Full Text

Введение. Направление роста трещины в условиях смешанного нагружения Определение направления роста трещины в условиях смешанного нагружения и кри-терии разрушения, позволяющие найти направление распространения трещины, являются одними из широко обсуждаемых проблем современной механики разрушения [1-19]. В настоящее время предложен и широко используется целый ряд критериев разрушения [1-19]. Физическое обоснование критериев различно и область их применения может варьироваться в зависимости от материала и типа образца. В целом макроскопические критерии разрушения могут быть разделены на четыре типа [19]: 1) критерии, базирующиеся на компонентах тензоров напряжений и деформа-ций (критерий максимального тангенциального напряжения, критерий максимальной ок-ружной деформации) [1, 2]; 2) энергетические критерии разрушения [3-16]; 3) критерии, основанные на введении и использовании различных мер поврежденности [17]; 4) эмпи-рические критерии разрушения [18]. Несмотря на то, что многие критерии разрушения стали классическими и широко используются, некоторые вопросы остаются открытыми. В [1] сформулирован новый критерий разрушения, исходящий из предположения, что хрупкое разрушение происходит, когда градиент деформации достигает некоторого пре- 190 Степанова Л.В., Бронников С.А., Белова О.Н. / Вестник ПНИПУ. Механика 4 (2017) 189-213 дельного значения. В [2] предложен критерий осредненных напряжений вблизи вершины трещины для прогнозирования траектории трещины при смешанных условиях нагруже-ния. В [3] в рамках единого подхода на основе критерия усредненной плотности энергии деформации в заданном объеме конечного размера вокруг области с высокими напряже-ниями обсуждаются экспериментальные данные статических испытаний образцов с ост-рыми и тупыми V-образными надрезами, а также испытаний на усталость сварных швов. В случае тупого надреза исследуемая область принимает изогнутую форму и ее ширина измеряется вдоль линии, перпендикулярной надрезу. В двумерных задачах при рассмот-рении трещин или острых V-образных надрезов изучаемый объем принимает форму кру-га или кругового сектора соответственно. В [4] обсуждаются два базисных подхода для вычисления угла направления подрастания трещины: инкрементальный и глобальный (интегральный) методы. В [4] используется локальный критерий механики разрушения - критерий максимального тангенциального напряжения, который является одним из ши-роко используемых критериев разрушения. Согласно критерию максимального тангенци-ального напряжения трещина растет в направлении максимального тангенциального на-пряжения. Математическое представление критерия имеет вид 0, 2 0, (1) 2 где - тангенциальное напряжение в окрестности вершины трещины в полярной сис-теме координат r, с полюсом в вершине трещины. При использовании критерия максимального окружного напряжения (1), как прави-ло, в выражение (1) подставляют асимптотическое решение - поле напряжений у верши-ны трещины, базирующееся на асимптотическом решении М. Уильямса, в котором удер-живают лишь первое слагаемое - главный член асимптотического разложения [5, 6]. По-этому критерий в такой формулировке не отражает зависимость вычисленного угла от расстояния от кончика трещины, тогда как критическое расстояние от кончика макротре-щины является фундаментальным понятием механики разрушения и важным представля-ется расстояние, на котором вычисляется максимальное тангенциальное напряжение. Из формулировки критерия разрушения, основанного на максимальном значении тангенци-ального напряжения, также следует, что данный критерий не зависит от того, какое на-пряженное состояния реализуется - плоское напряженное или плоское деформированное. В силу указанных причин многие исследователи обращаются к критерию минимума плотности энергии упругой деформации [5, 6], математическая формулировка которого имеет вид S 2 S 0, S 11 rr 2 2 0, rrr , (2) 2 28 где S - функция плотности энергии упругой деформации; - модуль сдвига; - по- стоянная плоской задачи теории упругости, 3 4 для плоского деформированного состояния, (3 ) / (1 ) для плоского напряженного состояния. Критерий минимума плотности энергии деформации является локальным и рассматривает элемент континуу-ма, расположенный перед вершиной трещины. Разрушение наступает, когда накопленная энергия dW элемента объема dV , расположенного перед вершиной трещины, достигает критического значения. Предполагается [13, 14], что функция плотности энергии дефор- 191 Stepanova L.V., Bronnikov S.A., Belova O.N. / PNRPU Mechanics Bulletin 4 (2017) 189-213 мации S определяется следующим выражением: dW / dV S / r , где S - функция плот-ности энергии деформации и r - расстояние от кончика трещины. Функция плотности энергии деформации S , запасенной элементом объема dV , может быть записана как S r dW r 1 rr2 2 2zz rrrr zzzz 1 r2 rz2 2z , (3) dV 2 E E 2G где dW / dV носит название функции плотности энергии деформации; G E / (2(1 )) , E - модуль Юнга. Исключая компоненту тензора напряжений zz из последнего уравне-ния, можно упростить выражение (3) для плоской задачи теории упругости: dW r 1 22 2 S r rrrrr. (4) dV 8 2G В [13, 14] Дж. Си ввел в рассмотрение область, окружающую вершину трещины, на-зываемую ядром, которая в любом теоретическом или экспериментальном исследовании должна быть исключена из рассмотрения из физических соображений, поскольку на рас-сматриваемых расстояниях не работает концепция сплошной среды. Дж. Си связал харак-терный размер данной области с расстояниями, на которых не работают представления механики сплошных сред, и ввел в рассмотрение плотность энергии деформации (3). Оп-ределение функции плотности энергии деформации S требует знания радиуса области - ядра, окружающего вершину трещины. Необходимость введения ядра обусловлена труд-ностями интерпретации полей напряжений и перемещений в непосредственной окрестно-сти вершины трещины, даваемых аналитическими решениями [13, 14]. В [15] дано термо-динамическое обоснование критерия плотности энергии деформации, и отмечена необхо-димость экспериментальной верификации критерия разрушения для определения всех параметров и функций, входящих в критерий разрушения. В настоящее время в связи с бурным развитием экспериментальной и вычислительной техники стало возможным провести такую верификацию. В [3] приведен обзор критериев разрушения, известных к настоящему времени, и на основе экспериментальных исследований и теоретических результатов дана оценка возможности применения различных критериев для определения направления роста трещины. Авторы работы [16] анализируют критерий плотности энер-гии деформации, критерий максимального тангенциального напряжения и критерий мак-симальной окружной деформации. На основании сравнения экспериментальных резуль-татов и теоретических оценок авторы предлагают усовершенствованную форму критерия максимальной окружной деформации. Модифицированная форма критерия разрушения предполагает учет T-напряжений в полном асимптотическом разложении поля напряже-ний у вершины трещины. Показано, что удержание Т-напряжений в асимптотическом решении приводит к хорошему описанию экспериментальных данных, однако авторы статьи [16] провели экспериментальное исследование лишь для одного типа образца (по-лудиск с надрезом), для одного материала (цементный бетон), рассмотрен расширенный критерий максимальной окружной деформации только для одного значения критического расстояния от кончика трещины. Графики, сопоставляющие экспериментальные точки и теоретические оценки, приведенные в [16], не свидетельствуют о хорошем согласова-нии результатов. Поэтому нельзя говорить о значительных преимуществах модифициро-ванного критерия максимальной окружной деформации перед другими критериями раз-рушения. В [5] предложен модифицированный критерий плотности энергии деформации 192 Степанова Л.В., Бронников С.А., Белова О.Н. / Вестник ПНИПУ. Механика 4 (2017) 189-213 для прогнозирования разрушения в хрупких и квазихрупких материалах. Модификация критерия заключается в учете Т-напряжений при вычислении плотности энергии упругой деформации, усредненной по объему, окружающему вершину трещины. Результаты, по-лученные посредством предложенного модифицированного критерия, были сопоставле-ны с экспериментальными данными, полученными на бразильском диске и полукруговом образце. Показано, что теоретические результаты очень хорошо согласуются с результа-тами экспериментальных наблюдений. Основной вывод, сформулированный авторами [5], заключается в том, учет Т-напряжений позволяет хорошо описать экспериментальные результаты. Подход, развитый ниже, позволяет учесть в критерии разрушения не только первое несингулярное слагаемое в асимптотическом разложении М. Уильямса, как это сделано в [5, 16], но удержать любое наперед заданное число слагаемых в асимптотиче-ском разложении. Многопараметрическое асимптотическое представление поля напряжения у вершины трещины - асимптотическое разложение М. Уильямса - имеет вид 2 ij (r , )akm r k /2 1 fm( k,ij) ( ) , (5) m 1 k 1 где ij ( r, ) - компоненты тензора напряжений в полярной системе координат; m отвеча- ет виду нагружения и принимает значения 1 и 2 для нормального отрыва и поперечного сдвига соответственно; akm - амплитудные, масштабные множители, зависящие от гео-метрии образца с дефектом, а также от природы и величины нагрузки; fm( k,ij) ( ) - угловые распределения компонент тензора напряжений, определяемые из решения краевых задач о нормальном отрыве и поперечном сдвиге: f1,11(k) ( ) k2 2 k / 2 ( 1) k cos( k / 2 1) ( k / 2 1) cos( k / 2 3) , f1,22(k) ( ) k2 2 k / 2 ( 1) k cos( k / 2 1) ( k / 2 1) cos( k / 2 3) , f1,12(k) ( ) k2 k / 2 ( 1) k sin( k / 2 1) ( k / 2 1) sin( k / 2 3) , f 2,11(k) ( ) k2 2 k / 2 ( 1) k sin( k / 2 1) ( k / 2 1) sin( k / 2 3) , T a12 f1,11(2) ( 0), f 2,22(k) ( ) k2 2 k / 2 ( 1) k sin( k / 2 1) ( k / 2 1) sin( k / 2 3) , f 2,12(k) ( ) k2 k / 2 ( 1) k cos( k / 2 1) ( k / 2 1) cos( k / 2 3) . Асимптотическое разложение поля напряжений (5) называют универсальным разло-жением поля напряжений у вершины трещины: разложение имеет одинаковую структуру для всех конфигураций тел с трещинами и для всех типов нагрузки, все многообразие за-дач о трещинах отражается в амплитудных (масштабных) множителях akm . Первые коэффициенты K I 2 a 1 f (1) ( 0) и K II 2 a 2 f (1) ( 0) , носящие название коэффициен- 1 1,22 1 2,12 тов интенсивности напряжений, хорошо исследованы, имеется целый ряд справочников, где указана зависимость коэффициентов интенсивности напряжений от геометрии образца 193 Stepanova L.V., Bronnikov S.A., Belova O.N. / PNRPU Mechanics Bulletin 4 (2017) 189-213 и системы приложенных нагрузок. Второй коэффициент носит название Т-напряжений: Т = a12 f1,11(2) (q = 0) . В практических инженерных приложениях высшими приближениями в асимптотическом разложении М. Уильямса обычно пренебрегают, но в последние годы сложилось ясное и четкое представление о необходимости удержания высших приближе-ний в асимптотическом разложении, и высшие приближения играют существенную роль [4-11, 16-35]. В большинстве случаев при определении направления роста трещины в асимптоти-ческом разложении (3) удерживают лишь одно слагаемое. Однако многими авторами [8, 19-28, 31, 34] показана необходимость удержания высших приближений как для оценки геометрии области пластического течения в окрестности вершины трещины в упругопла-стических материалах, так и для оценки угла направления роста трещины. Поэтому в на-стоящей работе определены углы направления роста трещины для различных значений параметра смешанности нагружения M e = 2 s 22 ( r, q = 0) , arctg lim p s ( r, q = 0) r ®0 12 задающего вид нагружения и изменяющегося от нуля, что соответствует поперечному сдвигу, до единицы, что отвечает нормальному отрыву, для всех промежуточных видов нагружения 0 < M e < 1 . 1. Определение угла направления роста трещины в пластине с центральной трещиной в условиях смешанного нагружения Целью настоящей части работы является вычисление угла направления роста трещи-ны для различных значений параметра смешанности нагружения (в полном диапазоне смешанных форм деформирования от нормального отрыва до поперечного сдвига) с при-менением асимптотического разложения поля напряжений (5), в котором сохраняются высшие приближения (слагаемые высоких порядков малости). Для ряда конфигураций получены точные выражения для масштабных множителей полного асимптотического разложения М. Уильямса [22-25]. В [25] найдены выражения для масштабных множителей поля напряжений в изотропной линейно-упругой бесконеч-ной пластине с центральной трещиной длиной 2a . Для трещины нормального отрыва a 1 = ( -1) n+1 (2n)!s¥ , (6) 22 2 n+1 23 n +1/ 2 (n !)2 (2n -1)an-1/ 2 a 12 = -s ¥22 / 4, a12 n = 0. (7) Для трещины поперечного сдвига a 2 = ( -1)n+1 (2n)!s¥ , (8) 12 2 n+1 23 n +1/ 2 (n !)2 (2n -1)an-1/ 2 a22 n = 0. (9) 194 Степанова Л.В., Бронников С.А., Белова О.Н. / Вестник ПНИПУ. Механика 4 (2017) 189-213 Поскольку амплитудные множители для данной конфигурации известны (уравнения (6)-(9)), можно вычислить углы распространения трещины с помощью двух критериев классической механики разрушения: критерия максимального тангенциального напряже-ния и критерия минимума плотности энергии упругой деформации. Структура многопа-раметрического асимптотического представления поля напряжений при удержании пяти слагаемых в разложении имеет вид r ,a1 r 1/2 3 cos 1 cos 5 a 2 r 1/ 2 7 sin 1 sin 5 4a1 1114 2 4214 2 422 1 1/2 15 3 3 2 1/2 27 3 3 a3 r cos cos a3 r sin sin 4 2 4 2 4 2 4 2 (10) 8a14 r cos 8a42r sin a1 r3/2 35 cos 315 cosa 2 r3/2 55 sin 3 15 sin ... , 542 42542 4 2 r ,a1 r 1/ 2 5 cos 1 cos 5 a 2 r 1/ 2 1 sin 1 sin 5 2214 2 4214 2 42 1 1/ 2 9 3 3 2 1/ 2 3 3 3 a3 r cos cos a3 r sin sin (11) 4 2 4 2 4 2 4 2 a1 r 3/ 2 15 cos5 cos 3a 2 r3/ 2 15 sin 15 sin 3 ... , 542 4254 2 42 r ,a1 r 1/ 2 1 sin 1 sin 5 a 2 r 1/ 2 3 cos 1 cos 5 N 100 1214 2 4214 2 42 1 1/ 2 3 3 3 2 1/ 2 15 3 3 1 a3 r sin sin a3 r cos cos 8a4 r sin (12) 4 2 4 2 4 2 4 2 a51 r 3/ 2 154 sin 2 154 sin 32 a52 r3/ 2 354 cos 32 154 cos 2 .... При использовании многопараметрического представления поля напряжений (10)-(12) следует задать расстояние, на котором будет рассматриваться тангенциальное напряжение или функция плотности энергии упругой деформации S . В табл. 1-5 представлены результаты вычислений угла направления роста трещины на различных расстояниях от кончика трещины. В первом столбце каждой таблицы приведены углы направления распространения трещины, вычисленные с помощью асимптотического разложения М. Уильямса, в котором удерживается только первое слагаемое - главный член асимптотического разложения (N = 1). В следующих столбцах каждой таблицы приведены результаты вычислений, основанные на многопарамет-рическом представлении поля напряжений у вершины трещины (N = 100). Для определения угла направления роста трещины в асимптотическом решении М. Уильямса (5) удерживалось 100 слагаемых, для чего в программе компьютерной алгебры Waterloo Maple был написан код, позволяющий вычислить угол направления роста трещины с помощью: 1) критерия макси-мального тангенциального напряжения; 2) критерия минимума плотности энергии упругой деформации. Проведенный вычислительный эксперимент показал, что число удерживаемых слагаемых в асимптотическом разложении влияет на значение угла: чем больше расстояние от кончика трещины, тем больше слагаемых следует удерживать в решении. В ходе вычислений установлено, что для самого большого расстояния, рассматриваемого в настоящей работе 195 Stepanova L.V., Bronnikov S.A., Belova O.N. / PNRPU Mechanics Bulletin 4 (2017) 189-213 rc r / a 1, 75, где a - полудлина трещины, значение угла изменения составляет величину, меньшую наперед заданной погрешности (10 6 ) при удержании 100 слагаемых. Поэтому во всех вычислениях удерживалось 100 слагаемых в асимптотическом разложении М. Уильямса Таблица 1 Углы направления роста трещины, полученные с помощью обобщенного критерия максимального тангенциального напряжения Table 1 Angles of crack growth direction obtained with the generalized criterion of the maximum tangential stress N = 1 rc = 0,05 rc = 0,1 rc = 0,25 rc = 0,5 rc = 0,75 rc = 1,25 rc = 1,5 rc = 1,75 М е -70,53 -66,21 -62,49 -55,08 -49,65 -47,39 -45,72 -45,40 -45,29 0 -67,53 -67,53 -62,20 -58,34 -51,34 -46,55 -44,63 -42,99 -42,70 0,1 -64,47 -58,01 -54,10 -47,60 -43,44 -41,83 -40,72 -40,52 -40,67 0,2 -62,86 -55,83 -51,91 -45,69 -41,84 -40,38 -39,39 -39,06 -39,06 0,25 -61,18 -53,53 -49,64 -43,72 -40,18 -38,87 -38,01 -37,87 -37,56 0,3 -57,48 -48,60 -44,83 -39,58 -36,65 -35,63 -35,01 -34,93 -34,14 0,4 -53,13 -43,03 -39,50 -35,00 -32,62 -31,95 -31,56 -31,52 -31,37 0,5 -47,72 -36,61 -33,46 -29,80 -28,11 -27,63 -27,44 -27,45 -27,35 0,6 -40,61 -29,12 -26,52 -23,77 -22,66 -22,42 -22,40 -22,44 -22,61 0,7 -36,12 -24,93 -22,68 -20,40 -19,54 -19,39 -19,44 -19,49 -19,47 0,75 -30,81 -20,42 -18,55 -16,75 -16,13 -16,06 -16,14 -16,20 -16,26 0,8 -17,19 -10,57 -9,59 -8,71 -8,60 -8,46 -8,55 -8,59 -8,53 0,9 Таблица 2 Углы направления роста трещины, полученные с помощью обобщенного критерия минимума плотности энергии упругой деформации, на различных расстояниях от кончика трещины (плоское деформированное состояние), 0,3 Table 2 The angles of crack growth direction obtained with the generalized criterion for the minimum energy density of elastic deformation at different distances from the tip of the crack (plane deformed state) 0.3 N = 1 rc = 0,05 rc = 0,1 rc = 0,25 rc = 0,5 rc = 0,75 rc = 1,25 rc = 1,5 rc = 1,75 М е -82,34 -82,36 -82,33 -81,74 -79,05 -75,27 -68,55 -66,02 -63,70 0 -76,19 -75,98 -75,84 -74,94 -72,04 -68,56 -62,68 -60,68 -57,95 0,1 -70,14 -69,52 -69,20 -67,94 -64,95 -61,81 -56,72 -54,81 -52,18 0,2 -67,14 -66,24 -65,81 -64,35 -61,37 -58,40 -53,69 -51,93 -51,36 0,25 -64,13 -62,90 -62,34 -60,72 -57,76 -54,97 -50,63 -49,00 -46,38 0,3 -58,10 -55,99 -55,17 -53,26 -50,45 -48,03 -44,38 -43,01 -40,55 0,4 -51,91 -48,65 -47,59 -45,52 -42,97 -40,93 -37,92 -36,81 -34,64 0,5 -45,35 -40,71 -39,47 -37,43 -35,24 -33,58 -31,20 -30,33 -24,63 0,6 -38,01 -31,95 -30,69 -28,88 -27,15 -25,90 -24,13 -23,48 -22,46 0,7 -33,82 -27,21 -26,01 -24,40 -22,93 -21,89 -20,42 -19,88 -20,53 0,75 -29,04 -22,20 -21,14 -19,77 -18,58 -17,74 -16,58 -16,15 -15,99 0,8 -16,75 -11,44 -10,82 -10,08 -9,48 -9,06 -8,49 -8,28 -8,56 0,9 поля напряжений у вершины трещины. Сравнение значений углов направления распростране-ния трещины, приведенных в первом и втором столбцах таблиц, показало, что значения углов существенно зависят от высших приближений, особенно в тех случаях, когда вид смешанного 196 Степанова Л.В., Бронников С.А., Белова О.Н. / Вестник ПНИПУ. Механика 4 (2017) 189-213 нагружения близок к первой моде нагружения - нормальному отрыву. Это особенно заметно для критерия минимума плотности энергии упругой деформации (см. табл. 2-5). Для попереч-ного сдвига (первая строка табл. 2) влияние Т-напряжений и высших приближений не заметно вблизи кончика трещины, тогда как при удалении от вершины трещины значения углов, да-ваемых однопараметрическим и многопараметрическим критериями разрушения, сильно от-личаются друг от друга. Различие в значениях углов с увеличением расстояния от вершины трещины доходит до 20º. Для нагружений, близких к нормальному отрыву, сильнее зависи-мость от количества удерживаемых слагаемых в окрестности вершины трещины (первый и второй столбцы табл. 2-5), но значения углов быстрее стабилизируются при увеличении рас-стояния от кончика трещины. Например, различие углов в первом и втором столбцах табл. 4 для параметра смешанности нагружения M e 0,9 составляет 5,5º, а различие углов 4-го и 9-го столбцов равно 1,2º, в то время как для поперечного сдвига это отличие равно 17,1º Таблица 3 Углы направления роста трещины, полученные с помощью обобщенного критерия минимума плотности энергии упругой деформации, на различных расстояниях от кончика трещины (плоское деформированное состояние), 0,5 Table 3 The angles of crack growth direction obtained with the generalized criterion for the minimum energy density of elastic deformation at different distances from the tip of the crack (plane deformed state) 0.5 N = 1 rc = 0,05 rc = 0,1 rc = 0,25 rc = 0,5 rc = 0,75 rc = 1,25 rc = 1,5 rc = 1,75 М е -90,00 -89,28 -88,54 -86,07 -81,11 -76,21 -68,81 -66,17 -63,74 0 -83,99 -82,82 -81,85 -78,90 -73,92 -69,49 -63,00 -60,69 -58,01 0,1 -77,91 -76,14 -74,88 -71,50 -66,65 -62,70 -57,07 -55,05 -52,26 0,2 -74,82 -72,68 -71,26 -67,02 -62,97 -59,27 -54,03 -52,17 -51,41 0,25 -71,68 -69,12 -67,55 -63,86 -59,28 -55,88 -50,97 -49,24 -46,47 0,3 -65,19 -61,66 -59,80 -55,98 -51,78 -48,78 -44,68 -43,22 -40,65 0,4 -58,28 -53,60 -51,55 -47,80 -44,10 -41,57 -38,17 -36,97 -34,73 0,5 -50,68 -44,80 -42,70 -39,28 -36,16 -34,10 -31,38 -30,42 -28,69 0,6 -41,90 -35,06 -33,13 -30,28 -27,84 -26,27 -24,22 -23,50 -22,47 0,7 -36,84 -29,80 -28,05 -25,57 -23,50 -22,18 -20,47 -19,87 -20,27 0,75 -31,13 -24,27 -22,77 -20,70 -19,03 -17,97 -16,60 -16,11 -15,95 0,8 -17,21 -12,46 -11,63 -10,54 -9,70 -9,16 -8,47 -8,23 -8,38 0,9 Как отмечалось выше, Дж. Си ввел концепцию ядра - области, окружающей вершину трещины [13, 14], в которой перестают быть справедливыми представления континуаль-ной механики. В силу этого естественным является переход от континуальной теории к атомистическому моделированию роста трещины. Следует отметить, что метод молеку-лярной динамики в настоящее время широко используется для вычисления параметров моделей механики разрушения [36-49]. В [36] изучены механизмы роста трещины в меди и алюминии с помощью атомистического подхода, исследованы эффекты влияния длины трещины в пластине на характер разрушения. В [37] вычислена скорость высвобождения энергии при распространении трещины в листе графена с центральной трещиной. В дис-кретной модели локальное поле напряжений вычислялось по формуле Харди [41-47] и обсуждалась применимость концепций коэффициента интенсивности напряжений и скорости высвобождения энергии при подрастании трещины как параметров, характе-ризующих процесс разрушения. 197 Stepanova L.V., Bronnikov S.A., Belova O.N. / PNRPU Mechanics Bulletin 4 (2017) 189-213 Таблица 4 Углы направления роста трещины, полученные с помощью обобщенного критерия минимума плотности энергии упругой деформации, на различных расстояниях от кончика трещины (плоское напряженное состояние), 0,3 Table 4 The angles of crack growth direction obtained with the generalized criterion for the minimum energy density of elastic deformation at different distances from the tip of the crack (plane deformed state) 0.3 N = 1 rc = 0,05 rc = 0,1 rc = 0,25 rc = 0,5 rc = 0,75 rc = 1,25 rc = 1,5 rc = 1,75 М е -79,66 -80,01 -80,26 -80,33 -78,36 -74,95 -68,48 -65,96 -63,70 0 -73,35 -73,59 -73,78 -73,60 -71,39 -68,24 -62,58 -60,40 -57,94 0,1 -67,19 -67,14 -67,20 -66,69 -64,35 -61,50 -56,60 -54,73 -52,16 0,2 -64,16 -63,88 -63,85 -63,16 -60,79 -59,09 -53,57 -51,84 -51,34 0,25 -61,14 -60,58 -60,44 -59,58 -57,21 -54,67 -50,51 -48,92 -46,36 0,3 -55,14 -53,80 -53,41 -52,25 -49,96 -47,76 -44,26 -42,94 -40,52 0,4 -49,09 -46,66 -46,03 -44,64 -42,54 -40,69 -37,83 -36,75 -34,62 0,5 -42,83 -39,00 -38,16 -36,70 -34,88 -33,39 -31,14 -30,30 -28,61 0,6 -36,00 -30,60 -29,67 -28,32 -26,88 -25,76 -24,10 -23,48 -22,45 0,7 -32,17 -26,06 -25,15 -23,93 -22,70 -21,77 -20,40 -19,89 -20,62 0,75 -27,82 -21,27 -30,44 -19,39 -18,40 -17,66 -16,57 -16,17 -16,02 0,8 -16,44 -10,97 -10,47 -9,89 -9,39 -9,02 -8,49 -8,30 -8,63 0,9 Таблица 5 Углы направления роста трещины, полученные с помощью обобщенного критерия минимума плотности энергии упругой деформации, на различных расстояниях от кончика трещины (плоское напряженное состояние), 0,5 Table 5 The angles of crack growth direction obtained with the generalized criterion for the minimum energy density of elastic deformation at different distances from the tip of the crack (plane deformed state) 0.5 N = 1 rc = 0,05 rc = 0,1 rc = 0,25 rc = 0,5 rc = 0,75 rc = 1,25 rc = 1,5 rc = 1,75 М е -83,62 -83,50 -83,34 -82,44 -79,39 -75,43 -68,60 -66,04 -68,48 0 -77,53 -77,13 -76,84 -75,60 -72,36 -68,72 -62,74 -60,51 -61,59 0,1 -71,51 -70,66 -70,17 -68,54 -62,24 -61,96 -56,78 -54,86 -49,39 0,2 -68,51 -67,35 -66,74 -64,93 -61,65 -58,56 -53,75 -51,96 -42,16 0,25 -65,51 -63,98 -63,24 -61,26 -58,03 -55,12 -50,69 -49,04 -44,43 0,3 -59,42 -57,00 -55,99 -53,74 -50,69 -48,17 -44,43 -43,04 -35,74 0,4 -53,13 -49,56 -48,30 -45,93 -43,17 -41,04 -37,97 -36,84 -33,50 0,5 -46,41 -41,47 -40,07 -37,77 -35,40 -33,68 -31,24 -30,35 -29,23 0,6 -38,83 -32,55 -31,15 -29,14 -27,28 -25,97 -24,15 -23,49 -20,86 0,7 -34,47 -27,71 -26,40 -24,62 -23,04 -21,94 -20,43 -19,86 -17,90 0,75 -29,51 -22,61 -21,45 -19,95 -18,66 -17,79 -16,58 -16,15 -17,27 0,8 -16,86 -11,65 -10,98 -10,17 -9,52 -9,08 -8,49 -8,27 -9,30 0,9 Сравнение результатов расчета по двум схемам: 1) континуальной механики и 2) ато-мистического моделирования методом молекулярной динамики показало, что поле напря-жений у вершины трещины в дискретной модели не является сингулярным при приближе-нии к вершине трещины, в то время как скорость высвобождения энергии имеет близкие 198 Степанова Л.В., Бронников С.А., Белова О.Н. / Вестник ПНИПУ. Механика 4 (2017) 189-213 значения для образца с одной и той же геометрией, если использовать 1) подход механики сплошной среды; 2) конечно-элементный метод расчета; 3) атомистическое моделирование дискретной структуры листа графена. Поэтому целью следующей части работы является атомистическое моделирование процесса распространения трещины в условиях смешанно-го нагружения (нормальный отрыв и поперечный сдвиг) с помощью метода молекулярной динамики в программном комплексе LAMMPS. 2. Атомистическое моделирование процесса распространения трещины 2.1. Потенциал межатомного взаимодействия Крайне важным в моделировании методом молекулярной динамики является задание потенциала, описывающего силовое поле в моделируемой системе. Для металлических материалов широко используется потенциал внедренного атома (EAM - embedded atom method), предложенный в [36]. Потенциал внедренного атома может достоверно описы-вать межатомные связи в металлах. В многочисленных работах [37-48] показано, что по-тенциал внедренного атома может очень эффективно описать влияние дефектов и тре-щин, и поэтому потенциал очень хорошо подходит для моделирования процессов разру-шения металлических материалов. Полная потенциальная энергия системы при использовании потенциала внедренного атома имеет вид [37] UF i i 1 r ij , ij r ij , (13) 2 i ij j i где F i - энергия, являющаяся функцией атомистической плотности электронов i ; индексы i , j обозначают i-й и j-й атомы. Здесь плотность i обусловлена всеми другими атомами, взаимодействующими с i-м атомом. Обозначение rij представляет парный потенциал, и rij обозначает расстояние между i-м и j-м атомами. Для меди и алюминия потенциалы, предложенные и развитые в [45, 46], были параметризованы с помощью раз-личных экспериментальных данных и ab initio расчетов [45, 46]. Потенциал внедренного атома хорошо воспроизводит упругие постоянные материала, энергию формирования ва-кансий, поверхностную энергию материала и другие свойства металлов [38-50]. 2.2. Определение напряжений Определение напряжений при атомистическом моделировании отличается от кон-цепции механики сплошных сред, но в целом атомистические вириальные напряжения эквивалентны напряжениям Коши континуальной механики. В атомистическом подходе компоненты тензора напряжений вычисляются в соответствии с выражением [42] 1 1 N r j r i f ij m i v i j 1 vi , (14) 2 V i где , - индексы декартовой прямоугольной системы координат; V - полный объем системы. Здесь i-й атом имеет N соседних атомов с номерами j 1, N . Обозначения ri и r j приняты для координат положения атома i и атома j ; f ij - компонента силы, действую- 199 Stepanova L.V., Bronnikov S.A., Belova O.N. / PNRPU Mechanics Bulletin 4 (2017) 189-213 щей на атом i со стороны атома j ; mi - масса i -го атома и vi и vi - скорости атома i вдоль направлений и соответственно. В каждый момент времени положения и скоро- сти атомов получаются путём решения уравнений Ньютона. Напряжения в формуле (14) состоят из двух частей, определяемых потенциальной и кинетической энергией системы. 2.3. Детали моделирования В качестве объекта моделирования нами была выбрана пластинка монокристалли-ческой FCC-меди с заранее созданной центральной трещиной. Периодические гранич-ные условия были использованы в двух направлениях - в случае плоского напряжённо-го состояния, и в трёх - в случае плоского деформированного состояния. Ячейка моде-лирования содержала порядка 400 тысяч атомов в основной серии численных экспериментов и до 800 тысяч в отдельных случаях. Для поддержания температурного режима использовался термостат Нойза-Гувера [51] в каноническом (NVT) ансамбле. Процесс квазистатического распространения центральной трещины в медной пластине в условиях смешанного нагружения моделировался в программе LAMMPS. Шаг интег-рирования в модели был равен 1 фемтосекунде. Скорость деформации при задании граничных условий изменялась от 0,001/(1fs) до 0,04/(1fs). Результаты вычислений ана-лизировались с помощью программы OVITO [52, 53], а также авторских программ об-работки результатов вычислений. Результаты расчетов показаны на рис. 1-8. На рис. 1-3 показан процесс деформирования пластины и распространения трещи-ны для значений параметра смешанности нагружения M e 0,3 и M e 0,5, который вычислялся как M e 2 arctan 22 . (15) 12 Рис. 1. Медная пластина с центральной трещиной после процесса минимизации энергии (а) и после 25 пс (б), распределение компоненты тензора 11 (смешанное нагружение для параметра смешанности нагружения M e 0,3 ) Fig. 1. Copper plate with a central crack after the energy minimization process and after 25 picoseconds: the distribution of the tensor component 11 (mixed loading for the mixed-load parameter M e 0,3 ) 200 Степанова Л.В., Бронников С.А., Белова О.Н. / Вестник ПНИПУ. Механика 4 (2017) 189-213 Рис. 2. Медная пластина с растущей трещиной после 35 пс (а) и 45 пс (б), распределение компоненты тензора 11 (смешанное нагружение для параметра смешанности нагружения M e 0,3 ) Fig. 2. Copper plate with a growing crack after 35 picoseconds and 45 picoseconds: the distribution of the tensor component 11 (mixed loading for the mixed-load parameter M e 0.3 ) Рис. 3. Медная пластина в условиях смешанного деформирования для значения параметра смешанности нагружения M e 0,5 : а - пластина в начальный момент времени; б - после 25 пс (цветом показано распределение компоненты тензора напряжений 11 ); в - после 35 пс; г - 45 пс Fig. 3. Copper plate under mixed deformation for the value of the mixed-load parameter M e 0.5 . At the top: the plate at the initial moment of time (on the left) and after 25 picoseconds (on the right) (the color shows the distribution of the stress tensor component); at the bottom: after 35 picoseconds (on the left) and 45 picoseconds (on the right) 201 Stepanova L.V., Bronnikov S.A., Belova O.N. / PNRPU Mechanics Bulletin 4 (2017) 189-213 На рис. 4-6 показаны процессы деформирования образца и распространения трещины для параметра смешанности нагружения M e 0, 7 . На рис. 1 изображен процесс роста дефекта в медной пластине, на рис. 1, а изображена пластина сразу после минимизации энергии, на рис. 1, б - после 25 пс. На рис. 2 изображена пластина с растущей трещиной после 35 и 45 пс (рас-пределение компоненты 11 ). На рис. 3 показана пластина с центральной трещиной в условиях смешанного деформирования для значения параметра смешанности нагружения M e 0,5 . На рис. 1-3 показано распределение нормальной компоненты тензора напряжения 11 . Для правильного учета всех факторов, влияющих на процесс распространения трещины, был протестирован образец в условиях разных скоростей деформирования. Результаты более медленного нагружения представлены на рис. 7-11. Стоит отметить, что изменение скорости нагружения не оказало значительного влияния на направление роста трещины. Рис. 4. Медная пластина непосредственно после процедуры минимизации энергии (а) и после 25 пс (б) (показано распределение компоненты тензора напряжений 12 ) Fig. 4. Copper plate directly after the energy minimization procedure and after 25 picoseconds. The distribution of the stress tensor component 12 Рис. 5. Медная пластина для M p 0,7 : после 35 пс (а) и после 45 пс (б). Распределение компоненты 12 Fig. 5. Copper plate for M p 0.7 after 35 picoseconds and 45 picoseconds. The distribution of 12 component 202 Степанова Л.В., Бронников С.А., Белова О.Н. / Вестник ПНИПУ. Механика 4 (2017) 189-213 Рис. 6. Пластина с центральной трещиной в условиях смешаного нагружения M e 0,7 : при 60 пс (а) и при 75 пс (б) (распределение компоненты тензора напряжений 12 ) Fig. 6. Plate with a central crack under mixed loading M e 0.7 at 60 picoseconds (on the left) and 75 picoseconds (on the right) (distribution of the stress tensor component 12 ) Рис. 7. Распределение компоненты тензора 22 в медной пластине с центральной трещиной после процесса минимизации энергии (а) и после 25 пс (б) Fig. 7. The distribution of the tensor component 22 in a copper plate with a central crack after the energy minimization process and after 25 picoseconds Рис. 8. Распределение компоненты тензора 22 в медной пластине с центральной трещиной после 35 пс (а) и после 45 пс (б) Fig. 8. The distribution of the tensor component 22 in a copper plate with a central crack after 35 and 45 picoseconds 203 Stepanova L.V., Bronnikov S.A., Belova O.N. / PNRPU Mechanics Bulletin 4 (2017) 189-213 Рис. 9. Распределение компоненты тензора 22 в медной пластине с центральной трещиной после 55 пс (а) и после 65 пс (б) Fig. 9. The distribution of the tensor component 22 in a copper plate with a central crack after 55 and 65 picoseconds Рис. 10. Распределение компоненты тензора 22 в медной пластине с центральной трещиной после 75 пс (а) и после 85 пс (б) Fig. 10. The distribution of the tensor component 22 in a copper plate with a central crack after 75 and 85 picoseconds Рис. 11. Распределение компоненты тензора 22 в медной пластине с центральной трещиной после 95 пс (а) и после 105 пс (б) Fig. 11. The distribution of the tensor component 22 in a copper plate with a central crack after 95 and 105 picoseconds Кривая интенсивность напряжений-интенсивность деформации для кристалла меди показана на рис. 12. Интенсивность напряжений и интенсивность деформаций для тонкой пластины вычислялись по формулам 204 Степанова Л.В., Бронников С.А., Белова О.Н. / Вестник ПНИПУ. Механика 4 (2017) 189-213 e 2 2 3 2 , (16) 11 22 11 22 12 2 2 2 2 3 2 . (17) e 22 33 22 33 3 11 22 33 11 11 12 Рис. 12. Кривая интенсивность напряжения - интенсивность деформации для кристалла меди, полученная в ходе расчета Fig. 12. Stress intensity curve, the intensity of deformation for a crystal of copper obtained during the calculation Из графика, приведенного на рис. 12, видно, что пластина остается упругой до дос-тижения значения интенсивности деформаций 5 %. Последующее пластическое течение, обусловленное развитием дислокаций, приводит к затуплению трещины, что видно из рис. 2, 3, 6. Это явление подтверждается результатами расчетов, выполненных ранее [37, 38]. Процесс зарождения, роста и слияния вакансий у вершины трещины показан на рис. 13. Из рис. 13 ясно видно, что в окрестности вершины трещины образуются, разви-ваются и сливаются микродефекты, полости и вакансии. а б в Рис. 13. Процесс деформирования у вершины трещины в условиях смешанного деформирования: появление вакансий (а), их рост (б) и их слияние (в) Fig. 13. The process of deformation at the crack tip under mixed-load deformation: the start of vacancies (picture on the left), their growth (in the center) and their junction (on the right) 205 Stepanova L.V., Bronnikov S.A., Belova O.N. / PNRPU Mechanics Bulletin 4 (2017) 189-213 Поскольку температурные эффекты могут оказать значительное влияние на процесс распространения трещины, мы провели серию экспериментов при различных параметрах термостата. На рис. 14, а, б, в приведены графики зависимости температуры от времени моделирования в сериях вычислений с различной начальной температурой 0,1; 77, 150К соответственно. Сопоставляя значения времени на различных этапах моделирования, по-казанных на рис. 1-3, можно увидеть, что при низких температурах наблюдается развитие острой трещины путем расклинивания (см. рис. 1, б). С ростом температуры начинает преобладать затупление трещины, а также видно увеличение количества вакансий перед вершиной трещины (см. рис. 2). Легко заметить, что температура начинает резко возрастать с некоторого времени, до того оставаясь практически неизменной. Если посмотреть на поведение трещины в этот момент (см. рис. 1-11), можно увидеть первичное образование дислокаций, при помощи которых впоследствии распространяется трещина. Рис. 14. Изменение температуры с течением времени Fig. 14. Alteration of temperature within time Вычисления, проведенные с помощью метода молекулярной динамики для трех значений параметра смешанности нагружения M e : 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 и 0,7, позволили получить следующие углы -67,3°, -59,6°, -51,5°, -46,6°, -42,2° и - 31,4° соответственно, что хорошо согласуется с результатами классической линейной механики разрушения (см. табл. 2, 4). Следует отметить хорошее совпадение углов, полученных методом мо- 206 Степанова Л.В., Бронников С.А., Белова О.Н. / Вестник ПНИПУ. Механика 4 (2017) 189-213 лекулярной динамики и с помощью критериев классической механики разрушения, ко-гда в асимптотическом разложении М. Уильямса (5) удерживаются слагаемые высоких порядков. Выводы и обсуждение результатов В работе определены углы распространения центральной трещины в пластине, нахо-дящейся в условиях смешанного нагружения в полном диапазоне смешанных форм нагру-жения, изменяющихся от нормального отрыва до поперечного сдвига. Углы распростране-ния трещины найдены 1) с помощью обобщенных критериев разрушения континуальной механики: обобщенного критерия максимального тангенциального напряжения и обоб-щенного критерия минимума плотности энергии упругой деформации; 2) с помощью ато-мистического моделирования методом молекулярной динамики в программном комплексе LAMMPS. Для вычисления углов направления распространения трещины с помощью кри-териев механики разрушения использовалось многопараметрическое асимптотическое раз-ложение поля напряжения у вершины трещины, в котором удерживались высшие прибли-жения. Показано, что удержание высших приближений существенно влияет на значение угла распространения трещины. Также на основе атомистического моделирования на при-мере кристалла меди определены углы направления роста трещины. Проведено сравнение углов, полученных с помощью двух различных подходов: континуального и дискретного. Показано, что углы, определенные с помощью двух различных подходов, близки друг к другу, особенно в тех случаях, когда учитываются высшие приближения в полном асим-птотическом разложении М. Уильямса поля напряжений у вершины трещины. На основании проведенного анализа смешанного нагружения пластины с централь-ной трещиной можно заключить, что моделирование роста трещины с помощью метода молекулярной динамики является мощным и действенным средством понимания процес-сов разрушения и деформирования твердых тел с дефектами. Возможным и перспектив-ным направлением дальнейших исследований является создание многоскейлинговых мо-делей разрушения на различных масштабных уровнях [54-59], что даст возможность бо-лее глубокого понимания механизмов разрушения и реалистичного описания процесса роста трещины при сложных условиях нагружения.

About the authors

L V Stepanova

Samara University

S A Bronnikov

Samara University

O N Belova

Samara University

References

Statistics

Views

Abstract - 594

PDF (Russian) - 164