Perm Journal of Petroleum and Mining Engineering

В настоящее время в конструкциях виброзащитных устройств широкое применение нашли высокоэластические материалы, проявляющие ярко выраженные реологические свойства, способствующие снижению пиковых амплитуд колебаний в резонансных режимах. Проектирование подобных конструкций в современных условиях требует построения математической модели, наиболее ответственной частью которой являются определяющие соотношения для описания вязкоупругого и гиперупругого поведения материала и адекватная методика идентификации материальных констант. Цель данного исследования заключается в построении методики определения вязко-гиперупругих свойств материала на основании данных квазистатических испытаний. При описании гиперупругого поведения материала использовались потенциалы энергии деформации Муни-Ривлина с двумя константами и нео-Гука с учетом сжимаемости, а при учете вязкоупругости функция релаксации раскладывалась в ряды Прони. Получены полуаналитические выражения зависимости напряжений от главных растяжений и времени с учетом вязко-гиперупругого поведения материала в случаях одноосного напряженного и одноосного деформированного состояний. Для выбора оптимального распределения параметров аппроксимации относительных модулей сдвига и диапазона времен релаксации было оценено влияние изменения вязкоупругих параметров на величину гистерезиса и максимальных напряжений в цикле при различной скорости деформирования. Для вычисления параметров аппроксимации материальных свойств рассматривались результаты натурных циклических испытаний на свободное растяжение и сжатие, а также стесненное сжатие. Разработана процедура определения вязко-гиперупругих свойств материала, которая заключается в минимизации разницы между результатами натурных испытаний и вычисленного с помощью построенных полуаналитических выражений значений отклика с использованием метода Нелдера-Мида. В результате были определены гиперупругие и вязкоупругие свойства материала, которые с достаточной точностью согласуются с экспериментальными кривыми. Показано, что потенциал нео-Гука при своей более простой форме позволяет описать данные натурных испытаний наравне с потенциалом Муни-Ривлина с двумя константами. Вычисленные свойства материала были верифицированы на основании сравнения данных испытаний амортизатора и результатов численного моделирования деформирования демпфера.

На основе предложенного Ю.В. Соколкиным подхода к математическому моделированию процессов усталостного разрушения структурно неоднородных сред, в рамках концепции поврежденности Ю.Н. Работнова и Л.М. Качанова в данной работе разработана двухуровневая структурно-феноменологическая модель усталостного накопления повреждений и разрушения неоднородного тела. Подробно рассмотрен переход от наиболее простых критериев и моделей усталости и моделей накопления повреждений к предложенной модели, учитывающей изменение деформационных и прочностных характеристик структурных элементов по мере роста числа циклов воздействия. Приведена постановка краевой задачи деформирования и разрушения структурно неоднородного тела с учетом усталостного накопления повреждений. Разработан алгоритм решения поставленной краевой задачи. Отмечена перспективность применения разработанной модели для прогнозирования долговечности конструкций, их механического поведения на макроуровне после предварительных циклических воздействий, а также рассмотрения кинетики процессов накопления повреждений и разрушения.

В статье приводятся постановки и результаты численной реализации трех этапов прогнозирования напряженно-деформированного состояния полимерных армированных трубопроводов (ПАТ) под действием внутреннего давления с учетом остаточных напряжений, возникающих в процессе изготовления. Для этого на первом этапе построены процедуры прогнозирования эффективных характеристик армированного слоя; на втором этапе решена задача о прогнозировании остаточных технологических напряжений; на третьем этапе решена задача об отыскании напряженно-деформированного состояния под действием внутреннего давления с учетом остаточных технологических напряжений. Решение поставленных задач осуществлено численно, методом конечных элементов. Данное исследование носит поисковый характер, направленный на выявление проблемных зон конструкции ПАТ, формирование и отработку методологии проведения моделирования поведения под действием различных нагрузок. В рамках представленной работы рассмотрены упругие характеристики материалов и стационарные формулировки задач. Рассмотренные задачи позволили провести качественную приближенную оценку напряженно-деформированного состояния ПАТ в процессе изготовления и эксплуатации, выявить закономерности деформирования и зоны возможного разрушения элементов конструкции. Для поиска и формулирования отбракованных характеристик, рекомендаций по монтажу и эксплуатации необходимо реализовать переход к более сложным моделям описания поведения материалов, учитывающих температурные и временные зависимости механических характеристик полиэтилен высокой плотности ПЭ 100 и композиционного материала на его основе.

Решетчатые структуры из биоразлагаемых полимеров (скаффолды) используются в биомедицинских приложениях для замещения поврежденной костной ткани. Для понимания связанных деформационных и биологических процессов, происходящих в микронеоднородном материале, необходимо использование адекватной модели упруговязкопластичности материала. С этой целью предпринято экспериментальное исследование полилактида, включающего следующие программы нагружения: а) несколько циклов одноосного стесненного сжатия с различными скоростями деформирования, б) одноосное свободное сжатие с различными скоростями деформирования, в) одноосное свободное сжатие по программе нагружения с циклами нагружения и разгрузки с выдержками со ступенчатыми повышением максимального напряжения, а также г) одноосное свободное сжатие по треугольным отнулевым циклам нагружения при различных значениях максимального напряжения. Для численного исследования особенностей неоднородного распределения деформаций и напряжений при деформировании решетчатого скаффолда из полилактида сжатием в зависимости от скорости деформирования использована модель упругопластичности с законом упрочнения Джонсона – Кука, константы которой были определены экспериментально по данным испытаний а)-б). Обнаружено, что с увеличением деформаций сжатия образца скаффолда от 2,7 до 10,7 % начинает заметно проявляться зависимость пространственного распределения эквивалентных напряжений и скоростей деформаций от скорости деформации сжатия, приложенной к образцу, в диапазоне изменения от 1,11‧10-4 до 1,11‧10-1 с-1. Это показывает важность учета зависимости упруговязкопластических свойств полилактида от скорости деформации для корректного описания локализации пластической деформации и концентрации напряжений, влияющих на микромеханику различных физико-химических и механических процессов в скаффолдах в условиях эксплуатации. Также установлено, что использованная для описания одноосного нагружения модель упругопластичности качественно описывает поведение сплошных образцов полилактида при их нагружении: релаксацию напряжений на этапах выдержки при превышении напряжения текучести, а также накопление вязкопластических деформаций в циклах (рэтчетинг). Данные эффекты представляются важными для описания деформирования скаффолдов из полилактида в процессах отнулевого циклического нагружения с выдержками при максимальных значениях, повторяющих ходьбу человека.

Изучается напряженно деформированное состояние (НДС) и формоизменение крупногабаритной цилиндрической оболочки из композитного материала, отверждаемой под действием прямого излучения от Солнца и отраженного излучения от Земли в условиях открытого космоса на околоземных орбитах. Особенностью рассматриваемой задачи является изменение механических свойств связующего материала конструкции, обусловленное двумя факторами: изменением температуры и степенью отверждения связующего. Зависимость свойств материала от изменения температуры при фиксированной степени отверждения обратима. Зависимость свойств от степени отверждения необратима. Оба фактора имеют место одновременно и могут быть описаны независимыми кинетическими уравнениями. Целью настоящей работы является разработка численной методики исследования НДС конструкций, учитывающая оба эти фактора. Предлагаемая методика является обобщением модели мгновенного стеклования И.И. Бугакова на случай малых приращений по времени и необратимого изменения материальных характеристик полимера. Методика демонстрируется на изучении НДС крупногабаритной цилиндрической композитной оболочки. Рассматриваются состояния оболочки на низкой околоземной полярной орбите, когда учитывается тепловой поток от Солнца и от Земли, и случай высокой орбиты, когда учитывается нагрев только от Солнца. В обоих случаях из-за необратимого изменения свойств связующего вследствие его отверждения появляются остаточные напряжения и деформации, обусловливающие формоизменение оболочки в виде удлинения или укорочения оси оболочки, ее изгиба и искажения формы поперечного сечения. Предложенная в работе методика исследования НДС конструкций из материалов, свойства которых в процессе нагружения необратимо изменяются, может использоваться при расчете конструкций из композитов не только в условиях космоса, но и при исследовании остаточных напряжений и формоизменения изделий в технологических задачах.

Покрытия на основе формируют сверхтвердый поверхностный слой со сверхнизким коэффициентом трения и перспективны для использовании в парах трения с высокими относительными скоростями трения скольжения. Использование метода лазерной наплавки при нанесении покрытия обеспечивает его прочный адгезионный контакт с металлической матрицей за счет высоких температур обработки. В работе проведен анализ напряженно-деформированного состояния композиционного поверхностного слоя, формирующегося при охлаждении с высокой (до ) скоростью охлаждения. Проанализирована структура покрытия, имеющего аморфно-кристаллическое строение, и ее влияние на напряженное состояние. Установлено, что в аморфной матрице имеются включения кристаллического нитрида бора с характерными размерами 30-50 нм. Далее методами математического моделирования проведен расчет уровня остаточных напряжений для всего цикла термического нагружения. По результатам моделирования выявлен следующий механизм, что последовательная наплавка дорожек (элементов) покрытия приводит к сложному термомеханическому воздействию. В покрытии и в приповерхностном слое металлической матрицы формируются знакопеременные по времени и пространству напряжения. Это приводит к возникновению концентраторов напряжений на границе между отдельными дорожками и развитию поперечных трещин. При этом не прогнозируется значительных напряжений в направлении, перпендикулярном поверхности. Этим объясняется отсутствие трещин вдоль границы «покрытие – матрица» и наблюдаемая в триботехнических испытаниях высокая адгезия покрытия к матрице. Дополнительно исследован вопрос релаксации напряжений и упругой энергии в результате формирования трещин. Прогнозируется снижение упругой энергии на 60–70%, что снижает остаточные напряжения до уровня 400–500 МПа. Полученные результаты применимы для оптимизации режимов лазерной обработки с целью получения покрытий с наименьшим уровнем остаточных напряжений.