автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Вязкопластические эффекты в процессах высокоскоростного локального деформирования материалов и элементов конструкций

л Р'Г' "" Г"

г > • -Национальная академия наук украины

институт проблем прочности

На правах рукописи

харченко валерий владимирович

УДК 539.374

ВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ПРОЦЕССАХ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ЛОКАЛЬНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.02.09 - "Динамика и прочность машин"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание научной степени доктора технических наук

Киев - 1998

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в отделе прочности и разрушения в условиях ударного и импульсного нагружения Института проблем прочности HAH Украины

Научный консультант : доктор технических наук, профессор

Степанов Геннадий Владимирович, зав. отделом Института проблем прочности НАНУ

Официальные оппоненты:

член-корреспондент HAH Украины

доктор физико-математических наук, профессор

Матвеев Валентин Владимирович,

зав. отделом Института проблем прочности НАНУ

доктор технических наук, профессор

Петушков Владимир Геннадиевич,

зав. отделом Института электросварки НАНУ

доктор технических наук, профессор Майстренко Анатолий Львович,

зав.отделом Института сверхтвердых материалов НАНУ

Ведущая организация: Инсттпут проблем машиностроения HAH Украины

(г.Харьков)

Защита состоится " 24 " декабря 1998 г. в 9 часов 30 минут на заседании специализированного совета Д 26.241.01 при Институте проблем прочности HAH Украины в помещении конференц-зала Института по адресу: 252014, Киев-14, ул. Тимирязевская, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем прочности HAH Украины.

Автореферат разослан " 24 " ноября 1998 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Импульсные нагрузки, связанные с воздействиями ударного, взрывного, теплового, электромагнитного характера, получают все большее распространение в современной технике. Надежность и эффективность их использования при эксплуатации и изготовлении материалов и конструктивных элементов зависят от полноты представлений о поведении материала при различных условиях импульсного нагружения, корректности и адекватности моделей высокоскоростного деформирования, применяемых для .расчета технологических процессов, оценки прочности и ресурса элементов конструкций.

Параметры импульсного нагружения для многих областей применения новой техники находятся в различных диапазонах характерного для такого типа воздействий спектра (скорость нагружения 1 .., 10000 м/с, длительность - 1 ... 10" с, давление - до 100 ГПа, температура - до Тщ,), но для многих распространенных на практике процессов высокая скоррстъ деформации материала (I ... 106 с'1) является общим характерным фактором. Причем если диапазон 1 ... 10 с"1 достаточно хорошо изучен, то для описания'поведения материала в области 103... 106 с1 крайне мало информации, которая, к тому же, носит в ряДе случаев противоречивый характер., > Второй характерной особенностью таких процессов оказывается локальность интенсивного нестационарного пластического деформирования материала, область которого' обычно непрерывно перемещается относительно границ тела. Именно эти два фактора являются определяющими для таких задач, как проникание бойка в преграду, быстрое распространение трещин,, технологические процессы запрессовки, сварки взрывом, обработки металлов резанием и давлением.

Оценка роли вязкопластических эффектов, обусловленных высокой скоростью деформации, относится к числу наиболее актуальных и (сложных проблем теории динамического деформировайия и разрушения материалов механики твердого деформируемого тела. Значительный научный интерес представляет разработка моделей поведения материалов, применимых для расчетов их высокоскоростного деформирования, а решение ряда задач, связанных с интенсивным нестационарным локальным пластическим течением в процессах проникания, резания, сварки взрывом, запрессовки, имеет существенное практическое значение. ,

Корректный учет влияния скорости деформации крайне важен для надежного определения напряженно-деформированного, состояния и расчетов на прочность конструктивных элементов, тем самым обеспечивая повышение надежности их функционирования в эксплуатационных уйловйях, повышение качества и снижение материалоемкости при. изготовлении,,; что1 имеет существенное народнохозяйственное значение.

Экспериментальные методы исследования связаны с большими материальными и временными затратами и не всегда дают возможность получить необходимую информацию о процессах, происходящих во взаимодействующих телах. Для их надежной оценки необходим комплексный подход, сочетающий наряду с экспериментальным численное и инженерное моделирование. В связи с этим важное значение приобретают создание современных средств математического моделирования сред с учетом специфики их деформирования в условиях высоких скоростей деформации и построение адекватных определяющих соотношений с использованием нелинейных реологических (вязких) свойств материалов.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась в соответствии с темами "Исследование влияния скорости нагружения на деформирование и разрушение конструкционных материалов различных классов и ее учет при расчетах элементов конструкций", "Учет нестационарного импульсного термомеханического нагружения в расчетах на прочность и долговечность конструкций", "Учет влияния специфических процессов поведения материалов при динамическом нагружении в расчетах деформирования и разрушения конструкций", которые выполнялись в 1991-1998 годах в Институте проблем прочности HAH Украины согласно Постановлениям отделения механики HAH Украины, а также в связи с проведением госбюджетных и хоздоговорных работ с ведущими организациями атомной энергетики, аэрокосмической, судостроительной и машиностроительной отраслей.

Целью работы является оценка вязкопластических эффектов и их учет в расчетах процессов высокоскоростного деформирования материалов для ряда практических задач изготовления и эксплуатации конструктивных элементов, связанных с непрерывно перемещающейся областью интенсивного локального пластического течения.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Разработка методик и программных средств численного моделирования квазистатических и динамических многомерных нелинейных задач деформирования конструктивных элементов с учетом специфики высокоскоростной деформации реальных материалов, перемещающегося во времени источника интенсивного пластического течения, множественных контактных взаимодействий, появления и движения трещин, связности деформационных и тепловых процессов.

2. Анализ различных методик испытаний материалов при динамическом нагружении с целью уточнения их применимости и выработки рекомендаций по проведению испытаний, которые обеспечат достоверность получаемых с их по-

мощью характеристик материалов в диапазоне скоростей деформаций 103...10б с"1.

Анализ, интерпретация и обобщение экспериментальных данных по высокоскоростному деформированию материалов различных классов для их использования в расчетах.

3. Изучение основных закономерностей и специфики высокоскоростного деформирования материалов в процессах проникания, резания, запрессовки, сварки взрывом и других, связанных с непрерывно перемещающейся областью интенсивного локального пластического течения. Разработка рекомендаций по учету вязкопластяческих эффектов при оценке нестационарного напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- разработаны алгоритмы и на их основе программные средства численного моделирования многомерных нелинейных квазистатических и динамических задач деформирования конструктивных элементов с учетом специфики высокоскоростной деформации и разрушения реальных материалов, непрерывного перемещения области интенсивного пластического течения, множественных контактных взаимодействий, связности деформационных и тепловых процессов;

- для численных расчетов интенсивного нестационарного деформирования конструктивных элементов обосновано применение естественной нелинейной вязкости материала (вместо искусственной) в качестве регуляризатора решения в областях сильных градиентов и оптимальной с точки зрения минимизации аппроксим анионной вязкости пространственно-временной дискретизации динамических задач упруговязкопластичности, что значительно повысило эффективность и достоверность изучения вязкопластических эффектов за счет повышения точности решений; .

- всесторонний анализ наиболее распространенных методик динамических испытаний позволил уточнить границы их применимости и с учетом этого анализа выработать рекомендации по проведению испытаний для получения достоверных характеристик материалов в диапазоне скоростей деформации Ю3...10б с1;

- развиты ранее разработанные автором представления об интенсивном нелинейном характере поведения материалов в диапазоне скорости деформации103...10б с"1 - значительном (до 10 раз) повышении уровня сопротивления деформированию и нелинейном немонотонном характере изменения вязкости материалов на основании анализа экспериментальных данных, полученных при различных видах динамических испытаний, обобщения новых и известных результатов для материалов различных классов

(металлы, твердые сплавы, высокопористые ячеистые материалы). Показано, что получаемое при динамических испытаниях немонотонное изменение характеристик прочности и пластичности связано р взаимовлиянием скорости деформации,и адиабатического разогрева;

- на основании комплексного анализа и обобщения роли вязкопластических эффектов в процессах высокоскоростного локального деформирования материалов и элементов конструкций изучен обширный класс практически важных задач современной техники и технологии (проникание, обработка металлов резанием и давлением, сварка взрывом, распространение быстрых трещин), для которых существенное значение имеет влияние скорости

■ деформации, особенно в диапазоне ее изменения 103... 106 с'1. Для такого класса задач предложена обобщенная схема проявления эффектов скорости деформации за счет взаимовлияния изменения прочностных и деформационных характеристик материалов,' вида напряженного состояния, возникновения теплового разогрева и дополнительного давления. На основе этой схемы проанализированы:

• изменение механизмов' разрушения материала (хрупкий, вязкий, снова хрупкий) с ростом' скорости натр ужения либо движения трещины;

• изменение механизмов стружкообразования, 1 определяющих качество обработанной ' поверхности и стойкость инструмента* с ростом скорости резания;

• значительное локальное снижение с дальнейшим линейным возрастанием сопротивления прониканию в определенном диапазоне скорости движения ударника;

- для процессов проникания оценено влияние нелинейной вязкости материала на сопротивление прониканию на основе численных результатов и аналитических выражений для вязкой составляющей сопротивления прониканию при различных законах изменения сопротивления' материала деформированию от скорости деформации и для различных форм головной части ударника; уточнены на основе полученных экспериментальных и расчетных данных представления о характере движения материала преграды у проникающего ударника, в частности установлены возможность движения материала навстречу ударнику и вихреобразный характер движения вследствие вязкопластических эффектов; ,

- впервые путем численного моделирования зафиксировано волнообразование на контактной поверхности соударяющихся под углом пластин при их сварке взрывом и установлена зависимость его параметров от вязкости материала;

Практическая ценность работы. Предложенная обобщенная схема высокоскоростного деформирования материалов с учетом вязкопластических эффектов,

новые результаты по поведению материалов при динамическом нагружении и конструктивных элементов в процессах проникания, запрессовки, резания, сварки взрывом, углубили представления о процессах' высокоскоростного реформирования материалов, что позволит брлее надежно и 'эффективно проводить оптимизацию технологических процессов изготовления и расчеты конструктивных элементов при импульсном нагружении.

Разработанные методики и программные средства численного моделирования многомерных нелинейных квазистатических и динамических задач упруговязко-пластичности были и могут быть в дальнейшем использованы для решения задач ' аэрокосмической и военной техники, атомной энергетики и других областей современной техники и технологии.

Достоверность основных результатов дисертаиионной работы обеспечена использованием всесторонне обоснованных методик и программных средств численного моделирования, решением значительного объема модельных и тестовых задач, сопоставлением результатов расчетов, выполненных различными методами, полученных результатов инженерного (аналитического) и. численного моделирования с экспериментальными и численными данными других исследователей. '

Личный вклад автора. Автором предложены основные идеи развития методик численного моделирования, расчетных схем решения задач и определяющих уравнений; получены основные расчетные результаты, проведен анализ и обобщение численных и экспериментальных данных, разработаны инженерные модели рассматриваемых процессов. ' ' 1

В материалах, которые опубликованы совместно с научным консультантом профессором Г.В.Степановым, как йостановщиком проблем диссертации, с аспирантами и сотрудниками, которые принимали участие в выполнении совместных хоздоговорных и госбюджетных .работ, автором была разработана теоретическая часть работ, проанализированы и обобщены полученные численные и экспериментальные результаты. (

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на IV Всесоюзном симпозиуме по импульсным давлениям' (Менделеево, 1983г.), VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986г.), I, II и III Республиканских семинарах «Динамическая прочность и трещиностойкостъ конструкционных материалов» (Киев, 1987, 1989, 1991гг.), Всесоюзной конференции «Прогрессивные процессы , обработки материалов давлением» (Гомель, 1989), Международной конференции "ffigh rate fabrication materials" (Югославия, Любляна, 1989), региональной конференции «Современные материалы в машиностроении» (Пермь, 1990)^ Республиканском

семинаре «Прочность и формоизменение элементов конструкций при воздействии динамических физико-механических полей» (Киев, 1990г.), VIII Международной конференции "Equations of state" (п. Эльбрус, 1992г.), семинарах МВТУ (Москва, 1990, 1991гг.), семинаре по бронебаллистике (Киев, 1994г.), Ш Международной конференции «Проблемы материаловедения при изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС» (С.-Петербург, 1994г.), Международной конференции «Эрозия и коррозия материалов ядерной энергетики» (Киев, 1995г.), XII Международной конференции «Structural Mechanics in Reactor Technology» SMIRT-95 (Бразилия, Porto-Allegro, 1995г.), Fourth Ukrainian-Russian-Chinese Symposium on Space Science and Technology (Киев, 1996г.), Международном семинаре "Materials Instability under Mechanical Loading" (С.-Петербург, 1996г.), украинско-американском семинаре по высокоскоростному взаимодействию (Киев, 1996г.), на научных семинарах Института проблем прочности НАНУ, Национального технического университета Украины "КПИ", Института проблем материаловедения НАНУ и других конференциях и научных семинарах.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 44 научных работах в научных журналах, тематических сборниках, трудах конференций, а также отражены в научно-технических отчетах.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, семи разделов, заключения. Объем диссертации составляет 287 страниц, в том числе 89 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 399 наименований.

Автор выражает сердечную благодарность научному консультанту, доктору технических наук, профессору Геннадию Владимировичу Степанову.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описано состояние проблемы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи работы, а также отражены научная новизна, практическая ценность и достоверность результатов работы, личный вклад соискателя. Кратко изложено основное содержание диссертации по разделам.

В первую часть работы входят разделы 1-3. В первом разделе проанализирована роль вязкопластических эффектов в процессах динамического деформирования материалов для ряда практически важных задач современной техники и технологии (проникание, обработка металлов резанием и давлением, сварка взрывом, нестационарное нагружение трещин). Показано, что для таких задач характерны скорость деформации, изменяющаяся в широком диапазоне (до 106 с"1) и непрерывное перемещение области интенсивного локального пластического течения материала.

Рассмотрено состояние исследований влияния вязкости материала на

параметры таких задач и определено, что результаты большинства из них имеют противоречивый характер. В частности, для процессов проникания

A.В.Агафоновым, Р.Батрой, В.С.Козловым показано влияние вязких эффектов, а в работах Дж.Дена, Ш.У.Галиева, Ч.Андерсена и Дж.Уолкера отмечено, что такое влияние несущественно. Хотя подобный вывод последних исследователей вызван тем, что в расчеты было заложено малое влияние скорости деформации на сопротивление материала..

Для повышения надежности получаемых данных и выводов нужно применять комплексный подход, который сочетает наряду с экспериментальным численное и инженерное моделирование. Для последних важное значение имеет применение современных средств математического моделирования, которые имеют возможность учитывать специфику деформирования в условиях высоких скоростей деформации, и адекватных определяющих соотношений с использованием нелинейных реологических (вязких) свойств материалов.

Отмечено, что эффективные численные методы, разработанные в работах

B.Н.Атукова, Р.Батры, Ш.У.Галиева, С.К.Годунова, В.А.Горельского, А.И.Гулядова, Дж.Джонсона, А.С.Кравчука, А.И.Корнеева, В.Н.Кукуджанова,

A.И.Садырина, В.И.Севрюкова, Р.Седжвика, М.Уилкинса, В.М.Фомина, Н.Н.Холина и других авторов, дают возможность моделировать широкий спектр динамических упругопластических задач. Вместе с тем обращено внимание на то, что использование искуственной вязкости в большинстве известных расчетных программ для стабилизации решений затрудняет изучение влияния реальной вязкости материала на процессы высокоскоростного деформирования материалов. Корректный учет сложного нелинейного реологического поведения материалов (вязких эффектов) при расчетах их интенсивного высокоскоростного деформирования также представляет значительные трудности. Например, такие известные программные комплексы как СТН и АиТСЮУЫ до недавнего времени не обладали такими возможностями.

Влияние скорости деформации на процессы деформирования материалов и элементов конструкций изучено в работах научных школ Р.А.Васина, Ю.С.Воробьева, Н.В.Зволинского, А.А.Ильюшина, Г.И.Канеля, Дж.Кемпбелла, Я.Клепачко, Р.Клифтона, А.С.Кравчука, В.Н.Кукуджанова, В.С.Ленского, Ю.Линдхольма, Л.Малверна, М.Мейерса, Ю.И.Мещерякова, Т.Николаса, П.Пежины, Г.С.Писаренко, Т.М.Платовой, Х.А.Рахматулина, Г.В.Степанова,

B.М.Титова, П.Фоленсби, Н.Н.Холина, А.Хольцера и других. Эти исследования, как и модели динамического поведения материалов, построенные на их основе, в основном относятся к диапазону скорости деформации до 104 с"1. В фундаментальных работах С.Боднера, М.Бекмена, В.Голдсмита, Дж.Джонаса, Дж.Зукаса подчеркивалась важность изучения и учета в расчетах поведения материала при скоростях выше 104 ... 105 с'1, что было принято во внимание при формулировке задач данной работы.

В результате анализа процессов нестационарного и импульсного нагружения

конструктивных элементов предложена обобщенная схема высокоскоростного деформирования материалов в перемещающейся области интенсивного локального рластического течения. Проявление вязкопластических эффектов происходит за счет взаимовлияния изменения прочностных и деформационных характеристик материалов, вида напряженного состояния, возникновения теплового разогрева и дополнительного давления при повышении скорости деформации.

Второй раздел посвящен разработке методов, алгоритмов и программ численного моделирования задач высокоскоростного деформирования материалов в процессе изготовления и эксплуатации элементов, конструкций современной техники. , ,

С учетом необходимости изучения вязкопластических, эффектов на основе анализа особенностей вышеуказанных задач и применяемых подходов к их решению предложены оригинальные алгоритмы. На основе метода конечных элементов разработана методика и программный комплекс для численного моделирования квазистатических и динамических многомерных нелинейных задач деформирования конструктивных . элементов с учетом специфики высокоскоростной деформации и разрушения реальных материалов, перемещения во времени области интенсивного пластического течения, множественных контактных взаимодействий, связности деформационных и тепловых процессов. Для изучения особенностей распространения и взаимодействия плоских волн в материале также использовалась оригинальная численная методика, основанная на методе характеристик.

Разработана методика расчета кинетики напряженно-деформированного состояния и остаточных полей напряжений и деформаций на основе единого подхода к решению квазистатических и динамических контактных задач упруговязкопластичности.

При проведении работы значительное внимание уделено вопросам обеспечения требуемой точности решений, связанных с корректной схематизацией геометрической формы объектов,' условий нагружения, поведения материалов, минимизацией влияния пространственно-временной схемы дискретизации континуальной задачи (в частности, влияния аппроксимационной и искуственной вязкости), что особенно существенно для динамических задач.

Для, численных расчетов 'интенсивного, нестационарного деформирования конструктивных элементов обосновано применение естественной нелинейной вязкости материал^ (вместо искуственной) в качестве регуляризатора решения в областях сильных градиентов и оптимальной с точки зрения минимизации аппроксимационной 1 вязкости пространственно-временной дискретизации динамических задач упруговязкопластичности, что значительно повысило эффективность и достоверность изучения вязкопластических эффектов за счет повышения точности решений.

Эффективность и надежность работы программного комплекса

9 |

подтверждена решением значительного объема модельных ,и тестовых динамических и квазистатических задач, сопоставлением результатов расчетов, выполненных различными методами, результатов численного моделирования с экспериментальными и численными данными других исследователей! 1

В третьем разделе1 проведен анализ методик динамических испытаний различных видов и выработаны рекомендации по их проведению для получения достоверных характеристик материалов в диапазоне скоростей деформации 103...10б с"1, обобщены экспериментальные данные .о динамическом поведении материалов различных классов в указанном диапазоне скорости деформации.

На основании анализа общего состояния и проблем изучения динамического поведения материалов, сопоставления механических характеристик, полученных в диапазоне скоростей деформации 103.;.106 с"1, показана необходимость уточнения границ применимости методик, которые наиболее широко используются для таких высокоскоростных испытаний. Многие известные методики (например,' метод разрезного стержня Гопкинсона) не позволяют получить надежные экспериментальные данные по ропротирлению деформированию при скоростях деформации выше 104 с1 при используемых параметрах испытаний, другие (в частности, метод Тейлора) требуют тщательного выбора таких параметров. ■

Разработаны расчетные схемы численного моделирования динамических испытаний, определены их наиболее значимые параметры для вариаций при моделировании. Путем вычислительных экспериментов с единых позиций оценена точность данных о поведении материалов, получаемых , при испытаниях на растяжение, сжатие, сжатие со сдвигом, одноосное деформирование в плоских волнах. . 1

Испытания материалов на высокоскоростное растяжение' довольно сложны в методическом плане для реализации и обработки получаемой информации, особенно при высоких скоростях деформации (выше 10^ с"1), но „крайне необходимы в связи с ограниченностью имеющихся экспериментальных данных при этом виде испытаний.

Существующие предельные соотношения, предложенные Г.В.Степановым, определяют допустимую скорость деформации 'либо накладывают довольно жесткие ограничения на размеры образца 'и динамометра. Так, при обычно применямых параметрах испытаний скорость деформации не должна превышать 103 с'1. Для более высоких скоростей достоверность получаемой информации должна быть всесторонне обоснована с применением численного моделирования.

Для обеспечения надежности результатов расчетов путем вычислительных экспериментов оценено влияние схематизации задачи (конструкции), формы представления нагружающего импульса, вида конечноэлементного разбиения и густоты сетки. При моделировании испытаний варьировались геометрические размеры (диаметр (1р и длина 1р образца, диаметр динамометра сЦ, угол а конусного перехода между образцом и динамометром, толщина наковальни В (рис. 1) ),

СЖАТИЕ ( РСГ )

1С

«1 а

□а а

М I

РАСТЯЖЕНИЕ

о)

у.

Ш///ЛА

ЭЕ

5)

СЖАТИЕ ( Стержень Тейлора )

V.

Е

СДВИГ ( СРЕЗ)

¿с

%*500м/е ¿ЯО'Ус

Т./(¿.Г)

СЖАТИЕ СО СДВИГОМ .1

■Р Я

¿ИОЧ.АО*>/с

СЖАТИЕ ДИСКА С ПРОРЕЗЯМИ

¿40* Ус

СЖАТИЕ СО СДВИГОМ ( Резание ) ОДНООСНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ

ПРИ ПЛОСКОВОЛНОВОМ НАГРУЖЕНИИ

га

.......*

Уо* 1000»/с

Р<20ГПа

Щ~102...10г</с

, «и-ЯО в«/СЮ

Рис. 1. Схемы высокоскоростных испытаний (1 - образец)

условия иагружения (скорость V0 и параметр а интенсивности ее нарастания на начальном участке), физико-механические характеристики материала (плотность р, предел текучести тт, параметры деформационного (А, п) и скоростного (ц, К) упрочнения). В результате проведенных вычислительных экспериментов:

- изучено влияние неустановившихся (волновых) процессов в образце и динамометре, проявляющихся в виде осцилляции напряжений, на точность определения прочностных параметров материалов;

- определены особенности обработки регистрируемой информации при малых, умеренных и развитых пластических деформациях;

- оценена погрешность определяемых механических характеристик при высоких скоростях растяжения в зависимости от условий испытаний и выработаны рекомендации по их корректному выбору.

В частности, наибольшие расхождения между реальным состоянием материала образца и информацией, регистрируемой датчиком на динамометре, проявляются на начальном участке упруго пластического деформирования. Скорость деформации на пределе текучести существенно ниже номинальной и это различие возрастает с повышением скорости нагружения (до 5 раз для V0=40 ... 200 м/с в зависимости от методики обработки экспериментальных данных).

Наиболее достоверные данные по сопротивлению деформированию по принятым методикам испытаний и обработки их результатов получаются в диапазоне умеренных деформаций (выше 0.1). Так, достоверные значения предела прочности можно получать до скоростей деформации 5-Ю4 с'1.

В работе показано, что для больших деформаций существенное влияние на форму диаграммы деформирования оказывает адиабатический разогрев материала, который необходимо обязательно учитывать при анализе экспериментальных данных. Особенно это касается показателей пластичности при высоких скоростях деформаций.

На основе результатов численного моделирования уточнены предельные ограничения на параметры испытаний и соотношение для определения скорости деформации на начальном участке деформирования.

Способ испытаний на ударное сжатие материала тонкого диска с прорезями, разработанный в Институте проблем прочности HAH Украины, объединяет достоинства стержня Гопкинсона и плосковолновых схем. Проведенное с использованием численного моделирования обоснование такой методики для получения данных о сопротивлении деформированию при скоростях деформации выше 105 с"1 показало:

- наличие однородного напряженно-деформированного состояния в образце до прихода волн разгрузки от боковых и тыльных поверхностей;

- возмущение от деформируемых полосок диска-образца, распространяясь в подкладной плите, становится однородной плоской волной, пригодной для

регистрации, на расстоянии одного-двух шагов решетки, т.е. задолго до тыльной поверхности плиты, где происходит регистрация информации;

- расхождение между напряжением, полученным путем обработки зарегистрированной информации на тыльной стороне подкладной плиты, и осевым и эквивалентным напряжениями в образце не превышает 10 и 20% соответственно;

- ' трение на контактных поверхностях образца в диапазоне обычных его значений

(от 0 до 0.3) увеличивает сигнал не более 10%.

Таким образом методика позволяет, получать' достоверные данные о сопротивлении материала деформированию1 при 'умеренных деформациях в диапазоне скорости деформации 10410б с"1.

Методику испытаний материалов на сжатие со сдвигом при соударении пластин под углом, предложенная Р.Клифтоном с соавторами (США), получила распространение для испытаний материалов в диапазоне скоростей деформации 104... 107 с'1. Путем численного моделирования проведена оценка влияния трения, на контактных поверхностях образца на зависимость сопротивления от скорости деформации, получаемую в результате таких испытаний.

Показано, что результаты, полученные с использованием рассматриваемой методики, могут оказаться некорректными при определенных условиях. В частности, уровень сдвигового сопротивления, определенный по регистрируемому сигналу, не изменяется с ростом скорости удара при недостаточной величине коэффициента трения несмотря на заложенную в расчеты модель с сильной чувствительностью сопротивления к скорости деформации. В связи с этим необходимы дальнейшие исследования для уточнения границ применимости этой методики и возможной погрешности результатов испытаний материалов на сжатие со сдвигом.

При анализе применимости' метода Тейлора установлено, что только существенное уменьшение (по сравнению с общепринятой) длины стержня-образца позволяет четко выявить повышение сопротивления, обусловленное влиянием скорости деформации., В противном случае деформационное упрочнение и термическое разупрочнение Вуалируют эффект скоростного упрочнения.

Путем численного моделирования показано, что при использовании метода Тейлора существенное влияние на точность результатов и характер зависимости от скорости нагружения оказывают применяемые методики обработки первичной экспериментальной информации. Предложено соотношение для определения усредненного Сопротивления деформированию, которое превосходит большинство известных соотношений по точности и сравнимо с формулами Джонса-Джиллиса, но гораздо проще последних.

В развитие метода Тейлора предложена и обоснована с помощью численного

моделирования экспересс-методика испытаний на сжатие стержневых и кольцевых образцов. При той же простоте проведения испытаний и измерения их параметров методика позволяет достичь высоких скоростей деформации (выше 104 с"1 при высоте . образца 1мм) при сохранении ■ однородности напряженно-деформированного состояния материала в процессе испытаний. Основным ограничением методики является определение усредненного, сопротивления деформированию только для умеренных деформаций.

Испытания на одноосное деформирование Материалов при плосковолновом нагружении образца хотя и получили широкое распространение вследствие простоты проведения, все таки характеризуются значительной неоднородностью напряженно-деформированного состояния по объему образца вследствие распространения и взаимодействия упругих и вязкопластических волн. В связи с этим для правильной интерпретации получаемых результатов необходимо хорошо знать и учитывать особенности процесса деформирования материала при таких испытаниях. Например, путем вычислительных экспериментов установлено, что затухание возмущения (волны) ступенчатой формы при распространении в материале, находящемуся в пластическом состоянии, происходит по-разному вследствие вязких эффектов, обусловленных линейной и логарифмической зависимостями сопротивления от скорости деформации.

Показано, что размытие упругого предвестника волны разгрузки, четкость выделения двухволновой структуры упругой разгрузки на полном профиле плоской волны (экспериментально зафиксированной Розенбергом Язивом, и Партомом) связаны с проявлением эффектов вязкости материала при взаимодействии прямых и отраженных от тыльных поверхностей пластин упругопластических волн. В связи с. этим оценка сдвиговой'прочности материала по амплитуде упругой разгрузки на поверхности образца без учета вязких эффектов может дать величину от 5 до 90 % действительного значений и привести к ошибочным вывода!м. , ,. ,

Для расчетов затухания упругого предвестника волны нагрузки получено аналитическое соотношение, учитывающее действие двух механизмов деформации - термической активации и вязкого демпфирования движения дислокаций.

В результате проведенного численного и инженерного (аналитического) моделирования плосковолновых экспериментов разработаны рекомендации по повышению точности определения коэффициёнта вязкости по затуханию упругого' предвестника, предела текучести при разгрузке, скорости распространения пластических волн, параметров откольного разрушения.

Таким образом, всесторонний анализ наиболее распространенных методик высокоскоростных испытаний позволил уточнить границы их,применимости для получения характеристик в диапазоне скоростей деформации 104 ... 106 с"1 и

оценить надежность таких данных.

С учетом этого в работе проведен анализ достоверности и обобщение известных и новых экспериментальных данных о поведении материалов различных классов (металлов, твердых сплавов, высокопористых ячеистых материалов -ВПЯМ) при высокоскоростном деформировании в диапазоне скоростей деформации 103... 106 с"1. Подтверждено ранее высказанное автором утверждение о значительном (до 10 раз) повышении уровня сопротивления материалов деформированию в вышеуказанном диапазоне скоростей деформации.

В результате обобщения экспериментальных данных с использованием представлений о дислокационных механизмах пластической деформации разработаны модель и определяющие уравнения, позволяющие описать сложный характер влияния на сопротивление деформированию скорости деформации в широком диапазоне ее изменения (вплоть до 106 с"1) при меньшем количестве параметров по сравнению с известными соотношениями Рида, Клифтона и др. В частности, при постоянном уровне деформации уравнение связи эквивалентных напряжений и скорости пластической деформации выглядит следующим образом

. 41 + Д(1пг./г)-']_

~ ехр[я/(г- г(ер))]+ [^¿(г- г(е, ))/*,['

(А, В, т., Н, К, - константа материала, т(ер) - величина статического сопротивления деформированию при данном уровне пластической деформации).

На основе установленной нелинейной немонотонной зависимости вязкости материала в диапазоне скоростей деформации 103 ... 106 с'1 проведено сопоставление данных различных исследователей и объяснены наблюдавшиеся существенные (до нескольких порядков) расхождения экспериментальных данных по коэффициенту вязкости.

Показано, что при определении характеристик пластичности и интерпретации их зависимости от скорости деформации необходимо учитывать переход с ростом скорости от изотермических условий испытаний к адиабатическим и возникающий в связи с этим разогрев материала образца. Поэтому немонотонное изменение пластичности материала при высоких скоростях деформации обусловлено совместными вязкими и термическими эффектами.

В работе рассмотрены особенности локализации деформации, связанные с проявлением вязких и термических эффектов при динамическом натр ужении. На основе специально проведенных экспериментов оценена пластичность модельного материала (алюминиевого сплава) в условиях локализации деформации. Проведены вычислительные эксперименты по изучению влияния вязкости материала на локализацию.

Изучена кинетика локального напряженно-деформированного состояния материала в вершине трещины при динамическом нагружении. На основе схемы высокоскоростного деформирования материала, предложенной в первом разделе, проанализировано изменение механизмов разрушения (хрупкий, вязкий, снова хрупкий) с ростом скорости нагружения либо движения трещины.

Во второй части работы рассмотрен ряд важных практических задач динамического деформирования конструктивных элементов аэрокосмической, военной и атомной техники при их изготовлении и эксплуатации - импульсное нагружение пластинчатых и оболочечных конструктивных элементов, фрагментация колец, проникание бойка в преграду, запрессовка, обработка металлов резанием и давлением, сварка взрывом.

Их общей чертой является интенсивное высокоскоростное локальное пластическое течение материала, а одним из наиболее значимых параметров -скорость деформации, проявление влияния которой посредством нелинейных вязкопластических эффектов до сих пор изучено недостаточно.

Анализ процессов проводился с использованием разработанных в первой части работы методик численного моделирования и моделей динамического поведения материалов. Для перечисленных задач разработаны эффективные схемы моделирования для изучения вязкопластических и связанных с ними температурных эффектов высокоскоростного деформирования материалов.

В четвертом разделе проведен анализ интенсивного высокоскоростного деформирования разнообразных оболочечных и пластинчатых конструктивных элементов, применяемых в космической, военной и атомной технике. Рассмотрены импульсное торцевое и боковое нагружение цилиндрических и конических оболочек с и без присоединенных масс; импульсное нагружение тонкой пластинки; фрагментация колец при ударном нагружении; запрессовка теплообменных трубок взрывным и гидравлическим способами.

Изменения условий нагружения - формы, длительности и места приложения импульса влияют не только количественно, но и качественно на волновую картину, могут приводить к нежелательной концентрации напряжений и деформаций. В частности, изменение конфигурации оболочки (от цилиндрической к конической) и места приложения импульса давления (на боковой поверхности вместо торца) вызывают значительное повышение деформаций и напряжений у тыльной поверхности оболочки, причем величина такого повышения немонотонно зависит от длительности нагружающего импульса - максимум наблюдается при I. =3... 5 мкс для определенных размеров оболочки.

Численным моделированием показано, что при фрагментации (множественном разрушении) колец уровень максимальной деформации фрагментов, а, следовательно, и их размеры зависят от вязкости материала. На этом основании

.предложено соответствующим образом скорректировать инженерные модели по дроблению кольцевых элементов при импульсном нагружении.

Средщ основных причин преждевременного выхода из строя парогенераторов водоохлаждаемых реакторов АЭС отмечено существенное влияние связанной с изготовлением технологической наследственности на прочность и ресурс узла соединения коллектора и тешрюбменных'трубок парогенератора. Остаточная напряженность указанных узлов после изготовления' обусловлена значительным числом факторов, влияние которых кюжно оценить только с использованием численных расчетов. ,

Установив путем вычислительных экспериментов, что достоверность получаемых результатов расчетов в значительной мере зависит от степени соответствия применяемых расчетных схем реальным условиям запрессовки, в. работе . Значительное внимание было уделено корректной схематизации моделируемого сложного технологического процесса. Предложенная методика численного моделирования обеспечила повышение надежности оценки остаточных зазоров, локальных остаточных деформаций. и напряжений в узле за счет применения единого подхода для решения динамических и статических задач, возможности учесть раздельное деформирование трубки и коллектора при существовании зазора и совместное деформирование при контактном взаимодействии, перераспределение локальных остаточных напряжений в срединной плоскости стенки коллектора при последовательной запрессовке трубок; влияние их механической довальцовки.

На основании результатов численного моделирования запрессовки теплообменных трубок взрывным и гидравлическим способом проведен анализ кинетики' и остаточных полей напряженно-деформированного состояния узла коллектора в зависимости от основных технологических параметров запрессовки -начального зазора между трубкой и коллектором (До=0 ... 0,6мм), давления гидрозапрессовки и расположения нагружающего импульса (Р=150...350 МПа, в = -4 ... +1мм), прочностных характеристик материалов трубки и коллектора(ат=200 ... 400 МПа, сткол/аттр=0.7 ... 1.2), а также дана оценка влияния механической довальцовки ' трубок и перераспределения локальных напряжений при последовательной гидрбзапрессовке на остаточную напряженность узла коллектора.

В результате анализа показано', что:

- остаточныйй зазор (раскрытие стыка) наблюдается при различных сочетаниях параметров запрессовки, а его величина в наибольшей мере зависит от начального зазора;

- уровень локальных остаточных деформаций в коллекторе не превышает 0.5%, а в трубке изменяется в широких пределах - от 0.5 до 7.5%, в основном в зависимости от начального зазрра;

- максимальные остаточные растягивающие окружные напряжения ае и

интенсивность напряжений ci могут достигать значительных величин (в коллекторе - до 100 МПа, в трубке - до 300 МПа при давлении запрессовки 350 МПа), причем в трубке их величина наиболее чувствительна к изменению начального зазора, а в коллекторе - к уровню давления запрессовки;

- снижение давления при гидрозапрессовке (с 350 до 150 МПа) существенно уменьшает остаточные напряжения в коллекторе как растягивающие окружные у фаски, так и сжимающие радиальные на контактной поверхности, однако не предотвращает раскрытие стыка;

- в переходной зоне запрессовки в трубке и в районе фаски коллектора наблюдаются значительные градиенты остаточного напряженно-деформированного состояния.

Последовательная запрессовка трубок в коллектор сопровождается заметным (до ~20%) перераспределением напряжений при давлении запрессовки Р/сгтгол~1.5, а при уменьшении давления Р/от™12 1- перераспределение напряжений невелико.

Механическая довальцовка приводит к практически полному исчезновению зазора и заметно снижает градиент напряжений в трубке в области фаски коллектора; но максимальные растягивающие напряжения мало изменяются, только область их расположения перемещается вверх по трубке. На напряжения в коллекторе механическая« довальцовка влияет несущественно.

В работе показано, что неблагоприятные воздействия от остаточных напряжений и деформаций, возникающих при запрессовке, можно уменьшить путем оптимизации технологических параметров.

В пятом разделе представлены результаты изучения особенностей высокоскоростного деформирования материалов в процессе проникания бойков в преграды.

Процессы проникания и пробивания отличаются большим разнообразием и зависят от скорости и направления удара, размеров и формы проникающего тела, конструкции и технологии изготовления взаимодействующих тел, физических и механических свойств материалов. Проведенный в работе анализ показал, что одним из наиболее важных с практической точки зрения и в тоже время наиболее сложным и слабоизученным остается процесс проникания в преграды конечной толщины в диапазоне скоростей взаимодействия 500 ... 2500 м/с. В этом диапазоне наряду с гидродинамическими силами необходимо учитывать сопротивление материала деформированию, которое, в свою очередь, при рассматриваемых условиях нагружения обусловлено многими нелинейными эффектами, связанными с деформационным и скоростным упрочнением, термическим разупрочнением, фазовыми превращениями, локализацией деформации, повреждением и разрушением материала. Одним из наиболее важных и в тоже время недооцениваемых до сих пор факторов, по нашему мнению, является влияние

скорости деформации, характеризуемое нелинейной вязкостью материала. При этом дЛя вышеуказанных условий проникания наиболее значимым оказывается диапазон изменения скоростей деформации 103... 106 с'1.

В работе проведены краткий обзор мировых тенденций в изучении проникания и разработке его моделей, проанализировано состояние проблемы оценки вязкопластических эффектов при проникании, предложены оригинальные подходы к ее исследованию. Применение комплексного подхода, включавшего численное, экспериментальное и инженерное. (аналитическое) моделирование, значительно расширило возможности анализа процесса проникания и повысило надежность полученных результатов и выводов.

С использованием разработанных расчетных методик и модифицированного программного обеспечения для численного моделирования проведены многочисленные расчеты проникания недеформируемых и деформируемых бойков в конечные и полубесконечные, преграды при варьировании условий нагружения и свойств материалов.

С целью оценки вязких эффектов при экспериментальном моделировании процесса взаимодействия в условиях обратного метания предложена модификация проникателя, позволившая регистрировать усилие проникания при высокой скорости деформации материала, цо малом вкладе инерционных сил. Разработана методика изучения распределения деформации при пробивании преград на основе использбвания линий раскатанных включений в качестве вмороженной реперной сетки..

Получены экспериментальные данные о величине и распределении составляющих тензора деформации при пробивании стальных пластин средней толщины. На основе результатов численного и экспериментального моделирования уточнены представления о характере движения материала пластины при проникании бойка. В частности, установлена возможность движения материала навстречу ударнику и вихреобразное движение материала вследствие влияния его вязкости (рис. 2 и 3). Последний эффект возникает при превышении некоторого критического значения коэффициента вязкости материала и аналогичен появлению известной дорожки Кармана в, жидкостях. Расчетная поверхность каверны имеет при этом волнообразный вид (рис. 5, б), что наблюдалось также в экспериментах.

' Путем вычислительных экспериментов подтверждено наличие высоких скоростей деформации (выше 104 ... 105 с"1) и интенсивного возрастания эквивалентных напряжений у поверхности .контакта бойка и пластины вследствие влияния нелийейнбй вязкости материала (рис.' 4). Фо{)ма каверны также зависит от величины вязкорти материала (рис. 5)..Термические эффекты неоднозначно влияют на напряженность у контактной поверхности взаимодействующих тел: термическое разупрочнение материала ее снижает, а термонапряжения - повышают (например, в стали при разогреве до 1000° С Дагерм » 2 ГПа).

Рис. 2. Характерная картина деформирования тонкой стальной пластины при

пробивании бойком с оживальной головной частью со скоростью 850 м/с

Рис. 3. Вихревой характер распределения скорости перемещения материала преграды с д,=5-10э Па с при проникании бойка

959 ЗхЛЩа

шаш'.г"'

4.8В08 5.899

Рис. 4. Распределение эквивалентных напряжений и скорости деформации в алюминиевой преграде (ц,=2-103 Па-с, ту=200 МПа) при проникании бойка диаметром 10мм со скоростью 1000 м/с

» Ь

Рис. 5. Влияние вязкости материала на форму каверны при проникании длинного жесткого стержня в толстую преграду из алюминиевого сплава =16ВР, Ь,=7.50р) со скоростью 1000 м/с: а - ц,=2-103 Па-с, 6 - р,=5-103 Па с.

= 24.0 мкс

Зафиксированные в пластине у основания головной части бойка области всестороннего растяжения материала позволили дать иную (в отличие от существующих гипотез) трактовку появлению в процессе проникания трещин, которые экспериментально наблюдаются на поверхности каверны.

В результате расчетов кинетики напряженно-деформированного состояния высокопрочного бойка при проникании, установлено, что интенсивность растягивающих напряжений в бойке, которые возникают при его выходе из преграды и могут привести к разрушению, существенным образом зависят от длительности импульса давления на него со стороны преграды. Это связано с интерференцией волн разгрузки. В преграде при выходе бойка также возникают растягивающие

Локальная область растягивающих напряжений

Рис. 6. Распределение напряжений аг на конечной стадии пробивания бойком алюминиевой преграды

напряжения (рис. 6) вследствие разгрузки материала, которые при недостаточной его пластичности могут приводить к образованию трещин, что зафиксировано экспериментально. Уровень интенсивности волн разгрузки и растягивающих напряжений связан с предварительной напряженностью материала, зависящей от вязкопластических эффектов.

На основе анализа существующих инженерных моделей проникания разработана модель, учитывающая нелинейное влияние скорости деформации. Получены выражения вязкой составляющей сопротивления прониканию для различных форм головной части бойка (конус, оживало, сфера) (рис. 7) при различных законах изменения сопротивления материала деформированию от скорости деформации (табл. 1). С их помощью оценено влияние нелинейной вязкости материала на сопротивление прониканию, в частности впервые показан значительный вклад в общий уровень усилия прониканию логарифмической вязкости, действующей в диапазоне скоростей деформации 101 ... 103 с'1 (рис. 8). Следует также отметить разный характер изменения с ростом скорости проникания составляющих его усилия, обусловленных линейной и логарифмической зависимостями сопротивления от скорости деформации.

При сопоставлении вклада статической, вязкой и инерционной составляющих усилия проникания установлено, что при определенных условиях (соотношении диаметра бойка, скорости проникания, свойств материалов) влияние вязкой составляющей может оказаться весьма значительным (до 40% для примеров,

Таблица 1. Соотноренця доя определения вязкой составляющей сопротивления пронйканию

Вязкая ' составляющая • сопротивления

Вязкая составляющая сопротивления прониканию в зависимости от сопротивления деформированию и формы головной части бойка

Сфера

Оживало

Конус

£ =

-К 1п-.-~

з ° (1 + у) а

У$'т2<р 2 а

х1п

Г '

Ае" ' б

4 А V" 3п(п + 2) о*

9 о о\ \ з )

У>

п=1

4 А

ЗП(2-П)С •(о<«<2)

Аё"Н(е.-е) + +А'е" Н{е-е.) б '

/с У I

Л. |.

2 ...Г. И 2-я -Ае, 1л-+-н

3 [_ ае. 2п

•--—Г—Т~|

2(л*2)Ч V ) ]

,п = 2

3 | ча.

К2 а

з

Зп(2-п)

л + 2 , е

-+ 1п—

2л

. С

7>-

■> 1

е

,— < г.

(О < в < 2) 2

О 200 400 600 109 1000

а

Рис. 7, Схематизация бойков для инженерных расчетов

Рис. 8. Изменение сопротивления прониканию бойка с головной частью в виде конуса с ростом скорости: а - 2ф=90°, а=2,5мм, пластина из алюминиевого сплава (ат=0,3 ГПа);

б - 2ф=60°, а=2,5мм, стальная пластина (от=0,8 ГПа);

Ь, £„ - статическая, вязкая (логарифмическая),

'вязкая (линейная) и инерционная составляющие сопротивления прониканию

приведенных на рис. 8). Поэтому прогнозирование бронестойкости реальной преграды на основании модельных испытаний может привести к ее завышенной оценке (до 50%) вследствие более сильного проявления эффектов вязкости материала в этих модельных экспериментах.

На основании полученных аналитических соотношений для усилия прбникания установлено, что в случае превалирования вязких сил при проникании эффективность бойка зависит от его формы (конус, оживало с различными1 углами заострения либо сфера). Экспериментально зафиксированному немонотонному

I '

изменению усилия проникания с ростом его скорости дано объяснение в рамках предложенной модели проникания, учитывающей, кроме упрочнения материала за счет влияния скорости, деформации, еще эффекты, связанные с тепловым разогревом материала и его облегченной возможностью' «выдавливаться» из-под бойка вследствие разупрочнения и ослабления инерционного подпора в локальной приконтактной области. ,

В шестом разделе рассмотрены особенности динамического деформирования материалов в технологических процессах металлообработки резанием и давлением. Основной акцент сделан на иссследовании процесса резания, для которого характерны высокие скорости деформации, особенно у кромки режущего инструмента (РИ). Кинетика напряженно-деформированного состояния в этой области влияет на стружкообразование, качество обработанной поверхности заготовки и ресурс РИ.

I

С учетом проведенного анализа основных экспериментальных, численных и аналитических результатов исследований механики материалов1 цри резании выделены актуальные проблемы этого процесса, предложены оптимальные схемы его численного и экспериментального моделирования, соответствующим образом модернизирован программный комплекс. , ,

С использованием результатов численных расчетов изучены особенности высокоскоростного деформирования материал^ при резании, в частности характер интенсивного пластического течения у кромки резца. Установлено, что в этой области реализуются высокие скорости деформации (порядка 10* с'1), а при выполнении условия адиабатичности процесса происходит значительный деформационный р'азогрев материала,! в результате которого , возникают существенные термические напряжения и дополнительное давление. Совместное влияние скорости деформации, температуры и давления обусловливают изменение величин сопротивления деформированию и предельной пластичности деформируемого материала - их уменьшение или увеличение зависит от соотношения вкладов перечисленных параметров. Указанные эффекты приводят к

качественному изменению характера стружкообразования и немонотонным нелинейным зависимостям показателей качества обработанной поверхности и стойкости режущего инструмента от скорости резания.

Полученные на основе анализа результатов численного моделирования закономерности изменения механизма образования стружки с ростом скорости резания подтверждены экспериментально установленным изменением характера зависимости усилие резания - время.

Дополнительная информация о процессах деформирования материала при резании получена при изучении процесса выхода резца. Помимо этого, такое исследование имеет самостоятельный интерес в связи с часто наблюдаемыми на практике разрушениями режущего инструмента при выходе из-за переходных процессов, возникающих вследствие резкого снятия нагрузки на резец. Проанализированы результаты численных расчетов и экспериментов с поэтапной остановкой (фиксацией) развивающейся трещины впереди резца. Определены распределения деформаций и изменения направления - интенсивного деформирования материала у кромки РИ в зависимости от расстояния до свободной торцевой поверхности обрабатываемой заготовки. Сопоставление протяженности зоны сдвиговой деформации на различном удалении от этой поверхности позволило показать весомость вклада энергии сжатия материала в общий баланс энергии при резании.

Многие процессы обработки металлов. давлением (прессование, прокатка, волочение) также проходят в условиях повышенных скоростей деформации и адиабатического разогрева материала. На основе анализа результатов численного моделирования процесса прессования установлено, что температурно-скоростные эффекты приводят не только к появлению дополнительного сопротивления прессованию из-за термических напряжений, но и в случае материалов с фазовыми превращениями - к изменению структуры в зависимости от неоднородного по сечению подъема температуры вследствие деформационного разогрева, в связи с чем возможно ухудшение качества изделий. В частности, такая ситуация возникает при горячем прессовании циркониевых труб для атомной энергетики.

В седьмом разделе рассмотрены особенности высокоскоростного деформирования материалов в процессе сварки взрывом.

Оптимальный выбор конструктивно-технологических параметров сварки взрывом (в частности, скорости детонации, величины зазора между пластинами) и обеспечение необходимого качества изделий возможны на основе глубокого понимания происходящих процессов интенсивного пластического течения у

контактной границы. Анализ существующих моделей волнообразования на контактной поверхности, которое определяет прочность сварного соединения, показал, что нужны не столько новые модели этого явления, сколько уяснение его физических особенностей даже в рамках существующих моделей.

Экспериментальное изучение сварки взрывом крайне трудоемко и дает ограниченную информацию вследствие быстротечности процесса и сложностей непосредственного наблюдения образования сварного соединения. Аналитические методы позволяют оценить кинетику НДС пластин при сварке только для упрощенных представлений о динамическом поведении материала. Поэтому необходимо использование возможностей численного моделирования.

Сложность численного моделирования сварки взрывом связана с перемещающимся импульсом нагрузки, со значительной деформацией материалов метаемой и основной пластин у контактной поверхности, для анализа которой необходимо обеспечить достаточное разрешение (порядка 0.01 толщины основной пластины), и значительной протяженности расчетной области по одной из координат (отношение длины к толщине около 100), что требует значительного количества расчетных ячеек, приводит к потере устойчивости и точности решения по мере продвижения нагружающего импульса вдоль пластин. Проанализированы различные расчетные схемы численного моделирования сварки взрывом. Отмечены качественные отличия решения при моделировании сварки взрывом нагружением основной пластины только нормальным импульсом давления. Обоснована применимость предложенной расчетной схемы процесса, показана ее эффективность, проведено сопоставление результатов численных расчетов с экспериментальными данными В.С.Седых, А.Н.Кривенцова, В.Г.Резннова.

Основной целью многочисленных вычислительных экспериментов было изучение роли вязкости материала в процессе интенсивного деформирования при контактном взаимодействии. Впервые путем численного моделирования зафиксировано волнообразование на контактной поверхности соударяющихся под углом пластин при их сварке взрывом (рис. 9), проанализировано влияние на его параметры конструктивно-технологических факторов (в частности, скорости детонации, зазора между пластинами) и установлена зависимость его параметров от вязкости материала (рис. 10).

Изучены особенности распределения перемещений, величины и скорости деформации, напряжений, удельной энергии деформирования в метаемой и основной пластинах в зависимости от свойств материалов, геометрических параметров (толщин пластин и зазора между ними), условий нагружения (скорости перемещения и давления импульса продуктов детонации). Отмечен вихревой

Ь.см

.....г .5889

Рис. 9. Схема сварки взрывом (а), характерный пример волнообразования при численном моделировании (б), распределение деформации уху при волнообразовании для разных условий детонации и начального зазора между пластинами (в - 0=3000 мЬ, Р.=2.06 ГПа, Ь=2 мм;- 0=2500 м/с, Р,= |.43 та, 11=0.5 мм).

Рис. 10. Влияние вязкости материала на распределение деформации уху вдоль контактной поверхности пластин при сварке взрывом з параметрами 0=3000 м/с, Р.=2.0б ГПа, Ь=2 мм: а - ц,=4'103 Па с; б - ц,=20-Ю3 Па с.

характер скорости перемещения и высокий уровень скорости деформации (выше 104 с"1 ) в области контакта соударяемых пластин, значительная локализация в ней удельной энергии деформирования и существенное влияние вязкости материала на деформирование в этой области. На основе результатов вычислительных экспериментов подтверждено существование «бугра» деформации впереди точки контакта свариваемых пластин, предсказываемое в ряде теоретических моделей процесса сварки взрывом. (

Отдельно рассмотрены особенности деформирования в торцевой области свариваемых пластик. Численным моделированием подтверждена эффективность используемых на практике (в НПО «АНИТИМ») конструктивных мер по снижению вероятности повреждения (оттсольного разрушения) материала в указанной области.

ВЫВОДЫ ,

В диссертации получены следующие основные научные и практические результаты. ' '

1. Разработаны алгоритмы и на их основе программные'средства численного моделирования многомерных нелинейных квазистатических и динамических задач деформирования конструктивных элементов с учетом .специфики высокоскоростной деформации и разрушения реальных материалов, непрерывного перемещения области интенсивной) пластического течения! множественных контактных взаимодействий,• связности деформационных и тепловых процессов.

2. Для численных расчетов интенсивного нестационарного деформирования конструктивных элементов обосновано применение естественной нелинейной вязкости материала (вместо искусственной) в качестве регуляризатора решения в областях сильных градиентов и оптимальной с' точки зрения минимизации аппроксимационной вязкости пространственно-временной дискретизации динамических задач упруговязкопластичности, что значительно повысило эффективность и достоверность изучения вязкопластических эффектов за счет повышения точности решений.

3. Всесторонний анализ наиболее распространенных методик динамических испытаний (растяжение, сжатие, сдвиг, одноосное деформирование в плоских волнах) позволил уточнить границы их применимости и с учетом этого анализа выработать рекомендации по проведению испытаний для получения достоверных характеристик материалов в диапазоне скоростей деформации 103...106 с'1.

4. Развиты ранее разработанные автором представление об интенсивном нелинейном характере поведения материалов в диапазоне скорости деформации103...10б с"1 - значительном (до 10 ,раз) повышении уровня сопротивления деформированию и нелинейном немонотонном характере изменения вязкости материалов на основании, анализа экспериментальных данных, полученных при различных видах динамических испытаний, обобщения новых и известных результатов для материалов различных, классов1 (металлы, твердые сплавы, высокопористые ячеистые материалы). Показано, что получаемое при

динамических испытаниях немонотонное изменение характеристик прочности и пластичности связано с взаимовлиянием скорости деформации и адиабатического разогрева.

5. Разработаны эффективные расчетные схемы моделирования для изучения волновых и термовязкопластических эффектов деформирования материалов в условиях импульсного нагружения пластинчатых и оболочечных конструктивных элементов, тел с трещинами, при фрагментации колец, в процессах проникания, резания, сварки взрывом, запрессовки, горячего прессования.

6. На основании комплексного анализа и обобщения роли вязкопластических эффектов в процессах высокоскоростного локального деформирования материалов и элементов конструкций изучен обширный класс практически важных задач современной техники и технологии (проникание, обработка металлов резанием и давлением, сварка взрывом, распространение быстрых трещин), для которых существенное значение имеет влияние скорости деформации, особенно в диапазоне ее изменения Ю3... 106 с*1. Для такого класса задач предложена обобщенная схема проявления эффектов скорости деформации за счет взаимовлияния изменения прочностных и деформационных характеристик материалов, вида напряженного состояния, возникновения теплового разогрева и дополнительного давления. На основе этой схемы проанализированы:

• изменение механизмов разрушения материала (хрупкое, вязкое, снова хрупкое) с ростом скорости нагружения либо движения трещины;

• изменение механизмов стружкообразования, определяющих качество обработанной поверхности и стойкость инструмента, с ростом скорости резания;

• значительное локальное снижение с дальнейшим линейным возрастанием сопротивления прониканию в определенном диапазоне скорости движения ударника.

8. Для процессов проникания установлено существенное влияние нелинейной вязкости материала на сопротивление прониканию на основе полученных численных результатов и аналитических выражений для вязкой составляющей сопротивления прониканию при различных законах изменения сопротивления материала деформированию от скорости деформации и для различных форм головной части ударника; уточнены на основе полученных экспериментальных и расчетных данных представления о характере движения материала преграды у проникающего ударника, в частности установлены возможность движения материала навстречу ударнику и вихреобразный характер движения вследствие вязкопластических эффектов.

9. Впервые путем численного моделирования зафиксировано волнообразование на контактной поверхности соударяющихся под углом пластин при их сварке взрывом и установлена зависимость его параметров от вязкости материала.

В целом можно сделать вывод, что диссертация имеет комплексный характер: содержит разработку современных численных методик моделирования сложных многомерных динамических задач вязкопластичности, всесторонний анализ методик высокоскоростных испытаний материалов, обобщение экспериментальных данных о деформировании материалов различных классов в диапазоне скоростей деформации 103 ... 106 с"1 и разработку определяющих уравнений, изучение на этой основе роли вязкопластических эффектов для ряда практических задач авиакосмической и военной техники, атомной энергетики, технологических процессов.

Разработанные методики расчетов и модели деформирования материалов являются развитием нового научного направления в теории динамической упруговязкопластичности, необходимы для решения фундаментальных и прикладных задач, связанных с динамическим и импульсным нагружением конструктивных элементов современной техники и технологии. В результате проведенных исследований роли вязкопластических эффектов в процессах высокоскоростного деформирования материалов решена важная научная проблема, что позволит более надежно определять напряженно-деформированное состояние конструктивных элементов, тем самым обеспечивая повышение надежности их функционирования в эксплуатационных условиях, повышение качества и снижение материалоемкости при их изготовлении, что имеет существенное народнохозяйственное значение.

Список опубликованих научных работ, которые отражают основные положения диссертации:

1. Уманский С.Э., Харченко В.В. К вопросу о повышении точности решений упруго пластических задач методом конечных элементов // Пробл. прочности. - 1981. - N4. - С.56-60.

2. Харченко В.В. К определению температурных полей деталей машин // Вест. Киев, политехи, ин-та. Сер. Машиностроение. - 1982. - Вып.19. - С.17-22.

3. Степанов Г.В., Харченко В.В. Применение модифицированной схемы метода характеристик для расчета распространения плоской волны нагрузки // Пробл. прочности. - 1983. - N6. - С.42-45.

4. Харченко В.В. К моделированию процессов высокоскоростного деформирования материалов// Пробл. прочности. - 1984. - N12. - С.99-103.

5. Степанов Г.В., Харченко В.В. Связь напряжений и деформаций в металлах при воздействии импульсной нагрузки // Пробл.прочности. - 1984. -Nil.- С.32-37.

6. Степанов Г.В., Харченко В.В. Особенности деформирования металлов при скоростях деформации выше 104 1/с // Пробл. прочности.-1985. - N8.-C.59-64.

7. Коваленко A.B., Харченко В.В. Прогиб неупругой пластинки под действием короткого импульса давления // Сверхтвердые и тугоплавкие материалы. -

Киев: ИСМ АН УССР. -1985. - С.77-79.

8. Харченко В.В. Особенности деформирования металлов в плоских, волнах нагрузки и их связь ^параметрами реологической модели //Динамическая прочность и трещин остойк ость конструкционных материалов. - Киев: КВТИУ. -1986. - С.297-304.

9. Степанов Г.В., Харченко В.В. Затухание упругого предвестника плоской волны нагрузки и его связь с параметрами уравнения состояния // Пробл.прочности. -1986. - NL - С.55-60.

10. Астанрн В.В., Харченко В.В.' Сопротивление материалов деформированию при высоких скоростях деформации// Шестой Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике: Тездокл. - Ташкент:Фан. -1986. - С.54.

11. Расчет начальной стадии взаимодействия бойка с вязкопластичной преградой /Степанов Г.В., Харченко В.В., В.Н.Гурский, А.М.Ульченко // Пробл. прочности. - 1987. - N12. - С.53-56.,

12. Локальная деформация в' тонких стальных пластинах при пробое/ Степанов Г.В., • Харченко В.В.^В.Н.Гурский А.М.Ульченко // Пробл.прочности. - 1988. - N10. -

С.69-73.

13.Харченко В.В. Внедрение недеформируемого бойка'в вязкопластичную среду // Динамическая йрочнбсть и ^рещиностойкрсть конструкционных материалов. -Киев: КВТИУ. - 1989. - С.52-56.

14.Степаной Г.Й., Марченко В.В., Сафаров Э.Г. Высокоскоростная деформация при внедрении недеформируемого бойка в заготовку// Прогрессивные процессы обработки материалов давлением. - Минск,1989. - С.63-64.

15.Степанов Г.В., Харченко В.В. Динамическая пластичность // Механика неоднородных сред. - Новосибирск: НГУ. - 1989. - С.285-299.

^.Распространение волны разгрузки и распределение' остаточных деформаций в фрашенте кольца после разрушения / Степанов Г.В., Харченко В.В., Бабуцкий А.И., Гурский В.Н. // Динамическая прочность и трещиностойкость конструкционных материалов. - Киев: КВТИУ. г-198?. - С.34-40.

17.Stepanov G.V., and Kharchenko V.V. Dynamic plasticity of metals under strain rate , 104 ... 106 s-1 // High rate fabrication materials, Inter. Conf. - Liublana. -1989. - P.263-269.

18.Харченко В.В. Моделирование проникания бойков в вязкопластичные среды//

' Проблемы удара, разрушения и технологий. Рига. - 1990. - т. 10, N4. - С.32-33.

19. Ударное взаимодействие бойка с преградой с учетом реальных свойств материала/Харченко В.В., Сафаров Э.Г., Гурский В.Н., Федорчук В.А., Шатько А.А. II Прочность и формоизменение элементов конструкций при воздействии динамических физико-механических полей. - Киев, 1990. - С.94-95.

20.Харченко В.В., Сафаров Э.Г., Федорчук В.А. Динамическое сжатие материалов:., методики испытаний и результата исследований // Современные материалы в машиностроении. - ¡Пермь, 1990. - С.54-55.

21.Харченко1 В.В., Гурский В^Н. Сопротивление, сталей деформированию

при скоростях деформации до 10е с'1 //' Современные материалы в машиностроении. - Пермь, 1990. - С.55-56.

22. Степанов Г.В., Харченко В.В., Тончева Э.Е. Численное моделирование испытаний материалов на динамическое расгяжение//Пробл. прочности. -1991. - N9. - С.22-26.

23. Харченко В.В. Численное моделирование деформирования элементов конструкций сложной формы при импульсном нагружении // Динамическая прочность н трещиностонкость конструкционных материалов. - Киев: КВТИУ. -1991. - С.68-69.

24. Методики оценки прочности твердых сплавов при динамическом нагружении / Степанов Г.В., Сафаров Э.Г., Олисов А.Н., Харченко В.В., Зубарев О.А., Макеев Ю.В. // Пробл. прочности. - 1992. -Nil.- С.78-88.

25. Особенности деформирования и разрушения обрабатываемого резанием материала при выходе резца / Степанов Г.В., Харченко В.В., Федорчук В.А., Шатько А.А. // Пробл. прочности. -1994. - N9. - С. 40 - 47.

26. Экспериментальное изучение поведения металлов в процессе высокоскоростного резания / Степанов Г.В., Харченко В.В., Федорчук В.А;, Абрамович А.А., Мольков В.Н.//Пробл. прочности.-1994. -№6.-С. 31 - 37.' • '

27. Влияние на остаточную напряженность условий запрессовки теплооб^енных трубок в коллектор парогенератора / Степанов Г.В., 'Харченко В.В., Шатько А.А., Дранченко Б.Н.,' Титов В.Ф. II Проблемы материаловедения при изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС, Тр. Третьей междунар. конф., Санкт-Петербург, 1994. - С. 593-604. >,

28. Степанов Г.В., Гурский В.Н., Харченко В.В. Исследование особенностей развития высокоскоростного локализованного сдвига в металле // Пробл. прочности. - 1995. - N3. - С.41-45.

29. The effect of mechanical characteristics of steels on the residual stress level after pressing in of heat exchanging tubes in steam generator collectors / Stepanov G.V., Khartchenko V.V., Shatko A.A., Dranchenko B.N., Titov V.F. // Structural Mechanics in Reactor Technology (SMIRT-95),' Trans, of the, 13th Intern.' Conf., Porto Alegre, Brazil, 1995. - Paper N243. - P. 1-5.

30. Stepanov G.V., Khartchenko V;V. Particularities of behavior of the metal materials under high strain rates // Intern. Workshop "Materials Instability under Mechanical Loading". - StPeterburg, 1996. - P. 32.

31.Stepanov G.V., Khartchenko V.V., Fedorchuk V.A., Stresses in construction shell elements under nonstationary loading // Proceeding of Fourth Ukrainian-Russian-Chinese Symp. on Space Science and Technolbgy, Kyiv, 1996. - V.2. - P.648-650.

32.Степанов Г.В., Харченко В.В. Остаточное напряжейно-деформированное состояние узла коллектора парогенератора при запрессовке теплообменных трубок И Пробл. прочности. - 1998. - N2. - С. 66-86. , ,

33.Степанов Г.В., Харченко В.В. Влияние динамического поведения материала на проникание длинных стержней при повыцгенных, скоростях '// Пробл. прочности.-1998. - N4. г> С. 39-51.

аннотации

Харчеико В.В. В'язкопластичш ефекти в продесах високошвидюсного локального деформування материалов та елеменпв конструкций. - Рукопис.

Дисертахця на здобуття наукового ступеня доктора техшчних наук за спещальшстю 05.02,09 - динаьпка та мщшсть машин. - 1нститут проблем MiuHOCTi HAH Укранш, Кшв, 1998.

У дисертацц розроблено методики чисельного моделювання на основ! методу юнцевих елеменпв i ефективш розрахутташ схеми ршення пракгачних задач аерокосм1чно'1 i вшськовоГ техшки, атомноГ енергетики, технолопчних процеав з урахуванням в'язкопластичних ефекпв. Проаналхзовано методики динам1чних випробувань рЬних видав (розтягання, стискання, зсув, одновюне деформування у плоских хвилях) i уточнена ix застосовшстъ для отримання достов1рних характеристик матер1ал1в в даапазош швидкостей деформацш 10э ... 106 с"1. Для вказаного диапазону проанашзовано i узагальнено у вигляда модем експериментальш дат дшшичноГ поведшки матер1ал1в pi3Hnx клаав. 3 використанням розробленнх методик моделювання i моделей MarepianiB на осжш комплексного шдходу, що поеднуе експериментальне, чисельне i ¡нженерне моделювання, вивчет законом1рносп та специфика високошвидюсного деформування MaTepianiß у процесах проникания, импульсного навантаження тршщн, зварювання вибухом, запресовування, р1зання i показана сутгева роль в них в'язкопластичних ефектш.

Ключовi слова: швидгасть деформацп, в'язкопластичш ефекти, моделювання, метода розрахунку, визначальш ршняння, динам1чш випробування MaTepianiB, проникания, р!зання, зварювання вибухом

Харчеико В.В. Вязкопластические эффекты в процессах высокоскоростного локального деформирования материалов и элементов конструкций. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.09 - динамика и прочность машин. - Инстшут проблем прочности HAH Украины, Киев, 1998.

В диссертации разработаны методики численного моделирования на основе метода конечных элементов и эффективные расчетные схемы решения практических задач аэрокосмической и военной техники, атомной энергетики, технологических процессов с учетом вязкопластических эффектов. Проанализированы методики динамических испытаний различных видов (растяжение, сжатие, сдвиг, одноосное деформирование в плоских волнах) и уточнена их применимость для получения достоверных характеристик материалов

в диапазоне скоростей деформации 103...10б с'1. Для указанного диапазона проанализированы и обобщены в виде модели экспериментальные данные динамического поведения материалов различных классов. С использованием разработанных методик моделирования и моделей материалов на основе комплексного подхода, сочетающего экспериментальное, численное и инженерное моделирование, изучены закономерности и специфика высокоскоростного деформирования материалов в процессах проникания, импульсного нагружения трещин, сварки взрывом, запрессовки, резания и показана существенная роль в них вязкопластических эффектов.

Ключевые слава-, скорость деформации, вязкопластические эффекты, моделирование, методы расчета, определяющие уравнения, динамические испытания материалов, проникание, резание, сварка взрывом.

Kharchenko V.V. Viscoplastic effects in the processes of high strain rate local deformation of materials and structural elements. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of a Doctor of Technical Sciences in the speciality OS. 02.09 - dynamics and strength of machines. - Institute for Problems of Strength of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 1998.

The paper involves the development of the methods for numerical modelling on the basis of the finite element method and effecient calculation schemes for solving practical problems of aerospace, militaiy and nuclear power engineering, technological processes taking into account viscoplastic effects. Analysis of the procedures of dynamic tests of various types (tension, compression, shear, uniaxial deformation in plane waves) has been performed and their applicability for obtaining reliable characteristics of materials in the strain-rate range 103 ... 106 s"1 has been specified. Experimental data on dynamic behaviour of materials of various classes for the above strain-rate range has been analysed and generalized in the form of a model. Using the modelling methods and the materials models developed and basing on a comprehensive approach, which combines experimental, numerical and engineering modelling, specific features of high-strain rate deformation of materials in the processes of penetration, impulse crack loading, explosive welding, pressing-in, and cutting has been studied and essential role of viscoplastic effects in these processes is shown.

Key words: strain rate, viscoplastic effects, modelling, numerical methods, constitutive equations, dynamic material testings, penetration, machine cutting, explosive welding.

ИПП HAH Украины. Подписано к печати 18.XI.98. Заказ №393. Тираж 100 экз.