Расчетно-экспериментальный метод построения диаграммы деформирования материала в условиях неоднородных полей напряжений
Автор: Вильдеман В.Э., Мугатаров А.И., Хмелев А.А.
Статья в выпуске: 2, 2024 года.
Бесплатный доступ
Решение задач обеспечения надежности конструкций требует изучения процессов равновесного накопления повреждений, приводящих в том числе к появлению зон разупрочнения в твердых телах. Представляется целесообразным использование моделей закритического деформирования при проведении прочностного анализа конструкций. Однако получение полных диаграмм деформирования материала в стандартных испытаниях затруднено в связи с образованием локализации деформаций в виде шейки. В то же время использование истинных напряжений, учитывающих изменение поперечного сечения тела, некорректно в связи с реализацией сложного напряженного состояния. В связи с этим необходимой является разработка расчетно-экспериментальных методов построения диаграмм деформирования материала в условиях неоднородных полей напряжений. Рациональным при этом представляется использование данных о полях деформации на поверхности тел, которые могут быть получены, например, с помощью бесконтактных оптических видеосистем. В работе представлен расчетно-экспериментальный метод построения диаграммы деформирования в условиях неоднородных полей напряжений. Рассмотрена упругопластическая модель изотропного материала. Начальными данными метода являются две упругие константы, предел текучести материала, известная диаграмма нагружения тела с концентратором напряжений и соответствующие различным состояниям максимальные значения интенсивности деформаций. Апробация разработанного метода проведена путем численного моделирования процессов растяжения корсетного образца и пластины с концентратором напряжений. Рассмотрены диаграммы деформирования материала с площадкой текучести и без неё. Результаты демонстрируют высокое соответствие изначально задаваемых и восстановленных диаграмм деформирования. Сделан вывод о целесообразности использования разработанного метода при построении диаграмм деформирования материалов и необходимости его модернизации для описания закритической стадии деформирования.
Расчетно-экспериментальный метод, диаграмма деформирования, концентрация напряжений, численное моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/146282912
IDR: 146282912 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2024.2.03
Computational-experimental method for stress-strain curve constructing under conditions of inhomogeneous stress fields
In order to ensure reliability of structures, it is necessary to study equilibrium damage accumulation which initiates softening zones in solids. It is considered appropriate to use postcritical deformation models when conducting strength analysis of structures. However, obtaining complete stress-strain curves in standard tests is difficult due to the strain localization in the form of a neck. At the same time, the use of true stresses taking into account changes in a specimen cross section is incorrect due to the implementation of a complex stress state. In this regard, it is necessary to develop computational and experimental methods for constructing material stress-strain curves under conditions of inhomogeneous stress fields. In this case it seems reasonable to use data on strain fields on the body’s surface, which can be obtained, for example, using non-contact optical video systems. The paper presents the computational-experimental method for constructing a stress-strain curve under conditions of inhomogeneous stress fields. An elastoplastic model of an isotropic material is considered. The initial data of the method are two elastic constants, the yield stress value, the load diagram of a body with a stress concentrator, and the maximum values of strain intensity corresponding to various states. The developed method was tested by a numerical simulation of deforming an hourglass specimen and a plate with a stress concentrator. Stress-strain curves with and without a yield plateau are considered. The results demonstrate a high agreement between the initially specified and reconstructed stress-strain curves. A conclusion is made about the rationality of using the developed method when constructing stress-strain diagrams and necessity for its modernization to describe the postcritical deformation stage.
Список литературы Расчетно-экспериментальный метод построения диаграммы деформирования материала в условиях неоднородных полей напряжений
- Вильдеман, В.Э. Механика неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов / В.Э. Вильдеман, Ю.В. Соколкин, А.А. Ташкинов; под ред. Ю.В. Сокол-кина. - М.: Наука: Физматлит, 1997. - 288 с.
- Вильдеман, В.Э. Моделирование процесса деформирования пластины с концентратором напряжений при учете закритической стадии деформирования материала / В.Э. Вильдеман, М.П. Третьяков, А.И. Мугатаров // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2020. - № 3. - С. 32-40. DOI: 10.15593/peim.mech/2020.3.04
- Вильдеман, В.Э. Задача о кручении цилиндрического тела с учетом разупрочнения / В. Э. Вильдеман, А. И. Мугата-ров // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2019. - № 4. -С. 29-36. DOI: 10.15593/peim.mech/2019.4.03
- Вильдеман, В.Э. Устойчивость закритического деформирования при кручении толстостенного цилиндрического тела / В.Э. Вильдеман, А.И. Мугатаров // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2022. - № 4. - С. 135-147. DOI: 10.15593/peim.mech/2022.4.12
- Радченко, В.П. Метод решения краевой упругопластической задачи о растяжении полосы с концентраторами напряжений с учетом локальных областей пластического разупрочнения материала / В.П. Радченко, С.В. Горбунов // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. - 2014. - № 4 (37). -С. 98-110. DOI: 10.14498/vsgtu1366
- Wildemann, V.E. The analytical and numerical solution of the problem of stretching a system of parallel elements with random strength characteristics taking into account the postcritical stage of deformation and rigidity of the loading system / V.E. Wildemann, A.I. Mugatarov, M.P. Tretyakov // Meccanica. - 2022. - Vol. 57. -Р. 2323-2335. DOI: 10.1007/s11012-022-01573-x
- Вильдеман, В. Э. Моделирование процесса равновесного роста трещины в композитном образце с позиций механики закритического деформирования / В.Э. Вильдеман, А.И. Мугатаров // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. - 2022. - № 1. - С. 48-61. DOI: 10.14498/vsgtu1886
- Numerical investigation of the post-necking behavior of aluminum sheets in the presence of geometrical and material inho-mogeneities / M.B. Gorji, N. Manopulo, P. Hora, F. Barlat // International Journal of Solids and Structures. - 2016. - Vol. 102-103. -Р. 56-65. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2016.10.017
- Necking phenomenon based on the Aramis system / S. Dong, A. Xian, Z. Lian, H.S. Mohamed, H. Ren // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. - 2019. - Vol. 233, iss. 11. - Р. 3904-3916. DOI: 10.1177/095440621880230
- Erpalov, M.P. Optical method to study post-necking material behaviour / M.P. Erpalov, V.A. Khotinov // AIP Conference Proceedings. - 2020. - Vol. 2288, no. 030007. DOI: 10.1063/5.0028748
- Построение расчётных кривых деформирования в обеспечение наполнения банка данных по конструкционной прочности материалов авиационных двигателей / Б.Е. Васильев, М.Е. Волков, Е.Н. Бредихина, И.И. Плещеев // Materials Physics and Mechanics. - 2019. - Т. 42, № 5. - С. 656-670. DOI: 10.18720/MPM.4252019_19
- Параметры зарождения шейки в деформируемых образцах хромоникелевой стали, облученных нейтронами / М.С. Мережко, О.П. Максимин, Д. А. Мережко, А.А. Шаймер-денов, M.P. Short // Физика металлов и металловедение. - 2019. -Т. 120, № 7. - С. 778-784. DOI: 10.1134/S0015323019050127
- Identification of post-necking stress-strain curve for sheet metals by inverse method / K. Zhao, L. Wang, Y. Chang, J. Yan // Mechanics of Materials. - 2016. - Vol. 92. - P. 107-118. DOI: 10.1016/j.mechmat.2015.09.004
- Swillo, S. A New Approach for Evaluation True StressStrain Curve from Tensile Specimens for DC04 Steel with Vision Measurement in the Post-Necking Phases / S. Swillo, R. Cacko // Materials. - 2023. - Vol. 16, no. 558. DOI: 10.3390/ma16020558
- Владимиров, С.А. Исследование процесса глубокого деформирования образцов с кольцевой выточкой при их растяжении / С.А. Владимиров, С.И. Трефилов // Космонавтика и ракетостроение. - 2017. - Т. 81, № 3. - С. 81-85.
- Kamaya, M. A procedure for determining the true stressstrain curve over a large range of strains using digital image correlation and finite element analysis / M. Kamaya, M. Kawakubo // Mechanics of Materials. - 2011. - Vol. 43, iss. 5. - P. 243-253. DOI: 10.1016/j.mechmat.2011.02.007
- Identification of Post-necking Tensile Stress-Strain Behavior of Steel Sheet: An Experimental Investigation Using Digital Image Correlation Technique / S.K. Paul, S. Roy, S. Sivaprasad, H.N. Bar, S. Tarafder // Journal of Materials Engineering and Performance. -2018. - No. 27. - P. 5736-5743. DOI: 10.1007/s11665-018-3701-3
- Моделирование процессов деформирования и локализации пластических деформаций при кручении-растяжении тел вращения / В.Г. Баженов, С.В. Зефиров, Л.Н. Крамарев, Е.В. Павлёнкова // Прикладная математика и механика. -2008. - Т. 72, № 2. - С. 342-350.
- Influence of the type of stress-strain state on the true stress-strain curve for the elastoplastic materials / V.G. Bazhenov, S.L. Osetrov, D.L. Osetrov, A.A. Artemyeva // Materials Physics and Mechanics. - 2016. - Vol. 28. - P. 53-56.
- Stability and supercritical behaviour of thin-walled cylindrical shell with discrete aggregate in bending / V.G. Bazhenov, E.G. Gonik, A.I. Kibets, M.V. Petrov, T.G. Fedorova, I.A. Frolova // Materials Physics and Mechanics. - 2016. - Vol. 28. - P. 16-20.
- Баженов, В.Г. Численное моделирование растяжения стержня и идентификация параметров деформирования материала в режиме сверхпластичности / В.Г. Баженов, С.Л. Осетров, Д.Л. Осетров // Проблемы прочности и пластичности. -2017. - Т. 79, № 4. - С. 471-483.
- Баженов, В.Г. Анализ закономерностей растяжения упругопластических образцов и образования шейки с учетом краевых эффектов / В.Г. Баженов, С. Л. Осетров, Д.Л. Осетров // Прикладная механика и техническая физика. - 2018. - Т. 59, № 4. - С. 133-140.
- Численно-экспериментальный анализ процессов растяжения-кручения цилиндрических образцов из стали 09Г2С при больших деформациях до разрушения / В.Г. Баженов, Е.В. Нагорных, Д.Л. Осетров, А.А. Рябов // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. - 2018. - Т. 160, кн. 3. - С. 495-507.
- Экспериментальное и теоретическое исследование больших деформаций цилиндрических образцов из стали 09Г2С с концентраторами напряжений при нагружении растяжением-кручением до разрушения / В.Г. Баженов, Д.А. Казаков, Е.В. Нагорных, Д.Л. Осетров, А.А. Рябов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2018. - № 4. - С. 69-81. DOI: 10.15593/perm.mech/2018.4.06
- Баженов, В.Г. Трехмерное моделирование больших деформаций пористых металлов и построение их диаграмм деформирования / В.Г. Баженов, М.Н. Жестков // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. - 2020. - № 3 (45). - С. 56-63. DOI: 10.37972/chgpu.2020.58.44.005
- Моделирование поведения упругопластических стержней при растяжении-кручении и построение их диаграмм деформирования до разрыва с учетом вида напряженно-деформированного состояния / В.Г. Баженов, Д.А. Казаков, Е.В. Нагорных, Д.Л. Осетров, А.А. Рябов // Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. - 2021. -Т. 501, № 1. - С. 23-28. DOI: 10.31857/S268674002106002X
- Анализ методов построения истинных диаграмм деформирования упругопластических материалов при больших деформациях / В.Г. Баженов, Д.А. Казаков, С.С. Куканов, Д.Л. Осетров, А.А. Рябов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2023. - № 4. - С. 12-22. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.02
- Ахметзянов, М.Х. Исследование локализации деформаций и напряжений в шейке тонкой полосы методом фотоупругих покрытий / М.Х. Ахметзянов, Г.Н. Албаут, В.Н. Барышников // Физическая мезомеханика. - 2004. - Т. 7, № 1. - C. 347-350.
- Степанова, Л.В. Экспериментальное и конечно-элементное определение коэффициентов многопараметрического асимптотического разложения М. Уильямса у вершины трещины в линейно-упругом изотропном материале. Часть I / Л.В. Степанова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2020. - № 4. - С. 237-249. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.20
- Степанова, Л.В. Экспериментальное и конечно-элементное определение коэффициентов многопараметрического асимптотического разложения М. Уильямса у вершины трещины в линейно-упругом изотропном материале. Часть II / Л.В. Степанова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2021. - № 1. - С. 72-85. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.1.08
- Степанова, Л.В. Применение метода голографической интерферометрии для реконструкции ряда М. Уильямса поля напряжений у вершины трещины / Л.В. Степанова, Д.А. Семенов, Г.С. Анисимов // Вестник Самарского университета. Естественнонаучная серия. - 2023. - Т. 29, № 1. - С. 15-46. DOI: 10.18287/2541-7525-2023-29-1-15-46
- Третьякова, Т.В. Особенности использования программного обеспечения Vic-3D, реализующего метод корреляции цифровых изображений, в приложении к исследованию полей неупругих деформаций / Т.В. Третьякова // Вычислительная механика сплошных сред. - 2014. - Т. 7, № 2. - С. 162-171. DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.2.16
- Закритическое деформирование и разрушение тел с концентраторами в условиях плоского напряженного состояния / В.Э. Вильдеман, Е.В. Ломакин, Т.В. Третьякова, М.П. Третьяков // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. - 2017. - № 5. - С. 22-29.
- Развитие метода корреляции цифровых изображений для изучения процессов деформации и разрушения конструкционных материалов / П.С. Любутин, С.В. Панин, В.В. Титков, А.В. Еремин, Р. Сундер // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2019. - № 1. - С. 87-107. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.08
- The Analysis of Stress Raisers Affecting the GFRP Strength at Quasi-Static and Cyclic Loads by the Theory of Critical Distances, Digital Image Correlation, and Acoustic Emission / D. Lobanov, A. Yankin, M. Mullahmetov, E. Chebotareva, V. Melnikova // Polymers. - 2023. - Vol. 15, no. 2087. DOI: 10.3390/polym15092087
