книги / Экспериментальные исследования закритического деформирования и разрушения конструкционных материалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКРИТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Монография

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2018

1

Авторы: В.Э. Вильдеман, Е.В. Ломакин, М.П. Третьяков, Т.В. Третьякова, Д.С. Лобанов

УДК 620.1 ББК 22.251

Э41

Рецензент д-р техн. наук, профессор С.Б. Сапожников

(Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск)

Экспериментальные исследования закритического деЭ41 формирования и разрушения конструкционных материалов :

моногр. / В.Э. Вильдеман [и др.]. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. – 156 с.

ISBN 978-5-398-02104-2

Представлены результаты экспериментального исследования закономерностей механического поведения металлических и композиционных конструкционных материалов в условиях упругопластического и закритического деформирования и разрушения. Приводятся опытные данные о закритическом поведении сталей при различных видах напряженно-деформированного состояния, условиях нагружения и температурах. Рассматриваются вопросы исследования возможного проявления закритического деформирования в композиционных материалах и армирующих компонентах при различных способах испытаний. Приводятся результаты испытаний металлических и композиционных образцов с трещинами, которые анализируются с учетом условий устойчивого закритического деформирования.

Предназначено для специалистов в области механики деформируемого твердого тела: исследователей, научных сотрудников, инженеров, аспирантов и магистрантов, специализирующихся в области экспериментальной механики конструкционных материалов.

УДК 620.1

ББК 22.251

2

3

5. Изучение процессов равновесного деформирования тел

стрещинами и трещиноподобными дефектами

сиспользованием подходов механики закритического

4

5

ВВЕДЕНИЕ

Монография содержит результаты выполнения проекта российского научного фонда «Развитие методов прочностного анализа безопасности ответственных конструкций на основе экспериментального изучения и моделирования закритической стадии деформирования и разрушения металлических и композиционных материалов при сложных внешних воздействиях» (грант № 16-19-00069), направленного на теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей поведения современных металлических и композиционных конструкционных материалов на закритической стадии деформирования, развитие систем прочностных расчетов ответственных конструкций и сооружений с учетом стадии разупрочнения материалов. Реализация проекта осуществляется на базе Центра экспериментальной механики (ЦЭМ) Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), оснащенного комплексом современного испытательного оборудования и средств измерений.

Актуальность исследований связана с повышением эффективности проектирования ответственных конструкций с точки зрения оценки катастрофичности и прогнозирования протекания аварийных ситуаций, а также снижением рисков и последствий техногенных катастроф. Целью работ является развитие системы многокритериального прочностного анализа ответственных конструкций, комплексное экспериментальное изучение закономерностей деформирования и разрушения твердых тел с концентраторами напряжений и элементов конструкций из металлов и композитов в условиях квазистатических и комбинированных воздействий, а также математическое моделирование процессов накопления повреждений, структурного разрушения и закритического деформирования в конструктивных элементах.

Работа направлена на развитие методологии комплексного прочностного анализа ответственных конструкций, теоретических положений механики закритического деформирования, ма-

6

тематических моделей накопления повреждений и структурного разрушения изотропных и анизотропных материалов.

Монография посвящена разработке новых алгоритмов и программ решения краевых задач механики неупругого деформирования и разрушения структурно-неоднородных тел, выявлению на основе полученных новых решений и результатов численного моделирования закономерностей многостадийных и многоуровневых процессов разрушения металлических и композиционных материалов и элементов конструкций. Рассматриваются вопросы разработки новых методик комплексных экспериментальных исследований механического поведения металлических и композитных элементов конструкций с использованием современных испытательных машин, реализующих сложные (близкие к эксплуатационным) режимы внешних термомеханических воздействий, видеосистем регистрации полей перемещений и деформаций, аппаратуры регистрации сигналов акустической эмиссии, тензометрирования, термосканирования и скоростной видеосъемки. Представлены результаты комплексного экспериментального изучения закономерностей неупругого деформирования, процессов формирования дефектных структур и трещин, формирования условий макроразрушения тел с концентраторами напряжений и полунатурных образцов при различных режимах внешних воздействий.

7

1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЧНОСТНОГО АНАЛИЗА ОТВЕТСТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ ЗАКРИТИЧЕСКОЙ СТАДИИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Причины и последствия крупных аварий и катастроф определяющим образом связаны с характером механического разрушения, демонстрируют недостаточность систем обеспечения безопасности сложных технических объектов, несовершенство традиционных критериальных оценок прочности и правил проектирования без учета особенностей поведения конструкций в аварийных ситуациях. Исследования фундаментальных проблем прочности материалов и конструкций не только не теряют своей актуальности, но и требуют выработки новой современной методологии. Некоторые новые принципы и концепции обеспечения безопасности механических систем нашли отражение в работах [1–9]. Комплексный подход к прочностному анализу безопасности является современной тенденцией и приводится в работах [1–3], [10–15].

Прочностные расчеты в большинстве случаев не могут ограничиваться определением напряженно-деформированного состояния и последующей критериальной оценкой состояния материала в «опасной точке». Вопросы анализа безопасности несущих объектов связаны с разработкой системы оценок по целому комплексу показателей, важность которых определяется назначением, условиями работы конструкций, инженерной практикой и другими факторами.

Развитие методов экспериментальной механики деформируемого твердого тела, механики структурно-неоднородных тел и механики трещин, развитие математических моделей механики поврежденной сплошной среды и теории закритического деформирования, усовершенствование численных методов и появление универсальных программных комплексов, накопление опыта расчета ответственных конструкций, повышение

8

требований к безопасности конструкций подводят к необходимости комплексного анализа явлений, связанных с потерей несущей способности сложных объектов, на основе представлений о кинетическом характере разрушения. С точки зрения анализа основ развития методов прочностного анализа безопасности представляются целесообразными работы по ряду направлений (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Общая структура основ развития методов прочностного анализа безопасности конструкции

9

1.Изучение основных закономерностей накопления повреждений с целью развития методов прогнозирования, оценки опасности и предотвращения аварийных ситуаций.

2.Теоретические и экспериментальные исследования поведения материалов при закритическом деформировании.

3.Моделирование процессов неупругого деформирования, локального и структурного разрушения, сопровождаемых перераспределением напряжений, с целью анализа явлений возможного приспособления конструкции или формирования условий макроразрушения.

4.Развитие численных методик расчета и проектирования ответственных конструкций с целью повышения их живучести на основе обеспечения условий устойчивого протекания процессов накопления повреждений, необходимых для приспособления материалов к условиям эксплуатации.

5.Решение прикладных задач оценки безопасности ответственных конструкций и прогнозирования аварийных ситуаций на основе моделирования процессов неупругого деформирования и разрушения.

6.Диагностика и мониторинг деформированного состояния элементов конструкции с использованием современных методов,

вчастности оптоволоконных технологий.

7.Развитие систем комплексного прочностного анализа безопасности.

Вопросы анализа безопасности несущих объектов требуют разработки системы оценок по целому комплексу показателей, важность которых определяется назначением, условиями работы конструкций, инженерной практикой, многими другими факторами. Вопрос, насколько опасным окажется разрушение данной конструкции, в практике прочностных расчетов обычно не рассматривается. Однако в определенных технических ситуациях именно безопасность объекта, а не его несущая способность и даже надежность является главным эксплуатационным усло-

10