Численно-экспериментальный метод оценки параметров трещиностойкости конструкционных материалов

• Автор: Кузнецов, Николай Владимирович
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 187 с. : ил.

1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования
ЕЕ Критерии разрушения твердых тел В
1.2. Экспериментальное определение характеристик трещиностойкости
ЕЗ. Упрощенные методы оценки трещиностойкости
Е4. Численные методы оценки параметров механики
разрушения
Е 5. Расчет НДС за пределом упругости
Выводы по главе 1
Основные задачи исследования
2. Разработка имитационной системы для оценки параметров трещиностойкости
2.Е Разработка структурной схемы имитационной системы для
оценки параметров трещиностойкости
2.2. Верификация метода конечных элементов применительно к
задачам механики разрушения
2.2. Е Экспериментальные данные и КЭ-модели используемые для
верификации метода
2.2.2. Анализ результатов
2.3. Выбор модели материала
2.4. Моделирование продвижения трещины в численном эксперименте
Выводы по главе 2
3. Выбор и оценка критериев функционирования имитационной системы
3.1. Выбор критерия достоверности оценки характеристики трещиностойкости
3.2. Выбор критерия старта трещины - формальный подход
3.2.1. Критерий разрушающей нагрузки
3.2.2. Критерий предельной величины пластической зоны в вершине трещины
3.3. Моделирование зоны предразрушения - неформальный подход
3.3.1. Анализ существующих моделей зоны предразрушения
3.3.2. Оценка размеров зоны пластичности для различных моделей
3.3.3. Обобщенная модель зоны предразрушения
Выводы по главе 3

4. Моделирование натурного эксперимента по оценке
параметров трещиностойкости на стандартных образцах
4.1. Выбор геометрических параметров модели
4.2. Численная оценка характеристик трещиностойкости путем
моделирования образца с трещиной
4.2.1. Метод податливости
4.2.2. Метод секущей
4.2.3. По интенсивности напряжений в вершине трещины
4.3. Анализ результатов моделирования
Выводы по главе 4
5. Примеры использования разработанной системы для
решения научных и инженерных задач
5.1. Моделирование натурного эксперимента по оценке
параметров трещиностойкости на компактных образцах
5.1.1. Использование образцов типа Шарпи для оценки
параметров трещиностойкости
5.1.2. Натурный эксперимент по оценке параметров
трещиностойкости на компактном образце
5.1.3. Численное моделирование натурного эксперимента
5.1.4. Анализ результатов
5.2. Использование предлагаемого подхода для выбора
оптимального материала при проектировании
5.2.1. Постановка задачи
5.2.2. Построение целевой функции для оптимизации
5.2.3. Решение задачи и анализ результатов
Выводы по главе 5
Основные выводы и результаты исследования
Литература
Приложения
Приложение 1. Механические характеристики рассматриваемых материалов и параметры диаграммы деформирования
Приложение 2. Оценка вариации экспериментально-определенной вязкости разрушения материалов (К1С)
Приложение 3. Результаты оценки К1С на различных режимах работы имитационной системы *

Тяжелые условия эксплуатации ответственных конструкций военного, аэрокосмического, транспортного и энергетического назначения предопределяют крайне жесткие требования к используемым материалам. При проектировании или оценке ресурса подобных конструкций особенно актуальна проблема оценки чувствительности материала к трещине. В последнее время вопрос эффективной оценки характеристик трещиностойкости материалов вновь приобретает остроту в связи с расширением сферы применения дорогостоящих конструкционных материалов - материалов со сложной структурой (например, композитных материалов) или материалов со специальными свойствами (например, материалов высокой чистоты).
Однако проведение натурного эксперимента по определению характеристик трещиностойкости с соблюдением всех требований существующих стандартов часто бывает осложнено необходимостью выполнения довольно жестких требований линейной механики разрушения (JIMP) к форме, размерам образца и длине начальной трещины. Часто габариты образцов (особенно для довольно пластичных материалов) оказываются таковыми, что не только значительно превышают фактические размеры изделия, но и требуют применения уникального по характеристикам оборудования (больших габаритов, большой мощности и пр.) что существенно ограничивает возможности исследователя и проектировщика. Определенную сложность представляет собой и необходимость для установления тех или иных закономерностей проведения большого числа экспериментов, которые в случае исследования современных материалов часто оказываются довольно дорогостоящими.
Еще более сложна и практически не осуществима через натурный эксперимент задача предварительного определения параметров

2. Процедура механических испытаний материалов с целью определения характеристик трещиностойкости при статическом нагружении стандартизована как у нас так и за рубежом (российский стандарт ГОСТ, американский стандарт ASTM, английский стандарт BS, японский стандарт WES, международный стандарт ISO). При этом отдельные положения нормативных документов различных стран имеют некоторые отличия, основанная масса которых приходится на вопрос выбора формы и размеров используемых образцов. Сравнение ряда действующих стандартов показало, что в ряде случаев имеющиеся различия могут привести к расхождению экспериментальных данных полученных в соответствии с различными методиками.
3. Процедуре натурных испытаний посвящен целый ряд работ отечественных и зарубежных ученых, при этом особое внимание уделяется соблюдению жестких требований механики разрушения к выбору геометрических параметров образцов для создания условий возникновения плоского деформированного состояния (ПДС) в вершине трещины и оценке качества проведенного эксперимента. Необходимость выполнения жестких требований механики разрушения существенно ограничивает возможности исследователя и проектировщика особенно на начальных этапах проектирования в условиях выбора нужного по трещиностойкости материала.
4. Помимо стандартных существует некоторое количество упрощенных методов определения трещиностойкости, которые в основном базируются на эмпирически установленных зависимостях вязкости разрушения от механических характеристик материала. Однако при этом, различные аналитические методы оценки вязкости разрушения весьма сложны и трудоемки, особенно в случае использования образцов сложной формы, кроме того, они требуют достаточно полных сведений о физикохимических свойствах рассматриваемых материалов. При этом