Экспериментально-расчетное исследование поведения конструкционных материалов под действием динамических нагрузок

• Автор: Константинов, Александр Юрьевич
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 144 с. : ил.

ГЛАВА 1 - ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА)
1.1 Эмпирические и полуэмпирические определяющие соотношения
1.1.1 Общие принципы построения эмпирических определяющих
соотношений
1.1.2 Определяющее соотношение Джонсона-Кука
1.1.3 Модель пластичности Зерилли-Армстронга
1.1.4 Комбинированное уравнение
1.1.5 Определяющее уравнение Клепачко
1.1.6 Примеры моделей в дифференциальной формулировке
1.1.7 Обобщенное определяющее уравнение
1.2 Методы динамических испытаний
1.2.1. Копровые испытания
1.2.2 Кулачковый пластометр
1.2.3 Методика раздачи кольцевых образцов
1.2.4 Метод Тейлора
1.2.5 Метод Кольского и его модификации
1.2.6 Метод определения динамической твердости
1.2.7 Исследование динамического трения
1.2.8 Экспериментальное исследование характеристик разрушения в динамических условиях
1.4 Выводы к ГЛАВЕ
ГЛАВА 2 - ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ ПРИ СКОРОСТЯХ ДЕФОРМАЦИИ 102 <с <104 с1
2.1 Определение динамических диаграмм деформирования материалов
2.1.1 Реализация метода РСГ для получения диаграмм деформирования
материалов при высокоскоростном сжатии/растяжении
2.1.2 Модификация РСГ для получения динамических диаграмм деформирования в условиях кольцевого сдвига
2.1.3 Метод прямого удара, формирование постоянной скорости деформации
2.2 Экспериментальная установка для проведения динамических испытаний с использованием классического и модифицированного теста Тейлора
2.3 Определение динамической твердости материалов
2.4 Методика определения динамического коэффициента трения
2.5 Экспериментальное исследование характеристик разрушения в при динамическом воздействии
2.5.1 Динамические испытания на растяжение цилиндрических образцов с V-образным вырезом
2.5.2 Динамические испытания на трехточечный изгиб батки с V-образным
вырезом
2.6 Автоматизированный измерительный комплекс на базе модульных приборов
Lab VIEW
2.7 Статистическая обработка эксперимента

2.8 Выводы ко второй главе:
ГЛАВА 3 - ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ НЕКОТОРЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СХЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

3.1 Анализ эксперимента на ударное растяжение
3.1.1 Экспериментальное исследование высокоскоростного растяжения цилиндрических образцов различной длины в системе РСГ
3.1.2 Численный анализ эксперимента на высокоскоростное растяжение
3.2 Численный анализ эксперимента на определения динамического коэффициента трения
3.3 Численный анализ эксперимента по методу прямого удара
3.4 Выводы к ГЛАВЕ 3:
ГЛАВА 4 - РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНОГО АНАЛИЗА ДИНАМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ РЯДА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
4.1 Экспериментальное исследование динамического деформирования и разрушения алюминиевого сплава АК4-1 и титанового сплава ВТ-6
4.1.1 Алюминиевый сплав АК4-1
4.1.2 Титановый сплав ВТ-6
4.1.3 Результаты исследования динамического трения для пар титан-алюминий и титан-титан
4.2 Экспериментально-теоретическое исследование деформирования некоторых металлов и сплавов под действием импульсных нагрузок
4.2.1 Методика определения параметров некоторых моделей пластического поведения материалов
4.2.1 а Определение параметров модели пластичности Зерилли-Армстронга для
ОЦК-металлов
4.2.1 б Определение постоянных степенной модели пластичности КупераСаймондса
4.2.1в Определение параметров модели пластичности Джонсона-Кука
4.2.2 Постановки верификационных экспериментов
4.2.2а Прямой удар
4.2.26 Модифицированный тест Тейлора
4.2.2в Эксперимент на высокоскоростное внедрение
4.2.3 Исследование свойств некоторых металлов и сплавов
4.2.3а Динамические свойства меди Си101
4.2.36 Динамические свойства алюминиевого сплава АМг-6
4.2.3в Динамические свойства алюминиевого сплава Д16
4.2.3г Динамические свойства алюминиевого сплава АК4
4.2.3д Динамические свойства ВТ-6
4.3 Выводы к ГЛАВЕ 4:
ВЫВОДЫ:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
130В настоящее время интерес к проблемам, связанным с изучением закономерностей процессов высокоскоростного деформирования и разрушения конструкционных материалов, значительно возрос во всем мире. Это связано с тем, что при создании новой техники в авиационной, автомобильной промышленности, ядерной энергетике уже на стадии проектирования необходимо учитывать возможные аварийные ситуации, сопровождающиеся интенсивными динамическими воздействиями ударного или взрывного характера на конструкции и их элементы. Интерес к этим проблемам вызывается также развитием ряда технологических процессов высокоскоростной обработки металлов давлением (взрывная штамповка, непрерывная и бесконечная прокатка).
Разработке методов определения динамических характеристик конструкционных материалов посвящены работы Н.Н.Давиденкова, Д.Даффи, Р.Дэвиса, Ф.Ф.Витмана и
Н.А.Златина, А.А.Ильюшина и В.С.Ленского, Г.Тейлора, Г.Кольского, Д.Кэмпбелла, В.А.Степанова и др. Результаты систематических исследований процессов высокоскоростной деформации различных материалов представлены в работах К. Альбертини, А.М. Братова, Р.Грея, В.Пруда, С.А.Новикова, Я.Клепачко, Д.Филда и др. В работах Ф.Зерилли и Р.Армстронга, Г.Джонсона, В.Кука, Я.Клепачко, Д.Штейнберга и др. предложены определяющие соотношения, позволяющие моделировать пластическое поведение материалов в широком диапазоне скоростей деформаций. Идентификации и верификации определяющих соотношений посвящены труды Г.Тейлора, В.Янга, В.Рула, М.Мейерса, Г.Джонсона, А.Гавруса, Дж.Роха и др. Однако, как показывают регулярно проводимые конференции и симпозиумы по высокоскоростной деформации (EURODYMAT и др.), интерес к данной проблеме не ослабевает, что вызвано как появлением новых материалов, так и усовершенствованием численных методов, позволяющих использовать все более сложные модели поведения, что в свою очередь приводит к необходимости разработки новых экспериментальных методов, для оснащения их необходимыми параметрами.
В связи с развитием численных методов решения сложных дву- и трехмерных задач динамики деформируемого твердого тела, вычислительный эксперимент из-за его относительной дешевизны стал неотъемлемой частью проектирования ответственных изделий новой техники.
В последние годы для расчета напряженно-деформированного состояния и прочности конструкций в подобных ситуациях широко используются такие вычислительные комплексы как ANSYS, LS-DYNA, ABAQUS, «Динамика-2» и т.д. Одной из важнейших составляющих частей этих комплексов, определяющих достоверность проводимых расчетов, являются используемые в них определяющие соотношения (математические модели поведе-

здесь функция податливости образцов Ла/И/) (функция формы), зависящая от длины а трещины (надреза) и высоты образца Щ определяется в соответствии с линейной механикой разрушения следующим образом [209]:
Для реализации экспериментов на трехточечпый изгиб балки (на ударную вязкость) была смонтирована установка) с системой трех мерных стержней Гопкинсона: одного нагружающего и двух опорных. Для создания импульсов нагрузки в нагружающем устройстве используется газовая пушка калибром 20 мм. В зависимости от прочности испытуемого материала нагружающий и два опорных стержня изготавливаются либо из сплава Д16Т, либо из высокопрочной стали, длиной по 1,5м каждый.
В процессе испытаний регистрируются падающий е(/) (нагружающий) и отраженный eR(0 импульсы на нагружающем стержне, а также прошедший через образец eT(t) импульс на двух опорных стержнях. Обработка этих импульсов в соответствии с методикой Кольского позволяет получить параметрические (временные) зависимости:
i I R
• смещения клина (прогиба образца) м(0 = +£ )^,

• скорости смещения клина v(t) = C(s' +SR),
• изменения усилия в образце в процессе нагружения по импульсам на нагружающем стержне P(t) = ЕА(е’ -sR) или на основании прошедшего импульса P(t) = EA-2sT.
Далее по максимальной величине усилия в образце с помощью зависимости (2.2) определяется коэффициент интенсивности напряжений Кщ2.6 Автоматизированный измерительный комплекс на базе модульных приборов LabVIEW.
Известно, что в методе РСГ трудоемким моментом является съем и обработка первичной информации, снимаемой с тензодатчиков, и получение диаграмм деформирования в соответствии с формулами Кольского. Во многом успех использования метода РСГ для динамических испытаний материалов определяется современной системой автоматизации экспериментов. В Европе этому уделяется большое внимание.