Application of the Experimental-Calculation Approach for Identification of Deformation and Strength Characteristics of Elastic-Plastic Materials under Quasi- Static and Dynamic Loading

Abstract


The paper presents numerical and experimental studies of deformation and fracture processes of 10G2FBU and St35 steels under various types of quasi-static and dynamic loadings: tension of a solid rod and M8 bolts with smooth and threaded working parts, as well as compression of compact cylindrical specimens. The developed experimental-calculation techniques are described in detail and shown schematically for quasi-static and dynamic true strain diagrams in tensile and compression experiments. Application of these techniques made it possible to determine quasi-static and dynamic true strain diagrams for steels 10G2FBU and St35. The obtained quasi-static deformation diagrams of 10G2FBU steel in tension and compression practically coincide. It was found that in the construction of true strain diagrams for 10G2FBU steel, the strain rate at values above 500 1/s has a significant influence. A coupled fracture model based on the kinetic equation of damage accumulation in combination with the strength criterion of the Pisarenko-Lebedev type is proposed and implemented to investigate and describe the deformation and fracture processes of elastoplastic materials. Based on the experimental-calculation approach, a new methodology for fitting material parameters for the proposed fracture model is developed. Accordingly, the material parameters of the coupled fracture model for St35 steel are determined. The results of numerical modeling of the fracture process of M8 bolts with smooth and threaded working part under quasi-static tension show a quantitative and qualitative correspondence of the type and character of fracture with the experiment. The joint application of the experimental-calculation approach and the proposed coupled fracture model allows a more accurate description of the deformation and fracture processes of elastic-plastic materials.

Full Text

На сегодняшний день известен широкий набор математических моделей нелинейного деформирования и разрушения упругопластических материалов при квазистатическом и динамическом нагружении. Для применения этих моделей требуются достоверные истинные диаграммы деформирования упругопластических материалов вплоть до разрушения образцов. Получить истинные диаграммы деформирования с помощью экспериментальных измерений крайне сложно, так как при испытаниях лабораторные образцы подвергаются неодноосному и неоднородному напряженно-деформированному состоянию (НДС), а также существенному влиянию краевого эффекта, сил трения и радиальной инерции в экспериментах на растяжение и ударное сжатие. Обычно определение деформационных характеристик материала выполняется с использованием экспериментально-аналитических методик [1-16], которые основаны на упрощающих гипотезах. Эти методы не позволяют в полной мере учесть при больших деформациях неодноосность и неоднородность НДС в экспериментах, как на растяжение, так и на сжатие компактных образцов при квазистатических и динамических нагружениях. В связи с этим для определения и исследования деформационных и прочностных свойств материалов актуально развитие экспериментально-расчетного подхода [17-22], позволяющего в отличие от экспериментально-аналитических методов без принятия упрощающих гипотез учесть неодноосность и неоднородность НДС. На основе экспериментально-расчетного подхода [17] авторами были разработаны методики и алгоритмы исследования деформационных и прочностных характеристик упругопластических материалов при различных видах нагружения [18-22]. Из анализа современных работ [23-25] по моделированию процессов разрушения можно сделать вывод о том, что на сегодняшний момент не существует универсального подхода или модели, описывающей процессы разрушения в полном объеме. Исходя из многообразия факторов и причин разрушения материалов, вместо создания громоздких моделей, описывающих все известные на сегодняшний день эффекты на основе единых кинетических уравнений, более целесообразным является создание некоторой составной модели поврежденного материала, состоящей из более простых, формально независимых моделей. Предлагается связанная модель разрушения на основе кинетического уравнения накопления повреждений в сочетании с критерием прочности типа Писаренко–Лебедева. Данный критерий разрабатывался для описания предельных состояний именно квазихрупких материалов, но в дальнейшем успешно использовался и для пластичных материалов. При этом критерий позволяет учитывать особенности свойств материала и его склонность к последовательному разрушению отрывом и сдвигом. В рамках развития экспериментально-расчетного подхода разработана методика идентификации материальных параметров предложенной модели разрушения. Этот подход предполагает проведение совместного анализа результатов эксперимента и полномасштабного (в рамках механики сплошных сред) компьютерного моделирования процессов деформирования лабораторных образцов или элементов конструкций без принятия априорных силовых и кинематических гипотез. Представляется возможным строить предельную поверхность разрушения в зависимости от вида НДС, определенного в численных расчетах на момент разрушения. Высокая информативность и точность получения деформационных и прочностных характеристик материалов позволит повысить уровень достоверности диагностики состояния и прочности элементов конструкций, находящихся в условиях эксплуатации

About the authors

V. G Bazhenov

Researcher Institute of Mechanics, National Research Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod, Nizhni Novgorod, Russia

A. Yu Konstantinov

Researcher Institute of Mechanics, National Research Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod, Nizhni Novgorod, Russia

S. S Kukanov

FGUP RFYAC-VNIIEF, Sarov, Russia

D. L Osetrov

Researcher Institute of Mechanics, National Research Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod, Nizhni Novgorod, Russia

A. A Ryabov

Sarov Engineering Center, Satis, Russia

References

  1. Nadai A. Plastichnost' i razrushenie tverdykh tel [Theory of flow and fracture of solids]. Per. s angl. pod red. G.S. Shapiro. M.: Izd-vo inostr. Lit., 1954, Vol. 1, 647 p
  2. Bridzhmen P. Issledovaniia bol'shikh plasticheskikh deformatsii i razrusheniia [Studies in large plastic flow and fracture]. M.: Izd-vo inostr. lit., 1955, 444 p
  3. Malinin N.N. Prikladnaia teoriia plastichnosti i polzuchesti: uchebnik dlia studentov vuzov [Applied theory of plasticity and creep: textbook for university students]. M.: Mashinostroenie, 1975, 400 p
  4. Zhang Z. L., Odegard J., Hauge M. P., Thaulow C. A notches cross weld tensile testing method for determining true stress-strain curves for weldments. Engineering Fracture Mech, 2002, №69, pp. 353-366
  5. Zhang Z. L., Odegard J., Hauge M. P., Thaulow C. Determining material true stress-strain curve from tensile specimens with rectangular cross-section. Int. J. Solids and Struct, 1999, № 36, pp. 3497-3516
  6. Zhang Z. L., Odegard J., Sovik O. P. Determining true stress-strain curve for isotropic and anisotropic materials with rectangular tensile bars: method and verifications. Comput. Mater. Sci., 2001, Vol. 20, № 1, pp. 77-85
  7. Zhang Z. L., Odegard J., Sovik O. P., Thaulow C. A study on determining true stress-strain curve for anisotropic materials with rectangular tensile bars. Int. J. Solids and Struct., 2001, Vol. 38, № 26-27, pp. 4489-4505
  8. Choung, J.M., Cho, S.R. Study on true stress correction from tensile tests. Journal of Mechanical Science and Technology, 2008, Vol. 22, pp. 1039–1051
  9. Enami K., The effect of compressive and tensile prestrain on ductile fracture initiation in steels. Engineering Fracture Mechanics, 2005, Vol. 72, pp. 1089-1105
  10. Roy S., Grigory S., Smith M., Kanninen M.F., Anderson M., Numerical simulations of full-scale corroded pipe tests with combined loading. Journal of Pressure Vessel Technology, 1997, Vol. 119, pp. 457-466
  11. Miyazaki K., Nebu A., Kanno S., Ishiwata M., Hasegawa K., Study on fracture criterion for carbon steel pipes with local wall thinning. JHPI, 2002, Vol. 40, pp. 62-72
  12. Cabezas E.E., Celentano D.J., Experimental and numerical analysis of the tensile test using sheet specimens. Finite Elements in Analysis and Design, 2004, Vol. 40, pp. 555-575
  13. Mirone G., A new model for the elastoplastic characterization and the stress–strain determination on the necking section of a tensile specimen. International Journal of Solids and Structures, 2004, Vol. 41, pp. 3545-3564
  14. Davidenkov N.A., Spiridonova N.I. Analiz napriazhennogo sostoianiia v sheike rastianutogo obraztsa [Analysis of the stress state in the neck of the tensile specimen]. Zavodskaia laboratoriia, 1945, №6, pp .583-593
  15. Kazakov D.A., Zhegalov D.V. Ispol'zovanie tekhnologii tsifrovoi fotos"emki dlia izucheniia polei deformatsii [Using digital photography techniques to study deformation fields]. Problems of Strength and Plasticity, 2007, № 69, pp. 99-105
  16. Vladimirov S. A., Degtiarev V. P., Agal'tsov V. I. Matematicheskoe modelirovanie mekhanicheskikh svoistv metallov i splavov pri bol'shikh deformatsiiakh [Mathematical modeling of mechanical properties of metals and alloys at large deformations]. Izv. RAN. MTT, 2007, № 1, pp. 145-159
  17. Bazhenov V.G., Zefirov S.V., Kramarev L.N., Osetrov S.L., Pavlenkova E.V. Sposob opredeleniia deformatsionnykh i prochnostnykh svoistv materialov pri bol'shikh deformatsiiakh i neodnorodnom napriazhenno-deformirovannom sostoianii [Method for determination of deformation and strength properties of materials at large deformations and inhomogeneous stress-strain state]. Patent na izobretenie №2324162. Zaiavka №2006115805. Opublikovano 10.05.2008, biull.№13
  18. Bazhenov V.G., Zefirov S.V., Osetrov S.L. Metod identifikatsii deformatsionnykh i prochnostnykh svoistv metallov i splavov [Method of identification of deformation and strength properties of metals and alloys]. Russian Metallurgy, 2007, № 3, pp. 43-48
  19. Bazhenov V.G., Zefirov S.V., Kramarev L.N., Pavlenkova E.V. Modelirovanie protsessov deformirovaniia i lokalizatsii, plasticheskikh deformatsii pri kruchenii-rastiazhenii tel vrashcheniia [Modeling of deformation and localization processes, plastic deformations at torsion-tension of bodies of rotation]. Journal of Applied Mathematics and Mechanics, 2008, Vol. 72, № 2, pp. 342-350
  20. Bazhenov V.G., Zefirov S.V., Osetrov S.L. Eksperimental'no-raschetnyi metod postroeniia istinnykh diagramm deformirovaniia pri bol'shikh deformatsiiakh na osnove ispytanii na tverdost' [Experimental-calculation method for constructing true strain diagrams at large deformations based on hardness tests]. Doklady akademii nauk, 2006, Vol. 407, №2, pp. 183-185
  21. Bazhenov V.G., Baranova M.S., Osetrov D.L., Riabov A.A. Metod opredeleniia sil treniia v eksperimentakh na udarnoe szhatie i postroenie dinamicheskikh diagramm deformirovaniia metallov i splavov [Method of determination of friction forces in shock compression experiments and construction of dynamic diagrams of deformation of metals and alloys]. Doklady Akademii nauk, 2018, Vol. 481, № 5, pp. 490-493
  22. Bazhenov V.G., Kazakov D.A., Kukanov S.S., Osetrov D.L., Riabov A.A. Analiz metodov postroeniia istinnykh diagramm deformirovaniia uprugoplasticheskikh materialov pri bol'shikh deformatsiiakh [Analysis of methods for constructing true deformation diagrams of elastic-plastic materials at large deformations]. PNRPU Mechanics Bulletin, 2023, № 4, pp. 12-22
  23. Volegov P.S., Gribov D.S., Trusov P.V. Povrezhdennost' i razrushenie: klassicheskie kontinual'nye teorii [Damage and destruction: classical continuum theories]. Physical Mesomechanics, 2015, Vol. 18, № 4, pp. 68-86
  24. Volkov I.A., Korotkikh Iu.G. Uravneniia sostoianiia viazkouprugoplasticheskikh sred s povrezhdeniiami [Equations of state of viscoelastic-plastic media with damage]. M: FIZMATLIT, 2008, 424 p
  25. Sadyrin A.I. Modeli nakopleniia povrezhdenii i kriterii razrusheniia konstruktsionnykh uprugoplasticheskikh materialov pri dinamicheskom nagruzhenii [Damage accumulation models and failure criteria for structural elastoplastic materials under dynamic loading]. Problems of Strength and Plasticity, 2012, Vol. 74, pp. 28-39
  26. Pisarenko G.S., Lebedev A.A. Deformirovanie i prochnost' materialov pri slozhnom napriazhennom sostoianii [Deformation and strength of materials under complex stress state]. Kiev: Naukova dumka, 1976, 415 p
  27. B.L. Glushak and others. Razrushenie deformiruemykh sred pri impul'snykh nagruzkakh [Fracture of deformable media under pulse loads]. N. Novgorod: NNGU, 1992, 193 p
  28. Lemaitre J. Damage Mechanics. Paris: Rhe Bath Press, 1990, 556 p
  29. Chausov N.G. and others. Osobennosti deformirovaniia plastichnykh materialov pri dinamicheskikh neravnovesnykh protsessakh [Features of deformation of plastic materials under dynamic non-equilibrium processes]. Zavodskaia laboratoriia. Diagnostika materialov, 2009, Vol. 75, № 6, pp. 52 – 59
  30. Lemetr Zh. Kontinual'naia teoriia povrezhdeniia, ispol'zuemaia dlia rascheta razrusheniia plastichnykh materialov [Continuum damage theory used to calculate the fracture of ductile materials]. Journal of Basic Engineering. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers. Series D, 1985, Vol. 108, № 1, pp. 91 – 98
  31. Lebedev A.A., Chausov N.G., Bogdanovich A.Z. Otsenka predel'nykh povrezhdenii v materialakh pri staticheskom nagruzhenii s uchetom vida napriazhennogo sostoianiia [Estimation of ultimate damage in materials under static loading taking into account the type of stress state]. Strength of Materials, 2002, №. 2, pp. 35 – 40
  32. Kukudzhanov V.N. Sviazannye modeli uprugoplastichnosti i povrezhdennosti i ikh integrirovanie [Coupled elastic-plasticity and damage models and their integration]. Mechanics of Solids, 2006, № 6, pp. 103–13

Statistics

Views

Abstract - 49

PDF (Russian) - 23

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2025 Bazhenov V.G., Konstantinov A.Y., Kukanov S.S., Osetrov D.L., Ryabov A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies