхностного натяжения, связанные с искривлением поверхности образца. Их влияние на общую картину взаимодействия может быть очень существенным на наноуровне. Расчетная схема модели представляется в виде двух дискретных последовательно соединенных «пружинных» элементов. Первый элемент (чисто упругий) моделирует механическое воздействие кантилевера АСМ, второй элемент отвечает за механическую реакцию образца на внедрение в него зонда. Механическая сила определяется из решения соответствующей контактной краевой задачи. Для межмолекулярных и поверхностных сил получены аналитические зависимости в виде функций геометрии зонда и расстояния между его вершиной и поверхностью образца.
Бесплатно
Статья научная
Разработана численно-аналитическая методика моделирования термовязкоупругого поведения ребристо-армированных пенопластмасс, позволяющая в дискретные моменты времени рассматривать такую композицию как термоупругий с приведенными упругими и температурными эффективными жесткостями эквивалентный материал при наличии начальных напряжений.
Бесплатно
Моделирование магнитострикционных деформаций в мягких магнитных эластомерах
Статья научная
Обсуждается природа магнитострикции мягкого магнитного эластомера - удлинение/сжатие образца при намагничивании однородным магнитным полем в отсутствие механической нагрузки. Качественный анализ свидетельствует, что внешнее поле оказывает на среду двоякое действие, причем один из механизмов стрикции проявляется на макроскопическом масштабе, а другой - на мезоскопическом. При этом последний, структурный, механизм магнитострикции существенно зависит от особенностей ближнего порядка пространственного расположения магнитных частиц в эластомерной матрице. В доказательство этого утверждения выполнено численное моделирование поведения систем магнитных частиц в упругом двумерном массиве при намагничивании. Показано, что именно наличие/отсутствие многочастичных кластеров приводит к разнице и в знаке, и в величине магнитострикции у материалов, в остальном одинаковых по составу.
Бесплатно
Статья научная
Для нанокомпозитов типа полиолефин/глина на структурном уровне проведено теоретическое исследование напряженного состояния в зависимости от ориентации частиц наполнителя относительно внешней нагрузки. В качестве наполнителя рассматривались пачки из нескольких параллельно расположенных ультратонких силикатных нанопластинок (тактоидов). Показано, что механические свойства таких включений зависят от материала, находящегося в межслойных зазорах. Если между пластинками находится размягченная субстанция (смесь полимера и адсорбированной глиной воды), то включения будут более гибкими, по сравнению с включениями, в которых пространство между пластинами заполняет тот же материал, что и в матрице. Установлено, что оптимальной, с точки зрения минимизации изгибных деформаций включения (которые могут вызвать его разрушение), является ориентация частиц силикатного наполнителя в направлении внешней деформации. На основе полученных решений сделана оценка эффективного модуля нанокомпозита в зависимости от степени наполнения и свойств материала, заполняющего зазоры между пластинками тактоида. Показано, что концентрация наполнителя в этом случае значительно сильнее сказывается на увеличении макромодуля по сравнению с обычными зернистыми композитами.
Бесплатно
Моделирование наката нелинейных поверхностных гравитационных волн на основе уравнений Навье-Стокса
Статья научная
В работе рассмотрены вопросы численного моделирования наката нелинейных поверхностных гравитационных волн на основе уравнений Навье-Стокса. Сформулирована двумерная постановка задачи, описаны граничные и начальные условия. С помощью метода расщепления по физическим процессам построена дискретная модель, учитывающая коэффициент заполненности ячеек. Представлены результаты двумерного численного моделирования процесса набегания нелинейной поверхностной гравитационной волны на береговые образования мелководных акваторий.
Бесплатно
Моделирование наноканалов в синтезированных мембранах
Статья научная
Численно исследуется поведение разбавленного электролита в системе из состыкованных микроканала и наноканала с заряженными непроводящими стенками под действием внешних разности потенциалов и давления. Наличие на~стенках наноканала поверхностного заряда препятствует прохождению через него ионов соответствующего знака. Вследствие этого рассматриваемая система приобретает ионоселективные свойства и с некоторыми допущениями может рассматриваться как фрагмент ионообменной мембраны, в том числе синтезированной путём создания нанопор в диэлектрическом материале. Подобные системы используются в экспериментах по управлению движением заряженных частиц за счёт концентрационной поляризации. Целью работы является изучение влияния отдельной поры на течение электролита и возможности управления этим течением путём изменения геометрических и физических свойств поры. Инструментом исследования являются специально разработанные упрощённые модели, основанные на усреднении по поперечному сечению уравнений Нернста~Планка, Пуассона и Стокса и сведении их к единственному нелинейному дифференциальному уравнению. Упрощённые модели позволяют вычленить вклад физических механизмов движения электролита ~ напорного (порождаемого внешним механическим воздействием) и электроосмотического (порождаемого электрическим полем). Для численного решения уравнений применяется конечно-разностный метод с полунеявным интегрированием по времени. Выявлено, что поведение системы качественно совпадает с поведением ячейки ионообменной мембраны, обладающей неидеальной селективностью; в частности, модель правильно предсказывает наличие допредельного и предельного токовых режимов, а также вихреобразование у входа в наноканал вследствие конкурирования механизмов движения электролита. Предложенные модели допускают обобщение на канал любой геометрии и на электролит с произвольным числом ионов.
Бесплатно
Статья научная
Настоящая работа является фрагментом двух важных научных направлений: механики полимерных композиционных материалов (ПКМ) и создания новых средств диагностики и мониторинга механического состояния конструкции на основе использования волоконно-оптических датчиков. Номенклатура и области применения ПКМ расширяются очень быстро. В настоящее время процент использования композиционных материалов является одним из показателей конкурентности соответствующей продукции. При этом теоретические разработки, обеспечивающие оценку работоспособности конструкций из ПКМ, не всегда успевают за запросами конструкторов, создающих новые изделия. Поэтому модельные оценки должны быть дополнены современными системами мониторинга. Волоконно-оптические датчики открывают возможности для создания новых сценариев мониторинга. Один из них связан с использованием датчиков, встроенных в ПКМ. В данном случае появляется новая разновидность smart-материала, в которой ПКМ, наряду с выполнением основных функций представляет информацию о своих параметрах: температура, деформация и т.д. Создание этого класса smart-материалов требует решения ряда задач. Одной из них посвящена настоящая работа, а именно оценке методами математического моделирования изменений жесткостных и прочностных характеристик изделий из ПКМ вследствие встраивания в материал волоконно-оптических датчиков. В отличие от известных работ при построении расчетных моделей учитываются: слоистая структура ПКМ; виды укладки слоев; варианты компоновки слоев и оптического волокна; наличие технологического дефекта в виде смоляного кармана и устранении точек сингулярности напряжений, которые присутствуют в известных расчетных схемах. Результатом работы является использование предлагаемой модели для оценки уровня концентрации напряжений в слоях композиционного материала, прилегающих к оптическому волокну.
Бесплатно
Моделирование неизотермического вязкоупругопластического поведения гибких армированных пластин
Статья научная
На базе пошаговой по времени процедуры построена численно-аналитическая модель неизотермического вязкоупругопластического поведения перекрестно-армированного материала. Компоненты композиции изотропны; их вязкоупругое деформирование описывается моделью тела Максвелла-Больцмана, а мгновенное неупругое поведение - соотношениями теории упругопластического деформирования с изотропным упрочнением. При этом функция нагружения и материальные константы зависят от температуры. Определены условия вязкоупругого деформирования, начала разгрузки, нейтрального и активного вязкоупругопластического нагружения термочувствительных материалов композиции. Учитывается связанность механического и теплофизического поведения композитного материала. Приведены структурные соотношения теплофизической составляющей. Разработанная математическая модель ориентирована на использование явных схем численного интегрирования вязкоупругопластической и теплофизической задач. Сформулирована начально-краевая задача неизотермического вязкоупругопластического изгибного деформирования волокнистых пластин. Плохое сопротивление таких тонкостенных конструкций поперечному сдвигу описывается в рамках теории Амбарцумяна. Геометрическая нелинейность задачи рассматривается в приближении Кармана. В поперечном направлении температура аппроксимируется полиномом второго порядка. Для приведения трехмерной задачи теплопроводности к двумерным соотношениям применен метод дополнительных граничных условий. Исследован динамический изгиб плоско-перекрестно армированной стеклопластиковой пластины под действием воздушной взрывной волны. Показано, что при отсутствии внешнего теплового воздействия в процессе осцилляций такая конструкция нагревается всего на 2-3ºС. В таких случаях можно обоснованно пренебрегать температурным влиянием. При наличии же интенсивного теплового нагружения конструкции термочувствительность материалов композиции необходимо учитывать. Продемонстрировано, что при неоднородном по толщине температурном поле форма и величина остаточного прогиба пластины существенно зависят от того, к какой из ее лицевых поверхностей прикладывается внешняя динамическая нагрузка.
Бесплатно
Статья научная
На базе определяющих соотношений нелинейно-наследственной теории ползучести Ю.Н. Работнова с привлечением идеи метода шагов по времени в геометрически линейной постановке сформулирована задача реономного поведения квазистатически изгибаемых перекрестно армированных в своей плоскости пластин. Выведены уравнения и соотношения, позволяющие в дискретные моменты времени с разной степенью точности устанавливать напряженно-деформированное состояние композитных пластин с учетом их ослабленного сопротивления трансверсальным сдвигам. Из построенных уравнений как частные случаи вытекают соотношения классической теории изгиба пластин и традиционных неклассических теорий Рейсснера и Редди. Рассмотрена модельная задача, для которой разработан упрощенный вариант уточненной теории, имеющий примерно такую же сложность реализации, как и теории Рейсснера и Редди. Проведены конкретные расчеты изгибного деформирования армированных кольцевых пластин при кратковременном и длительном нагружении. Продемонстрировано, что для композитных пластин с относительной толщиной порядка 1/10 ни классическая теория, ни теории типа Рейсснера и Редди не гарантируют получения надежных результатов для прогиба даже в рамках грубой 10%-ной погрешности. Точность вычислений по этим теориям ухудшается при увеличении времени длительного нагружения армированной конструкции. На основе соотношений уточненной теории обнаружено, что при изгибе плоско армированных пластин в ряде случаев (например, при использовании низкопрочного связующего и высокомодульных волокон) в окрестности опорных кромок возникают ярко выраженные краевые эффекты, характеризующие резкий сдвиг - «срез» - этих конструкций в поперечном направлении. Показано, что даже при весьма малых уровнях поперечной нагрузки, когда прогибы составляют всего несколько процентов от толщины армированной пластины, при длительном нагружении в связующем материале ее композиции деформации могут достигать 5% и более.
Бесплатно
Статья научная
В двумерной постановке исследован процесс диффузии поверхностно-активного вещества (ПАВ) сквозь вертикальную межфазную границу в системе двух несмешивающихся жидкостей, заполняющих горизонтальный канал. Изначально плотности базовых жидкостей выравнены по плотности с ПАВ, поэтому все дальнейшие изменения плотности в системе обусловливаются только эффектом контракции. При неоднородной диффузии межфазное натяжение является функцией локальной концентрации ПАВ, что приводит к развитию конвекции Марангони. Вследствие нахождения в системе неконтролируемых поверхностно-активных примесей капиллярное движение зарождается пороговым образом. Показано, что на начальном этапе, несмотря на наличие гравитации, конвекция Марангони имеет вид серии периодически возникающих парных вихрей, симметрично расположенных относительно оси канала (как в условиях невесомости). По мере роста вертикального перепада плотности в канале число пар вихрей сокращается до одной. Для верификации результатов численного моделирования выполнен натурный эксперимент, в ходе которого визуализирована структура течений и полей концентрации ПАВ вблизи межфазной границы...
Бесплатно
Моделирование отклика микроферрогеля на внешнее магнитное поле
Статья научная
Метод крупнозернистой молекулярной динамики использован для изучения микроферрогеля - малого полимерного объекта, содержащего наночастицы магнитоактивного наполнителя. Хотя приложенное магнитное поле непосредственно воздействует только на частицы, но, благодаря их связи с полимером, структурные и механические изменения происходят во всём композите. Изучение этих изменений актуально в связи с широко обсуждаемыми возможностями применения микроферрогелей как дистанционно управляемых микроконтейнеров для доставки биоактивного содержимого или лекарств. В работе предложена и реализована численная модель, позволяющая детально анализировать стационарные состояния отдельного микроферрогеля, взвешенного в нейтральном растворителе. Исследовано влияние концентрации наночастиц и их магнитных характеристик (величины магнитного момента, степени магнитной одноосной анизотропии, параметра диполь-дипольной связи) на структурирование частиц в отсутствие внешнего поля и на эволюцию этих структур при наличии поля. Показано, что цепочечные кластеры являются фактически единственным типом агрегатов, возникающих в микроферрогеле, однако то, как они отразятся на поведении полимерной подсистемы, существенно зависит как от типа магнитной анизотропии частиц, так и от концентрации магнитной фазы. Это, в свою очередь, приводит к отличающимся друг от друга сценариям механического отклика микроферрогеля на внешнее магнитное возбуждение и по-разному сказывается на изменении объёма содержащегося в нём растворителя.
Бесплатно
Моделирование отслоения тонких пленок при сжатии
Статья научная
Рассмотрены процессы упругой деформации тонких пленок при механическом нагружении. Пленка моделируется продольно сжатой балкой на упругом основании. Решается задача потери устойчивости балки, частично покоящейся на упругом основании, при осевом сжатии. Деформации изгиба балки предполагаются малыми, поэтому используется приближенное дифференциальное уравнение изогнутой оси балки. Сформулированы условия склейки решений для отслоившейся балки и для балки на упругом основании. Исследовано закритическое поведение системы «балка-подложка». С точностью до постоянного множителя получены формы потери устойчивости балки при превышении сжимающей силой значения, равного эйлеровой критической нагрузке. Проведено сравнение решения по предложенной модели деформирования балки с решением геометрически нелинейной задачи, полученным методом конечных элементов. Показана возможность прогрессирующего отслаивания тонкой пленки от подложки при превышении критической нагрузки.
Бесплатно
Моделирование полимерного заводнения с использованием сетки Вороного
Статья научная
В настоящее время доля трудноизвлекаемых углеводородов в общем балансе запасов России составляет более 60% и продолжает расти. Для эффективного освоения залежей такого типа требуется развитие и применение методов увеличения нефтеотдачи, одним из которых является полимерное заводнение. Практическое применение этой технологии невозможно без проведения численного моделирования. При подземном гидродинамическом моделировании для представления геометрии пласта обычно применяют структурированные сетки. Однако неструктурированные сетки имеют ряд преимуществ перед классическими структурированными сетками: они позволяют лучше описать неоднородности пласта, получить более точное решение задачи вблизи скважин, сократить эффект ориентации сетки, а в некоторых случаях дают возможность увеличить скорость вычислений за счет уменьшения количества ячеек. В работе рассмотрена модель полимерного заводнения, учитывающая осадкообразование и минерализацию пластовой воды и включающая классические компоненты модели нелетучей нефти и компоненты полимера и соли. Записаны основные уравнения и сформулирована постановка задачи, осуществлена дискретизация методом конечных объемов на неструктурированной сетке Вороного по полностью неявной схеме с последующей верификацией результатов. В рамках вычислительного эксперимента по численному моделированию полимерного заводнения выполнено сравнение нескольких конфигураций расчетных сеток. Дебиты нефти из расчета на гексагональной локально измельченной сетке Вороного оказались точнее по сравнению с дебитами, полученными на локально измельченной прямоугольной сетке с таким же количеством ячеек. Показано, что за счет снижения эффекта ориентации сетка Вороного способна более реалистично изобразить фронт движения воды.
Бесплатно
Статья научная
Для создания рабочих тел приводов широко применяются сплавы с памятью формы. Движение рабочего тела обеспечивается накоплением деформаций прямого превращения при охлаждении и явлением памяти формы при нагреве. В данной работе моделируется поведение привода, состоящего из последовательно соединенных стержня из сплава с памятью формы и упругого элемента смещения, в рамках объединенной модели нелинейного деформирования сплавов с памятью формы с учетом изотропного и трансляционного упрочнения. Для описания неупругого деформирования по структурному механизму в мартенситном состоянии и при термоупругих фазовых переходах используется поверхность нагружения в пространстве девиаторов напряжений. Параметром изотропного упрочнения в уравнении поверхности нагружения служит максимальное значение интенсивности фазово-структурной деформации, осредненной по мартенситной части представительного объема. Во время прямого термоупругого превращения, кроме образования мартенситных элементов, учитывается также их развитие. Производится сравнение численных результатов моделирования рабочего хода с полученными ранее данными без трансляционного упрочнения, определяются условия, при которых этот вид упрочнения можно не принимать во внимание. Выявлено, что деформирование по структурному механизму и трансляционный сдвиг поверхности нагружения возможны во время приложения полезной нагрузки и в течение рабочего хода. Установлено, что трансляционный сдвиг центра поверхности нагружения заметно отражается на уровне напряжений и смещении точки соединения рабочего тела и тела смещения при рабочем ходе, максимальные значения этих параметров достигаются в конце рабочего хода и не зависят от модуля трансляционного упрочнения. Влияние трансляционного упрочнения на результаты моделирования значительно снижается при увеличении как начальной деформации рабочего тела, так и отношения податливостей упругого тела смещения и рабочего тела. За время совершения холостого хода центр поверхности нагружения не меняет своего положения, учет трансляционного упрочнения не сказывается на подборе параметров системы, обеспечивающих замкнутый цикл, то есть на возвращение системы в исходное состояние после холостого хода.
Бесплатно
Моделирование процесса конечного деформирования анизотропных тел
Статья научная
Рассматривается поведение анизотропной сплошной среды при конечных деформациях под действием внешних сил в неоднородном нестационарном внешнем температурном поле с учётом взаимного влияния полей деформаций и температуры. Получены связанные уравнения равновесия и теплопроводности в вариационной форме. Приведена замкнутая система уравнений связанной задачи термоупругости. Исследовано напряжённо-деформированное состояние многослойного баллона из композиционного материала. Баллон нагружен внутренним давлением и находится в неоднородном температурном поле, обусловленном внешними по отношению к баллону источниками тепла. Показано, что число слоёв композиционного материала и ориентация главных осей анизотропии в каждом его слое существенно влияют на осевые и касательные напряжения, возникающие между слоями.
Бесплатно
Моделирование процесса кристаллизации полимерной пластины с учетом больших деформаций
Статья научная
Рассматриваются вопросы моделирования термомеханического поведения полимерного материала в процессе охлаждения, сопровождающегося кристаллизацией. Предложенный подход применяется к задаче деформирования при охлаждении бесконечной пластины, изготовленной из полиэтилена низкого давления, в процессе его кристаллизации. Формулируются математические постановки теплокинетической и термомеханической краевых задач. Приводятся результаты численного решения связанной задачи, включающей нестационарное уравнение теплопроводности и уравнение кинетики кристаллизации, при условии зависимости характеристик материала от температуры. При решении краевой задачи термомеханики за основу берутся полученные авторами ранее феноменологические нелинейные определяющие соотношения, непрерывным образом описывающие поведение полимерного материала в широком интервале температур, включающем температурный диапазон фазовых превращений. Построение определяющих соотношений проведено с использованием потенциала Пенга-Ландела. Строится методом Галеркина слабая вариационная постановка краевой задачи. Осуществляется процедура линеаризации, позволяющая свести решение изначально нелинейной краевой задачи к решению последовательности линейных задач относительно малых приращений компонент вектора перемещений. При этом линеаризация геометрических соотношений выполняется посредством наложения малых приращений деформаций на конечные, линеаризация определяющих соотношений - путем их разложения в ряд Тейлора с последующим удержанием линейных слагаемых и в предположении малости приращений компонент тензора деформаций. Демонстрируется подход, при котором естественным образом учитываются возникающие в материале малые приращения температурных и структурных деформаций. Анализируются аспекты численной реализации созданного алгоритма на основе конечно-элементной технологии построения дискретного аналога рассматриваемой задачи. Приводятся и сравниваются результаты решений обсуждаемой задачи в линейной постановке в предположении малости деформаций и в нелинейной постановке.
Бесплатно
Моделирование процесса прессования стальной заготовки
Статья научная
Работа посвящена численному моделированию процесса прессования стальной заготовки (сталь 30ХГСА), имеющей в начальном состоянии форму восьмигранной усеченной пирамиды. Моделирование соответствует технологической схеме, включающей осадку равномерно нагретого до определенной температуры слитка в форме пирамиды, его разгрузку, прессование с помощью деформирующих инструментов (подставки и штампа) в направлении, перпендикулярном к предыдущему, и последующую разгрузку. С использованием уравнения Рамберга-Осгуда и заимствованных из литературных источников механических свойств стали 30ХГСА при температуре 500ºС построена диаграмма деформирования. С учетом больших пластических деформаций и нелинейных свойств материала определено напряженно-деформированное состояние заготовки и ее формоизменение на каждом этапе обработки давлением. В соответствии с технологией процесса решена нелинейная упругопластическая задача осадки стального слитка и последующей его разгрузки. Установлено, что после разгрузки заготовки величина интенсивности пластических деформаций остается практически неизменной (из-за малости упругих деформаций), а величина интенсивности напряжений существенно изменяется. Форма боковой поверхности исследуемого тела в конце операции осадки до величины 29,3% имеет вид выпуклой одинарной бочки. Выполнена серия вычислительных экспериментов, с помощью которых исследована точность конечно-элементного решения для процесса осадки при различной степени дискретизации расчетной области. На основе полученных результатов проведено численное моделирование следующих технологических этапов: штамповки заготовки с помощью деформирующих инструментов и ее разгрузки. Как и в случае осадки, в заготовке остаются значительные остаточные напряжения, связанные с неоднородностью пластических деформаций, возникающих при штамповке исследуемого тела. Расчет осуществлен в рамках теории пластического течения в приращениях с помощью конечно-элементного программного продукта SIMULIA/Abaqus с использованием пошаговой процедуры и метода Ньютона-Рафсона для решения упругопластической задачи на каждом шаге.
Бесплатно
Моделирование процесса разрушения сварных соединений
Статья научная
Проведено компьютерное моделирование распространения трещин в сварных соединениях и исследована их прочность при трещиноподобном дефекте в соединительном шве. Сварное соединение представляется в виде двухслойного структурированного композита, который содержит прямолинейную острую внутреннюю трещину нормального отрыва. Процесс разрушения такого композита описан с помощью модифицированной модели Леонова-Панасюка-Дагдейла, содержащей дополнительный параметр - поперечник зоны пластичности (ширину зоны предразрушения) в слое из наиболее слабого материала. В качестве модели материала выбран идеально упругопластический деформируемый материал, обладающий предельным относительным удлинением. К этому классу материалов относятся, например, низколегированные стали, применяемые в конструкциях, работающих при температурах ниже порога хладноломкости. Подробно анализируются такие биматериалы, у компонентов которых упругие характеристики совпадают, а прочностные свойства существенно различаются. В условиях маломасштабной текучести и при наличии сингулярной особенности поля напряжений в окрестности вершины трещины предлагается использовать двухпараметрический дискретно интегральный критерий прочности. Деформационный критерий разрушения формулируется для вершины реальной трещины, а силовой критерий для нормальных напряжений с учетом осреднения - для вершины модельной трещины. Длины реальной и модельной трещин отличаются друг от друга на размер зоны предразрушения. Так как прочностные характеристики сварного шва меньше аналогичных характеристик основного материала, то зона пластичности полностью располагается в слабейшем материале. Выполнено численное моделирование распространения зон пластичности в квадратных пластинах из биметалла при квазистатическом нагружении. Преимущество численной модели над аналитической состоит в том, что с ее помощью исследованы такие материалы, характеристики которых соответствуют режимам деформирования при маломасштабной и полномасштабной текучести слабейшего материала (материала сварного шва). Обнаружено, что результаты численных экспериментов хорошо согласуются с результатами расчетов по аналитической модели разрушения материала со структурой слабейшего из материалов при нормальном отрыве в режиме маломасштабной текучести. Получена оценка размеров пластической зоны в окрестности вершины трещины. Построены диаграммы квазихрупкого разрушения структурированного композита.
Бесплатно
Моделирование процесса распыла с использованием адаптивных сеточных моделей
Статья научная
Распыл струи жидкости под воздействием воздуха имеет широкое применение во многих сферах практической деятельности. При конструировании и доводке устройств распыливания жидкости всё большее значение приобретает трехмерное численное моделирование, которое, тем не менее, нуждается в верификации. В работе представлены результаты численного моделирования с использованием адаптивных сеточных моделей. Рассмотрено два случая распада жидкой пленки: дробление цилиндрической струи жидкости под действием набегающего потока воздуха и распад жидкой пленки при столкновении двух струй. Выполнено сравнение с экспериментальными данными. Обе задачи позволяют исследовать такие физические аспекты, связанные с процессом распыливания, как влияние параметров воздушного потока и нестабильность пленки при механическом воздействии. Изучена зависимость от вида расчетной сетки качества описания течения и дробления струи жидкости при использовании VOF (Volume of Fluid) подхода для моделирования второй фазы. Показано, что применение локальной динамической адаптации делает возможным достижение необходимой точности при определении границ жидкой пленки и размеров капель, получаемых при её дроблении, даже на сравнительно небольших для VOF подхода сеточных моделях. Отмечено, что на результатах расчета сказывается не только выбор алгоритма адаптации, но и тип начальной сеточной модели (регулярная гексаэдрическая сетка, нерегулярная изотропная тетраэдрическая сетка). Приведены параметры расчетов, при которых удалось достичь убедительного соответствия расчетных и экспериментальных данных. Показано, что реализация VOF подхода с динамическим измельчением сетки разрешает выполнять расчеты распада жидкости на капли с высокой точностью.
Бесплатно
