В рамках данной работы на основе решения задачи о вынужденных установившихся колебаниях кусочно-однородных электровязкоупругих тел проведена оценка их механического отклика на совместное воздействие механических (силовых, кинематических) и электрических (разность потенциалов, электрический ток) нагрузок в их различной комбинации. Объектом исследования является консольно-защемленная пластина с присоединенным к ее поверхности пьезоэлементом. Пластина выполнена из вязкоупругого материала, механическое поведение которого описывается комплексными динамическими модулями. Материал пьезоэлемента - упругая пьезокерамика. В качестве параметра, характеризующего механический отклик, принята амплитуда вынужденных установившихся колебаний перпендикулярной к поверхности пластины компоненты вектора перемещений свободного торца. Вариационное уравнение движения рассматриваемого объекта формулируется на базе соотношений линейной теории упругости, линейной теории вязкоупругости и уравнений Максвелла для проводящей среды в квазистатическом приближении. Диапазоны изменения значений возбуждающего воздействия для заданных мод при моделировании вынужденных установившихся колебаний объекта выбраны на основе значений собственных частот колебаний, полученных из решения задачи о собственных колебаниях электровязкоупругих тел. Численная реализация поставленной задачи осуществляется в пакете прикладных программ конечно-элементного анализа ANSYS. В результате численных экспериментов установлены характерные особенности зависимости величины механического отклика системы от типа и величины внешних воздействий. Продемонстрировано, что при совместном действии двух нагружающих факторов открываются дополнительные возможности управления величиной механического отклика электровязкоупругой системы.

Бесплатно

Численный анализ геометрической конфигурации сферической опорной части с антифрикционной прослойкой из разных материалов

Адамов А.А., Каменских А.А., Панькова А.П.

Статья научная

В условиях урбанизации территорий России и мира возросли требования к ответственным элементам транспортно-логистических систем. К таким конструкциям относятся опорные части пролетных строений мостов, которые воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки от мостового пролета, а также поглощают тепловое расширение и сжатие, усадки, сейсмические возмущения и т.д. Из-за стабильного роста парка машин и увеличения нагрузок на элементы мостовых сооружений возрастают требования к прочности, долговечности, износостойкости, безремонтным периодам работы и т.д., предъявляемые к опорным частям пролетных строений мостов. При этом на протяжении длительного времени международные и российские компании занимаются разработкой и созданием новых полимерных и композиционных материалов, которые обладаю улучшенными физико-механическими, фрикционными, термомеханическими и реологическими свойствами и могут быть использованы в качестве тонких слоев скольжения опорных частей мостов. Выделен ряд задач, связанный с исследованием влияния свойств материалов и геометрической конфигурации опорных частей мостов с целью рационализации работы конструкции. В статье рассмотрено три актуальные задачи механики деформируемого твердого тела. Выявлены качественные и количественные закономерности деформационного поведения современных антифрикционных полимерных и композиционных материалов в качестве относительно тонких слоев скольжения сферических опорных частей мостов с целью формулировки научно обоснованных практических рекомендаций по подбору материала прослойки относительно работы исследуемого узла. Проведен анализ влияния физико-механических, фрикционных, термомеханических и реологических свойств материалов слоя скольжения на деформирование конструкции в целом и изменение параметров зоны контакта в частности, а также анализ влияния геометрической конфигурации слоя скольжения на работу конструкции. Установлено, что при фрикционном контакте с учетом смазки по сопрягаемым поверхностям наблюдается значительное снижение площади полного сцепления контактных поверхностей, в том числе до 0, и появление или увеличение площади расхождения контактных поверхностей. При этом, если увеличить толщину слоя скольжения, процент поверхности, на которой наблюдается расхождение контактных поверхностей, уменьшается в среднем более чем в 2 раза.

Бесплатно

Численный анализ деформационных процессов в оптоволоконном датчике

Наймушин Илья Геннадиевич, Труфанов Николай Александрович, Шардаков Игорь Николаевич

Статья научная

Рассмотрены деформационные процессы, происходящие в системе подложка-клей-оптоволоконный датчик. Задача поставлена в рамках линейной теории термовязкоупругости. Решение производилось численно с использованием возможностей конечно-элементного пакета ANSYS, для решения применялась процедура метода пошагового интегрирования. Определено распределение деформации по длине оптоволоконного датчика, благодаря этому установлена минимально допустимая длина датчика. Получены зависимости для различных случаев нагружения и модели датчика, определена эволюция деформаций в датчике. Выявлено, что использование оболочки DeSolite 3471-1-152А недопустимо вследствие падения деформации более чем на порядок за малый промежуток времени.

Бесплатно

Численный анализ динамической прочности композитных цилиндрических оболочек при многократных импульсных воздействиях

Абросимов Н.А., Елесин А.В.

Статья научная

Объектом исследований являлись открытые с торцов стеклопластиковые цилиндрические оболочки, изготовленные перекрестной намоткой лент однонаправленного композитного материала. Цель работы - разработка методики численного моделирования процесса прогрессирующего разрушения слоистых композитных цилиндрических оболочек при многократном нагружении импульсом внутреннего давления различной интенсивности. Кинематическая модель деформирования слоистого пакета основывается на прикладной геометрически нелинейной теории оболочек. Формулировка геометрических зависимостей базируется на соотношениях простейшего квадратичного варианта нелинейной теории упругости. Физические соотношения элементарного слоя формулируются на основе обобщенного закона Гука для ортотропного материала с учетом гипотез прикладной теории оболочек. Процесс прогрессирующего разрушения оболочки описывается в рамках модели деградации жесткостных характеристик элементарных слоев многослойного пакета, которая базируется на критерии Хоффмана для композитного материала и на критерии максимальных напряжений для волокон. Процесс накопления поврежденности в материале оболочки, обусловленный многократным приложением импульсной нагрузки, учитывается посредством вычислительной схемы, в которой расчет текущего напряжено-деформированного состояния осуществляется с жесткостными характеристиками, полученными в рамках модели их деградации при предыдущем нагружении. Энергетически согласованная система уравнений движения прикладной теории оболочек выводится из условия стационарности функционала полной энергии оболочки.Численный метод решения сформулированной начально-краевой задачи основывается на явной вариационно-разностной схеме. Достоверность рассматриваемой методики обоснована сравнением полученных результатов с известными экспериментальными данными. Приведены результаты влияния числа нагружений на величину предельных окружных деформаций. Установлено, что уровень максимальных кольцевых деформаций ниже их предельных значений по сравнению с однократным нагружением примерно в десять раз.

Бесплатно

Численный анализ эволюции напряженно-деформированного состояния кристаллизующихся лопаток турбин

Дубровская Александра Сергеевна, Донгаузер Константин Александрович

Статья научная

Описаны основные дефекты, возникающие при изготовлении лопаток газотурбинных двигателей. На основе разработанной математической модели изучено напряженно-деформированное состояние кристаллизующейся блочной лопатки турбины низкого давления. Выявлены факторы, влияющие на НДС отливки в процессе кристаллизации, и проведены численные исследования с различными возможными значениями этих факторов. Установлен режим изготовления лопатки, позволяющий избавиться от коробления и трещин в отливке.

Бесплатно

Шкив регулируемого диаметра для бесступенчатого вариатора

Меерович М.И., Шрагин И.В.

Статья научная

Предлагается конструкция бесступенчатого приводного шкива с регулируемым диаметром. Рабочие поверхности шкивов математически определяются с учетом сцепления с гибким звеном.

Бесплатно

Эволюция зеренной структуры металлов и сплавов при интенсивном пластическом деформировании: континуальные модели

Трусов П.В., Останина Т.В., Швейкин А.И.

Статья обзорная

Изделия из металлов и сплавов с мелкозернистой структурой, обладающие высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками, приобретают все бóльшую востребованность во многих технических и технологических областях. Наиболее распространенными и эффективными технологиями производства деталей из указанного класса материалов являются различные процессы интенсивного пластического деформирования (ИПД) (как правило, при невысоких гомологических температурах). В то же время для достижения больших степеней деформации значительная часть металлов и сплавов требует повышенных температур обработки, испытывают существенный разогрев в процессах деформирования, что может сопровождаться изменениями зеренной и субзеренной структуры вследствие процессов возврата и рекристаллизации. Эмпирический подход к разработке режимов ИПД, обеспечивающих формирование необходимой зеренной структуры, требует огромных временных и финансовых затрат, в связи с чем значительное внимание исследователями в области механики деформируемого твердого тела и обработки металлов давлением уделяется подходам и методам математического моделирования. Следует отметить, что в последние годы интенсивно растет число публикаций по данной тематике. Известные на текущий момент модели существенно отличаются подходами, глубиной проникновения в физику процессов, масштабами рассмотрения. Предлагаемый краткий обзор ориентирован на качественный анализ работ по указанной тематике, предварительную классификацию существующих моделей по их предназначению, универсальности, функциональным возможностям. Представляется возможным выделить два наиболее распространенных подхода к описанию изменения зеренной структуры в процессах термомеханической обработки металлов и сплавов: континуальный (в большинстве случаев - одноуровневый) и многоуровневый, основанный на введении внутренних переменных и физических теориях; настоящий обзор посвящен рассмотрению публикаций, ориентированных на первый из указанных подходов. Наиболее распространенными до настоящего времени являются макрофеноменологические континуальные модели, основанные на анализе данных экспериментов, проведенных как в лабораториях на макрообразцах, так и в условиях реального производства. Модели этого класса формулируются обычно в виде операторных соотношений над полевыми величинами, обладают относительной простотой реализации в силу легкой «встраиваемости» в широко используемые коммерческие пакеты программ, однако требуют значительных затрат на проведение опытов для идентификации моделей, характеризуются низкой степенью универсальности. Относительно менее распространенными, однако все же часто используемыми являются также континуальные теории, основанные на описании физических механизмов и эволюции строения металлов и сплавов в терминах континуальных переменных.

Бесплатно

Эволюция зеренной структуры металлов и сплавов при интенсивном пластическом деформировании: многоуровневые модели

Трусов П.В., Останина Т.В., Швейкин А.И.

Статья обзорная

Хорошо известно, что эксплуатационные свойства изделий из металлов и сплавов определяются главным образом мезо- и микроструктурой последних. Структура материалов формируется и претерпевает существенные изменения в процессах изготовления деталей и конструкций методами термомеханической обработки. Важным параметром, определяющим физико-механические характеристики материалов, является зеренная структура (размер, форма, взаиморасположения зерен и включений различных фаз). Особое внимание в последние десятилетия в связи с этим уделяется процессам интенсивной пластической деформации (ИПД), позволяющим получать зеренную структуру субмикро- и нанокристаллического строения, обеспечивающую существенное повышение эксплуатационных свойств изделиям из металлов и сплавов. Разработка технологий ИПД в современных условиях немыслима без математического моделирования рассматриваемых процессов; важнейшей составляющей при разработке такого «инструментария» являются определяющие соотношения (или - более широко - конститутивные модели). В связи с вышесказанным последние должны обладать возможностью описывать эволюционирующую структуру на различных масштабных уровнях. До настоящего времени в практике деятельности разработчиков технологий переработки материалов преобладает применение макрофеноменологических моделей, основанных на классических континуальных теориях пластичности, вязкопластичности, ползучести. Со второй половины ХХ в. и до настоящего времени предлагаются различные усовершенствования конститутивных моделей указанного выше класса, в которые вводятся дополнительные параметры и кинетические уравнения для них, описывающие те или иные характеристики структуры материалов. Как правило, такие модели позволяют получить адекватную картину изменяющейся структуры, однако - для конкретных материалов и способов термомеханической обработки. При этом подобные модели, к сожалению, не обладают необходимой универсальностью, при изменении материала или способа обработки их приходится существенно «подгонять» под конкретные условия, вплоть до полного изменения входящих в модель соотношений. Краткий обзор работ, посвященных созданию и применению моделей данного класса, приведен в предыдущей статье авторов. Наиболее перспективными и обладающими значительной степенью универсальности, по мнению авторов, в настоящее время являются многоуровневые конститутивные модели, основанные на введении внутренних переменных и физических теориях пластичности (упруговязкопластичности). Обзор работ, в которых рассматриваются различные аспекты построения, модификации, численной реализации и применения таких моделей, предлагается в настоящей статье. Основное внимание уделено моделям, ориентированным на описание изменения структуры материалов, обусловленных дислокационно-дисклинационными механизмами; приведена краткая справка о моделях, в которых учитываются термически активируемые диффузионные механизмы, за счет которых реализуются процессы возврата и рекристаллизации.

Бесплатно

Эволюция полей технологических напряжений в цилиндрическом силовом стержне для заготовки оптоволокна типа Panda в процессе отжига

Труфанов Александр Николаевич

Статья научная

Исследованы закономерности эволюции полей технологических напряжений в цилиндрическом силовом стержне для заготовки оптоволокна типа Panda в процессе отжига. Реализована математическая модель формирования технологических напряжений, построенная на основе соотношений линейной термовязкоупругости, в температурных режимах, соответствующих технологическому процессу отжига силового стержня. Установлены количественные характеристики релаксации напряжений в различных условиях протекания процесса отжига. Выявлены режимы, приводящие к максимально возможному снижению опасных растягивающих нормальных напряжений и интенсивности тензора напряжений. Установлено, что для стержней, закон легирования в которых близок к равномерному, процесс отжига является более эффективным, чем для стержней с законами легирования, близкими к параболическому.

Бесплатно

Эволюция температурных напряжений в задаче Гадолина о сборке двухслойной упругопластической трубы

Буренин А.А., Ткачева А.В.

Статья научная

Работа направлена на решение задачи теории неустановившихся температурных напряжений, моделирующей операцию сборки двухслойной упругопластической трубы способом горячей посадки (задача Гадолина). Условие пластического течения принимается в форме кусочно-линейного условия максимальных приведенных напряжений (условие Ишлинского - Ивлева) с пределом текучести, параболически зависящим от температуры. Показано, что при решении механической части несвязной задачи теории температурных напряжений расчеты обратимых и необратимых деформаций и напряжений возможно провести численно-аналитически без обращения к приближенным процедурам вычисления и, следовательно, без дискретизации расчетных областей. Рассматривается последовательность возникновения и исчезновения разных областей пластического течения в зависимости от перехода напряженных состояний с одной грани поверхности нагружения (призмы Ивлева) на ее ребро и далее на иную грань при производстве сборки и последующем ее остывании. При разном выборе параметров задачи некоторые из отмеченных пластических областей могут не появляться. Однако других областей пластического течения, изменяя геометрию задачи, свойства материалов сборки и уровень нагрева, получить невозможно. В этом заключается полнота расчетов. Появляются и исчезают только такие пластические области, которые здесь схематически представлены. В отличие от классического случая, заключающегося в равномерном нагреве внешней трубы, в данной статье рассматривается широко используемый на практике случай неравномерного нагрева внешней трубы с внутренней поверхности. При этом рассчитываются, а после учитываются необратимые деформации, зародившиеся в материале трубы до момента посадки. Приводится сравнение распределения остаточных напряжений, полученных при равномерном и не равномерном нагреве внешней трубы.

Бесплатно

Экспериментальная верификация частотного метода оценки осевой нагрузки и несовершенства граничных условий в арматурных стержнях

Азаров А.А., Попов А.Л.

Статья научная

Оценка усилий и жёсткости соединений имеет принципиальное значение для контроля стержневых элементов креплений кровли шахт, мостов, сетчатых оболочек и других конструкций. Существующие методы оценки подразделяются на статические и динамические. Рассматривается методика динамической оценки продольного усилия и коэффициентов угловой жёсткости заделки неидеально закреплённого стержня по спектру его изгибных колебаний путём сравнения экспериментально зарегистрированных частот колебаний с теоретическим спектром частот, сгенерированных на основе аналитической модели балки Тимошенко. Для согласования результатов по теоретической модели с набором экспериментальных частот используется сочетание известных алгоритмов оптимизации на основе глобального поиска и локальных минимумов. Такой подход активно применяется, в частности, для анализа условий работы стяжных стержней в исторических каменных конструкциях. В данной работе проведена экспериментальная верификация динамической методики на стержневых моделях с известными значениями продольного усилия и угловой жёсткости заделки. Для этого в качестве модельных образцов рассмотрены две балки. В одной из них при растяжении в испытательной машине создавались заданные продольные усилия. Другая балка имела вид консоли с торцевым резьбовым креплением, по степени затяжки которого, контролируемой по статическому прогибу консоли, определялся коэффициент угловой жёсткости крепления. В результате в зависимости от параметров балки определено минимальное количество регистрируемых собственных частот её колебаний, необходимое для динамической оценки продольного усилия с приемлемой погрешностью. Также показана зависимость критической частоты балки Тимошенко от внутреннего силового фактора - растягивающей силы.

Бесплатно

Экспериментальная и расчетная оценка кратковременной прочности образцов из пластичного материала с U- и V-образными острыми надрезами

Сапожников С.Б., Лешков Е.В., Иванов М.А., Ярославцев С.И., Щербаков И.А.

Статья научная

В работе проведены экспериментальные и расчётные исследования кратковременной прочности растягиваемых стержней из пластичного материала с U- и V-образными острыми надрезами. В качестве модельного материала выбран термопласт-акрил-бутадиен-стирол (АБС). Образцы диаметром около 5 мм получены на одношнековом экструдере плавлением гранул. В первом разделе работы изучена зависимость механических свойств АБС в широком диапазоне квазистатических скоростей деформирования (0,02-10 мин-1). Показано, что в этих условиях при однократном нагружении материал можно считать упругопластическим с модулем упругости 2200 МПа, пределом текучести, равным 41 МПа и независящим от скорости деформирования с погрешностью не более 5 %. Для десятикратных образцов остаточные продольные деформации при разрушении составили 15-25 %, остаточное сужение поперечного сечения составило 30-50 %. Образцы для испытаний имели U-образные надрезы с радиусом закругления 1,6 мм. Угол острых V-образных надрезов составлял 60°. Глубину односторонних надрезов варьировали в диапазоне 0-3,5 мм. Получено, что предельная нагрузка, выдерживаемая образцами с V-образными вырезами, превышает соответствующую нагрузку образцов с U-образными вырезами той же глубины из-за большего стеснения пластических деформаций материала в зоне выреза. Вырезы глубиной до 0,7 мм практически не снижают предельной нагрузки отмеченных образцов. Во втором разделе работы с помощью МКЭ выполнен расчёт кинетики упругопластического деформирования и разрушения с использованием нелокального подхода, явной схемы интегрирования в пакете ANSYS Workbench. Расчёты показали, что предельная нагрузка определяется лишь пределом текучести материала и конфигурацией выреза. Разрушение на части (в ANSYS - это технология удаления критически деформированных конечных элементов) происходит при меньших нагрузках, зависящих от ресурса пластичности материала и конфигурации выреза. Расчётные значения предельных и разрушающих нагрузок хорошо согласуются с экспериментальными данными. Методика может быть рекомендована для оценки прочности деталей сложной формы из пластичных материалов с произвольными концентраторами напряжений.

Бесплатно

Экспериментально-теоретические исследования процессов вязкопластического деформирования конструкционных сталей с учетом взаимного влияния эффектов пластичности и ползучести

Волков И.А., Волков А.И., Казаков Д.А., Коротких Ю.Г., Тарасов И.С.

Статья научная

Развита математическая модель неупругого деформирования конструкционных сталей, описывающая процессы термовязкопластического деформирования с учетом взаимного влияния эффектов пластичности и ползучести. Разработан алгоритм интегрирования определяющих соотношений термовязкопластичности, заключающийся в формулировке определяющих соотношений в приращениях, зависящих от выбранного шага по времени. При прохождении сложных участков траектории деформирования временной шаг может корректироваться в течение всего расчетного времени процесса при условии устойчивости вычислений. Напряжения, пластические деформации и деформации ползучести определяются интегрированием определяющих соотношений термоползучести методом Рунге-Кутта с коррекцией девиатора напряжений и последующим определением напряжений согласно уравнениям термопластичности с учетом средней деформации ползучести в каждый следующий момент времени. Проведены экспериментальные исследования взаимного влияния процессов ползучести, пластичности и эффектов высокотемпературных выдержек на примере стали 12Х18Н9. Методом численного моделирования на ЭВМ кинетики напряженно-деформированного состояния (НДС) лабораторных образцов и сравнения полученных результатов с данными натурных экспериментов проведена аттестация развитой модели термовязкопластичности и алгоритма интегрирования определяющих соотношений, позволившая сделать вывод о достоверности модельных представлений и методики определения материальных параметров при совместном действии механизмов усталости и ползучести. Проведено сравнение результатов численного и натурного экспериментов по растяжению лабораторных образцов из стали 12Х18Н9 при различных историях изменения температуры и механической деформации. Показано, что развитая модель термовязкопластичности качественно и количественно описывает основные эффекты неупругого деформирования конструкционных сталей при различных историях изменения механической деформации и температуры. Сделан вывод о достоверности определяющих соотношений термовязкопластичности и точности вышеописанной методики интегрирования.

Бесплатно

Экспериментально-теоретические методики определения параметров уравнений механики повреждённой среды при усталости и ползучести

Волков Иван Андреевич, Казаков Дмитрий Александрович, Коротких Юрий Георгиевич

Статья научная

Для оценки прочности и ресурса ответственных инженерных объектов развита модель повреждённой среды, состоящая из трёх взаимосвязанных частей: соотношений, определяющих вязкоупругопластическое поведение материала, кинетических уравнений накопления повреждений и критерия прочности повреждённого материала. Приведены экспериментально-теоретические методики определения параметров уравнений механики повреждённой среды для описания процессов деградации начальных прочностных свойств конструкционных материалов (металлов и их сплавов) при механизмах усталости и ползучести. Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных показали, что разработанная модель повреждённой среды достоверно описывает долговечность конструкций при совместном действии механизмов усталости и ползучести.

Бесплатно

Экспериментально-теоретическое исследование влияния конструктивных элементов волоконно-оптического датчика деформации на его показания и методика корректировки передаточной функции

Созонов Н.С., Шардаков И.Н.

Статья научная

Волоконно-оптические датчики (ВОД) - стремительно развивающаяся отрасль измерительной техники. Благодаря высоким эксплуатационным свойствам они постоянно расширяют сферу своего применения в различных областях техники. Во всем мире проводится большое количество исследовательских работ в данной области. Большинство опубликованных статей посвящены практическому применению ВОД и принципам их работы с точки зрения оптики и электроники. В данной статье волоконно-оптический датчик рассматривается как механическая система. Процесс формирования показаний датчика происходит при его взаимодействии с окружающей средой, являющейся носителем измеряемой величины. В этом процессе можно выделить три различных аспекта, определяющих результат измерения: физические (оптические) законы, лежащие в основе передаточной функции датчика, характер взаимодействия датчика с окружающей средой и взаимодействие структурных элементов датчика (даже в самом простом варианте ВОД можно выделить несколько элементов c различными физико-механическими параметрами). Все это играет определяющую роль в формировании показаний и должно учитываться разработчиками датчиков. В данной работе приведена методика корректировки передаточной функции ВОД, учитывающая все обозначенные аспекты формирования показаний. В качестве примера был рассмотрен волоконно-оптический датчик деформации на основе решетки Брэгга. С помощью математического моделирования определено влияние его конструкции на показания. Оценен вклад отдельных конструктивных элементов (таких как клей, оптическое волокно, подложка с технологическим отверстием и т.д.) в эту величину. Путем обобщения полученных результатов сформулирован общий алгоритм определения влияния конструктивных элементов датчика на его показания. Алгоритм опробован на существующей модели ВОД деформации. Эффективность рассмотренного метода доказана серией лабораторных экспериментов.

Бесплатно

Экспериментально-теоретическое исследование механического поведения 3D-композитов при квазистационарном разрушении

Цепенников М.В., Стром А.А., Повышев И.А., Сметанников О.Ю.

Статья научная

В конструкции всех современных самолетов и авиационных двигателей применяются композиционные материалы. Разработка таких материалов является очень трудоёмким, длительным и дорогостоящим процессом ввиду необходимости проведения большого количества экспериментов. Также существуют определенные ограничения, делающие невозможным определение некоторых свойств опытным путем. Для сокращения времени и стоимости разработки таких материалов применяются различные численные методики, такие как построение виртуального прототипа, проведение ряда численных экспериментов и применение различных разновидностей метода рассеянных повреждений. Метод механики рассеянных повреждений (МРП) - это популярный инструмент для моделирования развития повреждений в армированных композитах. Он основан на предположении, что материал с дефектами может быть заменён воображаемым материалом без дефектов, но с пониженным модулем упругости. Таким образом, наличие дефектов отражается только на упругих свойствах материала, и развитие повреждений регистрируется через потерю этих свойств. Для реализации одной из разновидностей данного метода на языке APDL был разработан макрос для пакета ANSYS. Рассматривается методика получения идеализированного виртуального прототипа трехмерно-армированного композиционного материала по результатам томографии. Представлена методика определения эффективных упругих свойств трехмерно-армированного композиционного материала путем проведения ряда численных экспериментов. Метод механики рассеянных повреждений применяется для нахождения параметров прочности. Показаны графики зависимости акустической эмиссии и кривые деформирования образцов при испытании на растяжение и сдвиг. Результаты моделирования сравниваются с полученными экспериментальными данными.

Бесплатно

Экспериментальное и конечно-элементное определение коэффициентов многопараметрического асимптотического разложения М. Уильямса у вершины трещины в линейно-упругом изотропном материале. Часть I

Степанова Л.В.

Статья научная

С помощью метода цифровой фотоупругости вычислены коэффициенты многопараметрического асимптотического разложения М. Уильямса поля напряжений у вершины трещины в пластине с центральной трещиной в поле одноосного растяжения и в полудиске с вертикальным надрезом для испытаний на трехточечный изгиб. В асимптотическом разложении М. Уильямса удержаны высшие приближения, что позволяет: 1) дать более точную оценку компонент тензоров напряжений, деформаций и вектора перемещений; 2) расширить область, в которой работает асимптотическое представление М. Уильямса. С помощью современного приложения, разработанного специально для интерпретации экспериментальной информации, получаемой с помощью метода фотоупругости, осуществлена цифровая обработка экспериментальных данных: автоматически определены точки с минимальной освещенностью, принадлежащие изохроматическим полосам различных порядков. Найденные координаты точек, принадлежащие изохроматическим полосам разных порядков, используются для вычисления параметров разрушения (коэффициентов интенсивности напряжений, Т-напряжений и коэффициентов высших приближений). Для вычисления коэффициентов разложения М. Уильямса применена итерационная процедура переопределенного метода, основанного на последовательном уточнении коэффициентов разложения. Для пластины с центральным разрезом и полудиска с вертикальным надрезом определены первые пятнадцать коэффициентов разложения М. Уильямса. Экспериментально найденные коэффициенты были использованы для реконструкции поля изохроматических полос у вершины трещины. Показано, что теоретически реконструированное поле изохроматических полос у вершины трещины соответствует картине полос, наблюдаемой в эксперименте. Разработанный алгоритм позволяет найти коэффициенты асимптотического разложения с высокой точностью, включая коэффициенты высших приближений.

Бесплатно

Степанова Л.В.

Статья научная

С помощью конечно-элементного моделирования вычислены коэффициенты многопараметрического асимптотического разложения М. Уильямса поля напряжений у вершины трещины в упругой пластине с центральной трещиной в поле одноосного растяжения и в упругом полудиске с вертикальным надрезом для испытаний на трехточечный изгиб. В многофункциональном пакете Simulia Abaqus выполнен конечно-элементный анализ нагружения пластины с центральной трещиной, аналогичной использованной в натурном эксперименте. С помощью рассчитанного напряженно-деформированного состояния определены коэффициенты многопараметрического асимптотического разложения М. Уильямса, в котором удержаны пятнадцать слагаемых. Таким образом, из конечно-элементного решения извлечены коэффициенты высших приближений многопараметрического асимптотического разложения. Предлагаемый в настоящей статье алгоритм был протестирован на пластине с центральной трещиной, длина которой много меньше, чем длина стороны пластины, для сравнения с известным аналитическим решением для бесконечной пластины с трещиной, построенным с помощью методов теории функции комплексного переменного, которое позволяет отыскать все коэффициенты высших приближений асимптотического разложения поля напряжений. Показано, что разработанный алгоритм позволяет найти коэффициенты асимптотического разложения с высокой точностью, включая коэффициенты высших приближений. Наряду с пластиной с центральной трещиной проведен конечно-элементный анализ поля напряжений в полукруглом диске с вертикальным надрезом, для которого также восстановлены коэффициенты многопараметрического асимптотического разложения М. Уильямса, в котором удержаны первые пятнадцать слагаемых. Приведено сравнение коэффициентов разложения М. Уильямса, полученных с помощью метода цифровой фотоупругости и из МКЭ-анализа, свидетельствующее о хорошем совпадении результатов.

Бесплатно

Экспериментальное и теоретическое исследование больших деформаций цилиндрических образцов из стали 09Г2С с концентраторами напряжений при нагружении растяжением-кручением до разрушения

Баженов В.Г., Казаков Д.А., Нагорных Е.В., Осетров Д.Л., Рябов А.А.

Статья научная

Представлены результаты экспериментального и численного анализа процессов упругопластического деформирования образцов c цилиндрической рабочей частью и образцов с концентратором напряжений из стали 09Г2С при монотонных кинематических нагружениях растяжением-кручением до разрушения с учетом больших деформаций и неоднородности напряженно-деформированного состояния (НДС). Полная система уравнений, описывающих обобщенные осесимметричные задачи кручения, записывается в цилиндрической системе координат. Кинематические соотношения формулируются в скоростях в метрике текущего состояния, что дает возможность описать большие формоизменения. Уравнение движения сплошной среды следует из уравнения баланса виртуальных мощностей. Поскольку рассматриваются процессы активного нагружения, близкие к пропорциональным, то упругопластические свойства материалов описываются теорией течения с нелинейным изотропным упрочнением. Система уравнений, дополненная кинематическими граничными и начальными условиями, решается методом конечных элементов в сочетании с явной схемой интегрирования типа «крест». На основе экспериментально-расчетного метода для оснащения модели пластичности материальными функциями построены истинные диаграммы деформирования при растяжении и кручении. Эти диаграммы существенно различаются при деформациях более 15%, что вызвано чувствительностью пластических свойств исследуемого материала к виду напряженного состояния. Для описания процессов растяжения-кручения введена зависимость диаграммы деформирования от вида напряженного состояния. Уточненная диаграмма деформирования является линейной комбинацией диаграмм растяжения и кручения, коэффициенты которой зависят от параметра вида напряженного состояния П, параметра трехосности напряжений x или параметра Надаи-Лоде по напряжениям cs. Наблюдается хорошее соответствие численных результатов с экспериментом по интегральным характеристикам (осевая сила от осевого перемещения и крутящий момент от угла закручивания). Выполнен анализ параметров НДС в шейке и круговом концентраторе. Оцениваются особенности взаимного влияния растяжения и кручения на процессы локализации деформаций и разрушения цилиндрических образцов и образцов с концентратором напряжений.

Бесплатно

Экспериментальное и теоретическое исследование взаимосвязи фазовой и структурной деформаций в сплавах с памятью формы

Тихомирова К.А.

Статья научная

Структура ориентированного мартенсита, определяющая макроскопическую деформацию в сплавах с памятью формы (СПФ), может быть сформирована двумя способами: непосредственно из аустенитной фазы в результате прямого фазового превращения под нагрузкой, а также из хаотического мартенсита при его структурном превращении в процессе изотермического нагружения. Деформация, приобретенная первым способом, называется фазовой, вторым - структурной, однако различие в названиях отражает лишь разность механизмов их формирования, тогда как конечный продукт - ориентированный мартенсит - одинаков для обоих типов деформации. В связи с этим некоторые феноменологические модели для СПФ учитывают единообразие этих двух составляющих деформации, определяя их взаимосвязь через диаграммы прямого превращения F 1 (для фазовой деформации) и мартенситной неупругости F 2 (для структурной деформации). Лежащее в основе этих моделей теоретическое представление содержит гипотезу о независимости процесса дальнейшего деформирования ориентированного мартенсита от способа его формирования и включает три материальные функции: F 1, F 2, а также связывающую их функцию f. В настоящей работе проведено экспериментальное исследование на проволочных образцах из никелида титана, целью которого являлось подтверждение гипотезы и установление материальных функций, используемых данным теоретическим представлением. Предложен новый способ определения функции f, который может использоваться в качестве проверочного эксперимента. Определены пределы выполнимости гипотезы как для дальнейшего изотермического деформирования образцов с начальными фазовой и структурной деформациями, так и для процессов, связанных с их последующим нагревом. Экспериментально показано совпадение диаграмм доориентации для таких образцов, что служит иллюстрацией эффекта перекрестного упрочнения.

Бесплатно

Журнал