Расслоение по границе между слоями и расщепление вдоль волокон - основные механизмы разрушения волокнистых композитов с полимерной матрицей, сопровождающие любые виды разрушения и являющиеся причиной потери несущей способности композитных элементов конструкций. Традиционные критерии прочности по максимальным напряжениям или деформациям не позволяют описать условия возникновения и развития расслоений и расщеплений. Изложенный энергетический подход типа Гриффитса в качестве необходимого условия разрушения использует превышение начального значения упругой энергии над конечным значением на величину работы расслоения. В данной статье на некоторых простых примерах изгиба, кручения и сжатия композитных пластин показано важное следствие энергетического критерия - масштабный эффект, т.е. зависимость критических напряжений (прочности) от абсолютных размеров элемента конструкции. Новые результаты связаны с анализом условий расслоения композитных пластин под действием комбинации изгибающего и крутящего моментов и «равнопрочных» балок при изгибе и кручении. Дан обзор методов экспериментального определения удельной работы расслоения.

Бесплатно

Энергетические условия формирования гидрида магния

Аптуков В.Н., Скрябина Н.Е., Фрушар Д.

Статья научная

Предложен новый подход к анализу кинетики гидридного превращения в магнии, основанный на учете вклада механических факторов: работы внешних сил, энергии упругих деформаций и энергии, необходимой на образование единицы объема новой фазы. Энергетическое требование устойчивого состояния механической системы или инициированного изменением термодинамических условий фазового перехода состоит в том, что полная энергия системы стремится принять минимальное значение. Анализ дополнительных условий, когда зародыш гидридной фазы оказывается устойчивым (при неизменной температуре и концентрации водорода), показал, что контролирующими параметрами являются следующие величины: объемный эффект фазового превращения, отношение упругих модулей металла и гидридной фазы, работа, затраченная на образование единичного объема гидрида. В рамках данного подхода показано, что форма зародыша гидрида в виде вытянутого эллипсоида является энергетически более выгодной. Более того, наиболее устойчивым будет зародыш с существенной разницей в величине полуосей эллипсоида. Полученные в работе энергетические критерии появления новой фазы могут быть использованы в качестве дополнительного условия для оценки стабильности критического зародыша и кинетики гидридного превращения. Проведен расчет напряженно-деформированного состояния по обе стороны от границы раздела «металл - гидрид». Показано, что приграничная область фазового перехода является областью аккумулирования неоднородных интенсивных напряжений, которые могут способствовать двум параллельно протекающим процессам. Во-первых, увеличению концентрации водорода в искаженной области. Во-вторых, накоплению вблизи области некогерентной границы раздела двух фаз напряжений, превышающих более чем в два раза предел текучести при сдвиге. Наличие этих напряжений способно как инициировать появление «свежих» дефектов (дислокаций, микротрещин), так и привести к уменьшению фракционного состава порошкового материала.

Бесплатно

Энергетические условия, определяющие размерный диапазон области образования гидрида магния

Аптуков В.Н., Скрябина Н.Е., Фрушар Д.

Статья научная

Водород - один из самых распространенных элементов в природе, является потенциально приемлемым для зарядки, производства и потребления энергии, а также для использования его в различных отраслях промышленности. Наиболее безопасный способ аккумулирования водорода - металлогидридный, например, в виде гидрида магния, что дает возможность безопасно хранить и транспортировать его. Существенным показателем эффективности системы «металл - водород» является скорость гидридного превращения, которая у магния недостаточно высока. Известно, что при оптимальных термодинамических условиях насыщения магния водородом на кинетику сорбции основное влияние оказывают размер частиц (площадь поверхности), размер кристаллитов/зерен (протяженность границ), различные добавки - катализаторы. Расчеты, выполненные в настоящем исследовании и определяющие возможность зарождения гидрида, основаны на предложенном авторами новом энергетическом соотношении, учитывающем как физико-химические, так и механические факторы. Показано, что оценка размера области фазового превращения на основе минимума полной энергии системы адекватно отражает процессы, происходящие при гидридообразовании в магнии. Размер критического зародыша при фазовом (гидридном) превращении в твердой фазе (магнии) контролируется в том числе соотношением объема и поверхности зарождающейся фазы, аналогично кристаллизации из раствора. Учет механического отклика системы на образование гидрида позволил предложить трактовку ряда явлений, которые регулярно фиксируют в процессе проведения экспериментов. Речь идет о влиянии специальных добавок и механической текстуры, инициирующих ускорение гидридообразования. Полученные результаты позволяют предложить механизм ориентированного зарождения гидрида в текстурированной матрице магния за счет анизотропии упругих характеристик образующейся фазы.

Бесплатно

Энергетические характеристики прохождения звуковой волны сквозь области скачкообразного изменения сечения волновода

Папкова Ю.И.

Статья научная

В настоящее время теоретической основой для моделирования распространения звука в морских волноводах является анализ краевых задач для уравнения Гельмгольца, при этом дно океана представляет собой неровную границу раздела различных сред и рассматривается как совокупность геологических объектов с различной формой и структурой. В работе представлено аналитическое решение задачи о распространении звука точечным источником в волноводе, имеющем резкое изменение сечения, которое моделируется как цилиндрический выступ или впадина. Потенциал скоростей строится в каждой из частей декомпозиции волновода в виде ряда по нормальным модам, с последующей сшивкой решения на границе. Для определения коэффициентов при нормальных модах используется аппарат бесконечных систем линейных алгебраических уравнений. Представленное решение позволяет значительно упростить исследование важнейшей характеристики звукового поля - поток энергии через сечение. В работе исследуются энергетические характеристики звуковой волны в волноводе, имеющем выступ (впадину). Приводятся примеры численной реализации с параметрами, характерными для геофизических волноводов.

Бесплатно

Энергетическое произведение в модели трещиноподобного дефекта при нагружении типа моды II

Глаголев В.В., Глаголев Л.В., Маркин А.А.

Статья научная

Рассматривается нагружение трещиноподобного дефекта по моде II. В отличие от классического представления трещины в виде математического разреза предлагаемая модель определяет трещину в виде физического разреза с характерным линейным размером. Мысленное продолжение физического разреза в твердом теле формирует слой взаимодействия. Существенно, что напряженно-деформированное состояние слоя не вносит в модель трещины сингулярность. Произведение приращения удельной свободной энергии в торцевом квадратном элементе слоя на линейный размер определяет его энергетическое произведение (ЭП). Объектом исследования является двухконсольный образец, а предметом исследования - энергетическое произведение в торцевом элементе слоя взаимодействия. Внешняя нагрузка консолей приводит к их горизонтальным антисимметричным перемещениям, которые формируют в слое взаимодействия однородные сдвиговые деформации. Из условий равновесия консолей в вариационной форме с учетом гипотезы однородности осевых деформаций и c учетом их обжатия получена система дифференциальных уравнений, связывающая напряженное состояние в слое и консолях. Исследовано решение характеристического уравнения системы при различных отношениях толщин слоя и консолей. Показано, что при отношениях меньше определенного значения, зависящего от коэффициента Пуассона, имеют место вещественные корни. В рамках вещественных корней характеристического уравнения получено аналитическое решение поставленной задачи. При условии пренебрежения обжатием консолей найдено упрощенное решение. Определены деформации в слое с учетом обжатия консолей и без него. Проведен анализ зависимости ЭП от отношений толщин слоя и консолей. Показано, что при отношении толщин 10-6 и менее ЭП практически не меняет своего значения. Учет обжатия консолей дает различие в значениях ЭП порядка 20 % по отношению к упрощенному решению задачи.

Бесплатно

Эффект синхронизации статистических свойств непрерывной акустической эмиссии при деформировании структурно-неоднородных материалов

Пантелеев И.А., Баяндин Ю.В., Плехов О.А.

Статья научная

Проведен корреляционный анализ статистических свойств непрерывной акустической эмиссии, зарегистрированной в различных частях образцов мрамора и стекловолоконного ламината при их квазистатическом деформировании. В качестве меры корреляции выбрана спектральная мера когерентности, являющаяся обобщением квадрата модуля спектра когерентности на случай многомерных рядов. Мера когерентности оценивалась для ширины мультифрактального спектра и носителя спектра, реализующего его максимум, вычисленных в скользящем временном окне для сигналов акустической эмиссии. Показано, что подготовка очага макроразрушения сопровождается синхронизацией статистических свойств акустической эмиссии в выделенных частотных интервалах. На основе анализа изменения средней по частотам меры когерентности для обоих типов материалов выделены четыре характерных стадии, границы которых индивидуальны для каждого из материалов. Наступление четвертой стадии, характеризующейся монотонным ростом средней меры когерентности статистических свойств акустической эмиссии, может быть выбрано в качестве возможного критерия перехода материала в предельное состояние.

Бесплатно

Эффект стабилизации мартенсита в никелиде титана после предварительной деформации путём охлаждения под нагрузкой в неполном интервале превращения

Ребров Т.В., Волков А.Е., Вуколов Е.А., Беляев Ф.С., Волкова Н.А., Евард М.Е.

Статья научная

При использовании термочувствительных датчиков и термоприводов на основе сплавов с памятью формы (СПФ) необходимо учитывать влияние факторов, способных смещать температуры мартенситных превращений (МП). Одним из таких факторов является эффект стабилизации мартенсита (ЭСМ), который проявляется в повышении температур обратного МП после предварительной деформации. Ранее проведённые исследования ЭСМ позволили на основе экспериментальных данных выдвинуть гипотезу, что данный эффект обусловлен повреждением границ ориентационных доменов мартенсита. Это позволяет предположить, что минимизация или устранение ЭСМ возможна при сведении к минимуму повреждений данных границ. Одним из способов достижения этого является охлаждение СПФ из аустенитного состояния под постоянной нагрузкой в неполном температурном интервале превращения. Численные эксперименты, выполненные в рамках микроструктурной модели, учитывающей ЭСМ, позволили определить зависимость смещения температур обратного превращения от величины доли прямого превращения, достигнутой при охлаждении. Результаты показали, что смещение температур остаётся нулевым или незначительным до достижения определённой критической доли превращения.

Бесплатно

Эффективность использования идеологии мастер-процесса при параллельной реализации итерационных процедур решения линейных систем

Куликов Роман Георгиевич, Звягин Александр Андреевич

Статья научная

В работе рассматривается эффективность использования идеологии мастер-процесса при построении параллельной реализации процедуры решения систем линейных алгебраических уравнений. Исследования проведены применительно к итерационным алгоритмам методов сопряженных градиентов и Якоби. Использовался разреженный формат RR(C)U хранения матрицы коэффициентов алгебраической системы. Исследования проводились применительно к системе линейных алгебраических уравнений, сформированной в ходе решения двумерной краевой задачи линейной теории упругости методом конечных элементов. В качестве критерия количественного анализа использовалось «ускорение», равное отношению времени выполнения последовательного алгоритма ко времени выполнения параллельного алгоритма. Анализ проведен для алгебраических систем от 100 до 50000 уравнений с использованием ЭВМ на базе шестиядерного процессора AMD® Phenom II X6 1075T. Программная реализация итерационных алгоритмов решения системы линейных алгебраических уравнений была произведена на языке программирования C#. Для обеспечения взаимодействия параллельных процессов использовался стандарт MPI 2.0. Полученные данные позволяют сделать вывод, что использование мастер-процесса при параллельной реализации метода сопряженных градиентов приводит к незначительному, от 10 до 15 процентов, снижению величины коэффициента ускорения по отношению к варианту реализации, не использующему мастер-процесс. В случае использования метода Якоби эффект выражен намного слабее. Принимая во внимание структурное удобство использования идеологии мастер-процесса, можно говорить о допустимости применения данного архитектурного решения при реализации рассмотренных методов.

Бесплатно

Эффективные модули объемного сжатия дисперсно-упрочненных композитов со сплошными и полыми анизотропными сферическими включениями

Зайцев Алексей Вячеславович, Фукалов Антон Александрович

Статья научная

В рамках полидисперсных моделей механики композитов получены аналитические выражения для эффективных модулей объемного сжатия дисперсно-упрочненных материалов, изотропные матрицы которых армированы трансверсально-изотропными полыми или сплошными сферами различного диаметра, а на межфазных поверхностях выполняются условия идеального сопряжения. На основе полученных решений спрогнозированы эффективные характеристики полиэфирной смолы «Диэпокс 450» для различных наполнений этого связующего мраморной мукой, а также полимербетонов со сплошными сферическими анизотропными мраморными, диабазовыми и гранитными минеральными включениями произвольного размера.

Бесплатно

Эффективные модули объемного сжатия при плоской деформации двухфазных однонаправленно армированных композитов с анизотропными полыми и сплошными волокнами

Зайцев Алексей Вячеславович, Соколкин Юрий Викторович, Фукалов Антон Александрович

Статья научная

В рамках полидисперсных моделей механики композитов получены аналитические выражения для эффективных модулей объемного сжатия однонаправленно армированных материалов, трансверсально-изотропные матрицы которых армированы трансверсально-изотропными полыми или сплошными цилиндрическими волокнами различного диаметра, а на межфазных поверхностях выполняются условия идеального сопряжения. На основе полученных решений спрогнозированы эффективные модули объемного сжатия трабекулярной костной ткани и проанализировано изменение этих характеристик с биологическим возрастом человека при различной объемной пористости.

Бесплатно

Эффекты слагаемых высшего порядка малости в обобщенных рядах для представления полей, ассоциированных с вершиной трещины в анизотропных средах. Часть 1. Сравнение точного и асимптотического решений определения напряжений у вершины трещины

Степанова Л.В., Мушанкова К.А.

Статья научная

Статья посвящена анализу обобщенных на случай анизотропных линейно упругих сред асимптотических рядов, представляющих поля перемещений, деформаций и напряжений вблизи кончика острой трещины в анизотропных средах. Ключевой целью исследования является оценка механических полей в ближайшей окрестности вершины трещины в анизотропных материалах с простейшей кубической сингонией упругих свойств среды. Асимптотические ряды построены на основании классической теории упругости анизотропного тела. С помощью анализа рядов, ассоциированных с полями у вершины трещины, показано, что высшие приближения с коэффициентами, получившими название обобщенных коэффициентов интенсивности напряжений (ОКИН), оказывают значительное влияние на целостное представление поля напряжений при увеличении расстояния от кончика трещины. На примере плоской задачи для бесконечной анизотропной плоскости с кубической симметрией свойств (с различными тензорами упругих модулей, имеющими три независимых элемента) при различной ориентации трещины по отношению к осям симметрии упругих свойств показано, что в обобщенных рядах следует сохранять помимо первых двух слагаемых (содержащих коэффициенты интенсивности напряжений (КИН) и Т-напряжения) члены более высоких порядков малости. Построены угловые ( -распределения) зависимости компонент тензора напряжений в плоской задаче для двух различных расстояний от острия трещины, с принятием во внимание различное количество слагаемых ряда. Простое визуальное сопоставление и анализ зависимостей компонент тензора от полярного угла, выстроенных с учетом различного числа слагаемых ряда, ясно указывают на необходимость удержания высших приближений ряда. В целях расширения области, в которой справедливо решение в рядах, необходимо сохранять большее количество слагаемых. Все вычисления проведены для реальных материалов, упругие постоянные которых определены с помощью метода молекулярной динамики для монокристаллических веществ с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой.

Бесплатно

← Предыдущая

Журнал