Монография посвящена вопросам численного моделирования деформирования и разрушения волокнистых композиционных материалов и расчетно-экспериментальной оценке трещиностойкости элементов конструкций. Представлены экспериментальные результаты исследований характеристик трещиностойкости бороалюминиевого композита. Для научных работников и специалистов, занимающихся проблемами прочности. разрушения и проектирования конструкций из композиционных материалов. а также аспирантов и студентов вузов.

Предложен и развит подход к численному решению прикладных задач разрушения прочных сред и твердых тел, основанный на идеях эволюции и самоорганизации нелинейных систем в процессе нагружения. Предложенная методика позволяет рассматривать катастрофические явления как развитие событий в режимах с обострением. Нагружаемая полем сил тяжести геосреда, в том числе содержащая различные полости антропогенного происхождения (скважины, штреки и лавы в шахтах, различные подземные сооружения), рассматривается как нелинейная динамическая блочная система, эволюционирующая в поле сил по законам синергетики. Механическое поведение таких нелинейных динамических систем исследуется с континуальной макроскопической точки зрения, что позволяет эффективно использовать подходы и численные методы механики сплошных сред для моделирования процессов деформации и разрушения. На высокопроизводительном вычислительном кластере выполнены расчеты эволюции состояния и обрушения кровли над выработанным пространством в зависимости от скорости подвигания забоя. Показано, что при высоких скоростях подвигания забоя реализуются существенно неравновесные режимы эволюции нагруженного массива, в результате чего зависают протяженные участки пород покрывающей толщи, что может привести к их катастрофическому обрушению.

Исследована эволюция зоны пластичности вблизи конца трещины нормального отрыва в малоуглеродистой стали. Построены распределения компонент тензора пластической дисторсии для разных стадий развития трещины.

В рамках нелинейного многоуровневого подхода показано, что в основе генерации деформационных дефектов при пластической деформации и трещин при разрушении лежат масштабные уровни локальной кривизны кристаллической структуры твердых тел. Деформационные дефекты генерируются на интерфейсах 2D планарных и 3D кристаллических подсистем механизмом «лазерной накачки». Трещины зарождаются как структурно-фазовый распад кристаллической структуры в зонах локальной кривизны, где неравновесный термодинамический потенциал Гиббса оказывается больше нуля. Нелинейная механика разрушения исключает проблему сингулярности 1/r в уравнении распространяющейся трещины, но должна учитывать локальную кривизну кристаллической решетки в вершине трещины при ее зарождении и распространении.

In the paper, we use the nonlinear multiscale approach of physical mesomechanics to demonstrate that the scales of local crystal structure curvature in solids play a fundamental role in the generation of strain-induced defects and cracks. It is shown that strain-induced defects arise at the interfaces of 2D planar and 3D crystal subsystems by the mechanism of “laser pumping” and cracks nucleate as structural phase decay in the zones of crystal structure curvature where the nonequilibrium thermodynamic potential or so-called Gibbs energy is higher than zero. Nonlinear fracture mechanics eliminates the problem of singularity Mr in equations of crack growth but requires accounting for local lattice curvature at the crack tip.

Исследованы закономерности макролокализации пластической деформации на параболической стадии деформационного упрочнения циркониевых сплавов Э635 и циркалой-2. Обнаружена неустойчивость пластического течения, которая проявляется в периодическом изменении пространственно-временной картины распределения локальных деформаций, наблюдаемой с использованием метода спеклинтерферометрии. Полученные результаты обсуждаются в рамках синергетической модели эволюции пластического течения на его завершающей стадии.

Методами лазерной спеклинтерферометрии и профилирования поверхности исследованы закономерности макролокализации пластической деформации при одноосном растяжении циркониевых сплаво с гексагональной плотноупакованной структурой. Установлено, что возникновение колебательной неуйстойчивости на параболической стадии пластического течения сплавов циркония обусловлено локальным неоднородным изменением формы деформируемого образца. Показано, что кинетика процесса определяется колебательным изменением деформаций сужения и удлинения в очаге макролокализации в режиме упрочнения-разупрочнения.

Исследованы мезоскопические масштабные уровни пластической деформации поверхностных слоев поликристаллов свинца, его сплавов с малорастворимыми элементами, алюминия и титана при знакопеременном изгибе. Обнаружены новые механизмы пластического течения на мезоуровне: расслоение материала в зонах стесненной деформации на ламели и их взаимное смещение (свинец и его сплавы), самосогласованное гофрирование поверхностного слоя в иерархии мезомасштабных уровней деформации (алюминий), аномально большие вертикальные смещения мезоблоков поверхностного слоя с формированием двухуровневой клеточной структуры (титан с наводороженным поверхностным слоем). На основе многоуровневого подхода делается заключение, что механизмы деформации поверхностных слоев твердых тел на мезоуровне при знакопеременном изгибе определяются самосогласованием поворотных мод деформации в поверхностных слоях и «шахматным» распределением нормальных и касательных напряжений на границе раздела «поверхностный слой – подложка».

Исследованы макроскопические картины локализации пластического течения в металлах и сплавах с ГЦК-, ОЦК- и ГПУ- кристаллическими решетками. Установлено, что пластическая деформация во всех случаях протекает локализовано на всем протяжении процесса деформирования. Тип наблюдаемых картин локализации определяется законом деформационного упрочнения, действующим на соответствующей стадии процесса. Показано, что картины макролокализации пластического течения имеют автоволновой характер. Прослежена эволюция картин локализации вдоль кривой пластического течения в исследованных материалах. рассмотрена кинетика развития локализации пластического течения на стадии предразрушения.

The paper studies the mechanical properties and configuration of plastic zones in notched high-strength structural steel under tension. Quantitative analysis of the plastic zones is made by constructing strain intensity distribution patterns with the use of the television-optical measuring complex TOMSC. Fracture associated with plastic flow is analyzed by comparing fractographs and distributions of strain characteristics. It is found that the fracture originates in a region with maximum strain intensity. It is shown that the mechanisms of plastic flow in high-strength steel specimens with P <1.58 and P > 4.65, where P is the index of initial stress stiffness, differ considerably. It is demonstrated that the high-strength steel specimens are fractured by quasibrittle mechanisms; however, ductile micromechanisms through pore nucleation and growth remain operative at all stages of fracture.

В монографии рассматривается решение комплексной проблемы динамики и прочности, связанной с разработкой и развитием аппарата математического и компьютерного моделирования нелинейных волновых процессов взаимодействия деформируемых тел с грунтовыми средами. В книге приведены методы идентификации параметров математических моделей динамического деформирования грунтовых сред в широком диапазоне изменения давлений и скоростей деформаций, а также произведено экспериментально-теоретическое исследование нестационарных процессов высокоскоростного удара и наклонного проникания тел вращения в сжимаемые пористые среды при использовании точных решений и данных численных и физических экспериментов, Монография предназначена научным работникам, аспирантам и студентам, специализирующимся в области математического моделирования при решении динамических задач механики сплошных сред.

В работе на примере алюминиевых сплавов, обладающих начальной анизотропией упругих и пластических свойств, проведено численное моделирование ударного нагружения анизотропной преграды с использованием различных условий пластичности. Упругопластическое деформирование анизотропной преграды моделируется в трехмерной постановке методом конечных элементов на основе теории течения. Показано, что с увеличением скорости нагружения с 300 до 600 м/с влияние выбора условия пластичности на результаты расчетов напряженно-деформированного состояния анизотропной преграды возрастает.

В работе рассмотрено влияние на результаты численного моделирования ударного нагружения алюминиевой преграды стальным деформируемым ударником анизотропии упругих и пластических характеристик материала преграды. Результаты расчетов получены методом конечных элементов в трехмерной постановке. Показано, что анизотропия упругих и пластических свойств материала проявляется в различной степени в зависимости от кинематических и геометрических параметров нагружения.

В работе проведено исследование влияния учета кинематического упрочнения на напряженно-деформированное состояние преграды при ее ударном нагружении. Упругопластическое деформирование анизотропной преграды моделируется в трехмерной постановке в рамках механики сплошной среды на основе теории течения. На примере транстропного алюминиевого сплава Д16Т численно моделируется поведение упрочняющегося начально анизотропного материала преграды методом конечных элементов. Показаны характер и особенности распределения зон изменения пределов пластичности материала на растяжение и сжатие в преграде при ее ударном нагружении.

Процесс изнашивания рассматривается как стохастический процесс, протекающий в поверхностных слоях контактирующих тел и включающий выкрашивание микрочастиц, их стохастический транспорт, а также процессы наносварки. Результаты исследования позволяют идентифицировать параметры макроскопической модели на основе моделирования процессов на наноуровне и тем самым осуществить переход от нано- к макроуровню.

Численно моделируется воздействие импульса сжатия на элемент ракетного двигателя на твердом топливе. Анализируется напряженно-деформируемое состояние топлива и оболочки.

В работе исследуется влияние нелинейных эффектов поверхностной неравновесной активации и внутренних механических напряжений, наблюдаемых в процессах электронно-лучевой модификации TiNi-сплавов, на диффузию кислорода из адсорбционного слоя вглубь материала. Предложенная математическая модель включает уравнения теплопроводности, диффузии и кинетики с соответствующими импульсной электронно-лучевой обработке начальными и граничными условиями. Приводятся оценки кинетических параметров. Рассчитываются распределения температуры, концентрации и напряжений по пространству и времени для широкой области изменения параметров. Определяется глубина зон прогрева и диффузии, проводится сравнение результатов с учетом активации и без нее.

В работе исследуются процессы деформации и разрушения материала с покрытием при динамическом воздействии на поверхность. Краевая задача механики решается численно методом конечных разностей в постановке плоской деформации. Для описания механической реакции стальной основы и боридного покрытия используются модели упругопластической среды с изотропным упрочнением и упругохрупкого разрушения соответственно. Геометрия границы раздела "покрытие - подложка" соответствует экспериментально наблюдаемой и учитывается в расчетах явно. проведены численные эксперименты для различных скоростей воздействия на поверхность. Показано, что характер разрушения покрытия существенно зависит от скорости деформирования. При низких скоростях динамического сжатия трещины зарождаются только в областях объемного растяжения и распространяются в направлении приложения нагрузки, а при высоких скоростях воздействия разрушение происходит по смешанному механизму и развивается преимущественно в направлении действия максимальных касательных напряжений.

Численно моделируется взаимодействие одно- и двухслойных оболочек с компактным ударником из изотропной стали. Материал оболочек — ортотропный органопластик, оси симметрии ортотропного материала ориентированы относительно расчетной системы координат под различными углами. При этом тензоры упругих постоянных и тензоры прочности пересчитываются. В качестве критерия разрушения органопластика используется критерий Ву, учитываются различные прочностные характеристики органопластика на растяжение и на сжатие. Для различных скоростей соударения исследовано влияние ориентации свойств материала на процессы разрушения в ортотропном органопластике.??.

Предложена модель диффузионного взаимодействия имплантата с многослойным покрытием и физиологического раствора. Эта модель представляет собой сопряженную задачу многокомпонентной диффузии. Принято условие малости коэффициентов диффузии в твердой фазе по сравнению с жидкостью, что позволило пренебречь распределением концентраций элементов в физиологическом растворе. Проанализированы частные варианты модели. Определены поля концентраций в твердой фазе и среднее содержание концентраций в растворе в различные моменты времени при варьировании параметров модели. В реальной ситуации варьирование коэффициентов диффузии достигается за счет изменения состава покрытий.????.

В настоящей работе с позиций физической мезомеханики численно исследуются процессы формирования деформационного рельефа на поверхности структурно-неоднородных материалов на примере поликристаллических материалов и материалов с покрытиями. В трехмерной постановке исследовано напряженно-деформированное состояние в объеме и на поверхности материалов в условиях одноосного растяжения. Проанализировано влияние внутренних границ раздела на процессы, происходящие на поверхности. Показана роль внутренней структуры в процессе формирования деформационного рельефа на свободной поверхности.

Для описания катастрофических сейсмических явлений представлен подход, основанный на идеях эволюции геосреды в полях действующих сил. Обсуждены недостатки существующих моделей очага землетрясений, а также ключевые положения и особенности эволюционной модели. На примерах проведенных численных расчетов показано, что разные элементы нагружаемых геосред эволюционируют как типичные нелинейные синергетические системы.

В монографии представлены результаты многолетних исследований автора. В первой части изложены основных закономерности деформирования и разрушения при однократном, мало-, многоцикловом, длительном статическом и длительном циклическом нагружении. В качестве базовых использованы деформационные критерии разрушения. Отмечена важность детального анализа перераспределения упругих и упругопластических деформаций в зонах концентрации напряжений и в зонах трещин. Достижение предельных состояний определяется по условиям линейного суммирования квазистатических и усталостных повреждений. При оценках прочности и ресурса учтено действие поверхностных контактных нагрузок и влияние среды. Книга предназначена для исследователей, конструкторов, технологов, преподавателей, аспирантов и студентов, специализирующихся в области механики деформируемого твердого тела, динамики, прочности, надежности и безопасности машин и конструкций.

Предложена методика оценки прочностных свойств пористого керамического покрытия. Подход основан на анализе результатов предварительных тестов по индентированию покрытия с дефектами различного размера и глубины залегания. Исследования проведены с помощью компьютерного моделирования в рамках совмещения методов дискретного подхода (метод подвижных клеточных автоматов) и континуального описания (метод конечных разностей). Найдены соотношения, связывающие такие параметры поры, как длина и глубина ее залегания в покрытии, с критическими напряжениями, соответствующими разрушению покрытия. Предложенный подход может быть использован для исследования прочностных свойств поверхностных слоев материалов и прогнозирования критических напряжений в области контакта.

В работе исследованы особенности деформирования и разрушения материала с покрытием при растяжении и сжатии с различными скоростями. Краевая динамическая задача в постановке плоской деформации решается численно методом конечных разностей. Структура композита экспоненциально возрастает с увеличением скорости деформирования при сжатии и слабо меняется при растяжении. Показано, что чем выше скорость деформирования, тем менее интенсивно разрушено покрытие при сжатии, и тем более интенсивно при растяжении.

Предложена модель инициирования реакции разложения жидкого углеводорода в окрестности одиночной частицы, нагреваемой СВЧ-излучением. На основе проведенных численных экспериментов получена аналитическая зависимость критического размера частиц от плотности мощности, времени действия импульса СВЧ-генератора и соотношения теплоемкостей и плотностей частиц и реагента.

Монография известного французского механика Х. Д. Бьюи посвящена решению обратных задач, встречающихся в механике деформируемого твердого тела. Монография отражает опыт французской школы механиков, накопленный в Политехнической школе Парижа и корпорации Электрисите де Франс. В книге приведены самые последние достижения в области решения обратных задач механики разрушения. Обсуждаются энергетические аспекты разрушения и термодинамика распространения трещин, представлены как классические решения плоских задач механики трещин, так и новые решения задач механики разрушения обратных геометрических задач о трещине с кулоновским трением между ее берегами, пространственных задач и задач нелинейной механики разрушения. Рассматриваются краевые задачи о трещинах, заполненных жидкостью (потоки жидкости в трубах и элементах конструкций, гидравлическое растрескивание горных пород в нефтедобывающей отрасли, взаимодействие жидкости и тела с трещиной), которые имеют многочисленные приложения в инженерной науке и материаловедении. Представлены решения геометрических обратных задач, основанные на применении функционала взаимности: решения задач идентификации дефектов в твердых телах. Обсуждаются методы решения обратных задач: методы регуляризации, регуляризация Тихонова, подходы, базирующиеся на теории оптимального контроля, стохастические методы обращения. Большое внимание уделяется использованию симметрии в двойственности в механике деформируемого твердого тела. Книга предназначена ученым-механикам, инженерам-исследователям, аспирантам и студентам вузов, специализирующимся в области механики деформируемого твердого тела.

Разработана феноменологическая модель прерывистой текучести, в которой макроскопическая скорость пластической деформации определяется кинетикой дислокаций. В модели учтены деструктивные процессы, обусловленные накоплением повреждений сдвигового и объемного характера. В основе модели лежат уравнения механики деформируемого твердого тела и определяющие уравнения релаксационного типа. Нагружаемое упругопластическое тело рассматривается как нелинейная динамическая система, эволюция которой по законам синергетики в существенной мере определяется отрицательными и положительными обратными связями. В развиваемом подходе эти связи реализуются через определяющие уравнения первой группы (релаксационные уравнения) и определяющие уравнения второй группы (кинетические уравнения, задающие скорости накопления деформационных дефектов и повреждений). Отрицательная обратная связь за счет релаксации стабилизирует деформационный процесс к некоторому состоянию локального динамического равновесия. Положительная обратная связь дестабилизирует процесс, приводя систему в критическое состояние. Численный эксперимент выполнен в 2D- и 3D-постановках. Статистический анализ флуктуаций напряжений от среднего тренда показал, что модель упругопластической среды в состоянии прерывистой текучести демонстрирует характерную для нелинейных динамических систем эволюцию через состояния динамического хаоса и самоорганизованной критичности к глобальной катастрофе.

В работе исследованы особенности локализации разрушения композита «стальная основа - боридное покрытие» при растяжении. Краевая динамическая задача в постановке плоской деформации решается численно методом конечных разностей. Криволинейная граница раздела «подложка - покрытие» соответствует экспериментально наблюдаемой и задается в расчетах явно. Определяющие соотношения учитывают упругопластическую реакцию стальной подложки с изотропным упрочнением и хрупкое разрушение покрытия. Выявлена стадийность процесса пластического течения. Показано, что локализация напряженного состояния на третьей стадии развивается в нелинейном режиме. Установлено, что место разрушения зависит от прочности покрытия.

В работе исследован процесс формирования рельефа на изначально плоской поверхности материала с покрытием при растяжении. Краевая динамическая задача механики решается численно методом конечных разностей в постановке плоской деформации. Криволинейная граница раздела «покрытие - подложка» задается в расчетах явно. Для описания механической реакции стальной основы и покрытий используются модели упругопластической среды с изотропным упрочнением и упругохрупкого разрушения. Установлена зависимость формы и амплитуды деформационного рельефа на поверхности композиции от толщины упругого и прочного пластичного покрытий с синусоидальной границей раздела «покрытие — подложка».

We study the problem of wear of a rotationally symmetric profile subjected to oscillations with small amplitude. Under these conditions, sliding occurs at the boundary of the contact area while the inner parts of the contact area may still stick. In a recent paper, Dimaki with colleagues proposed a numerically exact simulation procedure based on the method of dimensionality reduction (MDR). This drastically reduced the simulation time compared with conventional finite element simulations. The proposed simulation procedure requires carrying out the direct and the inverse MDR transformations in each time step. This is the main time consuming operation in the proposed method. However, solutions obtained with this method showed a remarkable simplicity of the development of wear profiles in the MDR space. In the present paper, we utilize these results to formulate an approximate model, in which the wear is simulated directly in the onedimensional space without using integral transformations. This speeds up the simulations of wear by further several orders of magnitude.

Методами численного моделирования исследовано влияние размера зерна на характеристики деформационного рельефа, возникающего на поверхности поликристаллических образцов в условиях одноосного растяжения. Показано, что размер зерна влияет на высоту и ширину рельефных складок, возникающих на свободной поверхности. Проведен анализ эволюции рельефных образований в процессе нагружения с использованием методов математической статистики.The paper reports on numerical study that shows that the grain size affects qualitative and quantitative characteristics of the deformation relief formed on the surface of polycrystalline specimens under uniaxial tension. The evolution of relief patterns under loading is analyzed by methods of mathematical statistics.

In the work, we experimentally determined the characteristic prefracture time of gabbro specimens in three-point bending. The obtained prefracture time was used to estimate the parameters in a model of brittle and quasibrittle material. Based on the verified model, numerical modeling was performed to describe the stress-strain evolution in gabbro specimens under three-point bending. The experiment and numerical calculations show that the final deformation stage involves beam deflection in blowup mode.

We study the problem of wear of a rotationally symmetric profile subjected to oscillations with small amplitude. Under these conditions, sliding occurs at the boundary of the contact area while the inner parts of the contact area may still stick. In a recent paper, Dimaki with colleagues proposed a numerically exact simulation procedure based on the method of dimensionality reduction (MDR). This drastically reduced the simulation time compared with conventional finite element simulations. The proposed simulation procedure requires carrying out the direct and the inverse MDR transformations in each time step. This is the main time consuming operation in the proposed method. However, solutions obtained with this method showed a remarkable simplicity of the development of wear profiles in the MDR space. In the present paper, we utilize these results to formulate an approximate model, in which the wear is simulated directly in the one-dimensional space without using integral transformations. This speeds up the simulations of wear by further several orders of magnitude.

В работе представлено обобщение метода построения регулярных сеток на трехмерную область на основе уравнений механики деформируемого твердого тела, описывающих деформацию конечного объема. Представлены расчеты разрушения керамических композитов с включениями на основе разработанной модели квазихрупкой среды с учетом накопления повреждений.

The paper studies the formation of strain-induced roughness on an initially flat surface of materials with a modified surface layer in tension. The dynamic boundary value problem of mechanics is solved numerically by the finite difference method for plane strain. The curvilinear surface layer substrate interface is specified explicitly in the calculations. The mechanical response of the steel substrate and surface layer is described by elastoplastic models with isotropic hardening and elastic-brittle fracture models, respectively. The surface roughness shape and amplitude are found to depend on the thickness of both elastic and high-strength plastic layers with sinusoidal geometry of the hardened layer-substrate interface.

Предложена математическая модель разложения горючих сланцев при их нагреве электромагнитным полем. Численно проанализировано влияние пористости на температуру твердого скелета сланца и продуктов разложения. Показано, что значение пористости незначительно влияет на температуру скелета, но существенно на образование газообразных продуктов.

The regular grid generation method was generalized for a 3D region based on the solid mechanics equations that describe deformation of a finite volume. Test calculations of fracture of ceramic composites with inclusions are represented which are based on the developed model of quasi-brittle media with regard to damage accumulation.

Предложена математическая модель кинетики разложения горючих сланцев при их нагреве. Сланец представляется твердым пористым каркасом, разлагающимся при нагреве с образованием твердых и газообразных продуктов. Модель включает две параллельных реакции и учитывает явление межфазного массообмена. Осуществлено сравнение результатов численного моделирования с данными экспериментов.

Исследуются особенности развития упругой и пластической деформации в материале непосредственно после прекращения активной фазы нагружения. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что в зависимости от величины деформации, достигнутой на этапе активного нагружения, релаксация кристалла может развиваться различными путями. Так, в работе выявлен интервал значений деформации, особенностью которого является состояние неустойчивого равновесия кристаллической решетки, когда небольшие изменения степени сжатия приводят к существенному изменению характера формирования полос локализации атомных смещений. Полученные результаты могут иметь существенное значение при изучении влияния "инерционности" процесса структурных изменений материала на развитие пластической деформации.