Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МІЦНОСТІ

На правах рукопису

УДК 539.374

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

В'ЯЗКОПЛАСТИЧНІ ЕФЕКТИ В ПРОЦЕСАХ ВИСОКОШВИДКІСНОГО ЛОКАЛЬНОГО ДЕФОРМУВАННЯ МАТЕРІАЛІВ ТА ЕЛЕМЕНТІВ КОНСТРУКЦІЙ

Спеціальність 05.02.09 - “Динаміка та міцність машин”

ХАРЧЕНКО ВАЛЕРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

Київ - 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі міцності та руйнування за умов ударного і імпульсного навантаження Інституту проблем міцності НАН України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Степанов Геннадій Володимирович, завідувач відділу Інституту проблем міцності НАНУ

Офіційні опоненти:

член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Матвєєв Валентин Володимирович, завідувач відділу Інституту проблем міцності НАНУ

доктор технічних наук, професор Пєтушков Володимир Георгійович, завідувач відділу Інституту електрозварювання НАНУ

доктор технічних наук, професор Майстренко Анатолій Львович, завідувач відділу Інституту надтвердих матеріалів НАНУ

Провідна установа: Інститут проблем машинобудування НАН України (м.Харків)

Захист відбудеться “ 24 “ грудня 1998 р. о 9 годині 30 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.241.01 при Інституті проблем міцності НАН України в приміщенні конференц-залу Інституту за адресою: 252014, Київ-14, вул.Тимірязєвська, 2.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту проблем міцності НАН України.

Автореферат розісланий “ 24 ” листопада 1998 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук Ф.Ф.Гігіняк

квазістатичний деформування конструктивний різання

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Імпульсні навантаження ударного, вибухового, теплового, електромагнітного характеру набувають все більшого розповсюдження в сучасній техніці. Надійність та ефективність їх використання під час експлуатації та виготовлення матеріалів і конструктивних елементів залежать від повноти уявлень щодо поведінки матеріалу за різних умов імпульсного навантаження, коректності та адекватності моделей високошвидкісного деформування, які застосовуються для розрахунків технологічних процесів, оцінки міцності і ресурсу елементів конструкцій.

Параметри імпульсного навантаження для багатьох сфер застосування нової техніки знаходяться в різних діапазонах характерного для такого типу впливу спектру (швидкість навантаження 1 … 10000 м/с, тривалість - 1 … 10^-9 с, тиск - до 100 ГПа, температура - до Т_пл), але для багатьох розповсюджених на практиці процесів висока швидкість деформації матеріалу (1 … 10⁶ с^-1) є загальним характерним фактором. Причому якщо діапазон 1 … 10³ с^-1 достатньо добре вивчений, то для опису поведінки матеріалу в області 10³ … 10⁶ с^-1 досить мало інформації, яка, до того ж, носить в ряді випадків суперечливий характер. Другою характерною особливістю таких процесів є локальність інтенсивного нестаціонарного пластичного деформування матеріалу, область якого звичайно невпинно переміщується відносно границь тіла. Саме ці два фактори є визначальними для таких задач, як проникання бойка в перешкоду, швидке поширення тріщин; технологічні процеси запресовування, зварювання вибухом, обробки металів різанням та тиском.

Оцінка ролі в'язкопластичних ефектів, зумовлених високою швидкістю деформації, відноситься до найбільш актуальних і складних проблем теорії динамічного деформування і руйнування матеріалів механіки деформівного твердого тіла. Значний науковий інтерес являє собою розробка моделей поведінки матеріалів, які застосовуваються для розрахунків їх високошвидкісного деформування, а вирішення низки задач, зв'язаних з інтенсивним нестаціонарним локальним пластичним теченням в процесах проникання, різання, зварювання вибухом, запресовування, має суттєве практичне значення.

Коректне врахування впливу швидкості вкрай важливе для надійного визначення напружено-деформованого стану і розрахунків на міцність, забезпечуючи підвищення надійності в умовах, підвищення якості та зниження під час виготовлення, що має важливе.

Експериментальні методи досліджень обумовлені великими матеріальними та часовими витратами і не завжди дають можливість одержати необхідну інформацію щодо процесів, які виникають у взаємодіючих тілах. Для їх надійної оцінки необхідний комплексний підхід, який поєднує поряд з експериментальним чисельне та інженерне моделювання. У зв'язку з цим важливе значення мають створення сучасних засобів математичного моделювання з урахуванням специфіки деформування в умовах високих швидкостей деформації та побудова адекватних визначальних співвідношень з використанням нелінійних реологічних (в'язких) властивостей матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалася відповідно до тем “Дослідження впливу швидкості навантаження на деформування та руйнування конструкційних матеріалів різних класів і її врахування при розрахунках елементів конструкцій”, “Урахування нестаціонарного імпульсного термомеханічного навантаження в розрахунках на міцність та довговічність конструкцій”, “Урахування впливу специфічних процесів поведінки матеріалів при динамічному навантаженні в розрахунках деформування та руйнування конструкцій”, що виконувалися в 1991-1998 роках в Інституті проблем міцності НАН України згідно з Постановами відділення механіки НАН України, а також у зв'язку з проведенням держбюджетних і госпдоговірних робіт з провідними організаціями атомної енергетики, аерокосмічної, суднобудівної та машинобудівної галузей.

Метою роботи є оцінка в'язкопластичних ефектів та їх врахування у розрахунках процесів високошвидкісного деформування матеріалів для ряду практичних задач виготовлення та експлуатації конструктивних елементів, у яких невпинно переміщується область інтенсивного локального пластичного течення. Для досягнення вказаної мети були поставлені та вирішені наступні основні задачі:

1. Розробка методик і програмних засобів чисельного моделювання квазістатичних і динамічних багатовимірних нелінійних задач деформування конструктивних елементів з урахуванням специфіки високошвидкісної деформації реальних матеріалів, джерела інтенсивного пластичного течення, що переміщується в часі, множинних контактних взаємодій, появи і руху тріщин, зв'язності деформаційних і теплових процесів.

2. Аналіз різних методик випробувань матеріалів при динамічному навантаженні з метою уточнення меж їх застосування і розробки рекомендацій щодо проведення випробувань, які забезпечать достовірність отриманих за їх допомогою характеристик матеріалів у діапазоні швидкостей деформацій 10³...10⁶ с^-1. Аналіз, інтерпретація та узагальнення експериментальних даних з високошвидкісного деформування матеріалів різних класів для їх використання у розрахунках.

3. Вивчення основних закономірностей і специфіки високошвидкісного деформування матеріалів у процесах проникання, різання, запресовування, зварювання вибухом та інших, в яких невпинно переміщується область інтенсивного локального пластичного течення. Розробка рекомендацій щодо врахування в'язкопластичних ефектів при оцінці нестаціонарного напружено-деформованого стану конструктивних елементів.

Наукова новизна роботи визначається тим, що:

всебічний аналіз найбільш поширених методик динамічних випробувань дозволив уточнити межі їх застосування і з урахуванням цього аналізу виробити рекомендації щодо проведення випробувань для одержання достовірних характеристик швидкостей 10³...10⁶ с^-1;

- розвинуто раніше розроблені уявлення щодо інтенсивного нелінійного характеру поведінки матеріалів у швидкостей 10³...10⁶ с^-1 - суттєвого підвищення рівня опору і нелінійного немонотонного характеру зміни в'язкості підставі, одержаних випробувань, узагальнення і відомих матеріалів різних класів. на підставі комплексного аналізу і узагальнення ролі в'язкопластичних ефектів у процесах високошвидкісного локального деформування матеріалів і елементів конструкцій вивчено широкий клас практично важливих задач сучасної техніки і технології (проникання, обробка металів різанням і тиском, зварювання вибухом, поширення швидких тріщин), для яких суттєве значення має вплив швидкості деформації, особливо в діапазоні її зміни 10³ … 10⁶ с^-1.

Для такого класу задач запропонована узагальнена схема прояву ефектів швидкості деформації за рахунок взаємовпливу зміни міцнісних та деформаційних характеристик матеріалів, виду напруженого стану, виникнення теплового розігрівання і додаткового тиску. На підставі цієї схеми проаналізовано:

зміну руйнування при зростанні швидкості навантаження;

зміну, які визначають якість обробленої поверхні та стійкість, при зростанні швидкості;

значне зниження і подальше лінійне зростання опору прониканню в певному швидкості руху;

В матеріалах, які опубліковано разом з науковим консультантом професором Г.В.Степановим, як постановником проблем дисертації, з аспірантами та співробітниками, які приймали участь у виконанні спільних госпдоговірних та держбюджетних робіт, автором була розроблена теоретична частина робіт, проаналізовано і узагальнено одержані чисельні та експериментальні результати.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі описано стан проблеми, обґрунтовано її актуальність, сформульовано мету і задачі роботи, а також відображено наукову новизну, практичну цінність і достовірність результатів роботи, особистий внесок здобувача. Стисло викладено зміст дисертації за розділами.

У першу частину роботи входять розділи 1 - 3. У першому розділі проаналізовано роль в'язкопластичних ефектів у процесах динамічного деформування матеріалів для ряду практично важливих задач сучасної техніки і технології (проникання, обробка металів різанням і тиском, зварювання вибухом, нестаціонарне навантаження тріщин). Показано, що для цих задач характерними ознаками є швидкість деформації, що змінюється в широкому діапазоні (до 10⁶ с^-1), і невпинне переміщення області інтенсивного локального пластичного течення матеріалу.

Розглянуто стан досліджень впливу в'язкості матеріалу на параметри цих задач і визначено, що результати більшості з них мають суперечливий характер. Зокрема, для процесів проникання А.В.Агафоновим, Р.Батрою, В.С.Козловим показано вплив в'язких ефектів, а в роботах Дж.Дена, Ш.У.Галієва, Ч.Андерсена і Дж.Уолкера відмічено, що такий вплив несуттєвий, хоча подібний висновок останніх авторів зумовлений тим, що в розрахунки було закладено малий вплив швидкості деформації на опір матеріалу.

Для підвищення надійності отриманих даних та висновків треба застосовувати комплексний підхід, який поєднує поряд з експериментальним чисельне та інженерне моделювання. Для останніх важливе значення має застосування сучасних засобів математичного моделювання, які можуть враховувати специфіку деформування в умовах високих швидкостей деформації, та адекватних визначальних співвідношень з використанням нелінійних реологічних (в'язких) властивостей матеріалів.

Відмічено, що ефективні чисельні методи, розроблені в роботах В.Н.Аптукова, Р.Батри, Ш.У.Галієва, С.К.Годунова, В.А.Горєльського, А.І.Гулідова, Дж.Джонсона, А.С.Кравчука, А.І.Корнєєва, В.Н.Кукуджанова, А.І.Садиріна, В.І.Севрюкова, Р.Седжвіка, М.Уїлкінса, В.М.Фоміна, Н.Н.Холіна та інших авторів, дають можливість моделювати широкий спектр динамічних пружнопластичних задач. Разом з тим звернено увагу на те, що використання штучної в'язкості в більшості відомих розрахункових програм для стабілізації рішень утруднює вивчення впливу реальної в'язкості матеріалу на процеси високошвидкісного деформування матеріалів. Коректне урахування складної нелінійної реологічної поведінки матеріалів (в'язких ефектів) при розрахунках їх інтенсивного високошвидкісного деформування також викликає значні труднощі. Наприклад, такі відомі програмні комплекси, як CTH і AUTODYN, до недавнього часу не мали таких можливостей.

Вплив швидкості деформації на процеси деформування матеріалів і елементів конструкцій вивчався в роботах наукових шкіл Р.А.Васіна, Ю.С.Воробйова, Н.В.Зволінського, А.А.Ільюшина, Г.І.Канеля, Дж.Кемпбелла, Р.Кліфтона, А.С.Кравчука, В.Н.Кукуджанова, В.С.Ленського, Ю.Ліндхольма, Л.Малверна, М.Мейєрса, Ю.І.Мещерякова, Т.Ніколаса, П.Пежини, Г.С.Писаренка, Т.М.Платової, Х.А.Рахматуліна, Г.В.Степанова, В.М.Тітова, П.Фоленсбі, Н.Н.Холіна, А.Хольцера та ін. Ці дослідження, як і моделі динамічної поведінки матеріалів, побудовані на їх основі, переважно відносяться до діапазону швидкостей деформації до 10⁴ с^-1. У фундаментальних роботах С.Боднера, М.Бекмена, В.Голдсміта, Дж.Джонаса, Дж.Зукаса підкреслювалася важливість вивчення і урахування в розрахунках поведінки матеріалу при швидкостях вище 10⁴ … 10⁵ с^-1, що бралось до уваги при формулюванні задач даної роботи.

В результаті аналізу процесів нестаціонарного і імпульсного навантаження конструктивних елементів запропоновано узагальнену схему високошвидкісного деформування матеріалів в області інтенсивного локального пластичного течення, що невпинно переміщується. Прояв в'язкопластичних ефектів при зростанні швидкості деформації відбувається за рахунок взаємовпливу зміни міцнісних та деформаційних характеристик матеріалів, виду напруженого стану, виникнення теплового розігрівання і додаткового тиску.

Другий розділ присвячено розробці методів, алгоритмів і програм чисельного моделювання задач високошвидкісного деформування матеріалів в процесі виготовлення і експлуатації елементів конструкцій сучасної техніки.

З урахуванням необхідності вивчення в'язкопластичних ефектів на основі аналізу особливостей вищезгаданих задач і підходів, що застосовуються до їх рішення, запропоновані оригінальні алгоритми. На основі методу скінченних елементів розроблено методику і програмний комплекс для чисельного моделювання квазістатичних і динамічних багатовимірних нелінійних задач деформування конструктивних елементів з урахуванням специфіки високошвидкісної деформації і руйнування реальних матеріалів, переміщення в часі області інтенсивного пластичного течення, множинних контактних взаємодій, зв'язності деформаційних і теплових процесів. Для вивчення особливостей поширення і взаємодії плоских хвиль в матеріалі також використовувалася оригінальна чисельна методика, заснована на методі характеристик.

Розроблено методику розрахунку кінетики напружено-деформованого стану і залишкових полів напружень і деформацій на основі єдиного підходу до рішення квазістатичних і динамічних контактних задач пружнов'язкопластичності.

При проведенні роботи значна увага приділена питанням забезпечення необхідної точності рішень, пов'язаних з коректною схематизацією геометричної форми об'єктів, умов навантаження, поведінки матеріалів, мінімізацією впливу просторово-часової схеми дискретизації континуальної задачі (зокрема впливу апроксимаційної та штучної в'язкості), що найбільш суттєво для динамічних задач.

Для чисельних розрахунків інтенсивного нестаціонарного деформування конструктивних елементів обгрунтовано застосування природної нелінійної в'язкості матеріалу (замість штучної) як регуляризатора рішення в областях сильних градієнтів і оптимальної з точки зору мінімізації апроксимаційної в'язкості просторово-часової дискретизації динамічних задач пружнов'язкопластичності, що значно підвищило ефективність і достовірність вивчення в'язкопластичних ефектів за рахунок підвищення точності рішень.

Ефективність і надійність роботи програмного комплексу підтверджено рішенням значного обсягу модельних і тестових динамічних та квазістатичних задач, зіставленням результатів розрахунків, виконаних різними методами, а також результатів чисельного моделювання з експериментальними і чисельними даними інших дослідників.

У третьому розділі проаналізовано методики динамічних випробувань різних видів та вироблено рекомендації щодо їх проведення для отримання достовірних характеристик матеріалів у діапазоні швидкостей деформації 10³...10⁶ с^-1, узагальнено експериментальні дані про динамічну поведінку матеріалів різних класів у вказаному діапазоні швидкостей деформації.

Розглянуто загальний стан і проблеми вивчення динамічної поведінки матеріалів, проведено зіставлення можливостей методик, які найбільш широко використовуються для високошвидкісних випробувань (рис. 1), показана необхідність уточнення меж їх застосування для одержання механічних характеристик у діапазоні швидкостей деформації 10³...10⁶ с^-1. Деякі з відомих методик (наприклад, метод розрізного стержня Гопкінсона) не дозволяють отримати надійні експериментальні дані з опору деформуванню при швидкостях деформації вище за 10⁴ с^-1 при тих параметрах випробувань, що використовуються, інші (зокрема, метод Тейлора) вимагають ретельного вибору таких параметрів.

Розроблено розрахункові схеми чисельного моделювання динамічних випробувань, визначено їх найбільш значущі параметри для варіацій при моделюванні. Шляхом обчислювальних експериментів з єдиних позицій оцінено точність даних про поведінку матеріалів, що отримані при випробуваннях на розтягання, стискання, стиск зі зсувом, одновісне деформування в плоских хвилях.

Випробування матеріалів на високошвидкісне розтягання досить складні в методичному плані для реалізації і обробки отриманої інформації, особливо при високих швидкостях деформації (вище за 10³ с-¹), але дуже необхідні в зв'язку з обмеженістю експериментальних даних при цьому виді навантаження.

Існуючі граничні співвідношення, запропоновані Г.В.Степановим, визначають допустиму швидкість деформації або накладають досить жорсткі обмеження на розміри зразка і динамометра. Так, при параметрах випробувань, які звичайно застосовуються, швидкість деформації не повинна перевищувати 10³ с^-1. Для більш високих швидкостей достовірність отриманої інформації повинна бути всебічно обґрунтована із застосуванням чисельного моделювання.

Для забезпечення надійності результатів розрахунків шляхом обчислювальних експериментів оцінено вплив схематизації задачі (конструкції), форми представлення навантажуючого імпульсу, виду і густини сітки скінченних елементів. При моделюванні випробувань варіювалися геометричні розміри (діаметр d_p і довжина l_p зразка, діаметр динамометра d_d, кут конусного переходу між зразком і динамометром, товщина ковадла В, умови навантаження (швидкість V₀ і параметр а інтенсивності її наростання на початковій дільниці), фізико-механічні характеристики матеріалу (густина , границя текучості _Т, параметри деформаційного (А, n) і швидкісного (, K) зміцнення). В результаті проведених обчислювальних експериментів:

вивчено вплив неусталених (хвильових) процесів у зразку і динамометрі, що проявляються у вигляді осциляцій напружень, на точність визначення параметрів міцності матеріалів;

визначено особливості обробки інформації, що реєструється при малих, помірних і розвинених пластичних деформаціях;

оцінено похибку отриманих механічних характеристик при високих швидкостях розтягу в залежності від умов випробувань і вироблено рекомендації щодо їх коректного вибору.

Зокрема, найбільші розходження між реальним станом матеріалу зразка і інформацією, що реєструється датчиком на динамометрі, виявляються на початковій дільниці пружнопластичного деформування. Швидкість деформації на границі текучості істотно нижче номінальної і ця відмінність зростає з підвищенням швидкості навантаження для діапазону V₀=40 … 200 м/с (до 5 разів в залежності від методики обробки експериментальних даних).

Найбільш достовірні дані з опору деформуванню згідно з прийнятими методиками випробувань і обробки їх результатів одержуються в діапазоні помірних деформацій (вище за 0.1). Так, достовірні значення границі міцності можна отримувати до швидкостей деформації 510⁴ с^-1.

В роботі показано, що для великих деформацій істотний вплив на форму діаграми деформування чинить адіабатичне розігрівання матеріалу, яке необхідно враховувати при аналізі експериментальних даних. Особливо це стосується показників пластичності при високих швидкостях деформацій.

На основі результатів чисельного моделювання уточнено граничні обмеження на параметри випробувань і співвідношення для визначення швидкості деформації на початковій дільниці деформування.

Спосіб випробувань на ударне стискання матеріалу тонкого диска з прорізами, розроблений в Інституті проблем міцності НАН України, об'єднує переваги стержня Гопкінсона і плоскохвильових схем. Проведене з використанням чисельного моделювання обгрунтування такої методики для отримання даних про опір деформуванню при швидкостях деформації вище за 10⁵ с^-1 показало:

наявність однорідного напружено-деформованого стану в зразку до приходу хвиль розвантаження від бічних і тильних поверхонь;

збурення від смужок диска-зразка, що деформуються, розповсюджуючись в підкладній плиті, стає однорідною плоскою хвилею, придатною для реєстрації, на відстані одного-двох кроків решітки диска, тобто задовго до тильної поверхні плити, де відбувається реєстрація інформації;

розходження між напруженням, отриманим шляхом обробки зареєстрованої інформації на тильній стороні підкладної плити, і осьовим та еквівалентним напруженнями в зразку не перевищує відповідно 10 і 20%;

тертя на контактних поверхнях зразка в діапазоні звичайних його значень (від 0 до 0.3) збільшує сигнал не більше ніж на 10%.

Таким чином, методика дозволяє отримувати достовірні дані про опір матеріалу деформуванню при помірних деформаціях у діапазоні швидкостей деформації 10⁴ … 10⁶ с^-1.

Методика випробувань матеріалів на стискання із зсувом при взаємодії пластин під кутом, запропонована Кліфтоном з співавторами (США), набула поширення для випробувань матеріалів у діапазоні швидкостей деформації 10⁴ … 10⁷ с^-1. Шляхом чисельного моделювання проведена оцінка впливу тертя на контактних поверхнях зразка на залежність опору деформуванню від швидкості деформації, отриманої в результаті таких випробувань.

В роботі показано, що результати, отримані з використанням цієї методики, можуть виявитися некоректними за певних умов. Зокрема, рівень опору зсуву, визначений по зареєстрованому сигналу не змінюється із зростанням швидкості удару при недостатній величині коефіцієнта тертя, незважаючи на закладену в розрахунки модель з сильною чутливістю опору до швидкості деформації. У зв'язку з цим необхідно й далі проводити дослідження для уточнення меж застосовності цієї методики і можливої похибки результатів випробувань матеріалів на стискання із зсувом.

Під час аналізу застосовності методу Тейлора встановлено, що тільки істотне зменшення (відносно загальноприйнятої) довжини стержня-зразка дозволяє чітко виявити підвищення опору, обумовлене впливом швидкості деформації. Інакше деформаційне зміцнення і термічне знеміцнення вуалюють ефект швидкісного зміцнення.

Шляхом чисельного моделювання показано, що при використанні методу Тейлора істотний вплив на точність результатів і характер залежності від швидкості навантаження чинять методики обробки первинної експериментальної інформації. Запропоноване співвідношення для визначення усередненого опору деформуванню за точністю вище більшості відомих співвідношень і подібне до формул Джонса-Джиллиса, але набагато простіше останніх.

У розвиток методу Тейлора запропонована і обґрунтована за допомогою чисельного моделювання експрес-методика випробувань на стискання стержневих і кільцевих зразків. При тій же простоті проведення випробувань і вимірювання їх параметрів методика дозволяє досягти високих швидкостей деформації (вище 10⁴ с^-1 при висоті зразка 1мм) при збереженні однорідності напружено-деформованого стану матеріалу в процесі випробувань. Основним обмеженням методики є визначення усередненого опору деформуванню тільки для помірних деформацій.

Випробування на одновісне деформування матеріалів при плоскохвильовому навантаженні зразка хоча й набули широкого поширення внаслідок простоти проведення, все ж таки характеризуються значною неоднорідністю напружено-деформованого стану по об'єму зразка в результаті розповсюдження і взаємодії пружних і в'язкопластичних хвиль. У зв'язку з цим для правильної інтерпретації отриманих результатів необхідно добре знати і враховувати особливості процесу деформування матеріалу при таких випробуваннях. Наприклад, шляхом обчислювальних експериментів встановлено, що згасання збурення (хвилі) ступінчастої форми при поширенні в матеріалі, що перебуває в пластичному стані, відбувається по-різному внаслідок в'язких ефектів, зумовлених лінійною і логарифмічною залежністю опору від швидкості деформації.

Показано, що розмиття пружного передвісника хвилі розвантаження, чіткість виділення двохвильової структури пружного розвантаження на повному профілі плоскої хвилі (експериментально зафіксованої Розенбергом, Язівом і Партомом) обумовлені проявом ефектів в'язкості матеріалу при взаємодії прямих і відбитих від тильних поверхонь пластин пружнопластичних хвиль. У зв'язку з цим оцінка міцності матеріалу на зсув за амплітудою пружного розвантаження на поверхні зразка без урахування в'язких ефектів може дати величину від 5 до 90 % дійсного значення і привести до помилкових висновків.

Для розрахунків згасання пружного передвісника хвилі навантаження отримано аналітичне співвідношення, що враховує дію двох механізмів деформації термічної активації і в'язкого демпфування руху дислокацій.

Внаслідок проведеного чисельного і інженерного (аналітичного) моделювання плоскохвильових експериментів розроблено рекомендації щодо підвищення точності визначення коефіцієнта в'язкості за згасанням пружного передвісника, границі текучості при розвантаженні, швидкості розповсюдження пластичних хвиль, параметрів відкольного руйнування.

Таким чином, всебічний аналіз найбільш поширених методик високошвидкісних випробувань дозволив уточнити межі їх застосовності для отримання характеристик в діапазоні швидкостей деформації 10⁴ … 10⁶ с^-1 і оцінити надійність таких даних.

З урахуванням цього в роботі проведено аналіз достовірності і узагальнення відомих і нових експериментальних даних про поведінку матеріалів різних класів (металів, твердих сплавів, високопористих ячеїстих матеріалів - ВПЯМ) при високошвидкісному деформуванні в діапазоні швидкостей деформації 10³ …10⁶ с^-1. Підтверджено раніше висловлене автором твердження про значне (до 10 разів) підвищення рівня опору матеріалів деформуванню у вищезгаданому діапазоні швидкостей деформації.

Внаслідок узагальнення експериментальних даних з використанням уявлень про дислокаційні механізми пластичної деформації розроблено модель і визначальні рівняння, що дозволяють описати складний характер впливу на опір деформуванню швидкості деформації в широкому діапазоні її зміни (до 10⁶ с^-1) при меншій кількості параметрів у порівнянні з відомими співвідношеннями Ріда, Кліфтона та ін. Зокрема, при постійному рівні деформації рівняння зв'язку еквівалентних напружень і швидкості пластичної деформації виглядає таким чином:

(A, B, _* H, K - константи матеріалу, (e_p) - величина статичного опору деформуванню при даному рівні пластичної деформації).

На основі встановленої нелінійної немонотонної залежності в'язкості матеріалу від швидкості деформації в діапазоні її зміни 10³ … 10⁶ с^-1 проведено зіставлення даних різних дослідників і пояснено суттєві (до декількох порядків) розходження експериментальних даних за коефіцієнтом в'язкості.

Показано, що при визначенні характеристик пластичності і встановленні їх залежності від швидкості деформації необхідно враховувати перехід із зростанням швидкості від ізотермічних умов випробувань до адіабатичних і виникаюче в зв'язку з цим розігрівання матеріалу зразка. Тому зміна пластичності матеріалу при високих швидкостях деформації зумовлена спільними в'язкими і термічними ефектами.

У роботі розглянуто особливості локалізації деформації, пов'язані з виявом в'язких і термічних ефектів при динамічному навантаженні. На основі спеціально проведених експериментів зроблена оцінка пластичності модельного матеріалу (алюмінієвого сплаву) в умовах локалізації деформації. Проведено обчислювальні експерименти по вивченню впливу в'язкості матеріалу на локалізацію.

Вивчена кінетика локального напружено-деформованого стану матеріалу біля вістря тріщини при динамічному навантаженні. На основі схеми високошвидкісного деформування матеріалу, запропонованій в першому розділі, проаналізована зміна механізмів руйнування (крихкий, в'язкий, знов крихкий) зі зростанням швидкості навантаження або руху тріщини.

У другій частині роботи розглянуто ряд важливих практичних задач динамічного деформування конструктивних елементів аерокосмічної, військової і атомної техніки при їх виготовленні і експлуатації - імпульсне навантаження пластинчатих і оболонкових конструктивних елементів, фрагментація кілець, проникання бойка в пластину, запресовування, обробка металів різанням і тиском, зварювання вибухом.

Їх спільною рисою є інтенсивне високошвидкісне локальне пластичне течення матеріалу, а одним з найбільш значущих параметрів - швидкість деформації, вияв впливу якої у вигляді нелінійних в'язкопластичних ефектів досі вивчений недостатньо.

Аналіз процесів проводився з використанням розроблених у першій частині роботи методик чисельного моделювання і моделей динамічної поведінки матеріалів. Для вказаних задач розроблено ефективні схеми моделювання з метою вивчення в'язкопластичних і пов'язаних з ними температурних ефектів високошвидкісного деформування матеріалів.

У четвертому розділі проведено аналіз інтенсивного високошвидкісного деформування різноманітних оболонкових і пластинчатих конструктивних елементів, що застосовуються в космічній, військовій і атомній техніці. Розглянуто імпульсне торцеве і бокове навантаження циліндричних і конічних оболонок із та без приєднаної маси; імпульсне навантаження тонкої пластинки; фрагментація кілець при ударному навантаженні; запресовування теплообмінних трубок вибуховим і гідравлічним способами.

Зміни умов навантаження - форми, тривалості і місця прикладення імпульсу впливають не тільки кількісно, але й якісно на хвильову картину, можуть приводити до небажаної концентрації напружень і деформацій. Зокрема, зміна конфігурації оболонки (від циліндричної до конічної) і місця прикладення імпульсу тиску (на бічній поверхні замість торця) спричиняють значне підвищення деформацій і напружень біля тильної поверхні оболонки, причому величина такого підвищення немонотонно залежить від тривалості t_* навантажуючого імпульсу - максимум спостерігається при t_* =3…5 мкс для певних розмірів оболонки.

Чисельним моделюванням показано, що при фрагментації (множинному руйнуванні) кілець рівень максимальної деформації фрагментів, а отже, і їх розміри залежать від в'язкості матеріалу. На цій основі запропоновано відповідним чином скорегувати інженерні моделі по дробленню кільцевих елементів при імпульсному навантаженні.

Серед основних причин передчасного виходу з ладу парогенераторів водоохолоджуваних реакторів АЕС відмічено істотний вплив пов'язаної з виготовленням технологічної спадковості на міцність і ресурс вузла з'єднання колектора і теплообмінних трубок парогенератора. Залишкова напруженість вказаних вузлів після виготовлення зумовлена значною кількістю чинників, вплив яких можна оцінити тільки з використанням чисельних розрахунків.

Встановивши шляхом обчислювальних експериментів, що достовірність результатів розрахунків в значній мірі залежить від міри відповідності розрахункових схем, що застосовуються, реальним умовам запресовування, в роботі значна увага була приділена коректній схематизації складного технологічного процесу, що моделюється. Запропонована методика чисельного моделювання забезпечила підвищення надійності оцінки локальних залишкових зазорів, деформацій і напружень у вузлі за рахунок застосування єдиного підходу до розв'язання динамічних і статичних задач, можливості врахувати роздільне деформування трубки і колектора при існуванні зазора і спільне деформування при контактній взаємодії, перерозподіл локальних залишкових напружень в серединній площині стінки колектора при послідовному запресовуванні трубок; вплив їх механічного довальцювання.

На основі результатів чисельного моделювання запресовування теплообмінних трубок вибуховим і гідравлічним способом проведено аналіз кінетики і залишкових полів напружено-деформованого стану вузла колектора в залежності від основних технологічних параметрів запресовування - початкового зазора між трубкою і колектором (₀=0 ... 0,6мм), тиску гідрозапресовування і розташування навантажуючого імпульсу (P=150...350 МПа, s = -4 ... +1мм), міцнісних характеристик матеріалів трубки і колектора (_T=200 ... 400 МПа, _T^кол/_T^тр=0.7 ... 1.2), а також дана оцінка впливу механічного довальцювання трубок і перерозподілу локальних напружень при послідовному гідрозапресовуванні на залишкову напруженість вузла колектора.

Внаслідок аналізу показано, що:

залишковий зазор (розкриття стику) спостерігається за різних поєднань параметрів запресовування, а його величина в найбільшій мірі залежить від початкового зазора;

рівень локальних залишкових деформацій в колекторі не перевищує 0.5%, а в трубці змінюється в широких межах від 0.5 до 7.5%, в основному в залежності від початкового зазора;

максимальні залишкові розтягуючі окружні напруження і інтенсивність напружень _i можуть досягати значних величин (у колекторі - до 100 МПа, у трубці - до 300 МПа при тиску запресовування 350 МПа), причому в трубці їх величина найбільш чутлива до зміни початкового зазору, а в колекторі - до рівня тиску запресовування;

зниження тиску при гідрозапресовуванні (з 350 до 150 МПа) істотно зменшує залишкові напруження в колекторі як розтягуючі окружні біля фаски, так і стискаючі радіальні на контактній поверхні, однак не запобігає розкриттю стику;

у перехідній зоні запресовування в трубці і в районі фаски колектора спостерігаються значні градієнти залишкового напружено-деформованого стану.

Послідовне запресовування трубок у колектор супроводжується помітним (до ~20%) перерозподілом напружень при тиску запресовування P/_T^кол ~1.5, а при зменшенні тиску P/_T^кол 1 - перерозподіл напружень невеликий.

Механічне довальцювання приводить до практично повного зникнення зазору і помітно знижує градієнт напружень у трубці в області фаски колектора; але максимальні розтягуючі напруження мало змінюються, тільки область їх розташування переміщується вгору по трубці. На напруження в колекторі механічне довальцювання впливає неістотно.

У роботі показано, що несприятливий вплив залишкових напружень і деформацій, що виникають при запресовуванні, можна зменшити шляхом оптимізації технологічних параметрів.

У п'ятому розділі представлено результати вивчення особливостей високошвидкісного деформування матеріалів в процесі проникання бойків в пластини.

Процеси проникання і пробивання відрізняються великою різноманітністю і залежать від швидкості і напряму удару, розмірів і форми проникаючого тіла, конструкції і технологій виготовлення взаємодіючих тіл, фізичних і механічних властивостей матеріалів. Проведений в роботі аналіз показав, що одним з найбільш важливих з практичної точки зору, але складним і недостатньо вивченим залишається процес проникання в пластини кінцевої товщини в діапазоні швидкостей взаємодії 500 … 2500 м/с. В цьому діапазоні поряд з гідродинамічними силами необхідно враховувати опір матеріалу деформуванню, який, в свою чергу, при вказаних умовах навантаження обумовлений багатьма нелінійними ефектами, пов'язаними з деформаційним і швидкісним зміцненням, термічним знеміцненням, фазовими перетвореннями, локалізацією деформації, пошкодженням і руйнуванням матеріалу. Одним з найбільш важливих і в той же час недооцінюваних чинників, на нашу думку, є вплив швидкості деформації, що характеризується нелінійною в'язкістю матеріалу. При цьому для вищезгаданих умов проникання найбільш значущим виявляється діапазон зміни швидкостей деформації 10³ … 10⁶ с^-1.

У роботі подано короткий огляд світових тенденцій у вивченні проникання і розробки його моделей, проаналізовано стан проблеми оцінки в'язкопластичних ефектів при прониканні, запропоновано оригінальні підходи до її дослідження. Застосування комплексного підходу, що включав чисельне, експериментальне і інженерне (аналітичне) моделювання, значно розширило можливості аналізу процесу проникання і підвищило надійність отриманих результатів і висновків.

З використанням розроблених розрахункових методик, модифікованого програмного забезпечення для чисельного моделювання і моделей динамічної поведінки матеріалів проведено розрахунки проникання бойків, що деформуються і не деформуються, в кінцеві і напівнескінченні пластини при варіюванні умов навантаження і властивостей матеріалів.

З метою оцінки в'язких ефектів при експериментальному моделюванні процесу взаємодії в умовах зворотного метання запропонована модифікація стержня з спеціальною головною частиною, що дозволила реєструвати зусилля проникання при високій швидкості деформації матеріалу, але малому внеску інерційних сил. Розроблена методика вивчення розподілу деформації при пробиванні пластин на основі використання ліній розкатаних включень як вмороженої реперної сітки.

Отримано експериментальні дані про величину і розподіл складових тензора деформації при пробиванні стальних пластин середньої товщини. На основі результатів чисельного і експериментального моделювання уточнено уявлення про характер руху матеріалу пластини при прониканні бойка. Зокрема, встановлено можливість руху матеріалу назустріч ударнику, а також вихороподібний рух матеріалу внаслідок впливу його в'язкості (рис. 2 і 3). Останній ефект виникає при перевищенні деякого критичного значення коефіцієнта в'язкості матеріалу і аналогічний появі відомої доріжки Кармана в рідинах. Розрахункова поверхня каверни має при цьому хвилеподібний вигляд, що спостерігалося також в експериментах.

Шляхом обчислювальних експериментів підтверджена наявність високих швидкостей деформації (вище за 10⁴. .. 10⁵ с^-1) та інтенсивного зростання еквівалентних напружень біля поверхні контакту бойка і пластини внаслідок впливу нелінійної в'язкості матеріалу.

Форма каверни також залежить від величини в'язкості матеріалу (рис. 5). Термічні ефекти неоднозначно впливають на напруженість біля контактної поверхні взаємодіючих тіл: термічне знеміцнення матеріалу її знижує, а термонапруження підвищують (наприклад, в сталі при розігріванні до 1000С _терм 2 ГПа).

Області всебічного розтягу матеріалу, зафіксовані в пластині біля переходу головної частини у циліндричне тіло бойка, дозволили дати інше (на відміну від існуючих гіпотез) трактування появі в процесі проникання тріщин, які експериментально спостерігаються на поверхні каверни.

Внаслідок розрахунків кінетики напружено-деформованого стану високоміцного бойка при прониканні встановлено, що інтенсивність розтягуючих напружень в бойку, які виникають при його виході з перешкоди і можуть привести до руйнування, істотним чином залежать від тривалості імпульсу тиску на нього з боку перешкоди. Це пов'язано з інтерференцією хвиль розвантаження. У перешкоді при виході бойка також виникають внаслідок розвантаження матеріалу розтягуючі напруження (рис. 6), які при недостатній його пластичності можуть приводити до утворення тріщин, що зафіксовано експериментально. Рівень інтенсивності хвиль розвантаження і, відповідно, розтягуючих напружень пов'язаний з попередньою напруженістю матеріалу, яка залежить від в'язкопластичних ефектів.

На основі аналізу існуючих інженерних моделей проникання розроблена модель, що враховує нелінійний вплив швидкості деформації. Отримано співідношення в'язкої складової опору прониканню для різних форм головної частини бойка (конус, оживало, сфера) при різних законах зміни опору матеріалу деформуванню від швидкості деформації. З їх допомогою оцінено вплив нелінійної в'язкості матеріалу на опір прониканню, зокрема уперше показаний значний внесок в загальний рівень зусилля прониканню логарифмічної в'язкості, яка діє в діапазоні швидкостей деформації 10¹ … 10³ с^-1. Потрібно також відмітити різний характер зміни складових зусилля проникання, зумовлених лінійною і логарифмічною в'язкістю, із зростанням швидкості проникання.

При зіставленні внеску статичної, в'язкої та інерційної складових зусилля проникання встановлено, що при певних умовах (співвідношенні діаметра бойка, швидкості проникання, властивостей матеріалів) вплив в'язкої складової може виявитися вельми значним (до 40% для прикладів, наведених). Тому прогнозування бронестійкості реальної перешкоди на основі модельних випробувань може привести до її завищеної оцінки (до 50%) внаслідок більш сильного вияву ефектів в'язкості матеріалу в цих модельних експериментах.

На основі отриманих аналітичних співвідношень для зусилля проникання встановлено, що у разі переваги в'язких сил при прониканні ефективність бойка залежить від його форми (конус, оживало з різними кутами загострення або сфера). Експериментально зафіксована немонотонна зміна зусилля проникання із зростанням його швидкості пояснюється в рамках запропонованої моделі проникання, що враховує, крім зміцнення матеріалу за рахунок впливу швидкості деформації, ще й ефекти, пов'язані з тепловим розігріванням матеріалу і його полегшеною можливістю «видавлюватися» з-під бойка внаслідок знеміцнення і ослаблення інерційного підпору в локальній приконтактній області.

У шостому розділі розглянуто особливості динамічного деформування матеріалів в технологічних процесах металообробки різанням і тиском. Основний акцент зроблений на дослідженні процесу різання, для якого характерні високі швидкості деформації, особливо біля кромки ріжучого інструмента (РІ). Кінетика напружено-деформованого стану в цій області впливає на стружкоутворення, якість обробленої поверхні заготовки і ресурс РІ.

З урахуванням проведеного аналізу основних експериментальних, чисельних і аналітичних результатів досліджень механіки матеріалів при різанні виділено актуальні проблеми цього процесу, запропоновано оптимальні схеми його чисельного і експериментального моделювання, відповідним чином модернізований програмний комплекс.

З використанням результатів чисельних розрахунків вивчено особливості високошвидкісного деформування матеріалу при різанні, зокрема характер інтенсивної пластичної течії біля кромки різця. Встановлено, що в цій області реалізуються високі швидкості деформації (порядку 10⁵ с^-1), а при виконанні умови адіабатичності процесу відбувається значне деформаційне розігрівання матеріалу, внаслідок якого виникають істотні термічні напруження і додатковий тиск. Спільний вплив швидкості деформації, температури і тиску зумовлюють зміну величин опору деформуванню і граничної пластичності матеріалу, що деформується. Їх зменшення або збільшення залежить від співвідношення внесків перерахованих параметрів. Вказані ефекти призводять до якісної зміни характеру стружкоутворення і немонотонної нелінійної залежності показників якості обробленої поверхні і стійкості ріжучого інструмента від швидкості різання.

Отримані на основі аналізу результатів чисельного моделювання закономірності зміни механізму утворення стружки із зростанням швидкості різання підтверджені експериментально встановленою зміною характеру залежності зусилля різання - час.

Додаткову інформацію про процеси деформування матеріалу при різанні отримано при вивченні процесу виходу різця. Окрім цього, таке дослідження викликає самостійний інтерес у зв'язку з тим, що на практиці часто спостерігається руйнування ріжучого інструмента при виході через перехідні процеси, які виникають внаслідок різкого зняття навантаження на різець. Проаналізовано результати чисельних розрахунків і експериментів з поетапною зупинкою (фіксацією) тріщини, що розвивається попереду різця. Визначено розподіл деформацій і зміна напряму інтенсивного деформування матеріалу у кромки РІ в залежності від відстані до вільної торцевої поверхні заготовки, що обробляється. Зіставлення протяжності зони деформації зсуву на різному видаленні різця від цієї поверхні дозволило показати вагомість внеску енергії стиснення матеріалу в загальний баланс енергії при різанні.

Багато процесів обробки металів тиском (пресування, плющення, волочіння) також відбувається в умовах підвищених швидкостей деформації і адіабатичного розігрівання матеріалу. На основі аналізу результатів чисельного моделювання процесу пресування встановлено, що температурно-швидкісні ефекти приводять не тільки до появи додаткового опору пресуванню через термічні напруження, але й у випадку матеріалів з фазовими перетвореннями - до зміни структури в залежності від неоднорідного по перетину підйому температури внаслідок деформаційного розігрівання, в зв'язку з чим можливе погіршення якості виробів. Зокрема, така ситуація виникає при гарячому пресуванні цирконієвих труб для атомної енергетики.

У сьомому розділі розглянуто особливості високошвидкісного деформування матеріалів у процесі зварювання вибухом.

Оптимальний вибір конструктивно-технологічних параметрів зварювання вибухом (зокрема, швидкості детонації, величини зазора між пластинами) і забезпечення необхідної якості виробів можливі на основі глибокого розуміння процесів інтенсивної пластичної течії, що відбуваються біля контактної межі. Аналіз існуючих моделей хвилеутворення на контактній поверхні, яке визначає міцність зварного з'єднання, показав, що потрібні не стільки нові моделі цього явища, скільки з'ясування його фізичних особливостей навіть в рамках існуючих моделей.

Експериментальне вивчення зварювання вибухом надто трудомістке і дає обмежену інформацію внаслідок швидкоплинності процесу і складностей безпосереднього спостереження утворення зварного з'єднання. Аналітичні методи дозволяють оцінити кінетику напружено-деформованого стану пластин при зварюванні тільки для спрощених уявлень про динамічну поведінку матеріалу. Тому необхідно використання можливостей чисельного моделювання.

Складність чисельного моделювання зварювання вибухом пов'язана з необхідністю враховувати переміщення імпульсу навантаження, значну деформацію матеріалів пластин у контактної поверхні, для аналізу якої слід забезпечити достатню розрізнювальну здатність (приблизно 0.01 товщини основної пластини), а також значну протяжність розрахункової області по одній з координат (відношення довжини до товщини біля 100), що вимагає великої кількості розрахункових елементів і приводить до втрати стійкості і точності рішення по мірі просування навантажуючого імпульсу вздовж пластин. Проаналізовані різні розрахункові схеми чисельного моделювання зварювання вибухом. Відмічені якісні відмінності рішення при моделюванні зварювання вибухом навантаженням основної пластини тільки імпульсом тиску по нормалі. Обґрунтована застосовність запропонованої розрахункової схеми процесу, показана її ефективність, проведене зіставлення результатів чисельних розрахунків з експериментальними даними В.С.Сєдих, О.М.Крівенцова, В.Г.Резінова.

Основною метою багатоваріантних обчислювальних експериментів було вивчення ролі в'язкості матеріалу в процесі інтенсивного деформування при контактній взаємодії. Уперше шляхом чисельного моделювання зафіксоване хвилеутворення на контактній поверхні взаємодіючих під кутом пластин при їх зварюванні вибухом, проаналізований вплив на його параметри конструктивно-технологічних чинників (зокрема, швидкості детонації, зазора між пластинами) (рис. 9) і встановлена залежність його параметрів від в'язкості матеріалу (рис. 10 ).

Вивчені особливості розподілу переміщень, величини і швидкості деформації, напружень, питомої енергії деформування в пластинах (що метається і основній) в залежності від властивостей матеріалів, геометричних параметрів (товщини пластин і зазора між ними), умов навантаження (швидкості переміщення і тиску імпульсу продуктів детонації). Відмічено вихоровий характер швидкості переміщення і високий рівень швидкості деформації (вище за 10⁴ с^-1 ) в області контакту взаємодіючих пластин, значну локалізацію в ній питомої енергії деформування та істотний вплив в'язкості матеріалу на деформування в цій області. На основі результатів обчислювальних експериментів підтверджено існування «бугра» деформації попереду точки контакту пластин при їх зварюванні, що передбачається в ряді теоретичних моделей цього процесу.

Окремо розглянуто особливості деформування в торцевій області пластин, що зварюються. Чисельним моделюванням підтверджена ефективність конструктивних заходів, що використовуються на практиці (в НВО «АНИТИМ»), по зниженню імовірності пошкодження (руйнування відколом) матеріалу у вказаній області.

ВИСНОВКИ

В дисертації отримано наступні основні наукові та практичні результати.

Всебічний аналіз найбільш поширених методик динамічних випробувань (розтягання, стискання, зсув, одновісне деформування в плоских хвилях) дозволив уточнити межі їх застосування і з урахуванням результатів цього аналізу виробити рекомендації щодо проведення випробувань для одержання достовірних характеристик швидкості 10³...10⁶ с^-1.

Розвинуто раніше розроблені уявлення щодо інтенсивного нелінійного характеру поведінки матеріалів у швидкості 10³...10⁶ с^-1 - суттєвого підвищення рівня опору і нелінійного немонотонного характеру зміни в'язкості підставі, одержаних випробувань, узагальнення і відомих матеріалів різних класів. що одержана динамічних випробуваннях немонотонна зміна міцності і пов'язана з взаємовпливом швидкості деформації та адіабатичного розігрівання матеріалу.