ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИПМех РАН |
||
Разработка моделей и численно-аналитических методов расчета возникновения зон разрушения при термомеханическом разрушении. Разработка экспериментальных методов исследования и выполнение исследований характеристик термопрочности и режимов терморазрушения хрупких керамических материалов
Выполнено моделирование кинетики деформирования и разрушения при термомеханическом нагружении. Предложена модель деформирования и разрушения материала при локальном термомеханическом воздействии на участке поверхности пластины в предположении, что характерная длина деформированного участка много больше толщины пластины. Тепловое воздействие обусловлено скачком температуры на одной стороне поверхности при теплоизолированности другой. Механические нагрузки действуют с нагреваемой стороны. Учитываются эффекты геометрической и физической нелинейности. Геометрическая нелинейность связана с действием изгибающего момента от продольных напряжений. Физическая нелинейность обусловлена зависимостью упругих модулей от температуры, что приводит также к эффективной неоднородности свойств по толщине пластины. В качестве критерия предельного состояния используется критерий достижения продольными напряжениями прочности на отрыв с учетом зависимости ее от температуры. Построено численно-аналитическое решение задачи. Показано, что возможно разрушение двух типов: прорыв в центре нагретого участка или на его краю. Рассчитаны (на примере циркония) зависимости критической нагрузки от температуры и времени нагрева, размеров деформируемого участка пластины и физических параметров материала. Проведено исследование закономерностей возникновения разрушения при поверхностном и внутреннем термоударе упругохрупкого тела. Рассмотрена несвязанная квазистатическая задача термоупругости для полупространства, нагреваемого постоянным по времени тепловым потоком, равномерно распределенным внутри круговой области поверхности. Граница полупространства свободна от напряжений. Построены аналитические выражения для всех компонент поля термоупругих напряжений в интегр альном виде. Исследованы пространственные распределения термических напряжений и закономерности их развития с течением времени. Обнаружено неочевидное свойство пространственной инверсии сдвигового напряжения в нестационарном случае и радиального - в стационарном. В квадратурах получены нестационарные значения радиального и окружного напряжения в центре и на краю нагреваемой области. Для установившегося термоупругого поля впервые найдено общее аналитическое решение поставленной задачи в замкнутом виде во всей исследуемой области. Показано, что при этом в полупространстве возможны только сжимающие напряжения. Стационарное термоупругое поле выражается через совокупность полных и неполных эллиптических интегралов первого и второго рода. Рассмотрены частные случаи, при которых выражения для компонент тензора напряжений принимают более простой вид. Изучено развитие термоупругих полей при малых и больших значениях безразмерного времени. Сделаны оценки скорости установления стационарного режима в зависимости от величины коэффициента Пуассона. Установлены критериальные неравенства, при выполнении которых существование стационарного термоупругого режима имеет физический смысл. Рассчитан нестационарный профиль свободной поверхности, возникающий вследствие термических деформаций. Рассмотрены вопросы, связанные с возможным развитием термических разрушений в полупространстве. В соответствии с проведенными расчетами построены многочисленные графические зависимости, наглядно иллюстрирующие развитие во времени и распределение в полупространстве термоупругих полей. Полученные результаты могут быть использованы при исследовании разрушения и трещинообразования в хрупких материалах под действием термоупругих напряжений, вызванных поверхностным нагревом. Постр оено аналитическое решение трехмерной осесимметричной задачи термоупругости в изотропном и однородном линейно-упругом пространстве, окружающем круговую цилиндрическую полость неограниченной длины и нагреваемом мгновенным тепловым источником с интенсивностью, равномерно распределенной вдоль бесконечно тонкой кольцевой линии, расположенной по периметру сечения полости. При этом граница полости считается свободной от нормальных и касательных напряжений. Решение поставленной задачи строится в два этапа. Сначала определяем термоупругий потенциал перемещений, используя при этом фундаментальное решение соответствующей тепловой задачи, найденное автором ранее для данной геометрии. Так как поле напряжений, обусловленное термоупругим потенциалом, не удовлетворяет заданным граничным условиям, к нему необходимо добавить дополнительное бестемпературное поле, которое строится при помощи функции Лява. Полученное в замкнутом интегральном виде результирующее поле нестационарных напряжений будет состоять из четырех компонент - радиальной, азимутальной, осевой и сдвиговой. Для каждой из них определены максимальные и минимальные величины, а также соответствующие этим максимумам и минимумам значения пространственных координат и времени. Отдельно исследованы интересные частные случаи распределения термических напряжений на поверхности цилиндрической полости и в плоскости кольцевого источника тепла. Здесь найденные формулы заметно упрощаются. Изучено влияние величины Пуассона на динамику развития термоупругих полей. Построены графические зависимости полей напряжений и перемещений как от пространственных координат, так и от времени. Рассчитана форма искривления контура свободной поверхности, возникающего вследствие термических деформаций. Рассмотрены вопросы, связанные с возможными разрушениями в окрестности полости. Построенное фундаментальное решение может служить в качестве функции Грина для любых других задач несвязанной квазистатической термоупругости с источником тепла, имеющим произвольное пространственно-временное распределение интенсивности на свободной границе при данной геометрии. Проведено моделирование методики оценки сопротивления материалов термоудару посредством закалки образцов в воде. Определены температурные зависимости коэффициента теплопередачи для образцов керамики ZrC в форме цилиндра и шара (различной шероховатости поверхности) диаметром 3-60 мм в диапазоне температур нагрева 1500С-12000С при закалке в воде в ванне большого объема. Исследованы условия возникновения и смены режимов пузырькового и пленочного кипения. Показано, что величина гистерезиса при смене режимов кипения существенно зависит от геометрических и термофизических характеристик образцов. Получены оценки термонапряжений, приводящих к поврежденности образцов при закалке. Разработаны рекомендации по температурным режимам закалки для образцов удобных размеров с целью оценки сопротивления термоудару. Выполнены экспериментальные исследования влияния остаточных напряжений на термопрочность карбида циркония при термоударе. Испытывались образцы в форме диска. Остаточные напряжения создавались предварительно путем индукционного нагрева или нагрева электронным пучком с различными скоростями нагрева в диапазоне температур 1600-2300 К. Исследовано влияние температуры, неоднородности температурного поля и времени нагрева на кинетику формирования и распределение остаточных напряжений в образце. Выяснено влияние знака и уровня остаточных напряжений на термопрочность и режима разрушения образцов при термоударе. Найдены расп ределения остаточных напряжений в центральной части образца или на его периферии, которые позволяют предотвратить неустойчивое разрушение образца при последующем термоударе и тем самым приводят к повышению термопрочности образца-диска.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2000 г.-31 декабря 2002 г. | Разработка моделей, методов расчета и экспериментального моделирования хрупкого разрушения керамических материалов при термомеханическом нагружении |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".