ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Методологические аспекты моделирования на ЭВМ процессов разрушения композиционных материалов из "Процессы разрушения композиционных материалов " Концепция предельного состояния и кинетический подход к разрушению материалов. В науке о прочности долгое время господствовала концепция предельного состояния , согласно которой разрушение тела наступает при условии, что в некоторой его точке комбинация компонент тензора напряжений (или деформаций) достигает критического значения. Несмотря на то что несостоятельность этой концепции выявляется при исследовании поведения материалов под действием длительных нагрузок, она остается весьма эффективной и широко применяется в случаях, когда требуется оценить предельно допустимые нагрузки в конструкциях из традиционных, хорошо изученных материалов [1,156]. [c.14] Проблема перехода от локальных актов разрушения в материале к окончательному разрушению детали имеет свою историю, но появление композитов со всей очевидностью показало, что окончательному их разрушению предшествует разрушение отдельных компонентов структуры. [c.14] Альтернативой концепции предельного состояния является кинетический подход, согласно которому разрушение твердого тела представляет собой процесс, развивающийся по мере увеличения нагрузки или с тече-, нием времени. Наиболее последовательно кинетические представления используются в рамках термоактивационной концепции прочности [46-49]. Согласно термоактивационной концепции в нагруженном теле с течением времени происходит накопление повреждений в виде пор или микротрещин. Переход к окончательному разрушению материала связан с их определенной концентрацией [83—85]. Кинетика накопления повреждений учитывается и некоторыми феноменологическими теориями ползучести [114, 155], длительной прочности [64] и усталости материалов [116], а также в статистических моделях разрушения структурно-неоднородных материалов [180-183]. [c.14] Кинетические представления о разрушении материала как о некотором процессе позволяют ставить вопрос об имитационном моделировании его на ЭВМ. [c.14] Структурные уровни в раавт-ии процессов разрушения. Одно из обстоятельств, обусловливающих принципиальные сложности в изучении процессов разрушения, состоит в том, что эти процессы развиваются на различных структурных уровнях. При исследовании разрушения композиционных материалов наблюдается накопление повреждений внутри компонентов [160, 161], разрушение отдельных компонентов, развитие очагов макроразрушений [106]. [c.14] Как правило, проблемы возникают при попытках предсказывать качественные переходы в развитии процесса разрушения, например от накопления субмикроповреждений внутри компонентов и на их границах к разрушению отдельных структурных компонентов [181], или от этапа постепенного накопления микроповреждений, например разрывов отдельных компонентов, к лавинному процессу развития магистральной трещины [75]. [c.14] Микромеханизмами разрушения композищюнных материалов будем называть отдельные акты разрушения, в результате которых образуются дефекты, соизмеримые со структурными элементами материала, например разрушение отдельных волокон, отслоение их от матрицы, разрушение матрицы между волокнами. [c.15] Субмикромеханизмами разрушения будем называть возникновение пор или трещин внутри отдельных компонентов композиционного материала или на их границе. [c.15] Наличие качественных переходов в развитии процессов разрушения на различных структурных уровнях обусловливает ограниченность каких-либо единых физических концепций или математических зависимостей при сквозном описании процесса, например от накохшения субмикроповреждений до макроразрушения образцов [195]. Это же обстоятельство выделяет процессы разрушения в разряд много масштабных процессов, для исследования которых весьма эффективным представляется применение кибернетических методов, основанных на машинном моделировании [10, 205]. [c.15] При образовании зародышевых пор или субмикротрещин могут проявляться и законы квантовой механики. В ряде работ отмечается, что образование зародышевых трещин сопровождается переходом атомов твердого тела из одного коллективного состояния в другое и является следствием ангармонизма в их колебаниях, который в свою очередь вызван локальными тепловыми флуктуациями [101, 102]. Развиваются фононно-дилатонные концепции образования и развития дефектов в твердых телах [5, 87, 88]. Если будут разработаны достаточно общие методы моделирования коллективных квантовых состояний ансамблей частиц, то условие образования зародышевых трещин можно будет искать не в силовых или энергетических соотношениях, а в пространстве квантовых состояний [69]. [c.15] Представляются целесообразными задачи, связанные с микромеханикой взаимодействия компонентов, т.е. анализ перераспределения напряжений в композите, выделить в определенную область в силу их строго детерминистического характера. Другую область задач при этом составят вероятностные подходы к анализу процессов разрушения. [c.16] Перераспределение напряжений в материале, вызванное накоплением повреждений, оказывает существенное влияние на возможность локализации очагов разрушения или инициирования последующих микромеханизмов разрушения. Но окончательное заключение о, возможности развития процесса разрушения на том или ином структурном уровне может быть дано, как правило, лишь в вероятностном аспекте, например, с учетом случайного характера тепловых флуктуаций на субмикроструктурном уровне или с учетом статистического характера прочностных свойств компонентов. Выделение детерминистической и вероятностной частей в исследовании процессов разрушения представляется весьма эффективным при алгоритмизации и имитационном моделировании их на ЭВМ. [c.16] Силовые и энергетические критерии разрушения. Наряду с концепцией предельного состояния в теориях прочности долгое время монопольное положение занимали силовые критерии разрушения. Энергетические концепции механики разрушения существенно изменили представления о причинах, вызывающих катастрофическое разрушение материалов и конструкций. По меткому выражению Дж. Гордона Современную механику разрушения занимает прежде всего не вопрос о нагрузках и напряжениях, а вопрос о том, как, почему, где и когда упругая энергия, запасенная в материале, может перейти в энергию разрушения [35, с. 60]. [c.16] Трудно переоценить значение энергетических концепций для анализа крупногабаритных конструкций, но, несмотря на многочисленные попытки применения их к композиционным материалам и ряд перспективных моделей [109, 120], как правило, возникают существенные трудности при оценке энергетических потоков, сопутствующих накоплению повреждений или распространению трещин в композитах [174]. Попытки применения энергетических концепций на макроуровне, т.е. к композиционному материалу в целом, наталкиваются на разнообразие поверхностей разрушения материала, которые представляют собой, как правило, чрезвычайно сложные объекты и существенно отличаются от их математических аналогов. Приходится сталкиваться с эффектом неограниченного возрастания площади поверхности разрушения по мере ее детализации, что приводит к неопределенности как самого понятия поверхность разрушения, так и связанной с ней поверхностной энергии. [c.16] Принципиальная сложность в анализе энергетических потоков в ряде случаев связана с неадекватностью подводимой к телу энергии, т.е. энергии нагружения и энергии, участвующей в развитии процесса разрушения. По-видимому, имеет место сигнально-информационная ситуация [171], когда подводимая к телу энергия играет роль сигнала для начала развития разрушения, а само развитие разрушения обусловлено вьщелением энергии, запасенной в материале ранее. Силовым эквивалентом запасенной в материале энергии являются остаточные напряжения на различных структурных уровнях. [c.17] Говоря об энергетических критериях срабатывания механизмов разрушения, необходимо отметить, что процессы зарождения субмикротрещин или зародышевых трещин чрезвычайно эффективно описываются в рамках термоактивационной концепции прочности. При этом критерий образования поры или трещины состоит в том, что энергия тепловой флуктуации превышает пороговые значения энергии активации некоторого микрообъема тела [142,143,145,146]. [c.17] В противоположность энергетическим силовые критерии срабатывания микромеханизмов разрушения опираются на информацию о прочностных свойствах отдельных компонентов и их связи, учитывают статистический разброс прочностных свойств и геометрические особенности укладки компонентов [129, 133], предусматривают анализ перераспределения напряжений и в целом могут быть использованы при имитационном моделировании микромеханизмов разрушения на ЭВМ. [c.17] Шогофакторность процессов разрушения. Развитие и внедрение ЭВМ с большими объемами запоминающих устройств позволяет ставить вопрос о возможности экспериментально-информационного подхода к решению проблем прочности. Этот подход предусматривает создание информационно-поисковых систем, в которых накапливались бы данные, например, о механических, физических, прочностных свойствах разнообразных конструкционных материалов при различных условиях их эксплуатации. [c.17] Вернуться к основной статье