Численное моделирование процессов деформации и разрушения сред с поровыми структурами при динамических нагрузках

• Автор: Пасько, Евгений Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 116 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1 Моделирование деформации и повреждения хрупких структурированных сред в условиях динамического нагружения
1.1 Модель механического поведения хрупких структурированных сред с учетом эволюции структуры
1.2 Метод численного решения задачи
1.3 Определение численных значений параметров модели для хрупких материалов с поровыми структурами
1.4 Сходимость численных результатов моделирования деформации структурированных хрупких сред
2 Влияние поровых структур на механическое поведение керамических материалов при динамическом воздействии
2.1 Влияние поровых структур на предел упругости Гюгонио оксид-алюминиевых материалов
2.2 Влияние формы пор на сопротивлению сдвигу в оксидной керамике
3 Моделирование механического поведения пористой оксид-алюминиевой керамики при ударно-волновых воздействиях
3.1 Моделирование процессов деформации и разрушения керамики с различным распределением пор по размеру
3.2 Влияние размеров пор на деформацию, повреждение и разрушение пористой керамики
3.3 Влияние расстояния между порами и кластеров пор на деформацию, повреждение и разрушение пористой керамики
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы: Диссертация посвящена исследованию механического поведения сред с поровыми структурами при динамических нагрузках.
Актуальность темы исследования. Исследование закономерностей механического поведения хрупких сред с поровыми структурами, построение моделей и методов расчета процессов деформации и разрушения является актуальной задачей механики деформируемого твердого тела. Рассматриваемые модели сред применяются для описания и прогнозирования механического поведения конструкционных керамических материалов в широком диапазоне условий нагружения.
Подходы к описанию механического поведения пористых сред были сформулированы и развиты в работах: Качанова Л.М., Новожилова В.В., Работнова Ю.Н., Фомина В.М., Ни-кифоровского В. С., Шемякина Е.И., Кондаурова В.И., Кинеловского С.А., Бетехтина В.И., Ревуженко А.Ф., Гольдштейна Р.В, Аптукова В.H., а также в работах Carroll М.М., Holt A.C., Johnson G. R., Holmquist, T. J., Seaman L., Curran D.R., и др. [1-7,44-50].
Использование подхода механики повреждаемых сред позволило решить большой круг фундаментальных и прикладных задач, связанных с механическим поведением пористых сред в широком диапазоне условий нагружения.
Модели и подходы для численного моделирования деформации разрушения пористых сред в условиях динамических воздействий получили развитие в работах Псахье С.Г., Макарова П.В., Скрипняка В.А., Смолина А.Ю., Киселева С.П., Белова H.H., Калинина A.B., Герасимова A.B., Gust W.H., Dandekar D, и др. [8-23].
Актуальность развития исследований с использованием моделирования поведения хрупких сред с поровыми структурами сохраняется в связи с потребностью более полного понимания закономерностей процессов повреждения и разрушения, происходящих в конструкционных керамических материалах под действием нагрузок, и прогноза их деформации разрушения в условиях интенсивных импульсных воздействий.
Методы описания напряженно-деформированного состояния пористых сред разрабатывались и совершенствовались на протяжении длительного времени. Однако проблема создания адекватных моделей механического поведения хрупких сред с поровьми структурами при динамических нагрузках до настоящего времени не решена.
Механическое поведение конструкционных керамических материалов существенно зависит от их структуры, которая формируется в ходе получения материала и изделия. Разработанные к настоящему времени технологии позволяют варьировать структуру синтезируемых керамических материалов и, в частности, поровую структуру.
В работах Кулькова C.H., Буяковой С.П., Paskaramoorthya R., Sadowski Т., Samborski S., Molinari A., Bilger N. получены экспериментальные и теоретические результаты, свидетель-
ствующие о влиянии распределения пор по размерам, пространственного распределения пор на механические свойства пористых керамических материалов в квазистатических условиях нагружения. Эти результаты свидетельствуют о важности учета не только интегральной пористости, но и параметров поровых структур, при прогнозировании механического поведения керамических материалов [11, 12, 22, 24, 65,132, 146].
Исследования влияния поровых структур на механическое поведение керамических материалов в условиях динамического нагружения актуально не только с научной точки зрения, но представляет интерес для инновационных разработок в области создания защитных элементов конструкций, изделий энергетического машиностроения, химического машиностроения и добывающих отраслей промышленности.
Одним из наиболее перспективных подходов к решению этой проблемы является численное моделирование. Задача построения и развития вычислительных моделей процессов деформирования и повреждения сред с поровыми структурами и алгоритмов их численной реализации также является актуальной.
Необходимо отметить, что в последнее десятилетие интенсивно развиваются подходы физической мезомеханики и многоуровневого моделирования процессов и физикомеханических явлений в структурированных средах, в рамках которых разрабатываются модели, позволяющие изучать влияние структуры на закономерности деформации и разрушения сред и материалов [11, 12, 16, 133, 134].
Для проведения прикладных исследований имеет первостепенное значение адекватность моделей механического поведения материалов, понимание физических механизмов и закономерностей процессов эволюции структуры материала при термомеханических воздействиях.
Развитие численно-аналитического аппарата для прогнозирования поведения структурированных керамических материалов при высокоскоростной деформации является актуальным в связи с выполнением фундаментальных и прикладных исследований в экспериментальной физике конденсированных сред, разработке новых защитных и функциональных элементов конструкций авиационной, космической и военной техники, теплоэнергетике, машиностроении, при разработке технологий получения новых конструкционных керамических материалов с заданными физико-механическими свойствами.
Целью диссертации является разработка вычислительной моделей описания и прогнозирования неупругого деформирования, эволюции поврежденности и разрушения сред с поровыми структурами при динамическом нагружении.
Для достижения поставленных целей были сформулированы и решены следующие задачи:
• Разработана физико-математическая модель для описания деформации, эволюции поврежденности и разрушения хрупких структурированных пористых сред при динамиче-

Ориентация пор
Рисунок 24 - Ориентация пор относительно нижнего края микрофотографии (без сферических пор)
Результаты исследования поровой структуры оксида алюминия четвертого типа показаны на рисунках 25-29.
Максимальный размер поры - 36,04 мкм, среднее значение диаметра пор - 7,40 мкм; среднеквадратичное отклонение - 5,61; коэффициент вариации - 0,76.
После стереометрической реконструкции были определены параметры поровой структуры. Количество пор в объеме 1 мм3 -14966, Среднеарифметическое значение диаметра 7,24 мкм. Среднеповерхностное значение диаметра 26,66 мкм. Среднеобъемное значение диаметра 29,87 мкм. Средняя пористость материала: 0,88 %.
Эллипсоидные поры имели следующие ориентационные параметры:
Эксцентриситет- 0,60. Эффективный размер сферической поры - 7,24 мкм. Полуоси эллипсов 4,05 и 3,24 мкм. Относительное число сферических пор 24,88 %. Площадь поверхности в единице объема 3,38 мм2.