Рост трещины

Download Report

Transcript Рост трещины

Viktor M. Pestrikov Head of Informatics Department of The Saint Petersburg State University of Service and Economics, St. Petersburg, Russia.

© V. M. Pestrikov

Модели и критерии разрушения вязкоупругого тела с трещиной

Для получения качественных и количественных характеристик процесса разрушения тела с трещиной необходимо построить модель разрушения .

Модель разрушения вязкоупругого тела включает в себя: 1.

Реологическую модель (уравнения) материала.

2.

Модель трещины, дающую представление о форме трещины и структуре ее концевой области ( зона процесса (M.Wnuk) ).

3.

Критерий разрушения, представляющий условие начала роста трещины.

собой

 В качестве критериев разрушения вязкоупругих тел с трещинами могут быть использованы энергетические, силовые и деформационные. При выборе критериев разрушения следует отдать предпочтение глобальному энергетическому критерию в вариационной формулировке (E.M.Morozov, 1969), так как он в сравнении с другими критериями, позволяет полнее учесть основные особенности разрушения различных типов полимерных материалов.

Глобальный критерий разрушения вязкоупругого тела с трещиной в вариационной формулировке, для трещины с тонкой зоной предразрушения перед трещиной имеет вид (Pestrikov, 1999):  

l

   0 (

t

 ) 2     (

t

) 

dx

1 

a

(

t

 0 )

pu

2 (

x

1 , 0 ,  (

t

))

dx

1 

l a

(

t

  ) (

t

) 0   (

t

) 

u

2 (

x

1 , 0 ,  (

t

))

dx

1     0 , ( 1 ) где

a

(

t

) 

l

(

t

) 

d

(

t

) ,

l

(

t

) - полудлина трещины, зоны предразрушения,  (  (

t

))

d

(

t

) - длина - удельная работа разрушения временного материала.

как функция фактора, от вызывающего воздействия старение

Если предположить, что работа сил в зоне предразрушения (зона процесса, Wnuk) определяет затрату энергии на образование всей трещины, то тогда в уравнении (1) второе слагаемое много меньше третьего. В этом случае уравнение можно записать в более простом виде   2  (  (

t

)) 

l

l a

t

 0   (

t

) 

u

2 (

x

1 , 0 ,  (

t

))

dx

1  0 .( 2 ) В результате получаем локальный энергетический критерий разрушения, записанный в вариационной форме. Если теперь, в (2) варьировать время, параметр  (

t

) 

const

 

d

t

, считая

dt

, то получим форму записи локального энергетического критерия, удобную для практических целей:

a l

  0  

t u

2 (

x

1 , 0 ,  )

dx

1  2  (  )

l

   .( 3 )

 Если в (2) варьировать длину трещины, при тех же допущениях, и учесть условие автомодельности, т.е.

неизменности формы зоны предразрушения,

du dl

2  

du dx

1 2 , то получим: 2  (  (

t

))   0   (

t

)   

l l a t

  

u

2 (

x

1 , 0 ,  )

dx

1  0 .( 4 ) Отсюда следует соотношение, аналогичное известному соотношению  0 

c

 2  для неподвижной трещины:  0 (  (

t

)) 

c

(  (

t

))  2  (  (

t

)), ( 5 ) где 

c

 2

u

2 (  (

t

)) – критическое раскрытие трещины.

 Из (5) после преобразований следует аналог силового критерия Ирвина в виде

K I

(  (

t

)) 

K Ic

(  (

t

)).( 6 ) При исследовании разрушения вязкоупругого тела с трещиной на основе критериев (1)-(6), сначала следует выбрать реологическую модель материала. После этого определить теория перемещения вязкоупругости, в берегов которой трещины связь в вязкоупругом материале. Если выбрана линейная между напряжениями и деформациями производится с помощью интегральных операторов Вольтерра II рода, то вертикальные перемещения берегов трещины могут быть найдены из упругого решения.

Вертикальные перемещения в вязкоупругом теле

 В общем случае запишутся в виде: вертикальные

u

2 

T

    0   (

t

 )   (

x

1 ,

l

(

t

))   , перемещения где  (

x

1 ,

l

(

t

)) - функция силовых и геометрических параметров, а

T

 Вольтерра II рода.

- интегральный оператор типа

Реология материала

 Интегральный материалов в представлен в виде оператор общем для случае вязкоупругих может быть

T

f

(

t

) 

T

0   

f

(

t

) 

t

0 

K

t

  ,  (  ) 

f

(  )

d

    , ( 7 ) где

K

t

  ,  (  )  - ядро ползучести вязкоупругого материала мгновенное равное

T

0  1 

v

2 с нестабильными значение свойствами, интегрального при плоской деформации и

E

при плоском напряженном состоянии.

оператора,

T

0  1

E T

0 -

Рост трещины в стареющем вязкоупругом материале

 Для считать, ряда что конструкционных материалов применение деформационного критерия приводит к большим погрешностям, так как во время роста трещины не соблюдается условие . Изменение раскрытия трещины во время ее роста происходит из-за деформации вблизи вершины трещины. Если затраты энергии на процесс разрушения в основном критерию (Knauss 1969, Wnuk 1971).

равны работе пластических деформаций в вершине трещины, то можно прийти к локальному энергетическому

Критерий разрушения стареющего вязкоупругого тела с трещиной

 Локальный энергетический критерий разрушения вязкоупругого тела с трещиной, для материала с изменяющимися свойствами во времени вид (Pestrikov 1983) : имеет

l L

( (

t t

 ) )  0

x

1

t

 

t u

2 (

x

1 ,

l

(

t

))

dx

1  2   

l

 (

t

) , ( 8 ) где

L

(

t

) 

l

(

t

) 

d

(

t

) ,

d

(

t

) - длина зоны предразрушения (зона процесса Внука)

Уравнение роста трещины в вязкоупругом теле с учетом особенностей старения материала

 Для модели трещины с тонкой структурой концевой зоны (зона процесса Внука) 4

T

0  0 2

l

(

t

  )  

tg

  ln sec    1   1 2 

l

(

t l

 (

t

) )     (

t

) (

t

)  (  2 sec 2 ( 

tg

   ln  

tg

 sec  ) )   1 4

l

(

t

) 

l

(

t

)  

tg

  ln sec   

t t

0   

l L

 (  (  ) )

R

(

t

,  )  (

x

1 ,

l

(  ))

dx

1

d

  , ( 9 )  где определяется из уравнения .

0     0

Критическая длина трещины

Для трещин у которых , критическая длина находится из условия и

c

(

t c l

 (

t

)  

l c

 4

T

0  0 2  

tg

  ln sec 

.( 10 ) Если в уравнении (9) провести преобразования и оставить величины не выше второго порядка малости, то получим уравнение роста макротрещины (

d



l

) в виде

l c l

(

t

)  1  4 3 

d

(

t

) 

l

(

t

)    (

t

) (

t

)  2

l

(

t

)(  1 2 (

t

) / 2 ) 

t t

0

l

(  )  2 (  )

R

(

t

,  )  (

r

)

d

Анализ уравнений роста трещины по двум критериям

 Уравнение кинетики макротрещины, полученное, исходя из локального энергетического критерия (Knauss,Wnuk 1971), отличается от уравнения, полученного по деформационному критерию COD, только на величину   4 3 

d

(

t

)

l

 (

t

)     (

t

) (

t

) .( 11 )  Это различие имеет место только при переменных нагрузках. При постоянных нагрузках   0 и уравнения роста трещин совпадают.

Рост трещины

Диаграммы роста трещин по критерию COD (кривые 2,4) и локальному энергетическому критерию (кривые 3,5) при переменной нагрузке.

Кривая 1 макротрещине при постоянной внешней нагрузке  

const

Критерий завершающего натяжения и медленный рост трещины в вязкоупругом материале

 Желание критерия (COD) расширить критического привели М.

область Внука к применимости раскрытия трещины критерию где  

u

 

u P

точке Р, 

t P

u

x

t

t

,

P t

  

c

структурный 

t

,

t

       

c

4  

E

 

t

 - критическая разность смещений в  

t

t

x

u P

x P

,       

d

 параметр, 

u

x P

,

t

x P

,

t

  1 

t

, 

t

  

dl dt

определяемый ,  и  из эксперимента.

Схематическое изображение процесса разрушения по критерию «завершающего натяжения». 1 – контур трещины в момент времени , 2 – контур трещины в момент времени t. Пунктиром показаны границы зон предразрушения (зона процесса Внука)

Формулировка критерия Внука

 Приращение нормального перемещения v в некоторой точке Р, находящейся внутри области предразрушения перед концом трещины, сохраняется постоянным в течение медленной стадии роста трещины.

Уравнение докритического роста трещины исходя из критерия Внука

d c

d

t

Q

t

 

x P

    

d

 , 

где d(t) длина пластической зоны в момент времени t, и d c

 

K

8 

c

2 2

.

t

0   

K

8  2 2

ВЫВОД:

Критерий «завершающего натяжения» может быть использовать при исследовании разрушения более широкого класса вязкоупругих материалов, нежели COD, в частности, для наноматериалов.

End Thank you!