Структурные модели накопления повреждений

К настоящему времени разработаны различные варианты структурных моделей накопления повреждений в зернистых (типа металлов), волокнистых и слоистых (типа синтетических структур и полимеров) материалов. Кроме моделирования различных типов разрушения - хрупкого, пластичного и т.д. на уровне физических процессов предлагается методика по прогнозированию остаточного ресурса машин и конструкций с учетом их структурной организации [21]. [c.131]

СТРУКТУРНЫЕ МОДЕЛИ НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ [c.119]

СТРУКТУРНЫЕ МОДЕЛИ НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ И РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИТОВ [c.149]

Исследования критериев малоциклового разрушения при повышенных и высоких температурах ведутся в последнее время весьма интенсивно, о чем свидетельствует большое количество различных предложений, посвященных выбору физически обоснованной меры повреждаемости материала в процессе эксплуатации и разработке соответствующих кинетических зависимостей, позволяющих оценивать остаточный ресурс конструкций в связи с параметрами процессов нагружения и нагрева. Существующие опытные данные указывают на значительную сложность физических процессов, приводящих к разрушению материала при высокотемпературном циклическом нагружении. Взаимодействие стадий образования и подрастания микропор и микротрещин в процессе пластического деформирования, слияния микротрещин, образования и распространения макротрещины подчиняется сложным статистическим закономерностям и не получило до настоящего времени исчерпывающего теоретического описания. Поэтому практически все существующие модели накопления повреждений базируются, как правило, на феноменологических представлениях. При этом оценку накопленных в процессе деформирования повреждении осуществляют, используя различные скалярные и тензорные параметры [18—201 (эффект Баушингера, длина траектории пластического деформирования, изменение плотности и т. п.), являющиеся макроскопическими (механическими) характеристиками явлений, определяющих на структурном уровне накопление и перераспределение поврежденности материала. [c.16]

Полуэмпирические модели накопления повреждений не включают явного описания физических явлений, которые происходят в материале в процессе его повреждения. Область применения этих моделей ограничена условиями, которые более или менее близки к условиям базовых ресурсных испытаний. Из-за этого ограничения возникают трудности при прогнозировании ресурса на время, значительно превышающее базу испытаний, при переносе результатов испытаний образцов на крупногабаритные изделия, а также при оценке вероятностей появления редких событий. Перечисленные трудности в определенной степени отпадают, если вместо полуэмпирических моделей использовать модели накопления повреждений и разрушения, основанные на структурных соображениях. [c.119]

При разработке моделей прогнозирования трещиностойкости и развития трещин необходимо было сформулировать условие накопления повреждений в градиентных полях напряжений и деформаций. Было показано, что повреждения накапливаются, если размер необратимой упругопластической зоны (при статическом нагружении) или обратимой упругопластической зоны (при циклическом нагружении) больше структурного элемента, размер которого во многих случаях можно принять равным диаметру зерна. В противном случае, когда размер упругопластической зоны меньше размера структурного элемента, материал практически не повреждается и локальные критерии разрушения, сформулированные в терминах механики сплошной деформируемой среды, не дают адекватных реальным ситуациям прогнозов. [c.264]

Но прежде чем переходить к анализу поведения конструкции, целесообразно подвести некоторые итоги, относящиеся к описанию деформационного поведения материала, обратить внимание на ряд моментов, характеризующих как-общность, так и отличия представленной теории микронеоднородной среды и классических теорий пластичности и ползучести. В данной главе рассматриваются также возможности использования некоторых представлений, получивших развитие в рамках структурной модели деформирования, при анализе процессов накопления малоциклового повреждения. Эта проблема является в настоящее время достаточно важной и актуальной, поскольку закономерности накопления повреждений в циклах, включающих выдержки, изучены пока недостаточно. [c.122]

Если структурные элементы модели наделить свойствами, учитывающими накопление повреждений в материале, то появится возможность описания процесса разрушения при различных режимах нагружения, в том числе при знакопеременном неизотермическом нагружении и на П1 (ускоряющейся) стадии ползучести. Количественно накопление повреждений можно характеризовать изменением значений б -, причем более чувствительными будут более слабые структурные элементы, для которых значения ст/ меньше. Именно эти элементы модели будут раньше выходить из строя, вызывая перераспределение нагрузки между оставшимися элементами, пока все они последовательно не потеряют работоспособность. [c.128]

Оценке долговечности по критерию малоциклового разрушения с учетом формы цикла, определяемой программой нагружения, посвящена глава А6. Рассматриваются модели накопления усталостного и статического повреждения. Предлагаемая кинетическая модель накопления усталостного повреждения органически связана со структурной реологической моделью, рассмотренной в главе А5 в ней используются макроскопические параметры состояния, вытекающие из анализа поведения структурной модели при пропорциональном нагружении. [c.13]

Информация, помещенная в справочнике, предназначена не только для непосредственного использования в инженерных задачах, но и для идентификации математических моделей, позволяющих распространить область их применения на более сложные и разнообразные программы нагружения В качестве базовой реологической модели предлагается структурная модель упруговязкопластической среды (см гл А5) Для оценки накопленного малоциклового повреждения при произвольных программах нагружения используется связанная с ней кинетическая Модель повреждения (см гл А6) [c.257]

В механике разрушения возможны как полуэмпирические, так и структурные подходы к построению моделей. В частности, модель макроскопической трещины — пример подхода, который не учитывает элементы структуры реальных материалов. Другими примерами служат способы описания процессов накопления повреждений при циклических и длительных нагрузках, основанные на введении мер повреждений. Эти меры не допускают прямой интерпретации на уровне структуры материала. Более того, мера повреждений вообще не имеет четкого физического истолкования, кроме, может быть, двух ее предельных значений, отвечающих начальному (неповрежденному) состоянию и состоянию полного исчерпания ресурса. [c.16]

В сущности все элементы структуры участвуют в процессе накопления повреждений и разрушения. Однако было бы нереалистично предлагать модели, включающие все элементы. Поэтому структурные модели строят следующим образом принимая один из уровней структуры за исходный, постулируют свойства материала на этом уровне и способ взаимодействия элементов структуры. С помощью построенной модели предсказывают поведение материала на более высоком уровне. Так переходят с уровня кристаллической решетки на уровень дислокаций, с уровня дислокаций на уровень полос скольжения и т. п. Для прикладных задач расчета машин и конструкций важен выход на уровень изделия в целом. Выбирая начальный уровень структуры, нужно перемещаться от масштабов изделия к меньшим масштабам. Чтобы остаться в рамках применения механики сплошной среды, достаточно принять за исходный уровень элементы структуры размером порядка 10 м. При этом модель включает все элементы, которые рассматривают в прикладном материаловедении. [c.120]

Полученные формулы для Ft (Т) аналогичны формулам (3.42) и (3.108), использованным для описания статистического разброса ресурса в рамках полуэмпирических моделей. Различие состоит, во-первых, в том, что формулы (4.27) и (4,28) явно включают масштабный эффект. Во-вторых, показатели а, р и т, а также параметр Го получают новое толкование они совпадают по величине с аналогичными параметрами, которые входят в уравнение накопления повреждений в структурных элементах, а также в распределения прочности структурных элементов. Характерная прочность образца rs в случае распределения (4.27) связана с характерной прочностью структурных элементов Гд соотношением [c.131]

Для получения уравнений, описывающих рост трещин, необходимо рассмотреть повреждения и разрушения структурных элементов, попадающих на фронт трещины. Поскольку распространение трещины происходит в поврежденном материале, причем накопление повреждений продолжается и на стадии распространения трещины, то эти процессы следует рассматривать совместно. В общем случае задача осложнена необходимостью учитывать зону концентрации напряжений и пластического деформирования, охватывающую большое число структурных элементов, которые расположены вблизи фронта трещины. Здесь не учитываем пластические деформации, полагая, что все элементы остаются упругими до разрушения. Это приближение соответствует подходу, который принят в линейной механике разрушения. Покажем, что структурная модель с таким ограничением приводит к результатам, согласующимся с основными результатами линейной механики разрушения. [c.142]

Рассмотрим применение условий (4.67)—(4.70) к структурной модели с уравнение.м накопления повреждений (4.22), функцией распределения г) в виде (4.18) и оценкой для коэффициента концентрации на фронте трещины (4.58). Из условия (4.67) следует соотношение (гс )л которое соответствует критерию Гриф- [c.147]

Если 7 = 0, то функция (4.89) переходит в соответствующую функцию из (4.22). При y > О эта функция учитывает влияние плотности накопленных повреждений на скорость повреждения оставшихся структурных элементов. В приложении к расчету на надежность сложных систем эта модель рассмотрена в работе [23]. [c.154]

Особенности разрушения композитов, связанные с многообразием ситуаций, возникающих на структурном уровне армирующих элементов (дробление волокон, расслоение по границам компонентов, растрескивание матрицы), требуют создания специализированных структурных моделей материалов. В то же время имеющиеся математические модели микро-неоднородных сред пока не в состоянии достаточно полно учесть многообразие реальных микромеханизмов разрушения. При их применении значительная часть экспериментальной информации об отдельных актах микроразрушения и накоплении повреждений в композитах остается без эффективного использования. [c.7]

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]

Этап равномерного накопления повреждений, как правило, прерывается развитием локальных очагов разрушения, Как уже отмечалось, при попытках совместного описания этих процессов в рамках аналитических вероятностных моделей возникают определенные трудности. Эти трудности в ряде случаев преодолеваются путем применения методов машинного моделирования, в частности путем структурно-имитационного моделирования процессов разрушения на ЭВМ [125,126,133]. [c.36]

Далее рассмотрены основные принципы построения линейных, плоских и объемных структурных моделей композитов, обсуждаются вопросы получения и аппроксимации статистических данных о прочностных свойствах волокон, имитации на ЭВМ случайных значений прочности и оценки несущей способности материала при моделировании накопления повреждений (разд, 2). [c.140]

Но и модели технологических процессов, в свою очередь, могут быть переведены на язык имитационного моделирования. Это откроет принципиально новые возможности для поиска оптимальных решений в сфере технологии и в перспективе позволит создать гибкие технологические процессы и автоматизированные системы управления, в которых оптимальные решения будут формироваться не методом черного ящика , а на-основе структурных моделей, отражающих реальные механизмы взаимодействия компонентов при получении материалов и элементов конструкций. В частности, уже разработаны такие структурные модели и алгоритмы имитации накопления повреждений в очаге деформирования и модели возникновения очагов физико-химического взаимодействия волокон и матрицы при твердофазном получении композиционных материалов. [c.262]

Г2 + (Гз), в котором полная деформация определяется с использованием структурной модели среды, что позволяет, воспользовавшись ее параметрами, лучше описывать процесс накопления повреждений внутри цикла. Такой возмож- [c.208]

Результаты математического моделирования, приведенные в предыдущих главах, демонстрируют возможность и основные закономерности реализации стадии деформационного разупрочнения композиционных материалов в условиях сложного напряженно-деформированного состояния, объясняемой равновесным накоплением структурных повреждений. В рамках многоуровневого подхода элементы структуры композитов, в свою очередь, также являются структурно-неоднородными, и к ним, следовательно, могут быть отнесены все полученные результаты. Кроме того, актуальными являются исследования закритического деформирования материалов в элементах конструкций. Стремление к адекватному описанию механических процессов в неоднородных средах и созданию условий для оптимального проектирования композиционных материалов и конструкций приводит к необходимости некоторого обобщения моделей механики деформируемого твердого тела, связанного с учетом указанной стадии деформирования и определения условий ее реализации. [c.186]

Чтобы довести решение этой задачи до конца, необходимо принять конкретные формы для правой части уравнения (4.19) и плотности вероятности р,. (г). Эти формы должны быть взаимно согласованы в том смысле, чтобы при вычислениях не возникали ненужные дополнительные осложнения, а в выражения для / (ф, s г) и Рг т) входили одни и те же параметры. Желательно, чтобы конечные результаты, получаемые с помощью структурной модели, имели ту же форму, что и употребляемые в инженерных расчетах полуэмнириче-ские соотношения. Это позволит, в частности, оценить численные значения некоторых (если не всех) параметров структурной модели по результатам стандартных испытаний образцов. Все перечисленные соображения применимы не только к обсуждаемой модели, но и, вообш,е, ко всем структурным моделям накопления повреждений и разрушения. [c.130]

В теории надежности отмечается два основных подхода формирования моделей - полуэмпирический (феноменологический) и структурный. Феноменологический подход основан на обобщении результатов наблюдений и экспериментов, выявлении основных статистических закономерностей и прогнозировании функционирования технических систем. Среди этого класса моделей приведены многостадийная модель накопления повреждений, теория замедленного разрушения, статистическая модель разрушения и др. Структурный подход предусматривает прежде всего исследование структурных особенностей рассматриваемого объекта (например, при анализе прочностных свойств металлических деталей необходимо учитывачь структуру металла и связанных с ней дефектов - микро фещин, дислокаций, конфигурации и положения границ зерен и г.д.). Ко второму классу можно отнести моде ш хрупкого разрушения, пластического разрушения, так называемую объединенную структурную модель, причем автором особо подчеркивается перспективность дальнейшего развития структурного моделирования. [c.128]

Детали машин и элементы конструкций — распределенные системы, поля напряжений, деформаций и температур в которых, как правило, неоднородны. Поэтому накопление повреждений протекает в различных точках неодинаково, так что меры повреждений — функции не только времени, но и координат. Это приводит к континуальным моделям повреждения, в которых наряду с полями напряжений и температуры рассматривают поля некоторых скалярных и тензорных характеристик поврежденности материала. По существу модели теории пластичности и теории ползучести представляют собой континуальные модели накопления повреждений, в которых степень повреждения материала определена через поля тензора пластических деформаций или его инвариантов. В более общем случае можно ввести дополнительные поля, которые характеризуют плотность дислокаций, линий скольжения, микротрещин и т. п. Предложен ряд моделей, использующих тензоры второго и более высокого ранга. Однако для использования этих моделей в прикладных расчетах необходимо иметь весьма обширные опытные данные, которые можно получить только из весьма тонких и обстоятельных экспериментов (которые пока никто не проводил). Возможно, что более практичным является другой путь развивать не полуэмпири-ческие, а структурные модели, которые явным образом описывают явления, происходящие в структуре материала при его повреждении. Влияние неоднородности полей напряжений и температур на процессы повреждения целесообразнее учитывать, рассматривая достаточно большое число наиболее напряженных точек и узлов, т. е. увеличивая размерность вектора г 5. [c.93]

Основной недостаток структурных моделей состоит в том, что они требуют значительно большего объема информации, чем полуэмпи-рические модели. Большую часть этой информации очень трудно получить из прямых экспериментов, поскольку она относится к маломасштабным элементам структуры. Например, чтобы получить опытные данные для структурной модели накопления усталостных повреждений, следовало бы провести многочисленные опыты по циклическому деформированию зерен и межзеренных границ с дефектами различной природы, разных размеров и ориентации. Очевидно, гораздо проще провести прямые стандартные испытания на усталость. Некоторое облегчение вносит то обстоятельство, что часть параметров структурных моделей можно оценить косвенным путем, [c.120]

Если структурные элементы модели наделить свойствами, учитывающими накопление повреждений в материале, то появится возможность описания процесса разрушения при различных режимах нагружения, в том числе при знакопеременном неизотермическом нагружении и на III (ускоряющейся) стадии ползучести. Количественно накоггление повреждений можно характеризовать изменением значений 5 , причем более чувствигельными будут более слабые [c.239]

С этой точки зрения для более адекватного описания процессов деформирования, накопления повреждений и разрушения целесообразным является использование граничных условий третьего рода, позво-ЛЯЮ1ЦИХ расширить физическую базу имеющихся моделей механики структурно-неоднородных сред, уточнить прочностные оценки, определить резервы несущей способности и прогнозировать катастрофичность разрушения конструкций. [c.27]

На основе предложенной модели структурно-неоднородной среды исследуем вопросы многостадийности процессов накопления повреждений и влияния свойств нагружакяцей системы на формирование условий, определякнцих переход от микро- к макроразрушению. [c.135]

Таким образом, рассмотренная модель неупругого деформирования и разрушения неоднородной среды в сочетании с корреляционным описанием структурных изменений позволяет исследовать стадии дисперсного и локализованного микроразрушения, смену этапов равновесного и неравновесного накопления повреждений. Показано, что повышение жесткости нагружающей системы способствует стабилизации указанных процессов. Структурное разрушение, сопровождаемое разупрочнением неоднородной среды, является в рамках рассмотренной модели механизмом диссипации упругой энергии, достаточным для аккомодации к заданному процессу макродеформирования при ограничении притока механической энергии со стороны достаточно жесткой нагружающей системы. Элементарные акты частичной или полной потери несущей способности отдельными элементами структуры на начальном этапе деформирования проявляют себя как случайные события, описываемые в рамках статистических предстаг влений, в то время, как этапы локализации и формирования макродефекта определяются преимущественно условиями перераспределения энергии между деформируемым телом и нагружающей системой. [c.143]

История изменения напряжения, температуры, пластической деформации и деформации ползучести в течение цикла может быть весьма разнообразна. Для отражения ее влияния на число циклов до разрушения внешних параметров цикла (например размаха деформации) оказывается в обш ем случае недостаточно. Здесь физически более оправданными представляются феноменологические модели другого типа в них рассматривается эволюция параметра повреждаемости (кинетика накопления повреждений) в течение каждого цикла в зависимости от те-куш их значений параметров состояния. Однако при этом сразу же возникают серьезные трудности обычные параметры состояния (напряжение, параметр Удквиста) не позволяют объяснить даже известную эмпирическую формулу Коффина, относяп] ую-ся к испытаниям простейшего типа. Это препятствие удается преодолеть при использовании структурной модели, выявившей два новых параметра состояния, связанных именно с циклическим деформированием. В принципе подобия (см. разд. А5.3) этими параметрами определяется текуш ая скорость неупругого деформирования в цикле. Их можно интерпретировать как относительное число вошедших в неупругое деформирование состав-ляюш их микрообъемов среды и их относительную нагружен-ность. Эти характеристики достаточно просто отражаются в макроскопических величинах С = /%/е характеризует первый параметр, 0(/-, 8>., 9у) — второй. [c.220]

Структурные модели важны также для обоснованного подхода к объединенному описанию процессов повреждения и разрушения. В суш,ности все эти процессы связаны с явлениями, происходяш,ими в одних и тех же элементах структуры. Например, накопление усталостных повреждений происходит в отдельных зернах и на отдельных участках межзеренных границ. Зарождение макроскопической усталостной треш,ины есть результат слияния повреждений в местах случайного скопления наиболее дефектных или наиболее напряженных элементов структуры. Рост макроскопической усталостной трещины есть процесс продвижения фронта разрушения через совокупность зерен и межзеренных границ, попадаюш,их на фронт треш,ины. Все эти явления можно описать с помош,ью одной структурной модели. Есть еш,е одно преимуш,ество объединенных структурных моделей они указывают способы перенесения опытных данных, полученных для одного из классов нагружения и поведения материала, на другие классы, а также позволяют объединять опытные данные, отно-сяш,иеся к различным классам. В целом разработка структурных моделей повреждения и разрушения — одно из наиболее актуальных направлений механики материалов. Этим моделям, несомненно, принадлежит будущее. [c.121]

Дается постановка и решение оригинальных задач по распределению напряжений в композиционных материалах, по исследованию динамических эффектов, сопутствующих отделы1ым актам накопления повреждений. Приводятся структурно-дискретные модели материалов и алгоритмы имитации на ЭВМ процессов разрушения при кратковременных и при длителыгых постоянных и циклических нагрузках. Систематизированы примеры прогнозирования прочностных свойств бороалюминия, угле-алюминия, направленно кристаллизованных эвтектических и слоистых композиционных материалов. Содержатся алгоритмы дпя ЭВМ, позволяющие проводить многофакторные исследования по влиянию микроструктурных параметров на процессы разрушения и прочностные свойства композиционных материалов. [c.2]

A. . Овчинским был решен целый ряд оригинальных задач по перераспределению напряжений в композиционных материалах на структурном уровне армирующих элементов, исследованы динамические эффекты, сопутствующие отдельным актам накопления повреждений, построены принципиально новые структурно-дискретные модели материалов, разработаны алгоритмы имитации на ЭВМ процессов разрушения как при кратковременных испытаниях, так и при длительных испытаниях при постоянных и циклических нагрузках. [c.4]

В целом численные эксперименты, моделирование на ЭВМ динамических эффектов, сопутствующих разрушению хрупких компонентов, позволяют глубже понять качественное многообразие ситуаций, возникающих при накоплении повреждений в композите на микроструктурном уровне. Но, как отмечается в некоторых работах [178], полученные результаты в основном показьшают возможности той или иной методики численных или аналитических решений. Выявление динамических эффектов и исследование их влияния на развитие разрушения материалов при этом не только не теряет актуальности, а приобретает особое значение при разработке структурных моделей композитов и имитации на ЭВМ взаимодействия отдельных микромеханизмов разрушения. [c.96]

Непосредсхвенная разработка структурных моделей композитов начинается с анализа некоторых подходов, используйщих элементы имитационного моделирования процессов накопления повреждений и механизмов разрушения на микроструктурном уровне материалов (разд. 1). [c.140]

На основе линейной структурной модели исследуется дробление волокон под действием волн напряжений (разд. 3). Путем построения плоской модели, имитирующей отдельные сечения композита, исследуются качественные переходы в развитии процесса разрушения от этапа накопления повреждений к лавинным процессам макроразрушения, проводится дополнительная алгоритмизация процессов перераспределния напряжений (разд. 4) и имитация композитов с дефектами укладки волокон, с неравно мерной их укладкой и различными видами укладки (разд. 5). [c.140]

Имитационное моделирование на ЭВМ применялось в работе [109] при исследовании процессов дробления волокон композиционного материала в области концентрации напряжений, вызванной развитием макротрещины, а также в работах С.Т. Милейко, П.А. Егина и С.Х. Сулейманова при изучении механизмов разрушения и кинетики накопления повреждений при циклическом нагружении слоистых и волокнистых композитов [3, Ш], Подробнее эти подходы рассмотрены ниже (ем, гл. 5) при построении структурных моделей композитов, позво- [c.144]

Путем построения структурной модели композищюнного материала, содержащего квазихрупкие компоненты и пористые границы между ними, и имитации взакмодействия микротрещин с границами раздела (разд. 4) исследуется кинетика накопления усталостных повреждений и прогнозируются кривые усталости слоистых композиционных материалов (разд. 5). [c.208]

Как уже отмечалось, не менее перспективным представляется применение метода СИМ и для оптимизации свойств элементов конструкций, т.е. построение структурных моделей, учитывающих накопление повреждений как на уровне армирующих элементов, так и на структурном уровне отдельных слоев и конструкции в целом. Здесь мы приходим к идее многомасштабного моделирования процессов накопления повреждений в конструкциях из композиционных материалов. [c.262]

Несмотря на некоторую частность рассмотренных задач, их решение в виде полиномной математической модели позволяет выявить области, в которых проявляются упрочнение или разупрочнение материала, характеризующие процесс накопления внутри-структурных повреждений материала. [c.75]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...