Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / 639

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
07.06.2023
Размер:
7.28 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

ВЕСТНИК ПГТУ

МЕХАНИКА

PERM STATE TECHNICAL UNIVERSITY

M E C H A N I C S B U L L E T I N

№ 4

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2011

УДК 539.37:669.1 В38

Представлены статьи, посвященные актуальным проблемам экспериментального исследования и математического моделирования процессов изменения внутренней структуры, неупругого деформирования и разрушения неоднородных материалов при различных условиях термосилового нагружения. Рассматриваются модели, построенные на основе гипотез классической континуальноймеханики имеханики обобщенныхконтинуумов.

Предназначено для научных сотрудников, специализирующихся в области механики сплошных сред, математического моделирования физико-механических процессов, микро- и мезомеханики структурно-неоднородных материалов, композитов и биокомпозитов, а также студентов старших курсов естественно-научных направлений.

Редакционная коллегия:

А.А. Ташкинов– профессор, д-рфиз.-мат. наук(Пермь, Россия)

Главный редактор

Заместители

В.Э. Вильдеман– профессор, д-рфиз.-мат. наук(Пермь, Россия)

главногоредактора

Ю.В. Соколкин– профессор, д-р физ.-мат. наук(Пермь, Россия)

 

П.В. Трусов – профессор, д-р физ.-мат. наук (Пермь, Россия)

 

Н.А. Труфанов – профессор, д-р техн. наук (Пермь, Россия)

Членыредколлегии

Х. Альтенбах – профессор, д-р наук (Галле, Германия)

 

Б.Д. Аннин– чл.-корр. РАН, д-р физ.-мат. наук(Новосибирск,

 

Россия)

 

А.К. Беляев– профессор, д-р физ.-мат. наук(Санкт-Петербург,

 

Россия)

 

Р.А. Васин – профессор, д-р физ.-мат. наук (Москва, Россия)

 

А.Г. Князева – профессор, д-р физ.-мат. наук (Томск, Россия)

 

М. Курода – профессор, д-р наук (Ямагата, Япония)

 

Я. Краточвил – профессор, д-р наук (Прага, Чешская

 

республика)

 

Р.Е. Лаповок – профессор, д-р наук (Клайтон, Австралия)

 

А.М. Липанов– академик РАН, д-ртехн. наук(Ижевск, Россия)

 

Е.В. Ломакин – чл.-корр. РАН, д-р физ.-мат. наук (Москва,

 

Россия)

 

С.А. Лурье – профессор, д-р техн. наук (Москва, Россия)

 

В.П. Матвеенко – академик РАН, д-р техн. наук (Пермь,

 

Россия)

 

Е.А. Митюшов– профессор, д-рфиз.-мат. наук(Екатеринбург,

 

Россия)

 

Б.Е. Победря– профессор, д-рфиз.-мат. наук(Москва, Россия)

 

В.П. Радченко– профессор, д-р физ.-мат. наук(Самара, Россия)

 

С.Б. Сапожников – профессор, д-р техн. наук (Челябинск,

 

Россия)

 

Н.Г. Чаусов – профессор, д-р техн. наук (Киев, Украина)

 

С. Форест – профессор, д-р наук (Эври, Франция)

Редакция:

Ответственный секретарь – П.С. Волегов (канд. физ.-мат. наук) Ответственный за выпуск – А.В. Зайцев (канд. физ.-мат. наук, доцент)

© ПНИПУ, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Белов П.А.

 

Теория сред с сохраняющимися дислокациями: общая

 

и прикладная теория межфазного слоя.......................................................

5

Вильдеман В.Э., Третьякова Т.В., Лобанов Д.С.

 

Методика экспериментального исследования закритического

 

деформирования на образцах специальной усложненной

 

конфигурации с применением метода корреляции

 

цифровых изображений..............................................................................

15

Дедков Д.В., Зайцев А.В., Ташкинов А.А.

 

Концентрация напряжений в слое тканого композита

 

с закрытыми внутренними технологическими порами.............................

29

Зайцев А.В., Соколкин Ю.В., Фукалов А.А.

 

Эффективные модули объемного сжатия при плоской деформации

 

двухфазных однонаправленно армированных композитов

 

с анизотропными полыми и сплошными волокнами.................................

37

Ильиных А.В., Вильдеман В.Э.

 

Закономерности механического поведения зернистых композитов,

 

связанные с формой и размерами элементов структуры .......................

49

Исупова И.Л., Трусов П.В.

 

Математическое моделирование фазовых превращений

 

в сталях при термомеханической нагрузке...............................................

62

Карпова Т.В.

 

Экспериментальное определение деформационных характеристик

 

негорючего композиционного материала на основе минеральных

 

вяжущих.........................................................................................................

79

Князева А.Г.

 

Термомеханическая устойчивость фронта твердофазного

 

превращения к двумерным возмущениям.................................................

88

Кондратьев Н.С., Трусов П.В.

 

Модель неупругого деформирования ОЦК-поликристаллов

 

с учетом двойниковой моды деформирования. Численное

 

моделирование некоторых процессов деформирования......................

125

Лурье C.А., Касимовский А.А., Соляев Ю.О., Иванова Д.Д.

 

Моделирование высокотемпературного конструкционного материала

 

на основе керамики SiC, армированной

 

углеродными нанотрубками ......................................................................

142

 

3

CONTENTS

Belov P.A.

 

The theory of media with conserved dislocations: general

 

and applied theories of interface layer .............................................................

5

Vildeman V.E., Tretyakova T.V., Lobanov D.S.

 

Technique of experimental investigation of postcritical deformation

 

on test samples with special complicated configuration by using

 

digital image correlation .................................................................................

15

Dedkov D.V., Zaitsev A.V., Tashkinov A.A.

 

Stress concentration at a hooked-fiber textile composite layer

 

with closed internal pores...............................................................................

29

Zaitsev A.V., Sokolkin Yu.V., Fukalov A.A.

 

Effective bulk moduli under plain strain to two-phase unidirectional

 

composites reinforced by anisotropic hollow and solid fibers ........................

37

Ilinykh A.V., Vildeman V.E.

 

Principles of mechanical behavior of granular composites, connected

 

with form and sizes of elements of structure.................................................

49

Isupova I.L., Trusov P.V.

 

Mathematical modeling of phase transformations in steels during

 

thermomechanical loading .............................................................................

62

Karpova T.V.

 

Experimental determination of deformation characteristics

 

for materials based on mineral matrixes ........................................................

79

Knyazeva A.G.

 

Thermomechanicalstability of solid phase conversion front to two

 

dimensoinal perturbations ..............................................................................

88

Kondratev N.S., Trusov P.V.

 

Model of inelastic deformation of BCC polycrystalline materials by slip

 

and twinning. Numerical modeling of some processes of deformation........

125

Lurie S.A., Kasimovskiy А.А., Soliaev J.O., Ivanova D.D.

 

Modeling of high structural material based on ceramic SiC, reinforced

 

with carbon nanotubes .................................................................................

142

4

УДК 539.3

П.А. Белов

ОАО «Московский машиностроительный экспериментальный завод – композиционные технологии», Москва, Россия

ТЕОРИЯ СРЕД С СОХРАНЯЮЩИМИСЯ ДИСЛОКАЦИЯМИ: ОБЩАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ТЕОРИЯ МЕЖФАЗНОГО СЛОЯ

Для моделей сред с полями сохраняющихся дислокаций дается формулировка и доказательство теорем, устанавливающих эквивалентность градиентных моделей и модели классической неоднородной среды. Вводится тензор модулей эквивалентной классической неоднородной среды в виде функции компонентов тензора дислокационной поврежденности и компонентов тензоров модулей, отражающих дислокационные свойства среды. Устанавливается, что области, в которых этот тензор существенно зависит от координат, локализуются вокруг поверхностей, линий и точек возмущения. Такие области трактуются как межфазный слой.

Ключевые слова: механика дефектных сред, поля сохраняющихся дислокаций, межфазный слой, эффективные свойства композитов, неклассические упругие характеристики.

P.A. Belov

JSC «Moscow Experimental Machine building Plant – Composite Technologies», Moscow, Russia

THE THEORY OF MEDIA WITH CONSERVED DISLOCATIONS: GENERAL AND APPLIED THEORIES OF INTERFACE LAYER

This work presents the formulation and the proof of the theorems, establishing equivalence of gradient models and classical model of the non-uniform media, for models of media with fields of conserved dislocations. Tensor of moduli of the equivalent classical non-uniform media is presented in the form of obvious function of components of tensor of dislocation damaging and components of tensors of moduli, reflecting dislocation properties of media. It is shown, that the area, where the this tensor essentially depends on coordinates, is localized around of surfaces, lines and points of indignation. Such area is treatment as the interphase layer.

Key words: damaged media mechanics, fields of conserved dislocations, interface layer, effective properties of composites, nonclassical moduli.

1. Определение тензора поврежденности

Рассмотрим лагранжиан L «простейшей» модели сред с сохраняющимися дислокациями [1–5]:

5

 

 

1

 

 

 

R R

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

L = A2 ∫∫∫

Cijnm11

x i

x n +2Cijnm12

x i dnmΞ

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

m

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

+Cijnm22 dijΞdnmΞ

+Cijnm33

ΞnmΞij}dV ,

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

 

 

C pq pqδ

ij

δ

nm

+(µpq

pq )δ

in

δ

jm

+(µpq −χpq )δ

im

δ

jn

.

 

 

ijnm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь

R

– вектор перемещений, d 0

=

Ri

 

– тензор стесненной дистор-

x j

 

 

i

 

 

 

 

 

 

ij

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сии,

dijΞ

– тензор

свободной

дисторсии,

Ξij

тензор

дислокаций

Де Вита, Cijnmpq – тензоры модулей дефектной среды. Введем тензор дислокационной поврежденности tij , такой, что

dijΞ =tiadaj0 ,

 

 

 

d

Ξ

 

 

 

t

 

 

d 0

 

Ξ

ij

=

 

in

Э

nmj

=

ia

Э

nmj

+t

x

x

 

 

 

 

 

 

an

ia

 

 

 

m

 

 

 

m

 

 

 

 

dan0

Э

nmj

=

tip

Э

qbj

d0

=T

d 0 .

(2)

 

 

x

 

 

x

pq

ijpq

pq

 

m

 

 

 

b

 

 

 

 

 

Подставляя (2) в лагранжиан (1), получим

L = A

1

∫∫∫

R R

 

2

Cijnm x i

x n dV ,

(3)

 

 

 

j

m

Cijnm =Cijnm11 +2Cijqm12 tqn +C22pjqmtpitqn +Cabcd33 TabijTcdnm.

В результате модель сред с сохраняющимися дислокациями (1) приведена к виду модели классической неоднородной среды (3). В ней тензор модулей Cijnm становится тензорным полем, отличным от по-

стоянного поля там, где существенным является вклад составляющих, содержащих tij . Такими областями являются окрестности поверхно-

стей, линий и точек возмущения. Эти области можно трактовать как некоторые межфазные слои с переменными по координатам упругими свойствами, что и отражено в структуре тензорного поля Cijnm . Пере-

менные по координатам упругие свойства, определяемые концентрацией сохраняющихся дислокаций, в областях таких межфазных слоев можно описать с помощью двух алгоритмов. Первый: решение связанной задачи механики сред с сохраняющимися дислокациями (1) с ис-

6

комыми полями Ri и dijΞ . Второй: пошаговый пересчет компонентов тензорного поля Cijnm в рамках итерационной процедуры последова-

тельного интегрирования подсистем уравнений относительно Ri и dijΞ .

2. Определение модели поврежденного межфазного слоя

Представим лагранжиан (3) модели эквивалентной неоднородной классической среды в следующем виде:

 

 

L = A1

∫∫∫

Cijnm

1

 

∫∫∫

CijnmdV

Ri

Rn

 

 

V

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x j

xm

(4)

1

 

R

R

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

R

∫∫∫

 

 

 

 

 

∫∫∫

CijnmdV ∫∫∫

R

 

x i

x n

dV

dV

 

 

x i

x n dV.

V

2V

 

 

 

 

j

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

m

Введем обозначения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eijnm =

1

∫∫∫

CijnmdV ,

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

(5)

 

 

 

 

 

 

1

 

 

∫∫∫

R R

 

 

 

 

 

 

 

εijnm =

 

 

 

x i

x n dV.

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

m

 

 

 

Обратим внимание на то, что компоненты тензора эффективных модулей Eijnm , с одной стороны, не зависят от координат, а с другой

стороны, являются функционалами тензорного поля tij в соответствии

с (3) и (5). Пренебрегая в лагранжиане (4) первым слагаемым потенциальной энергии, получим лагранжиан теории межфазного слоя

L = A

1

∫∫∫

R R

(6)

2

Eijnm x i

x n dV.

 

 

 

j

m

 

Соответствующее уравнение Эйлера выглядит следующим образом:

δL =

∫∫∫

 

 

 

2Rn

V

 

 

 

 

∫ ∫

×

 

ijnm

 

 

 

i

 

 

 

i

 

 

E

 

 

x jxm

+P

 

δR dV +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

PF E n

j

Rn

δR dF 1

ε

V δE

 

=0.

 

i

 

ijnm

x

 

i

2

 

ijnm

ijnm

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

Полученное вариационное уравнение распадается на последовательность двух краевых задач.

Первая краевая задача

 

 

2Rn

V

 

 

 

F

 

 

 

Rn

 

 

∫∫∫

ijnm

 

i

 

i

∫ ∫

i

 

ijnm

n

j

 

i

(7)

E

x jxm

+P

 

δR dV +

 

P

 

E

 

xm

δR dF =0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сводится к краевой задаче для однородной эффективной среды, если заданы или вычислены эффективные модули Eijnm . Как уже отмеча-

лось выше, эффективные модули являются функционалами независимого тензорного поля tij и определяются из второй краевой задачи.

1

2 εijnmδ∫∫∫CijnmdV =

 

 

 

2

tai

=∫∫∫ Cijqm12

εijnm +C22pjqmεijnmtpi Cabqd33 εijnmЭbjgЭdmf

 

x f xg

 

 

 

 

+ ∫ ∫Cabqd33 εijnmЭbjg Эdmf

tai nf δtqndF =0.

 

 

 

 

xg

 

 

 

δtqndV +

Введем обозначения:

 

C12

ε

ijnm

=U12 ,

C22

ε

ijnm

=U 22

 

,

C33 ε

Э

 

Э

 

=U 33

 

. (8)

 

 

ijqm

 

 

 

qn

pjqm

 

 

 

 

qnpi

 

 

abqd

ijnm bjg dmf

 

qnfaig

 

 

Тогда вторая краевая задача принимает следующий окончатель-

ный вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

22

 

 

33

 

 

2tnm

 

 

 

 

 

33

tnm

 

 

 

 

 

∫∫∫

Uij

 

+Uijnmtnm Uijknml

 

 

δtijdV + ∫ ∫Uijknml

 

 

nk δtijdF =0. (9)

 

 

xk xl

 

xl

 

Эта краевая задача дает возможность определить поврежденность

tij

и механические и геометрические свойства межфазных слоев по-

вреждений,

 

если

заданы

 

 

или

 

вычислены

тензоры

энергий

Uij12 ,Uijnm22 ,Uijknml33 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для изолированного тела, без адгезионных свойств поверхности,

краевая задача (9) сводится к алгебраической:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U12 +U 22

t

nm

=0 U

22U 22

pn

δ

qm

t

pq

=−U 22U12.

 

 

ij

 

 

 

ijnm

 

 

 

 

 

pqij

 

ijnm

 

 

 

 

 

 

 

pqij

ij

 

8

Это решение определяет единственный макроэффект в дефектных средах – переход от тензора супермодулей Cijnm11 к тензору «поврежденных» модулей Eijnm =Cijnm :

Cijnm =Cijnm11 2Cijqm12 Uqnab22 Uab12 +C22pjqmU picd22 Ucd12Uqnab22 Uab12.

Межфазные слои повреждений, как области специфических краевых эффектов, могут появиться только при формулировке контактных задач.

В соответствии с (9) контактная задача для межфазного слоя принимает вид

 

 

 

 

 

 

 

 

2

tnm

 

 

 

∫∫∫I

U12

+U 22 t

 

U 33

 

 

 

δt dV +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ij

ijnm

nm

ijknml xk xl

ij

+∫∫ Uijknml33

tnm nk δtijdF +∫∫ Uijknml33

tnm (+nk )δtijdF +

IF

 

 

xl

 

C

 

 

 

 

xl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

tnm

 

 

 

+

∫∫∫II

U12

+U 22 t

 

U 33

 

 

 

δt dV +

 

 

 

 

 

 

 

ij

ijnm

nm

ijknml xk xl

ij

+∫∫ Uijknml33

tnm nk δtijdF +∫∫

Uijknml33

tnm (nk )δtijdF =0.

IIF

 

 

xl

 

C

 

 

 

 

xl

 

Индекс I относится к первому телу, II – ко второму, IF – к свободной поверхности первого тела, IIF – к свободной поверхности второго, C – к поверхности контакта. Переменные, входящие в подынтегральные выражения, не снабжены соответствующими индексами, чтобы не загромождать эти выражения. Энергии контакта для первого и второго тела должны быть записаны для разных сторон поверхности контакта. Единичные векторы нормали к ним коллинеарны, но имеют разные знаки. Стороной с положительным направлением выбрана сторона поверхности контакта первого тела с нормалью (+nk ) , тогда сто-

рона поверхности контакта второго тела будет иметь нормаль, противоположную по знаку, и обозначена как (nk ) . Пусть tij для каждого

тела удовлетворяет «статическим» граничным условиям на свободных от контакта поверхностях. Выбор этих условий обусловлен тем, что нет возможности задавать/управлять поврежденностью поверхности,

9

22 ijnm

если поверхности контакта адгезионно пассивны [6]. Поэтому δtij 0 .

С учетом этого вариационное уравнение для межфазного слоя поврежденности принимает вид

∫∫

C

=∫∫

C

(Uijknml33

)I

(tnmx )I δ(tij )I (Uijknml33

)II

(tnmx )II δ(tij )II nk dF =

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(t

 

)

I (Uijknml33

)

(t

 

)

 

 

1

(tij )I +

1

 

+

(Uijknml33 )

I

 

nm

 

II

 

nm

 

II

 

δ

2

(tij )II

 

 

 

x

 

 

 

x

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

(t

 

)

 

 

+(Uijknml33 )

 

(t

 

)

 

 

 

1

(tij )I

1

 

 

 

+ (Uijknml33

I

 

nm

 

 

I

II

 

nm

 

II

δ

2

2

(tij )II

nk dF =0.

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если варьируемые величины при переходе через поверхность

контакта не имеют скачка, условия контакта имеют вид

 

 

 

 

 

(Uijknml33 )

 

(tnm )I (Uijknml33

)

 

 

(tnm )II

=0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

xl

 

 

 

 

 

 

II xl

 

 

 

 

 

 

 

(t

 

)

I

(t

 

)

II

=0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ij

 

 

ij

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариационное уравнение для (6) распадается на два: вариационное уравнение классической эквивалентной однородной среды с эффективным тензором модулей (7) и вариационное уравнение межфазного слоя поврежденности (9). Искомыми функциями в первой из перечисленных моделей являются компоненты вектора перемещений Ri ,

а параметрами – компоненты тензора эффективных модулей Eijnm , яв-

ляющиеся функционалами компонентов тензора дислокационной поврежденности tij . И наоборот, искомыми функциями во второй из пе-

речисленных моделей являются компоненты тензора дислокационной поврежденности tij , а параметрами – компоненты тензоров энергий

Uij12 ,U ,Uijknml33 , являющиеся функционалами компонентов вектора перемещений Ri .

Для эквивалентной среды имеет место теорема Клапейрона

A∫∫∫

Eijnm

Rn Ri

dV =0 или U = A/ 2.

(11)

 

 

xm x j

 

 

10

Соседние файлы в папке книги