КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 22-11-00091
НазваниеНеобратимая деформация и разрушение конструкционных и природных материалов при экстремальных динамических воздействиях
Руководитель Петров Юрий Викторович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург
Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-305 - Разрушение деформируемых тел, кинетика и динамика
Ключевые слова Динамика сплошных сред, гетерогенные материалы, экстремальные воздействия, разрушение, пластичность релаксация, структурно-временные критерии
Код ГРНТИ30.19.00 30.19.29 30.19.57
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В проекте развивается новый структурно-временной подход, позволяющий с единой точки зрения объяснять и предсказывать условия возникновения эффектов аномального и нестабильного поведения деформационных и прочностных характеристик, возникающих в конструкционных и природных материалах при интенсивных динамических импульсных и высокоскоростных воздействиях.
Впервые будет предложена общая концепция, позволяющая с единой точки зрения объяснять и прогнозировать разнородные эффекты, связанные с неустойчивостью временных зависимостей прочности и нестабильностью динамических диаграмм пластического деформирования. Основная идея связана с принципиальной ролью, которую в динамических задачах играют характерные времена релаксационных процессов подготовки разрушения (предразрушения) и необратимой деформации, происходящие на низовых масштабных уровнях. Учет этих инкубационных характеристик в рамках структурно-временной теории позволит прогнозировать наблюдаемые в задачах динамики эффекты, связанные с нестабильностью скоростной зависимости прочности, а также эффекты динамического необратимого деформирования, например, такие, как возможный неустойчивый характер деформационных диаграмм. Будет установлена фундаментальная аналогия между динамическим разрушением образцов с трещиной и разрушением линейных осцилляторов в режиме нагружения короткими импульсами, позволяющая вводить для таких образцов понятия эффективных масс и жесткости. На основе структурно-временного подхода будут развиты новые численные методы расчёта динамического разрушения гетерогенных конструкционных и природных материалов, в частности, задач роста и продвижения динамических трещин. Будет проведено исследование влияния комбинированных вибрационно-импульсных воздействий на прочностные свойства материалов. Развитые методы будут также применены к анализу динамического разрушения, разработке экспериментальных методов и способов прогнозирования несущей способности конкретных индустриальных конструкционных материалов.
Результаты, которые будут получены в рамках предлагаемого проекта, позволят объяснить и разрешить целый ряд принципиальных противоречий между существующими теоретическими представлениями и экспериментальными наблюдениями, а также надежно предсказывать критические состояния, ведущие к разрушению твердых тел в условиях ударно-волновых нагрузок.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Селютина Н.С., Бородин И.Н., Петров Ю.В.
Dynamical Models of Plasticity with Nonmonotonic Deformation Curves for Nanomaterials
Metals, 12, 1835 (год публикации - 2022)
10.3390/met12111835
2.
Атрошенко С.А., Смаковский М.С., Савенков Г.Г.
Kinetics of the microstructure of targets from FCC alloys under high-strain-rate deformation
Materials Physics and Mechanics, 50 (2): 331-341 (год публикации - 2022)
10.18149/MPM.5022022_12
3. Селютина Н.С. Structural-temporal peculiarities of dynamic deformation of rock Procedia Structural Integrity (год публикации - 2022)
4.
Чжао Шисян, Петров Ю.В., Волков Г.А.
The modified relaxation plasticity model and the non-monotonic stress–strain diagram
International Journal of Mechanical Sciences, том 240, 107919 (год публикации - 2022)
10.1016/j.ijmecsci.2022.107919
Публикации
1.
Казаринов Н.А., Петров Ю.В., Уткин А.А.
Fracture delay effect: Analogy between crack initiation due to short pulse loads and mass - spring system failure
International Journal of Impact Engineering, Volume 175, 104513 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijimpeng.2023.104513
2.
Чжао Шисян, Петров Ю.В., Жанг Юи, Волков Г.А., Щю Зейцьян, Хуан Фэнлей
Modeling of the thermal softening of metals under impact loads and their temperature – time correspondence
International Journal of Engineering Science, Volume 194, 103969 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijengsci.2023.103969
3.
Селютина Н.С., Смирнов И.В.
Dynamic fractures of concrete made of recycled aggregate or reinforced with fibres
Mechanics of Materials, Volume 179, 104613 (год публикации - 2023)
10.1016/j.mechmat.2023.104613
4.
Атрошенко С.А., Савенков Г.Г.
Evolution of the Microstructure of Obstacles from FCC Alloys Under High - Velocity Impact Conditions
Advanced Structured Materials, 186, страницы 19–27 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-22093-7_2
5.
Игнатьев М.О., Петров Ю.В., Казаринов Н.А., Отеркас Эркан
Peridynamic formulation of the mean stress and incubation time fracture criteria and its correspondence to the classical Griffith’s approach
Continuum Mechanics and Thermodynamics, Volume 35, 1523–1534 (год публикации - 2023)
10.1007/s00161-022-01159-8
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Продолжено развитие идей и методов структурно-временно подхода для непосредственного решения различным задач механики разрушения, а также для совместного использования с существующими альтернативными аналитическими моделями и численными схемами. В частности, для решения задачи о распространении трещины была разработана модель, использующая методы перидинамики и структурно-временного подхода. С целью расширения области применения перидинамики на класс задач, связанных с разрушением при высокоскоростных воздействиях, её методы анализа были дополнены идеями структурно-временного подхода, основанными на понятии инкубационного времени разрушения. Была разработана схема внедрения критерия инкубационного времени в алгоритм расчёта методами перидинамики задачи о динамически распространяющейся трещины с относительно низкой скоростью под действием квазистатической нагрузки. Удалось показать, что для проверочной задачи об относительно медленном распространении трещины под действием квазистатической нагрузки разработанный метод хорошо согласуется с классической теорией Гриффита. Результаты моделирования оказались в хорошем соответствии с классическим подходом, основанным на скорости высвобождения энергии. Основным преимуществом разработанной схемы является то, что при решении задач о зарождении трещины при высокоскоростном нагружении не требуется никакой корректировки для каждой конкретной скорости нагружения. Таким образом, предлагаемая реализация вышеупомянутых критериев может расширить возможности применения перидинамической теории.
В рамках структурно-временного подхода, основанного на понятии инкубационного времени, было исследовано явление термического размягчения, а также разупрочнения материалов в процессе высокоскоростного неупругого деформирования при ударно волновом нагружении. Для определения температурно-временного соответствия, или, другими словами, температурной зависимости инкубационного времени, для широкого диапазона деформаций, скоростей деформации и температур было предложено введение коэффициента относительного напряжения (RS). Также был проведен всесторонний анализ модифицированной модели релаксационной пластичности (RP), для которой был исследован вид уравнения поверхности текучести в зависимости от времени, получающийся при использовании расчётной схемы с инкубационным временем. Для проверки эффективности и работоспособности разработанной RP-модели, для полученных результатов расчёта было проведено сравнение с другими феноменологическими моделями, моделями на основе различных, например, дислокационных микромеханизмах пластического деформирования, а также моделью, построенной на основе искусственной нейронной сети (ИНС). Также, был проведён сравнительный анализ методов, использующих аналитические управляющие соотношения, и ИНС -моделью для выявления в целом плюсов и минусов методов обучения на основе данных и аналитических подходов, основанных на некоторых правилах.
Одним из основных достоинств разработанной модифицированной модели релаксационной пластичности является то, что временная зависимость уравнения поверхности текучести может быть напрямую вычислена с помощью критерия инкубационного времени, в то время как другие феноменологические модели в основном имеют эмпирический характер. Также сравнение с экспериментами показало, что величина RS-коэффициент находится в непосредственной зависимости от скорости и температуры, которая находится в полном согласии с принципом температурно-временного соответствия. В то время как, основным недостатком мультипликативных моделей является то, что вычисленное согласно этим моделям значение RS-коэффициента является величиной независящей от температуры, что противоречит экспериментальным наблюдениям. В качестве общего вывода можно отметить, что разработанная модель релаксационной пластичности обладает хорошей описательной способностью и, в частности, демонстрирует тенденцию к немонотонному/мягкому поведению кривых напряжения-деформации при высоких скоростях нагружения. Она также демонстрирует зависящее от температуры поведение коэффициента относительного напряжения.
Для отладки методов обработки данных динамических испытаний были исследованы результаты экспериментов для различных видов горных пород и цементного камня. Из общедоступной литературы были выбраны результаты высокоскоростных испытаний этих материалов при различных способах подготовки образцов и внешних условиях, проведения эксперимента. Таким образом, помимо проверки развиваемых методов описания динамической прочности материалов, а также демонстрации способа оценки прочностных параметров, предлагаемых в рамках этих методов, дополнительно была установлена степень влияния на величину этих параметров различных факторов, таких предварительная термообработка материалов или их всестороннее сжатие. По результатам обработки данных для цементного камня, гранита было показано, что при предварительном нагреве образцов величина инкубационного времени разрушения при сжатии увеличивается с ростом температуры, при этом для образцов с разной температурой предобработки может наблюдаться явление так называемой инверсии прочности, когда один образец может быть прочнее при медленных равновесных нагрузках и в то же время менее прочным при ударных высокоскоростных воздействиях. Однако, по результатам обработки данных для песчаника было выявлено, что его динамическая прочность песчаника на сжатие снижается с предварительной обработкой при высоких температурах, при этом температурная обработка слабо влияет на значение инкубационного времени. Также был обнаружен эффект инверсии прочности при сжатии образцов песчаника, обработанных при различных температурах, при переходе от медленного к высокоскоростному нагружению. Помимо этого обнаружено, что с увеличением гидростатического давления эффект упрочнения песчаника проявляется при всех значениях скорости нагружения. Величина инкубационного времени линейно увеличивается с ростом гидростатического давления.
Таким образом, было показано, что для описания процессов разрушения с учетом влияния дополнительных внешних факторов достаточно двух материальных констант, предложенных в структурно-временном подходе, а именно инкубационного времени инкубации и критического напряжения при статическом сжатие. Полученные результаты, подтвержденные экспериментальными данными, показывают эффективность данного подхода для прогнозирования динамического разрушения горных пород.
По результатам работы было подготовлено и опубликовано 6 статей из журналов, цитируемых в Scopus и Web of Science. Также были подготовлены и сделаны доклады на международных и всероссийских конференциях, в том числе на «International Conference “Advanced Problems in Mechanics».
Заявленные в проекте показатели этапа выполнены полностью.
Публикации
1.
Л.А. Игушева, Ю.В. Петров
Effect of Hydrostatic Pressure and Heat Treatment on The Sandstone Dynamic Compressive Strength
Mechanics of Solids, Vol. 59, No. 2, pp. 998–1006 (год публикации - 2024)
10.1134/S0025654424602714
2.
Л.А. Игушева, Ю.В. Петров
The influence of heat treatment on the dynamic strength characteristics of cement mortars
Physics of the Solid State, V.66, No.3 pp.467-474 (год публикации - 2024)
10.61011/PSS.2024.03.57951.21
3.
Л.А. Игушева, Ю.В. Петров
Effect of Thermal Treatment on the Granite Dynamic Fracture Toughness and Its Structural-Temporal Characteristics
Mechanics of Solids, Vol. 59, No. 1, pp. 379–386 (год публикации - 2024)
10.1134/S0025654423602781
4.
М.Н. Антонова, Шиян Чжао, Ю.В. Петров, Миньюи Чжен, Баоцян Ли
Incubation-time-based modeling of the grain-size-influenced yield point phenomenon
Acta Mechanica, 235, 7141–7158 (год публикации - 2024)
10.1007/s00707-024-04075-x
5.
С.А. Атрошенко, Р.З. Валиев, Н.Ф. Морозов, Р.Р. Валиев, Ю.Н. Савина, М.Н. Антонова, А.Д. Евстифеев
Wear and Failure Analysis of VT6 Titanium Alloy with a Protective Coating during High-Speed Erosion
Physical Mesomechanics, Vol. 27, No. 2, pp. 69–80 (год публикации - 2024)
10.1134/S1029959924040039
6.
Н.С. Селютина, Л.А. Игушева, Ю.В. Петров
The role of the hydrostatic pressure under dynamic fracture of rocks
Materials Physics and Mechanics, 52(3): 108–120 (год публикации - 2024)
10.18149/MPM.5232024_11
Возможность практического использования результатов
Проведенные в рамках проекта исследования были реализованы в совместных разработках с предприятиями "Автодора" (АБЗ 1, г. Санкт-Петербург) по созданию новых асфальтобетонных смесей для дорожных покрытий.