Главная » 2014»Июль»27 » Скачать Иерархическое моделирование деформации и разрушения материалов композиционной структуры. Балохонов, Руслан Ревович бесплатно
21:07
Скачать Иерархическое моделирование деформации и разрушения материалов композиционной структуры. Балохонов, Руслан Ревович бесплатно
Иерархическое моделирование деформации и разрушения материалов композиционной структуры
Диссертация
Автор: Балохонов, Руслан Ревович
Название: Иерархическое моделирование деформации и разрушения материалов композиционной структуры
Справка: Балохонов, Руслан Ревович. Иерархическое моделирование деформации и разрушения материалов композиционной структуры : диссертация доктора физико-математических наук : 01.02.04 / Балохонов Руслан Ревович; [Место защиты: НИУ "Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН"] - Томск, 2008 - Количество страниц: 248 с. 58 ил. Томск, 2008 306 c. :
Объем: 306 стр.
Информация: Томск, 2008
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
1 ИЕРАРХИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
11 Подходы многоуровневого моделирования
12 Иерархическое численное моделирование
13 Математическая постановка задачи и особенности численной реализации
14 Границы раздела - источник концентрации напряжений и 36 локализации пластических сдвигов
141 Влияние коэффициента деформационного упрочнения на 38 характер локализации пластической деформации
142 Неоднородное деформирование поликристаллической 47 структуры крупнозернистого стального образца
143 Влияние формы границы раздела «материал-покрытие» и 55 градиентного подслоя
144 Деформирование многофазной структуры
2 МОДЕЛИ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ
ПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ МАТРИЦЫ И ПОДЛОЖКИ
21 Релаксационное определяющее уравнение
22 Моделирование пластического течения металлов и сплавов 82 при малых степенях деформации
23 Модель субструктурного упрочнения металлов и сплавов при 100 глубоких степенях деформации
24 Модель пластического течения металлов и сплавов с учетом влияния энергии дефекта упаковки
25 Моделирование термомеханической реакции сталей
26 Моделирование распространения полос Людерса в сталях
27 Модель прерывистой текучести в алюминиевых сплавах
28 Моделирование методом конечных элементов ABAQUS
3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ДЕФОРМАЦИИ И 175 РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРУКТУР НА МЕЗОУРОВНЕ
31 Эффект кривизны границы раздела — растягивающие 176 напряжения при сжатии композита
32 Модель разрушения включений и покрытий
33 Пластическое деформирование и разрушение композита 186 «алюминий-корунд»
331 Иерархия концентраторов напряжений для структуры 187 «пластичная матрица — твердое включение»
332 Влияние вида нагруэ/сения на характер разрушения 190 металлокерамического композита
333 Влияние размера включений
34 Механизмы деструкции угольных композитов и горных пород на различной глубине залегания пластов
341 Особенности напряженного состояния на различной глубине 200 для структуры угольного композита с порой
342 Влияние механических свойств компонентов структуры
343 Смена механизма разрушения горной породы в зависимости 209 от глубины залегания пласта
35 Динамика деформирования и разрушения материалов с 215 покрытиями
351 Общий характер деформирования и разрушения стали с 219 хрупким боридным покрытием
352 Разрушение покрытий различной толщины — особая роль 222 свободной поверхности
353 Разрушение квазихрупкого покрытия
354 Особенности деформирования и разрушения композиции сталь — боридное покрытие» при растяжении и сжатии 355 Влияние скорости нагружение на характер деформирования и разрушения стали с боридным покрытием ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Введение:
Актуальность темы.
Проблема прогнозирования и управления структурой и свойствами композиционных материалов на металлической основе и материалов с покрытиями является чрезвычайно актуальной задачей. Металлокерамические композиции играю важную, все более значимую роль, в современном развитии науки и техники, постепенно вытесняя чисто металлические соединения в наиболее ответственных и высокоточных отраслях, таких, как микроэлектроника, авиация и космос, энергетика. Не менее важны вопросы безопасности при разработке угольных и других месторождений, связанные с истечением попутного газа и его взрывной способностью, которые требуют всестороннего изучения процессов деформирования природных композитов. Наряду с экспериментальными исследованиями в данной области, проблемы иерархического численного моделирования и компьютерного конструирования новых композиционных материалов приобретают большое значение.
Последние три десятилетия все большее внимание уделяется структурным аспектам и вопросам, связанным с неоднородным развитием пластической деформации. Сегодня хорошо известны экспериментальные и теоретические работы в этой области как в России, так и за рубежом [1-43]. Становится понятно, что для адекватного описания деформации сложноорганизованных сред необходимо разрабатывать иерархические модели, позволяющие учесть взаимосвязь физических процессов на разных масштабных уровнях. Вопрос о том, какова должна быть иерархическая модель, остается дискуссионным и не имеет на сегодняшний день однозначного ответа, а теоретическая задача создания материала с заданными свойствами на основе иерархического подхода решается различными методами только частично.
К настоящему времени в России и за рубежом накоплен большой экспериментальный материал по изучению механизмов развития неоднородной пластической деформации и разрушения градиентных композиционных материалов. Для многих приложений показано, что внутренние границы раздела играют основополагающую роль в зарождении пластических сдвигов на мезоскопическом масштабном уровне, а физические процессы зарождения локализованных сдвигов на интерфейсах имеют общую физическую природу, несмотря на огромное разнообразие типов включений, зеренных структур, сочетаний «покрытие - базовый материал», литотипов горных пород и т.д. На настоящем этапе эти проблемы рассматриваются в рамках комплексного подхода на основе физической мезомеханики структурно-неоднородных сред, базируясь на решении многоуровневых задач с учетом иерархии структурных и масштабных, уровней.
Концепция физической мезомеханики материалов была предложена академиком Паниным В.Е. [2, 6-10] и в настоящее время интенсивно развивается в работах российских и зарубежных ученых. Данный подход позволяет строить и развивать иерархические модели, связывающие процессы деформации, разрушения и самоорганизацию внутренней структуры на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях для различных типов структурно-неоднородных сред и, что особенно важно, для таких сложных систем, какими являются композиционные материалы и покрытия. Таким образом, иерархическое численное моделирование на основе методов и средств физической мезомеханики является наиболее перспективным подходом к оптимальному выбору структуры и свойств материалов композиционной структуры.
Одним из перспективных направлений как в механике, так и в физике конденсированных состояний является разработка методов и моделей сложных гетерогенных сред на основе явного рассмотрения внутренней структуры нагружаемого материала, ее эволюции и влияния на изменение макроскопических физико-механических параметров. С точки зрения физической мезомеханики, перспективными являются методы и модели, основанные на представлениях о нагружаемой среде, как иерархически организованной системе, эволюционирующей под приложенными нагрузками. В рамках этой схемы возможно рассматривать и учитывать всю иерархию масштабов: нано-, микро-, мезо- и макро-. Центральное место занимает мезомасштабный уровень, где явно принимаются во внимание значимые структурные элементы, их взаимодействия, физические процессы (например, зарождение локализованных сдвигов на интерфейсах, зарождение разрушения в результате структурно-фазового перехода в локальных областях всестороннего растяжения, накопление повреждений, пор и т.д.). Микроскопический уровень в такой модели учитывается усреднено - через рассмотрение соответствующих кинетик накопления повреждений и элементарных актов неупругой деформации либо явно — путем введения разрушения локальных микрообъемов. Роль наномасштаба не менее важна, особенно при изучении процессов и объектов, характерные размеры которых составляют десятки и сотни нанометров. Поведение представительного мезообъема усредненно отражает макроскопический отклик материала на нагружение, т.е. представительный мезообъем является макрочастицей исследуемого материала.
Таким образом, фундаментальная проблема механики структурно-неоднородных сред, связанная с разработкой физически обоснованных иерархических моделей неупругой деформации и разрушения композиционных структур (металлокерамических композитов, включающих пластическую матрицу/подложку и хрупкие упрочняющие частицы/покрытия/литотипы горных пород) на разных масштабных уровнях является чрезвычайно актуальной.
Цель и задачи работы.
Целью работы является иерархическое численное моделирование материалов композитной структуры с явным учетом кривизны границ раздела и изучение закономерностей деформации и разрушения композитов (металлокерамика, материалы с покрытиями, угольные композиты) при различных видах внешнего нагружения.
В работе были поставлены следующие задачи:
• разработать модели пластичности материалов матриц и подложек, позволяющие описать вклады в напряжение течения с микро- и мезоуровней, скоростную и температурную чувствительности, распространение полос Людерса и эффекты прерывистой текучести;
• разработать модель разрушения хрупких включений и покрытий и провести расчеты распространения трещин при разных видах внешнего нагружения;
• исследовать особенности и закономерности деформации и разрушения различных композиционных структур на мезоуровне с учетом разработанных моделей механической реакции компонентов структуры.
Связь работы с научными программами и темами.
Диссертационная работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН в рамках основного научного направления «Физическая мезомеханика материалов» в соответствии с планами государственных и отраслевых научных программ: в рамках проектов приоритетного направления "Компьютерное конструирование новых материалов" Государственной научно-технической программы России "Новые материалы", проектов Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы», проекта фундаментальных исследований СО РАН «Основы физической мезомеханики конструкционных, инструментальных и функциональных материалов с наноструктурными и градиентными поверхностными слоями и внутренними границами раздела» (№ 8.1.1), интеграционных проектов (№ 45, 90, 93), интеграционного проекта СО РАН с НАН Украины (№2.11), инициативных научных проектов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) (№ 99-01-00583-а, 02-01-01195-а, 06-01-00592-а) и проектов РФФИ по поддержке ведущих научных школ России - школа академика В.Е. Панина (2000-2008 гг.), а также в рамках международного сотрудничества: по проектам Немецкой службы академических обменов (DAAD A0106399/Ref.325) и Немецкого научного сообщества (DFG 436 RUS 17/28/05, 436 RUS 17/110/05, 436 RUS 17/19/07, SCHM 746/76-1), ИНТАС (YSF 2002-159) и Российско-Американской программы BRHE (ТО-016-02).
Методы и подходы, объект исследования.
Исследования проводятся в рамках научного направления — физической мезомеханики материалов. Проблема описания и предсказания механического поведения материалов композиционной структуры на разных масштабных уровнях решается в рамках подхода иерархического численного моделирования. Разрабатываются новые модели сред — определяющие уравнения для различных компонентов композитов. Данные модели затем используются комбинированно при детальном рассмотрении структуры композиций в явном виде. Общая система уравнений, включающая законы сохранения массы, количества движения, энергии, соотношения для деформаций, решается в двумерной постановке методами конечных разностей и конечных элементов. Для изучения механизмов деформации композитов на мезоуровне проводятся серии численных экспериментов при варьировании параметров моделей и условий нагружения. На основе обработки и анализа результатов расчетов делаются выводы о природе физических процессов и возможных путях оптимизации структуры и свойств материала. Такой подход, фактически, эквивалентен решению обратной задачи. Использование иерархического подхода необходимо и обосновано тем, что реальные материалы имеют существенно неоднородную внутреннюю структуру, а наличие концентраторов напряжений различной физической природы является одним из основополагающих факторов развития неоднородной деформации в подобных системах. Наиболее ярко эффекты неоднородного деформирования проявляются в композиционных материалах - металлокерамиках, материалах с покрытиями и поверхностным упрочнением, легированных сплавах с различного рода включениями и т.д., ввиду существенного различия механических свойств элементов, составляющих композицию: плотности, упругих модулей, характеристик прочности и пластичности. В связи с этим, фундаментальные исследования в данной области могут иметь большое значение для создания новых материалов конструкционного и функционального назначения. Применение изложенных методов и подходов к рассмотрению металлокерамических композитов позволило получить ряд нетривиальных результатов по изучению механизмов и сценариев их неоднородного деформирования.
Научная новизна.
В работе впервые:
• разработаны физически обоснованные модели механического поведения компонентов структуры композитов, учитывающие вклады в напряжение течения от эволюции дислокационного континуума и формирования субструктур и описывающие периодическую генерацию полос локализованного сдвига;
• созданы алгоритмы и программные комплексы для расчетов и проведения численного анализа процессов деформации и разрушения на макро- и мезомасштабном уровне;
• обосновано, что введение в рассмотрение структуры материала с явным учетом кривизны границ раздела позволяет ввести масштабный фактор при иерархическом численном моделировании деформации и разрушения композитных систем;
• проведены расчеты однородной и неоднородной (распространение полос Людерса) деформации и выбраны параметры моделей пластической деформации для ряда материалов, используемых в качестве подложек и матриц в композитах;
• установлено влияние коэффициента деформационного упрочнения на характер и степень локализации пластической деформации под действием макро- (захваты испытательной машины) и мезо- (жесткие включения) концентраторов напряжений;
• с помощью численных и аналитических оценок объяснены причины возникновения локальных зон растяжения при сжатии структурно-неоднородных материалов: металлокерамический композит, материал с покрытием и угольный композит;
• модифицирован критерий разрушения Губера для случая явного рассмотрения исходной структуры материала, учитывающий зарождение трещин в локальных областях объемного растяжения;
• численно исследовано влияние различных факторов - геометрии различных границ раздела («покрытие-основа», «матрица-включение», «пора—литотипы угля»), соотношения прочностных характеристик между компонентами структуры, толщины покрытия, размера включений и скорости нагружения - на характер деформации и разрушения на мезоуровне при растяжении и сжатии;
• выявлена смена механизмов разрушения горных пород на определенной глубине залегания пластов.
Практическую ценность работы составляют:
1) модели механического поведения металлов и сплавов для описания и предсказания свойств материалов в широком диапазоне скоростей и температур деформирования;
2) программные комплексы для проведения серий численных экспериментов по динамическому нагружению материалов;
3) выводы по результатам моделирования, связанные с выявлением новых особенностей и закономерностей деформации и разрушения композитных систем;
4) результаты моделирования разрушения горных пород на примере угольного композита, связанные с тем, что процесс выработки может быть облегчен по определенным направлениям.
Апробация работы.
Основные результаты работы отражены в 62 печатных работах, в том числе в 1 монографии, 37 статьях в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах, 24 трудах научных конференций разного уровня.
Результаты работы были представлены более чем на 60 международных и всероссийских конференциях, включая международные конференции по компьютерному конструированию перспективных материалов и технологий (г.Томск, Россия, 1995, 2001, 2004, 2006 гг.; г. Байкальск, Россия, 1997 г.), международные семинары по физической мезомеханике (г. Томск, Россия, 1996, 2001, 2004, 2006 гг.), международные семинары "Shock Waves in Condensed Matter" (г. С.-Петербург, Россия, 1996, 1998 гг.), международные конференции по физической мезомеханике (г. Тель-Авив, Израиль, 1998 г.; г. Сиань, Китай, 2000 г.; г. Ольборг, Дания, 2002 г.; г. Патры, Греция, 2004 г.), международные семинары «Computational Mechanics of Materials» (г.Штутгарт, Германия, 1998 г.; г. Дармштадт, Германия, 2002 г.; г. Магдебург, Германия, 2003 г.), международные конференции по разрушению (г. Москва, Россия, 2004, 2007 гг.; г. Турин, Италия, 2005 г.), международный семинар по трибологии (г. Берлин, Германия, 2007 г.), международный семинар «New Models and Numerical Codes for Wave Processes in Condensed Media» (г.Оксфорд, Великобритания, 1998 г.; г. Эдинбург, Шотландия, 2002 г.), VIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (г.Пермь, Россия, 2001 г.), международную школу-семинар «Advanced Problems in Mechanics» (г. С.
Петербург, Россия, 2004 г.), международные конференции «Деформация и разрушение материалов» (г. Москва, Россия, 2006, 2007 гг.).
На защиту выносятся:
1. Модель, учитывающая вклад в напряжение течения от формирования субструктур и учет влияния энергии дефекта упаковки на пластичность ГЦК твердых растворов как физического параметра, контролирующего эволюцию дислокационного континуума и смену субструктур.
2. Результаты расчетов кривых течения сталей в широком диапазоне скоростей и температур деформирования, в том числе с учетом распространения полос Людерса, и модель для описания эффектов прерывистой текучести алюминиевых и медных сплавов.
3. Выводы по результатам моделирования деформации и разрушения композитных систем: в результате кривизны границ раздела при внешнем сжатии композитов возникают локальные области объемного растяжения. Эти области могут быть сопоставимы по занимаемому объему с областями сжатия, а величины растягивающих нагрузок в этих областях сравнимы с величиной внешне приложенной сжимающего напряжения; модель разрушения на основе модифицированного критерия Губера, учитывающая зарождение трещин в локальных областях объемного растяжения, позволяет правильно описать экспериментально наблюдаемый характер разрушения материалов композиционной структуры; трещины в покрытиях/включениях/угле зарождаются на границах раздела в областях объемного растяжения и распространяются вдоль направления внешнего сжатия и перпендикулярно направлению растяжения под действием растягивающих нагрузок; характер разрушения зависит от размера включений: быстрее разрушаются включения большего размера; возможна смена механизма разрушения природного композита в зависимости от глубины залегания пласта горной породы - на больших глубинах преобладает механизм разрушения вдоль границ раздела, а вблизи поверхности земли доминирует объемное растрескивание;
• неровная игольчатая форма границы раздела «подложка — покрытие» препятствует распространению продольной трещины в покрытии и предотвращает его отслоение при внешнем сжатии композита.
Достоверность полученных в работе результатов моделирования и выводов обеспечена их воспроизводимостью для разных структур композитов, проведением тестовых расчетов, сопоставлением с результатами, полученными другими авторами и с использованием других методов, а также соответствием результатов экспериментальным исследованиям.
Личный вклад автора.
Все изложенные в работе результаты исследований получены при непосредственном участии автора. Им лично разработаны модели, выносимые на защиту, и проведены все представленные расчеты. Автору принадлежит постановка целей и задач работы, выбор и проведение численных исследований, ведущая роль в интерпретации результатов, формулирование основных научных положений и выводов.
Структура работы.
Диссертация состоит из введения, трех разделов и заключения. Она изложена на 306 страницах, включая 122 рисунка и 9 таблиц. Список литературы содержит 333 наименования.
