Экспериментально-теоретическое исследование определяющих соотношений, критериев прочности и устойчивости процессов деформированияНИР

Experimental and theoretical investigation of constitutive relations, strength criteria, and stability of deformation processes

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Экспериментально-теоретическое исследование определяющих соотношений, критериев прочности и устойчивости процессов деформирования
Результаты этапа: Проведён асимптотический анализ собственных значений и собственных функций в задаче Орра–Зоммерфельда в случае малой по определенной мере скорости основного плоскопараллельного сдвигового течения в слое ньютоновской вязкой жидкости. Исследовано напряженно-деформированное состояние, возникающее при динамическом растяжении однородного стержня из несжимаемого идеально жесткопластического материала, удовлетворяющего критерию Мизеса — Генки. Выполнен первый этап масштабного исследования механических свойств специальных конструкционных материалов в условиях высокоскоростного нагружения. Проведены статические эксперименты на одноосное растяжение (вплоть до разрушения) и динамические испытания по методу Кольского и его модификациям на растяжение, сжатие и сдвиг с использованием разрезного стержня Гопкинсона в диапазоне скоростей деформаций 500 – 2000 с-1. Продолжено системное аналитическое исследование качественных свойств, арсенала возможностей, области применимости и приложений физически нелинейного ОС Ю.Н. Работнова для изотропных вязкоупругих материалов с четырьмя произвольными материальными функциями, линейного интегрального ОС вязкоупругости Больцмана-Вольтерры с произвольными функциями сдвиговой и объемной ползучести (релаксации) и нелинейного определяющего соотношения (ОС) типа Максвелла для изотропных вязкоупругопластичных материалов. Проведен анализ возможностей описания процесса деформирования в виде двухзвенной ломаной с помощью различных вариантов теории пластического течения, представленных в программном комплексе ANSYS. Показано, что векторные и скалярные свойства, характерные для процессов деформирования по двухзвенным ломаным, на качественном уровне могут быть описаны определяющими соотношениями теории течения с линейным кинематическим упрочнением. Проведены экспериментальные исследования вязкоупругих свойств столбчатого морского льда. Показано существенное различие реологических свойств морского льда в вертикальном и горизонтальном направлениях. Продолжены работы по исследованию вязкоупругих свойств резинокордных композитов. Проведены эксперименты по определению вязкоупругих параметров резины и резинокорда.
2 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Экспериментально-теоретическое исследование определяющих соотношений, критериев прочности и устойчивости процессов деформирования
Результаты этапа: Проведена идентификация материальных параметров модели Джонсона-Кука для конструкционных металлических и неметаллических материалов по результатам статических и динамических экспериментов по методу Кольского. Для верификации модели Джонсона-Кука проделаны натурные и виртуальные ударные тесты по пробиванию пластин различной толщины твердыми цилиндрическими ударниками. Аналитически изучены общие свойства семейств кривых релаксации напряжения с произвольной монотонной начальной стадией деформирования, порождаемых физически нелинейным определяющим соотношением Работнова для вязкоупругопластичных материалов с двумя произвольными материальными функциями. В трёхмерном пространстве рассмотрен класс степенных тензорных рядов (определяющих соотношений) с коэффициентами (материальными функциями), являющимися функциями трёх независимых инвариантов. На основе формулы Гамильтона – Кели найдены в виде матричных рядов точные выражения для коэффициентов трёхчленных представлений таких степенных рядов. Выведена взаимосвязь коэффициентов прямых и обратных трёхчленных определяющих соотношений. Для изотропных упругих сплошных сред рассмотрен класс тензорно нелинейных определяющих соотношений, связывающих напряжения с малыми деформациями и включающих три материальные функции от какой-либо тройки независимых инвариантов. Выведены общие условия на эти материальные функции, при которых девиаторные и шаровые свойства тензор-функции, задающей оператор определяющих соотношений, не связаны друг с другом. Построено точное решение квазистатической задачи об определении напряженно-деформированного состояния полого цилиндра (толстостенной трубы) из физически нелинейного вязкоупругого материала в случае задания радиального перемещения внутренней поверхности трубы и давления на внешней поверхности, медленно меняющихся во времени, в частности задачи о релаксации напряжений в трубе. Разработан численно-аналитический метод определения трехмерного неоднородного поля упругих остаточных напряжений по данным оптических измерений компонент вектора перемещений при пошаговом сверлении отверстий. Проведен анализ развития хрупкого усталостного разрушения титановых сплавов (на примере сплавов АТ6 и ВТ3-1) при одноосном нагружении во всем диапазоне коэффициентов асимметрии цикла в области много- и гигацикловой усталости и получено удовлетворительное соответствие опытным данным. В программном комплексе QFORM численно исследовано влияние параметров закона контактного трения и упрочнения материала заготовки на решение задачи о вдавливании жесткого штампа с пазами в тонкую пластину. Определены параметры закона трения, дающие величину силы прессования, сравнимую с полученной в эксперименте на прессование свинцовой пластины с квадратной сеткой ребер жесткости. Проведен цикл работ по исследованию эффекта Маллинза на образцах из резинокордного материала. Теоретически и экспериментально исследовано влияние осевого сжатия трубчатого цилиндрического образца на распространение продольной трещины при кручении.
3 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Экспериментально-теоретическое исследование определяющих соотношений, критериев прочности и устойчивости процессов деформирования
Результаты этапа: Проведено экспериментальное исследование механических свойств высокопрочной стали А-3 в условиях квазистатического и высокоскоростного нагружений. Разработаны новые экспериментальные методики для построения деформационных диаграмм для материалов, чувствительных к скорости деформаций и виду НДС, в экспериментах на совместные растяжение-сжатие с кручением сплошных или толстостенных круговых цилиндрических образцов с учетом конечных деформаций. Исследованы течения несжимаемых сред с тензорно линейными определяющими соотношениями, включающими произвольную скалярную нелинейность в виде монотонно возрастающей функции упрочнения. Исследованы задачи дискретного контакта упругого слоя и жесткого штампа с заранее неизвестными площадками фактического контакта. Продолжено исследование физически нелинейного определяющего соотношения с двумя материальными функциями для вязкоупругопластичных материалов с целью выявления комплекса моделируемых им реологических эффектов и границ области применимости, сфер влияния материальных функций и ограничений на них, способов идентификации и верификации. Проведено системное аналитическое исследование математических свойств предложенного ранее прототипа нелинейного определяющего соотношения типа Максвелла для описания сдвигового течения тиксотропных сред. Проведено тестирование предложенного метода определения неоднородных по глубине остаточных напряжений по результатам измерения перемещений в методе пошагового сверления отверстия. Проведены исследования взаимодействия дрейфующего поля ровного льда с наклонной гранью широкой платформы или протяженного защитного мола. Проведены теоретические, экспериментальные и численные исследования задачи о колебании вертикального весомого упругого стержня. Исследовано реономное поведение резины, используемой в шинах в брекере, при квазистатическом нагружении с постоянной скоростью. Выполнен первый этап работ по созданию программной оболочки-ассистента для объединения функций по сопровождению, сбору и анализу результатов экспериментов для «Комплекса для динамических испытаний материалов по методу Кольского».
4 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Экспериментально-теоретическое исследование определяющих соотношений, критериев прочности и устойчивости процессов деформирования
Результаты этапа: Разработана теория эксперимента по идентификации неоднородного напряженно-деформированного состояния (НДС) в толстостенных трубчатых и сплошных образцах, нагружаемых осевой силой, крутящим моментом, внешним (а для трубок – и внутренним) давлением. Продолжено исследование механических свойств стали А-3 в условиях высокоскоростного деформирования, проведение натурных и численных экспериментов для идентификации параметров и верификации математической модели («табулированной модели Джонсона – Кука») для исследуемого материала в диапазоне скоростей деформаций 500–100000 обратных секунд. Некоторые эффекты напряжённо-деформированного состояния, такие как виброползучесть, ускорение ползучести и ретчеттинг, наблюдаемые и изучаемые в экспериментальной механике деформируемого твёрдого тела, предложено моделировать на основе определяющих соотношений, реализуемых в тензорно нелинейных вязкоупругих моделях максвелловского типа. Продолжено системное аналитическое исследование математических свойств предложенной в 2021 г. нелинейной модели сдвигового течения тиксотропных вязкоупругопластичных сред. Для исследования векторных свойств связи напряжений с деформациями на трехмерных винтовых траекториях деформаций, проведен анализ экспериментальных данных по сложному нагружению осевой силой, крутящим моментом и внутренним давлением тонкостенных цилиндрических образцов. Разработан метод построения кривых много- и гигацикловой усталости по уровням дефектности во всем диапазоне коэффициентов асимметрий цикла осевого нагружения титановых сплавов. Получено решение обратной задачи изгиба круглой пластины, когда по приближенно заданному в нескольких точках пластины прогибу требуется восстановить значения сил, действующих в этих же точках и вызывающий заданный прогиб. Проведены работы по определению коэффициента Пуассона песчаного грунта в модифицированном опыте на сжатие песка в тонкой деформируемой в поперечном направлении металлической оболочке. Представлена концепция программной оболочки и первого этапа разработки ее составной части, которая выполняет функции ассистента по проведению динамических испытаний по методу Кольского, а также обеспечивает автоматизированный сбор данных и их хранение в базе данных и предоставляет набор инструментов для их анализа и постобработки.
5 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Экспериментально-теоретическое исследование определяющих соотношений, критериев прочности и устойчивости процессов деформирования
Результаты этапа: Проведено экспериментально-вычислительное исследование стали А-3 в условиях статического и высокоскоростного нагружений. По результатам натурных и виртуальных испытаний, а также с использованием данных, полученных с использованием высокоскоростной съемки и метода DIC (Digital Image Correlation), идентифицировалось неоднородное напряженно-деформированное состояние в испытуемых образцах вплоть до их разрушения. Выполнены испытания на высокоскоростное сжатие цилиндрических образцов из чистой меди и ряда медно-никелевых сплавов по методу Кольского на верхней границе диапазона скоростей деформаций, достигаемых в экспериментах данного типа. С целью дополнительной проверки корректности построенных по методике Кольского диаграмм нагружения и подробного анализа внутреннего напряженно-деформированного состояния в образцах выполнено численное моделирование отдельных испытаний методом конечного элемента. Результаты натурных и виртуальных тестов хорошо соотносятся друг с другом. Теоретически обоснована экспериментальная методика условной трубки для идентификации неоднородного напряженно-деформированного состояния в трехосных экспериментах с цилиндрическими сплошными и трубчатыми образцами. Разработаны концепция, логическая схема и подробная структура базы данных, аккумулирующей экспериментальные данные о динамических механических свойствах материалов, полученных в результате проведения испытаний по методу Кольского. В ней собрана информация, накопленная за весь период эксплуатации ЦКП "Комплекс для динамических испытаний материалов по методу Кольского" и включающая данные о нескольких десятках марок материалов различной природы: сталях, титановых, алюминиевых, медных сплавах, термопластах, керамике, разнородных композитах и пр. Разработана уточненная методика проведения системы испытаний на трехточечный изгиб с разными пролетами. Получены простые уточненные формулы для вычисления модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона материала по двум испытаниям с разными пролетами, устраняющие систематическую погрешность стандартной методики. Существенно, что формула для модуля упругости не зависит от формы и размеров поперечного сечения образца и требует выполнения всего семи арифметических действий. Продолжено исследование системное аналитическое исследование свойств линейного определяющего соотношения вязкоупругости и предложенного в 2022 г. нелинейного определяющего соотношения для описания сдвигового течения тиксотропных сред (супрамолекулярных гелей, полимеров в вязкотекучем состоянии, вязкоупругих расплавов и концентрированных растворов, паст и эмульсий), учитывающей взаимовлияние процесса деформирования и эволюции структуры. Численно-аналитически изучена важная в прикладном аспекте задача о двухступенчатом сжатии плоского бесконечного в двух направлениях неоднородного по толщине слоя (ламината). Определяющие соотношения материала слоя согласуются с теорией малых упругопластических деформаций. На первом шаге имеет место одномерное сжатие, происходящее по активному процессу, описываемому двузвенной ломаной. На втором шаге осуществляется управляемая разгрузка, в результате которой толщина слоя принимает заданное значение при заданном напряжении сжатия. Исследована устойчивость относительно трёхмерной картины кинематических возмущений нестационарного течения ньютоновской вязкой среды, являющегося суперпозицией двух ортогональных друг другу одномерных сдвигов в слое между параллельными плоскостями. С помощью метода интегральных соотношений выводятся достаточные интегральные оценки развития начальных возмущений и их невозрастания на бесконечном интервале времени. Рассмотрены случаи стационарного основного движения, разгона и торможения в разных направлениях. Рассмотрены некоторые вопросы вероятностного многомасштабного моделирования хрупкого усталостного разрушения конструкционных материалов как иерархического стохастического процесса развития дефектности на микро-, мезо- и макроструктурных уровнях. По предложенной модели усталостного масштабно-структурного разрушения оценку долговечности при трапецеидальной форме цикла можно проводить по синусоидальной форме. Разработана методология, сочетающая метод конечно-элементного моделирования в российском программном комплексе для моделирования процессов ОМД «QForm» с целью построения цифровых двойников каждого из процессов с применением моделей на основе рекуррентных нейронных сетей для предсказания эволюции микроструктуры и механических свойств материала. Проведён анализ и сравнение качества предсказаний исследованных моделей с рядом стандартных аналитических моделей на примере поведённых промышленных экспериментов. В программном комплексе ANSYS проведено конечноэлементное моделирование испытаний на трехточечный изгиб коротких упругих балок с расслоением, численно решены ряд задач о трещинах в пластинах и тонкостенных оболочках. Рассмотрена задача об упругой тонкостенной цилиндрической оболочке под действием внутреннего давления, имеющей несквозную продольную трещину полуэллиптической формы. Продолжены работы по определению коэффициента Пуассона песчаного грунта в модифицированном опыте на сжатие песка в тонкой деформируемой в поперечном направлении металлической оболочке. Для определения коэффициента поперечной деформации грунта предложен метод, представляющий собой модификацию квазистатического компрессионного эксперимента. Вместо абсолютно жесткой обоймы, не позволяющей образцу деформироваться в поперечном направлении, используется тонкая деформируемая оболочка с известными упругими свойствами.
6 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Экспериментально-теоретическое исследование определяющих соотношений, критериев прочности и устойчивости процессов деформирования
Результаты этапа: -
7 1 января 2027 г.-31 декабря 2027 г. Экспериментально-теоретическое исследование определяющих соотношений, критериев прочности и устойчивости процессов деформирования
Результаты этапа: -
8 1 января 2028 г.-31 декабря 2028 г. Экспериментально-теоретическое исследование определяющих соотношений, критериев прочности и устойчивости процессов деформирования
Результаты этапа: -
9 1 января 2029 г.-31 декабря 2029 г. Экспериментально-теоретическое исследование определяющих соотношений, критериев прочности и устойчивости процессов деформирования
Результаты этапа: -

Прикрепленные к НИР результаты

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".