Прогнозирование деформационных и прочностных свойств металлических материалов с равномерно распределенными замкнутыми порами при однократном и циклическом нагружении
Автор: Порошин В.Б., Шлишевский А.В.
Статья в выпуске: 4, 2018 года.
Бесплатный доступ
Рассмотрена методика прогнозирования деформационных и прочностных свойств металлических материалов с равномерно распределенными по объему изделия дефектами в виде газовых пузырьков при однократном и циклическом нагружении. Предлагаемый подход базируется на использовании соответствующих характеристик бездефектного материала (диаграммы деформирования, ресурса пластичности, кривой циклического деформирования и циклической кривой, а также кривой усталости) и результатах численных экспериментов на моделях образцов с различной объемной долей дефектов (степенью пористости среды). Анализ напряженно-деформированного состояния виртуальных образцов производили методом конечных элементов с использованием пакета ANSYS. Момент достижения предельного состояния - нарушения сплошности - при монотонном нагружения фиксировали с помощью деформационного критерия В.Л. Колмогорова. В условиях однократного нагружения определены упругие константы и диаграммы деформирования вплоть до момента разрушения модельной среды, имитирующей материал с различной степенью пористости. (Возможную смену механизма деформирования вследствие искажения формы стенок газовых пузырьков, сопровождаемого пластическим течением материала матрицы, не учитывали.) Отмечено свойство центрального подобия кривых деформирования. В условиях циклического нагружения получены как кривые циклического деформирования, представляющие траекторию точки состояния в пространстве «напряжение ~ деформация» в течение цикла, так и циклические кривые - зависимости амплитуды напряжения от амплитуды деформации, - отражающие упрочнение (разупрочнение) материала различной степени пористости. Описание кривых усталости, характеризующих в данных условиях прочностные свойства, выполнено с помощью локального критерия типа уравнения Мэнсона-Лэнжера. Результаты исследования могут быть использованы как для нормирования допускаемых размеров дефектов и их плотности, так и для назначения обоснованных коэффициентов запаса прочности по напряжению, деформации и долговечности реальной пористой среды.
Пористая металлическая среда, деформационные и прочностные свойства эквивалентной сплошной среды, численный эксперимент методом конечных элементов
Короткий адрес: https://sciup.org/146281892
IDR: 146281892 | УДК: 539.43 | DOI: 10.15593/perm.mech/2018.4.20
Deformation and strength properties prediction of metals with uniformly distributed closed pores under single and cyclic loading
The paper deals with predicting deformation and strength properties of metallic materials with defects uniformly distributed over the product volume in the form of gas bubbles under single and cyclic loadings. The proposed approach is based on the use of the corresponding characteristics of a defect-free material (stress-strain diagram, plasticity resource, curve of deformation in a cycle and cyclic deformation curve, and fatigue curve) and the results of numerical experiments on samples models with different volume fractions of defects (degree of porosity of the medium). We analyze the stress-strain state of the virtual samples using the finite element method in ANSYS. The moment of reaching the limiting state-discontinuities - was recorded with a monotonous loading using the deformation criterion of V.L. Kolmogorov. Under single loading, the elastic constants and stress-strain curves are determined up to the moment of destruction of the model medium simulating a material with different porosity (a possible change in the deformation mechanism due to distortion of the gas bubbles wall shape accompanied by plastic flow of the matrix material was not taken into account). The property of the central similarity of the stress-strain curves is noted. Under cyclic loading conditions, both deformation curves in a cycle representing the trajectory of the state point in “the stress ~ strain” space during the cycle and the cyclic deformation curve, i.e. the stress amplitude versus the strain amplitude, reflecting the hardening (weakening) of the material of various porosity degrees are obtained. The description of the fatigue curves characterizing the strength properties under these conditions was carried out using the local Manson-Langer type criterion. The results can be used to normalize the allowable defect size and density and to assign the reasonable safety factor for stress, strain and durability of a real porous medium.
Список литературы Прогнозирование деформационных и прочностных свойств металлических материалов с равномерно распределенными замкнутыми порами при однократном и циклическом нагружении
- Poroshin V., Shlishevsky A., Tsybulya K. Development of a model of a homogeneous continuous medium based on the material with defects in the form of hollows // MATEC Web Conf. - 2017. - Vol. 129(8). DOI: 10.1051/matecconf/201712902017
- A novel modeling approach of aluminum foam based on MATLAB image processing / X. Zhu, S. Ai, D. Fang, B. Liu, X. Lu // Comput. Mater. Sci. - 2014. - Vol. 82 - P. 451-456.
- Mechanical response and FEM modeling of porous Al under static and dynamic loads / B.N. Michailidis, E. Smyrnaios, G. Maliaris, F. Stergioudi, A. Tsouknidas // Adv. Eng. Mater. - 2014. - Vol. 16. - No. 3 - P. 289-294.
- Sabzevari M., Teymoori R.J., Sajjadi S.A. FE modeling of the compressive behavior of porous copper-matrix nanocomposites // Mater. Des. - 2015. - Vol. 86 - P. 178-183.
- The effects of manufacturing parameters on geometrical and mechanical properties of copper foams produced by space holder technique / A.M. Parvanian, M. Saadatfar, M. Panjepour, A. Kingston, A.P. Sheppard // Mater. Des. - 2014. - Vol. 53 - P. 681-690.
