автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Кинетика разрушений квазихрупких материалов при локальном механическом воздействии

НАЦ1СЙАЛЬНИЙ ТЕХН1ЧНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ JKPAÏHH

"киГвський палптйшМ Пюшт-

п : он

; ,, . На правах рукоплоу

УДК 539.37

С И Д О Р К О А Л Ь О H A A H А Т О Л I Í В H А

KÎHETHKA РУЙНУВАННЯ КВА31КШКИХ MATEPlMÎB П1Д ЕПЛИВСМ ЛОКАЛЬНО! MEXAH14H0Ï Д11

Споп{аяы1{сгь 05.02.07 - MoxaniKa леформ1гпого

твердого Ti.üa

Автореферат

дисертац1г на здо<Зугтя в некого ступит каКптоштя твхл!чних наук

Кп5в - I99R

Дисертац1ёю е рукопис.

Роботу виконано в 1нстнтуП Надтвердих Матер1ал1в 1м. В.И.Бакуля НАИ УкраГни

Науковий кер^вш(к:

- доктор технШних наук, проФесор Иайстренко А.Л.

ОфШИШ! опоненти:

- доктор техн!чних наук, про&есор АстаШи В.В.

- кандидат техн1чних наук, старший науковий сп1вроа!тник Родйчев Ю.М.

Прсш! дне гЦдприецство: - 1нститут геотехнИно! механ!ки

НАН Укра1ни, М. ДнШропетровськ

Захист в1доудеться 24 червив 1996 р. на зас1данн1 спец1ал1-зовано! вчено! ради Д 01.02.18 в НаШональному техн1чному ун1верситет1 УкраКни "КиКвський пол1техн1чний 1нститут", 252 056, м.Шв, пр. Перемоги, 37, корп. N1, ауд.Шбб.

3 дисертаи1ею мощна ознайомитись в 01<ШотеШ ун!верситету Автореферат роз1слано " ЛЗ " 19д6 р

Вчений сектретар спец1ал1зовано! вчено! ради, — Боронко 0.0.

кандидат техн1чних наук

ЭАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Розроаи! ф1зичцо достов1рних моделей деформування та руйнування твердих т!л п1л впливом р1зноман1тнИх температурних 1 сило-рйх д1й octanniH часом прид1ляетЬся всё ui.Tbfte увагй.Цей яапрйн у Mexanlui деформШтого твердого т1да особливо актуальний для ква-з!крихких матер1ал!в, осооливр мшних г1рсьКих пор1д, руйнування пких е одн1ею з найа1льш трудом1стких та енергом1сткйх onepaulR, а И эфсктивШсть- одним э основних фактор1в, що визначае продук-тмйшсть сгагатъох технЬног1чнйх npouectB.

У промисловому вироаниитв1 використовуються р1зноман1тн1 принципи росготи pyfiiilBHHx. засоа1в-мехаШчн1, г1дродинам!чн1,удар-нохвильой1, терм1чн1, электромехан1чн1 ta ix модШкаиП.

Й наданШ роаат! Аосл1й*уюТЬсй pistil эспекти найгЯль» гтоии-реного механЫного принципу, який в залежност1 В1д ооласт! вико-ристання та властивостей матер1алу Мояб суттейо зМ1нюватйся, зое-р1гаючи при цьому головну особлйв1сть -локальяу контактну взаемо-д1ю 1нструмента та руйШвного Т1ла.

Р1зноМан1ття та склади1сть явиш, ио в1дбувакться внасл1док ударного руйнування, йимагають не т1лькй вивчення особлйВостей швидкоплинних процбс1в п1д час сп1вуДару, але й вичерпних в1до-мостей про ф1зйко-механ1чн1 вЛастивосТ1 кеаэ1крйхких матер1ал!в, про законом 1рност1 1х деформування fa умовах, а також формах, yt-рати ст!йкост1 опору матер!алу в окремих зонах з утворенням rpl-шин ,юо "зон перелруйнування", ослаблених системою м1£ротр1шин. Отримання вичерпно! 1нформац11 з иих питаннь вимагас постановки Шленаправлених дослШв, розрахунк1в пол1в напружень в сп!вудар-них елементах, детального анал1зу зони розвитку руйнування р!зну-ми ф1зичними методами.

Наявна актуальн!сть них досл1джень визначила насТупну мету даноХ.ршоти - експериментальне досл1дження к!нетики руйнування кеазШрихких.матер 1аД1в,зокрема мШних г1рнкчих пор1д,п1д впливом локялвно! механ1чно! дП, розробка на ochobI отриманих результате експерименталыю-розрахункових метод!в анал!зу напружено -де-Форм1вного та граничного стану руйн1вного матер1алу в локальних зонах взаемодП з росгочйм елементом 1нструменту. а також прогНО-зування-к1нетики руйнування в умовах, шо 1м1тують реальн1.

В" межах зазначено1 мети поставлено та вир1шено-наступн1 ос-hobhI-задач!:

- на основ! анал!зу л!тературних ланих 1 результате осооистих до-

сл1д!в, в тому числ! в умоиах складного напруженого стану та т-сокошвидк!сного навантаження. устаиавити молол! рластивостей та критерП м1цност}, ио описують граничний стан досл1джуваних натер 1 ал 1 в за лояльною системою напружень;

- провести Фрактограф1чне досл1дження зразк!в, випроауваних в умреах статичного та високошиидк1сцого навантаиення, за результатами я кого олисати кинетику руйнування матер!алу в залешност! в1л параметр1в, що характеризуют умош: контакту;

- лотудувати експеринентально оагрунтовану розрахункову схему, адекватну реальному станов1 матер1алу в зон!.контактно! взаемо-дИ з аойком, сфорнулювати ме»ов1 умови, пк1 максимально повно в!дос!ражують реальн! та заоезоечують в!дносио прост1 р1шення крайово! задач!;

- виорати найсНльщ придатний для рир!шення поставлено! задач! чисельний метод.адаптувати йога до прийнято! родрахунково! схени та провести анэл!з напру*ено-деФори!вного стану матер!алу в зон! контакту, визначити М!сие зародиения маПстральних тртин. уста-новити траекторП 1х розповсюдження.

Наукова новизна результат^ виконаного досл1дженця полягае в теоретичному та експериментальному оогрунтуванн! ново! роэра-хунково! схеми. шо досить повно в!дображае реальну картину по-стад!йнага руйнування квазккрихких матер1ал1в п1д вплнвом висо-кошвидк!сного сп!вудару з роаочим, органом Шструменту та в роз-родц! на основ! ц!е1 схеми алгоритму розрахунку, який дозволне прогнозувати к1нетику руйнування, в тому числ! напрям розвитку трШини, в залежност! в1д властивостей матер!алу та режиму на-вантаження.

Практична и!нн!сть росготи полягае в тому, шо виконаний комплекс роэрахункоро- експериментальних досл!д»(ень викривае нов! шляхи науково-оогрунтованих методов прогнозування оптимальних режим1в дробления кваз1крихких матер1ал!в, зокрема м1цних г!рсь--ких пор1д, 1нтрументами ударно! дП. Самост1йний практичний 1н-' терес викликають нов! дан1 про Ф!зико-механ1чн1 властивост1 гео-та 1нших матер! ал ¡в в р!зних умовах. в тому числ1 Шд д!ею виср-кошвидк1сного (ударного) навантаиення. Б1льша частина них даних передана зац!кавленим орган!заЩям э документально Щдтвердженим економ!чним едектом в!д влровадження реэультат1в досл!дження та ув1йшла як складона частина зв!ту з теми НДР "Розробка приниип1в п!двишення ефективност! руйнування масив!в Прських пори на

ocHoei критерии механ!ки деформ!вного твердого т1ла".

Лпросац1я росши. Матер 1 зли лисерТаиП допов1дались та одержали ехпаленнп на М!жнародн1й кощерениИ "Деформування та руйну-паннп creTotiin та г1рничих-пор!д" (FÜCR) (Ancipln, 1992р.); Мшрес-пуал!канськ1й наукппо-техн1чн!й коИферениИ * Прогресивн! метели озлоа.иовапыюЬобросжи деталей машин та прилад!в" (Пенза, 1986р); конферентнх молодих нчених та спец1зл1ст1в IHM HAlf Укра1нЖКи1в, 1985 .1986. 1989рр ): пауковому сем!нар 1 "КомгГютерне йодёлювання теплових пронесtв п елементах конструкц1й",(Алушта,1995р. 1.

путикацп та НДР. Основний зм1ст дисертаин- В1досгражено в 9 пуал1каи!ях автора та в 3 зб1тах з лержеяотжетних та госпрозра-хункових темах НДР 1нституту надвердих матёр1ал1в HAH Укра!ни.

Структура та осгсяг pooiT. ДисертаШЯ' складаеться з вступу, чотирьох глав, заключения та дода iK-lw;кули ув 1й'шли деяк! граф!чн1 матер^али за резул'ьатами чиселы+зго моделюваннн к1нетики зарод-ження та розвитку руйнування, а-ташг документ«, шо затвёрджують впровадження результата виконаного дослШкеннл. Матер1али дисер-тацП викладено на 103 стор1нках друкованого тексту ,м1стпть 36 ма-люнк1в, 6 таолинь,список використано1 .Итераг-ри з ПОнайменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМ1СТ РОБОТИ.

У втуп! оогрунтовано актуальН1сТь теми дигертаиН .сформульо-вано мету та задач 1 досл1дженнп, показано структуру дисертацП.

Перша глава приейячена огляду. л!тератури з основнйх питаннь. шо порушен! в дисертэцП . анал1зуютьсп в!домост1 про ф!зико-меха-HiMHi властивост1 кваз!крихких матер1ал!в та ochobhI Фа'ктс)ри. шо впливають на ul власгивост!. Розглпнуто п1дходи до опису пронесу руйнування кваз!крихких матер1ал1й-з позин1й механ1ки сун1льного г.ертаовиша та механ!ки тр 1аин,' а також ососгливост! розвитку руй-. нування кваз!крихких магер1ал1в п!д час вт!лення в них т1л р1зно!

гуран!\. Наприк!ни1 глави'сформульована основна мета та задач; догч1дження'

У друг 1й глав 1 • оогово'рюгаться результати експериментального

лосл1лженнп ф!зико-мсхан!чних властйвостей кваз1крйхких матер!а-л1о. Оснопними оо'ектами досл1дженнл cfy-ли м1ин! г1рнич1 породи I'гран im та мармур-i, анал1з властивос1ей яких проводили в сп1в-ставленн1 з результатами 1спит1ё--1иших кваз'1крихких матер1ал1в -фарфору, сил!кат!в, метало-керам^ки',- с1тал1в.

Для отримання достатшх'ллп':узагальнйння дссл1дних даних ви-конано так! вили 1спит!в: на стигк'. чистий згин. висскошвидкЛсна

( ударна ) навантащення Рф1ричним бойком, ша |м1туе рабочий орган 1чструнента з вар)ац1ею по енергП удару в1д 1,2 до 150 Дж та на ршЦальни# стцск дископод1аних зразк1в. Одночзсно даеться обгрун-тування та розглануто загадьн1 приникли методики, ша прийтнта для експерииенталыюгд досл1дження, описан! досл1дн! установки, оа-грунтовано виб1р матер1ал(в та технолог1ю виготоолення зразк1в, викладено методику проведения випроиувань та обробки експеримен-тал&них даних.

. Гёонетрична форма та розм1ри зразк!в наведен! на нал.1 та 2. Зусилля, up передается на зразок, швидкосП навантаиення та де-формацЦ вим1рювали динамометрами та тензометрами, що сули исключен! за стандартною схемою до рееструючо! апаратури.Фрактогра-ф1чн!1 дрсл1д«еннп зон руйнуаання проводили на електронному скану-ючому MlicpocKonl ШСКАН-4ДВ.

Дс^рл!доениями р1зних кваз1крихких матер1ал!в на стИск та згин показана сп!льн!сть оагатьох властивостей твердйх г1рничих пор1д та таких матер1ад1в як фарфор, сил!кати, керам!ки, скло, С1тали та Це дало п!дставу використовувзти вЦоМ1 законом1р-ност! деформуцаиня та руйнування згаданих матер1ал1в п!д час анализу тэ/узагальнення результат!в випрооувань г1рничих пор!д. Зо-Крена для п!дтвердвення вирог!дност! узагальненого критер1ю

■ *0-j+(l- ж) D-,A,"J « <Гр П)

п!д час опису граничного стану твердйх геоматер1ал1в достатньа ауло провести випробовування диск1в за радиальним стиском. Анало-г!чна ситуаи1я дростеиуе.ться 1 в1дносно масштабного фактору .Э$ект ь^сштасу за зм1ненням ов'ему робочо! частини зразка у диапазон!. bjq схоплюе об'еми матер!алу, як1 зад1ян1 в сЩвудар!, не переви-щуе роза!г экспериментальних дзних, що притаманний геоматер 1алам■ значний обсяг дослЦжень ррисвнчений вивченню к1нетйки руй-. нування геоматер1ал1в (гран!ту та мармуру) п1д апливом локального -ударного навантаження. Як 1ндентор використовували стальний стер-йень з масою 1085,бгр., до Шния якого прикр1плёний бойок, що мав Сферичну форму робочоi поверхн!.Енерг1я удару п1Д час випрооувань змПнсвалась за рахунок швидкост! в1д 1,18 до 150 Дк.

' Первинною 1нФОрмаи1ею них випробувань оули динамограми Pit), одна з яких ( для енергП удару 9.7 йу} показана на мал.З. 1з них д!аграм визначали зм1нювання зусилля в зон1 контакту по м!р! вт1-дення бойка в породу, максимальне зусилля на бойок, час занурення

МалЛ.Зраэки для випрооунанЬ на стиск: а-однов1сний стиск цил1нд-Р1 в, с1= 1 о; 20; 35; 41,858мм, ь=за; о-олнов 1 снйй стиск пластин ,а= 1ЙМ; Ь=22мм;с=22мм;в- радиальний стиск диск1в,<1=35 ;42мМ;б=И ; 14Ям.

Мал.?..Схема випрооувань.на дгцщ.. 1'УОмн*- Ь*4пм; Ь=?',5И»; а=15мм.

" Р,кН ►

У

(I»-.

< КС •

не

150

Мал.Э.Яинамограма РЧ 1 улару э енерг1ею Дж.

дойка на максима льну глиаину та пох1дШ иих параметра - ¡нп улье силу, роаоту на етап1 зануреннн сойка та п!д час розвантаженнн, рраоту развантажеиця та 1н.

рдна з Форм 1нтерпретацЦ' екслериментальних дацих, як! отри-ман! п1л час !спит!в гран1ТУ. показана на мал.4 у вигляд1 залежт ност1 глидини занурешя пайка та ой'ему эони э}н'яш|я вЦ ецер-гИ удару. Характер них залежностей, ЯК1 мають два практично л1-н1йних участки, показуе, шо для конного матер!алу 1снуе певне критяне значения параметр!в удару, за перевищенням якого он1р матер1алу вт1ленню дойка сильно зростае. Як показали Фрактогра-ф1чн! досл!ди,ией ефект пов'язаний 1з змДною механ!змУ руйнування.

Виявидось (мал.5), шо за пор!внянно мал) енергП удару в!д-оуваеться. дуспергування материалу п1д бойком з утворенням в центр! лунки систем« тр!шин,шо ор1ентован1 вглиб материалу 1 практично сп1впадають з л1н1ими р1вних напружень за Герцем, а той час як за виш1 швидкосг! у центральна частин1 утворюёться згуслий дис-копопрд1аний шар, по контуру якого зародмуються тр!шини, шо вихо-дпть на поверхню э утворенням вйколу. Деяка асиметр!я картин руйнування пов'язана, очевидно, э флуктуаЩею властивостей породи.

■ . Аналог1чн1 як1сн1 результати отриман1 для мармуру. Вони ви-користан! в подальшоМУ для пооудови ф!зично\' , а пот!м 1 иехаи1ч-но! модел1 руйнування, а таком для одгрунтування раэрахунково! схеми та межових умов в р1шенн! крайово! задач!.

В трет1й глав1 подано анал1з фактор!в, шо супроводжують пронес руйнування матер!алУ п1д час його взаемодП з .-занурюваним елементом э кетою аргументованого виорру розрахунково! схеми та Критер1я граничного стану досл1джуваних матер!ал1в.

Для пооудови розрахунково! схеми та висгору межових умов, що адеквано в 1доаражають реальн! умови в зон! контакту,використовано результати. шо отримаШ Шд час оезпосереднього вивчення Ф1зичних аспект 1в пронесу руйнування матер1алу внасл1док його взаемодП з ройком •

0трйман1 в рооот!, а таков запозичен! 1з л1тератури досл!дп\ дан1 показують, шо пк стагичне так ! ударне пошкодження кваз!-1 крихких середовиш характеризуемся складною картиною мед!анних, кон!чних, рад1алышх та сгакових тр!шин. Проте занурення клин ¡о. вт¡леннн твердих' т1л адерично! та 1нших Форм суправшшуеться якТсно сп1льними мсхан1змами деформування та руйнування материалу. Тому доел1дження дано! роботи, оули осмежен1 випадком сФерич-

Н, мь*

§ - V, й и 80

100 150

в, Дж

60

40

20

с

8 _ ^ —; — '

1

1 ь

Г

Г

50

100 150

о, Дж

Мал.4.3але*ност1 глигтини заМурення яойка та об'гму эонй 3)м'ятт В1л енергП улару.

О

о

Нал.5 Схематичне зостраженнп вмутр!шн1х зон руйнуааннп зразк!в: а - низькошвидк)сне навантакенип ,а - високшвилкк не навантаженил

Мал. 6 Роз>,ахунков1 схеми: а - для низько! енергП улару; а - для писоко! енергИ удару

fiorp 1ндентора. пкий д!е перпендикулярно до плошини, що е поверх-Нею дащшезмежного масиву.

Анад1з ф1зичних, динам1чних та кЫемагичцих аспект1в процесу показав, що в раз! пор1вннно малих швидкостей сп!вудару (за енер-rik до 15Дж) вт1лення стайка в кваз!крихке середовище, наприклад мШну Прничу породу, супроводшуеться рузпущуванням матер1алу з утворенням др1бнодисперсного шару, вдастивост! якого можуть сути 1м1тован1 властивостями сипкого середовиша з малим кулоновським терт:и м1* часткам^ (аоо властивостями н1лком в'язко! р1дини). За Наявн1стю вже иошкодженого . шару вт1лення бойка в1Д<зуваеться 1з значно меншсш швидк!стю, практично в режим i статичного наванта-. кення. Це лае п1дставу до розглядання подальшого руйнування материалу у кваз!статичн1й. постанови!, тосгго <тез урахування масо&их счл. та хвильових npoueciB, а д№ бойка 1м1тувати тиском. шо р1в-ноц1рно розпвд1дений на поверхн! сферично! лунки, яка утворилась П1Д час початково1стадП взаемодП.

Таким чином, задача про напружеио-деформований стан та роз-виток руйнування материалу зводитьсп до задач 1 теорП пружноет 1 Про 1ШпЮпрост1р 1з сферичною' порожниною, поверхня hkoÍ- знаходй-ться п1д д1ею навантамення, що р1вном1рно розпод1лено. Розм1ри U1EI порощнцни визначаються глиаиною занурення бойка та товишною шару зруйнавано! породи .

Ф1зична Модель, шо описана', на мал.6,а зоаражена у вигляд1 розрахункоеоГ схемИ, яка повн1ств в!доаражае реальну ситуаи1ю за JlopiBHHHO малих пов!льнр зростаючих наванташеннях та р1вном1рно розповаоа*ени>: яастках пром!шного шару.

Навантамення зануриианого тЦа з б!льшою щридк!стю п!сля ут-вореннн диспергованого шару супроводжуетьсн деформуванням цього Шару в з'амкненому простор 1. упорядкуванням взаемного розташування часток та 1х уш1льненням. Спрерована маса, шо безпосередньо при. лягае мо поверх»i основного warepiajiy, в центральна частин! —сильно зм!инюеться, наоуваючи в умовах всео1чного стиску нових Ф1зичних властивостей, як1 пригаманн! практично недеформ1вним Ti-лам. Утворене ущльнене ядро занурюеться в матер 1ал та, створюючи . .умови, аналог1чн1 тим, в яких знаходи гься матер i ал п1д впливом штампу, шо втмюеться, руйнуе його. ФрактоГраф!чн1 досл1дження показали,' що ядро легко вЫокремлюетьсн за допомогОю, наприклад, голки, зоер1гаючи'п1д час цього свою нШсШсть. А- це доз во л nt. визначити його геометрШ та розм!ри.

-и -

Виявилось, шо ядро мае Форму, слизьку до форни сферичного . сегменту,товщина якого cyMipua з товшиною деструктованого материалу п!л 1ндентрром,а розм1ри залежать в!д д1аметру дойка та швид-кост! сп!вудару. Для досл!джуваних матер1ал!в за енерг!лх удару помад 15Дж рад1ус г ядра пов'язаний з рад!усом г лунки наступною експериментальною задежШстю

- I

г - J е (2)

R - paalyc сФери, ç - Ko&j>iulenT, шо маю зааежити В1д властивос-тей матер!аду. Дли граничь €=5,0. В розглпнутому випадку для ра-Д1уса №йка R =Умм., рад1ус ядра г =• .4,5 мм.

Враховуючи норiвняно низький моаудь пружжзстL основного материалу в сп!вс:гаиленн! з жорстк1стю уцЦльненого ядра.можна лрий-няти, wo зусилля з ооку оойка передаеться, головним чином, ядром. 13 цыэду випадку, лриродньо.контактн! нанружы.чя оулуть пропориi*-Н1 рад!альним Гнирмальним до поверхн! контакта) складоемм Н1севих перем!щень,'тоато аудугь розпод1лятися за законом косинуса. За таких умов, як показано в ройот!, .

3 M cos а

ff= —--(3)

. 2 и R2(l- cos a) je о - поточна координата, шо визначае рад!ус кола, по якому д1е напруженля (гц. Розрахункова'схема. таким Чином, може пути прийня-

та' у виглвд! , нк инк'азано на мал.ь.с.

Запропонован! розрахунков! схеми для низько - та високошвид-к!с;ного навантаженнн та вШювШ-н межов! умови використан! в алгоритм! ршрахунку ьан^ужено-деформ^вного стану кваз!крихких матер 1ал i в в 30Hi сгпвудару, шо реализован методом ск!нчених еле-менНв. В ц!й же глав1 на грунт1 анал!зу л!тературних даних (екс-иерименти Ваверспка, Свенсона, Протосет, BinKe :а in ) та результат^ иипрооувань гран1т!в, що ыиконан! в рамках росюти, яка розглпдаегься показано, що найсз!льш вирог1аним критер!ем, ш опи-суе граничим« стан кваз!крихких матер1ал1в е критер1й (1). 31н вув використапий для розрахунк!в пол 1В' еквишлентних напружень та Miciib заролження м&крспр!щин.

. В.заклйчи!й частин! глави циконано анал!з напружено-.дефор-MiBHoro стану гранпу в зон i локального високо- та низькошвидк-С-сного нав'антзження, а такой пол1в екв1вачептних ныпрумень (мал.7) за критер!ем максимальних нормапышх напру шш, за ' ¡нгенгивннлю

напружець та за узагапьненим критер1ем (1).Показано, шо м1сия эа-родкЫшя Ьих1дних тр]шин сПльше' в1дпов1дають. Тим, що спостёр!га-Ьть'са ёксперименгально; ЯкШо вонй визначен1 за ёкв!валентними нз-ПруженИями, розрахованийи за критер1ем (11, За низЬкошвидк1сного йавантакення екв1галентн) напруження эавжди винйкають л1д 1нден-тором в локальн1й зон!, Шо стягуеТься Практично в крагтку. СаМе о и1й зон1'п1д Час проведения експеримёнту оуло спостережено'утво-рення ЁИхМних тр1шин.

,. АналЬуютьсн таком резупьТати розрахунку координат вих1днйх тр1шин в уйовах високошвидк1сНо.гр НаваНтаження в залежност1 Ь1л властийостей Матер1алу. Остановлено (нал. 8), шо лоЧаток. руйнувэн-нй кваз1крихкИх Иатер1ая1й з к <0,4 ЫдбуВаетьсй на поверхн1 лунки на деякИ» В1дстан1 в1д П, в1с1, а коли.* >р,4 руйнування почи^ йаеться на пеВН1й глМОиН1 И1д иентрой лунвд та вйходить на I! Поверх!® , якшо х -? 1. ! ■ '

ЧеТВсрта глава ПрисЬячена викладенню методолог 11 та алгоритм^ Прогнозуеання траектсрП тр1шин п1д впливом локально! Ме-хан!чно! д11 на Матер 1 ал, опису засоо1в реал1эацп чисельного мо-делювання процесу руйнуваннй та анал1зу розрахункових даних. Ьс-ИЬВ'н! резудьтати. Ц1й час+ини Яосл1Ду отриман1 для маТер1алГп. . власТйвост1 якйх олизьк! да влЭстивостей мШних г1рничих пор1д (граНйт1В), Шо Доел Iлжей! й р1зйих уйовах наваитаження (глава 21.

Основна 1ДёЬлог1н прогнозУвання ¡зуйнубйння зеодиться до на-ступНогр: ПостулюетьЫ малий при"р1ст пих1дно! тр1шинй в напрямку м1н1мума Густини енергП Деформаи11. РозМЛр Приросту виоираеться сум!рним з розм!ром найсЛлЬШ показного вих1дйого дефекту в мате-р!ал1. Пот1м вйр1шуетьсй Крайова задача для ново! ситуацП, поряд з: циМ кут м!ж початковйй та йастуПнИм напрймом зростання Тр1шини вирахспуЕТЬсп за допомогою Ьдного. з локальнйх критэр!е;б, то Най-б!льше п1дпов1дае властйвостям досЛШуваного матер1алу. В наве-демйх розрахунках вйкористовУвали силов! кригерП. Кут е повороту траектор1I трИадни на кожному Крои! визначали за Формулою

1-^1+8л К.

е= 2 агав! -—!- К х* Л (4)

4 X КИ 1

а критичне напангаження знаходили 1з умови

К = К. ..

. еф 1 с .

Де? ефектитши корфИПенг конценраиП напружень визначали 1з вйразу

to ■ Ï.O ' г.о ' i.o 4.0^, 0.0 . 1.0 2.0 3.0 4,0^

I.О г.ОвЭ.О 4.0^

.0 2.0rt3.p 4.0^

Нал.7.тля екв!валентних напружень, оачислен1 за критер1ями (iepM03MJii«HHH (a!, максимально нормальних напружень (а), узагальнеиин критер1ен (1) (в) та поля коеФШ1Бнта густини енергП деформаШй (г). А - mIcUh руйнування, що прогноэуються, D - напрям розвитку тр!шини, що прогнозуеться.

Мал.8.Координати Micub почагку руйнування за умов р!зних значень параметру пластичност! матер!алу (. х= -^Р-)

Ке," Kicos3| "3Kii cos2.§ sth f (51

Процедура наступних рпераЩй повтори: понередШ. Для визначення максимально! припустимо! величйнй кроку за приросши використову-ються додатков! умови, шо виплИвають, як правило, 1з ai^isy ф1-зично! сторони процесу аао прййнято! розрахунково1 схеми.

Наведена диферени1альна схема та алгоритм розрахунку завднки вйкористанню На кожному наступНомУ ётап1, як початков! умови, результат попереднього р1шення дозволили з м1н!малЬним обсягом ос-числень поиудувати всю траектор!» кривол1н1йно! тр1иини,

До методики ск1нчено-елементного анал1зу, шо викладена више, суло адаптовано високоавтоматизований осчислйвалышй комплекс "CRACK", який включйе розроблен1 Приниипй П1двишеннп точност1 ос-числень та ор1ентовзн на сучасн1 комп'ютери. Блок - схема цього комплексу, вид нкого зм1ненйй з урахуванням епециф1ки бир1йувано1 задач1 подано на Мал.9.

В основу' орган!зац11 комплексу покладено принцип зм1нюванйх модул!в 1йлок1в).Стосовно вир1шувано! задач! основиим блоком, в1д якого залежить еФективШсть розросгленого алгоритму, к елок форму-ванйя та розв'нзання сйсТеми р1вНянь МСЕ з Подальшим визначенНям координатних перем1шейь, деформац1й та напружень. Його структура засезпечуе визначення характеристик НДС 13 подвоеною точн1стю в локальних координатах, uro в1днесен! ¿о ск1НЧеМОГо едементуисчисления головнйх та екв¡валентных напружеИь, що о1дпов!дають прий-нятому крйтер1ю граничного стану, а також визначення opiEHTaull головних площадок.

Окрем! блоки засезпечують визначення прпмим (асимптотичним) методом параметров руйнування, за якими розраховуеться траектор1я кривол1н!йно! тр1шини, деростку великих цифрових масив!в та вив1д ochohhoI ШФОрмаиП на мон1тор та ДрукувальнИй пристр1й у вигляд! пол 1 в (1зол1н!й) та 1зосмУг фу(жШЙ, шо анал1зуються. До складу комплексу входить программ. Як! дозволяють зупиняти проиес обЧис-лень, пкшо маг1стральна тр1шина минае критичну межу ( стае неста-С!льно,о), а також визначати за координатами окремих крапок траек-торИ ос'ем сколотого Фрагменту.

Скрем1 рпзл!ли г.пави присвячен1 аНал1зу на п1дстав1 отрима-них даних. осослипостей заролження та к Шестики розгювеюдження ма-г1стралышх ipitiiHH в м1цних г1рнич!х породах в залежност1 в1д швндкост! сп!иудпру. Показано, шо в раз! малйх швидкостей . сп!в-

Мад.э. Блок-схема обчисяовального комплексу, улару орЮТтаШн тр1шини. що виникае Шд центральною частиною ро-оочо! поверх!И оойка равновирог 1дна для. вс1х иапрямгп. Цеузгод-жуеться з результатами ФрактограцЛчпих дослШень пошкоджених низькошвидк¡сним ударом зразк1в, коли спостер1гаетьсн розвичок множинних ( <зез утворення одте! чи дек!лькох мапстральних) тр1-шин, що ¡наНюються, в основному, П1д ¡нденюром та р1вном1рно розповсюджуються як в напрям1 удару, так 1 п1д р1зними кутами до В1С1 навантаженнл ( тоато перпендикулярно до поверхн! лунки).

За умов високошвидк1сного навантаження, як уже назначалось, М1сце утворення та ор1ентаШя вих1дних тр!шин залежить в!д влас-тивостей материалу.. На мал. 8 показана , як приклад, траектория ( л1н1я Б) розвитку маПстрально! тр1вшни для кйаз1крихкого мате-Р1алу (гранПу »0,2), яка оочислена за викладеною више методикою. Параметри траекюрП, що лрогнозусться, як!сно добре в1дгю|Лдають досл1дним даним. . '

Хороша в1дпов!дн1сть отриманих прогиоз1в.та експерименталь-них даних, як в1дносио щсия утаореннн еихШш! тр!щини, так I траекторП II розвигку, пвляе состой пряме п1дтвердження правом!р-ност! прийпятих розрахункових схем.межових умов та вио'раного кри-тер1ю граничного стану для моделювання пронесу руйнування кпаз1-крихких матер1ал!п п!д впливом локально! механично! дП.

ЗАКЛЮЧЕНИЯ,.

В дисертац! узагальйено основн1 резулътати комплексних до-с.Щджень шодо розроаки фГзично обгрунтованого роэрахунково-ексгш-риментального Методу прогнозувашш к (нетики руйнування мШних г1рничих порт Та 1нших,' слйзьких за вллстиностпми матер!зл1в,П1Д час 1х сп1вудару з сЯлыа твердим зэнурюваним т!лом, наприклад, рснгочим елёмемтом 1нструменту.

В основу прийнято! розрахунково! схеми та алгоритму обчис-лень покладено В1Дом1 та нов 1 експериментальн! дан1 г1ро мохаШчн! властивоЬт!,шо отриман! п1я час виконання поданого досл1дження,та законоМ1рност1 руйнування кваз1крихкйх матер1ал1е за умов складного напруженого стану та високошвидК1смого майантаження. а також адаптовании до розглянуто1 задач! блок ск1нчённо-елементмих схем та програМНих эасЬб1в, шо заоезпечугать достатныо точй!сть поряд з пор1вняною простотою та невеликим обсягом обчислювайих операи)й.

До' то эвнйх результата вйкойайо1 роботи еШносйтьса Наступи!.

1 .розроилено иетодйку п!дготовкй випроаувань зразк1в Прни-чих пор1д. 1йших К0аз1крихкйх матер¿ал1в на. згий, стиск, в умовах склйдноГо напруженого стану, п1д д1ею статичного та високошвид-к1сного йавантаженнй. За результатами вйконайих експбриментальних дс)сл1джень отрийано банк дани: про характеристики мехаНШних йлас-тивостёй згаданйх маТер1ал!в, йК1 е досТатн!ми для меобхшшх узагальйень в межах Ц1е1 р'оаотй та виклйкають самосТ!йний прак-тичййй ¿нтерес Для роэв'йзаййя багатьох 1нших Задач Механ1Ки ква-э1крихк1х Матер!ал!в.

2. Проведено анал!з власних та опуол!кованих 1ншймй авторами даних про вплив на механ1чн1 йластивост1 геоматер1аЛ1в вйду напруженого стану, швилкосТ1 навантаження та ефекту масштабу. Як результат цього анал1зу:

- обгрунтовайо критер!й М1цност1. ис< адекватно опйсуе граничний стан квазгкрихких матер1ал1в, В тому числ! мШних ПрниЧИх Пор1д за умов пов1льно! системи напружень;

- встановлейЬ, Шо за умов ударного навантаження 1снують оптимальн! значения швидкост1 сП1вудару, за перевишення яких приповерхневе пошкодження материалу в1дбуааеться без утворення тр1шин. шо розповскшжуються в напрям! удару, тобто зм1нюеться механ1зм утворення Тр1шин! та к1нетика розвитку руйнування: ~

- показано, шс за рахунок зм.1ни енергетичних параметра, як1? характеризую™ процес сп!вудару. можливо управляти не т1лш:®'

нехан1змои. але й напрямом розповсюдкення руйнування: в!д глицинного за умов низьких швидкостей стэудару до приповерхнево-го ~ за умов високих. . .

1. Виконано великий оасяг фрактограф!чних досл1джень зруйно-ваних зразкш.вивчен! основШ законом 1рност! /творения та розвитку руйнування. досл1джен1 структурн1 t ГеометричШ параметр«. що характеризуют розвиТок руйнування матер!алу в зон1 контактно! взаенодП з шдентором в залемност? н)д швидкост! сп1нудару та eiieprll Удару. 1П результати дозволили аписати Ф1зичну картину руйнування та поаудувати адекватну 1й розрахупкову схему та ви-орати межор1 умови для кваз1 статичного та високоишидк!сного навантаження.

4. Разроояений алгоритм розрахунку та процедура оочислень на ПЕОМ. що дозводярть прогнозувати Hlcue зароджёння трШин. та к1не-тику 1х розвитку. в тому числ1 в умовах змШэного руйнування. коли стан у верх1в'1 тр!щини характеризуемся коефЩ1ентами 1нтен-сивност! напружень першого та другого роду. Остановлено рацЮ-нальн! для виршуваних задач роэм!ри та геоиетр1я ск1нченних сле-мент1в, визначен! оптимальШ величини прирост!в доежини тр1щини, що зааезпечують за умов м$н!нально1 к1лькост1 операц1й та часу оочислень швидку сходим1сть та достатиго пирог!дн1сть Ьтримуваних р i iiieHb.

5. Проведено чисельне моделювання пронесу руйнування грани-Tip за двома схемами, шо ншюв1дають кваз!статичному та високо-швидк!сному режимам сШвудару сферичного ¡ндентора з породою.За результатами оочислень гапнено напружений стан матер!алу в зон1 сп!вудару, визначен1 Micun зароджёння маг!стральних тр!иин та по-аудован! траекторП Ix розповсюдження, що практично сп1впадають з тими, якi спосгер!гаються експериментально.

6.Шляхом сп1вставлення результат!в чисельних експеримёнт1в з даними Фрактограф1чних доел 1 л.пень к!нетики розвйтку грнвол!н!йних тршин [пдтверджена нездатн1сть критер!ю максимально нормальних напружень (критерю С) для прогнозування траекторП розвитку Tpi-щин в кваз 1крихких матер 1алах! Подано осггрунтування ефектибносН використання в цьому випадку критер!ю (I), iuo узагальнюе умови пластичност! та крихкога руйнування для структурно-нёоянор!дних матер1ал1в.

7.Результати виконаного досл1дження ув1йшди у вигляд! ркре-' мих розд1л1в эв1т!в за результатами НДР Ьг.тйтуту надтвердих ма-тер!алш !м.В М.Бакуля ПАН Укра1ни та йпроваджен! в зац1кавлених

-iö-

орган!заи1ях э документально Шдтвердженим еког>м1чши всею.»-.. Основний 3MÍCT лисертацН викладено в роботах;

1. кулаковский В.Н., Сидорко Ä.A. Оценка остаточных технологических Напряжений в алмазно-твердосплавных пластинах // В кн.: "Сверхтвердые й тугоплавкие материалы" : Cd. Науч. тр.- Киев.:ИСМ АН УССР, 1985,- С.79-83. ' . .

2. Бондаренко H.A., Романченко С.А., Сидорко А.А.Напряженное со- . стояние элементов буровых долот // В кн.: "Получение и Применение сверхтвердых материалов".- Cd. науч. тр. - КйеВ: ИСН АН УССР, 1986, С.91-94.

3.Дегтяренко С.М., Захаренко И.П., Кулаковский В.Н,, Сидорко A.A. Исследование полей температур и напряжений при шлифовании сменных Многогранных пластин/Сверхтвердые материалы, 1967.- N3.- С.56-61.

4.Трошж A.B. .Сидорко A.A. Некоторые особенности спекания многослойных композиционных материалов.// В кн.:" Сверхтвердые материалы в нарслном хозяйстве"-.. Со. науч. тр. - Киев.: ИСМ НАНУ, 1989, С.43-45.

5.3аоолотный С.Д..Сйдорко A.A. Эксперййентальное Исследование механизма разрушения Горных пород прй динамической нагружении // В кн.: "Новый ИородоразруаашйЙ. KHctpyMeHt'' : С а. науч. тр.-Киев.: ИСМ АН Украины, 1992.- С. 81-89.

e.Häistrenko A.A., Sveshntkov I.A., Sldorko A.A. Local Rock fracture Únder Shock Interecllon with a Hard Impactor. Fracture and Damage of Concrete and Hock (FDCRI/Vlenna,Austria. Ndv.9-13, 1992, P 87-92.

7.0хр1менко Г.М., Сидорко A.A. Да питания про сп1льн1 ознаки ме-хашчних властивостей Прських Пор1д та коНструкШ йних Матер1а-л1в" на OCHOBI оксиду крейнИЬ. // Проблеми mIühoctI. 1995, -Ni i —12 i - С. .89-100.

fв.Дегтяренко C.M., Захаренко И.П., Кулаковский В.Н., Сидорко A.A. Расчет алмазных прерывистых кругов для шлифования оеэвольфрамовых твердых сплавов//В кН.:"Прогрессивные методы отделочной обработки деталей машин й приборов"; Сд.науч.тр. - Пенза.; ЛШ, ]9В6, С.96. Э.С.И.Шестаков, А.А.Сидорко. Моделирование разрушения прочных горных пород при взаимодействии с инструментом // В кн.; Научна -техн. сем."Компьютерное материаловедение и информатизация создания новых веществ и материалов"(Крым,г.Алушта, 1995г.ЬКиев. ;ИЭС НАНУ. 5995.- С.12.

Аннотация.

Сидорко Алена Анатольевна. "Кинетика разрушении квазихрупких илериалон при локальном механическом воздействии". Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.U7. - "Механика деформируемого твердого тела". Националишй технический университет "Киевский политехнический институт". Киев, 1996.

■Защищаете» расчетно- экспериментальный метод прогнозировании кинетики разрушения квазихрупких материалов, в частности горних порол, при высокоскоростном воздействии рабочим органом инструмента Результаты tpaniсерафического анализа зон разрушении и его характерных особенностей в зависимости от скорости соударения

lit1 и-шлини i ni,iriHHib 1ри.1ичегки-и0»и ниннннмн ¡mi иржие гхнмы

конечно-племен iние решение задачи о напрнженно-деформиройан-ном состоянии материала в зоне контакта использовано для определения мест зарождения магистральных трешин, кинетика развития которых расчитана пошаговым способом. 0 достаточной точности мето-

TtlE ABSTRACT

Sldorko A.A Kinstics of destruction of quasi-brittle materials under a local mechanical action.

The dissertation is written to compete the academic degree of Candidate of Technical Sciences, speciality OS.Ü2.Ü7 -

.]'!;' > j V ll't-' I. ' t . ! .I t f'i ' r.'.' . " , , l

¡ , IdU¡ l.-i'.í; ¡.hv.i.cH. bH'Ui.l-.H ..m'.UjlitV1

|J'! --u.'M^ I'I lU [í.H,.'i.' 11! =-,1 , - tai л at e .-.í a

li..Jtu,ii ir d ilinU,:!. í i'.i/. ii.i.i in pi-i,..;, ol inhl

i I di k .f¡ 1 í i.il II .ÍI It' k ,1 . I К r, .i I I U.'l; ¡II it 1.-:-. Wd5 I".,: К tlULeil

Ы.-;|| iy SU-P A _-um. V..I ajif.'.wl.i 1.l;i..,:jH 11.i— ulliulaiel and experimental dala is indicative of the reasonable accuracy of the" prediction methods.

Юшчоы .:лиьс.: кьаз1крйхп1 матв)Л алц, .íokjjiuu зиии руйыу -ьошы, кйнруконо - дт[ш|)мованМ стан, метод ск1нчаних елеменИв, розрахункова схема.

i¡ii¡,;:, до до/ку 4-o.asa* tó0«.a'), i. Ilaitip нас. » I.

.--pyi; oiüt rfti. ®s. ада. 1,0. Ум.ф.-вй^. 1,0. СОя.-авд.арк. O,tí.

i Jipas Xü!; вкз. ^дм, к ííot.'. buaiijiaríio.

,|нс?лтуг ;ia,:ri!iíp;¡¡iív f.::n Jpiaxis lí.iii У крах lili ¿oto?.!, iiiiTb-74, vj.h, Авгозаниеька, 2

Ротапринт 1Ш НАН У крат mi