Full Text

Введение Нелинейным деформационным откликом на приложенное усилие обладает большинство горных пород [1-8], сыпучих сред [9-10] и волокнистых/зернистых композитов [11-14]. Для геоматериалов нелинейный отклик не зависит от пространственного масштаба и наблюдается вплоть до геологических структур километровых размеров [15-18]. Еще одной отличительной особенностью материалов такого типа является их разномодульность, в общем случае зависимость упругих свойств от вида напряженно-деформированного состояния. Для природных материалов зависимость свойств от вида напряженно-деформированного состояния обусловлена развитой дефектностью, сформированной как на стадии литогенеза, так и на стадии активного деформирования в тех или иных геологических условиях. В условиях сжатия/растяжения трещиноподобные дефекты, ориентированные нормально к действию максимального/минимального сжимающего напряжения, схлопываясь/открываясь, дают дополнительный вклад в общую деформацию материала. Для описания деформационного поведения нелинейных разномодульных сред используются различные подходы, которые можно разделить на два класса: модели с упругими модулями, зависящими от типа напряженно-деформированного состояния [19-26], модели с постулированием упругого потенциала особой формы [27-34]. В независимости от способа описания нелинейного деформационного отклика при решении краевых задач определяющее значение имеет вопрос устойчивости материала, которая определяется, в свою очередь, выпуклостью используемого потенциала, обеспечивающую единственность решения, и эллиптичностью уравнения движения. Игнорирование проверки обеспечения в моделях данного класса фундаментальных принципов (выпуклости потенциала, условия эллиптичности) приводит к проблемам сходимости при численной реализации решения конкретной краевой задачи [35; 36]. Настоящая работа посвящена исследованию условий локальной строгой выпуклости потенциала в неклассической модели нелинейной упругости с тензорным параметром поврежденности, обеспечивающих единственность решения упругой задачи в достаточно малой окрестности искомого решения (единственность в малом). Получены соотношения в общем случае несоосных тензора деформации и поврежденности. В качестве примера рассмотрен случай трансверсально-изотропной среды с трещиноватостью, ориентированной произвольно относительно эллипсоида действующих деформаций. 1. Нелинейная неклассическая модель деформирования хрупкого тела со скалярным параметром поврежденности В работе [37] на основе множества экспериментальных данных предложен общий вид упругой энергии в предположении, что это функция второго порядка инвариантов тензора деформации. Приведенные в работе выкладки обеспечили строгую математическую основу для формулировки энергии упругой деформации твердого тела, обсуждавшейся ранее в работах [32-33; 38-41]: (1) где - параметр Ламе, - дополнительный упругий модуль, определяющий степень нелинейности материала, - первый и второй инвариант тензора деформации соответственно. Отличительной особенностью соотношения (1) от традиционных моделей нелинейной упругости является то, что дополнительное слагаемое имеет тот же порядок, что и основные слагаемые. Традиционные модели нелинейной упругости базируются на включении в выражение для упругой энергии слагаемых более высоких порядков по деформации [49]. В исследовании [33] показано, что дополнительное слагаемое является следствием принятия гипотезы об избирательной активизации микротрещин при приложении нагрузки: активизируются только микротрещины, берега которых субпараллельны направлению действия максимального сжимающего напряжения. Дополнительное слагаемое второго порядка обеспечивает нелинейную связь компонент тензора напряжения и компонент тензора деформации и позволяет описать нелинейный отклик материала уже при малых нагрузках: (2) Упругие модули зависят от вида напряженно-деформированного состояния, определяемого параметром Параметр меняется от для всестороннего сжатия до при всестороннем растяжении; соответствует одноосному сжатию/растяжению, а - чистому сдвигу. В работах [32; 42] в модель введена зависимость упругих свойств от скалярного параметра поврежденности, описывающего плотность микротрещин, в виде где - материальный параметр, контролирующий переход от залечивания микротрещин к их росту. Параметр связан с упругими модулями и углом внутреннего трения соотношением: , (3) где и определяется по результатам традиционных испытаний материала по схеме Кармана. Устойчивость материала в процессе деформирования определяется двумя типами условий. Первый тип - условия выпуклости упругого потенциала, обеспечивающие единственность решения статической задачи теории упругости [47]. Формулировка и обобщение этих условий, в том числе для случая нелинейных моделей, представлены в работах [29; 32; 43; 48]. Второй тип условий - условия эллиптичности уравнения движения теории упругости [49]. Условия выпуклости и эллиптичности не всегда идентичны, особенно для нелинейной упругости [50]. Условия выпуклости являются более сильными, и выпуклость может быть потеряна раньше, чем эллиптичность. Настоящая работа посвящена исследованию условий выпуклости потенциала, обеспечивающих единственность решения статической задачи теории упругости. Необходимыми и достаточными условиями локальной строгой выпуклости потенциала (1) являются условия положительной определенности матрицы Гессе функции (4) В свою очередь матрица будет положительно определенной в случае положительности всех ее собственных значений [51]. В работах [32; 43] показано, что условия положительной определённости матрицы Гессе для потенциала вида (1) имеют вид , (5) где, , - эффективные упругие модули среды, a - параметр поврежденности. Условия (5) накладывают ограничения как на дополни- Рис. 1. Зависимость допустимых значений поврежденности α, определяемых условиями (5) локальной выпуклости потенциала, от вида напряженно-деформированного состояния Fig. 1. Dependence of the permissible values of damage α, determined by the conditions (5) of the local potential convexity, on the type of stress-strain state тельный упругий модуль , так и на допустимые максимальные (предельные) значения поврежденности a в зависимости от параметра вида напряженно-деформированного состояния x. Это обстоятельство является отличительной чертой нелинейных моделей. В моделях классической континуальной механики поврежденности разрушение материала происходит при , тогда как в нелинейных моделях максимальная поврежденность, характеризующая макроразрушение материала, определяется условием выпуклости потенциала. Нетрудно показать, что наиболее строгим условием для дополнительного упругого модуля является третье неравенство в (5). Минимальное допустимое значение определяется этим неравенством при и : (6) Для определения зависимости допустимого максимального значения поврежденности от параметра вида напряженно-деформированного состояния построим решения уравнений в случае , и , вычисленного из (6). Найденные зависимости представлены на рис. 1. Из рисунка видно, что при локальная выпуклость потенциала имеет место при . В случае максимальное допустимое значение поврежденности определяется неравенством . После точки - условием . При этом вторая критическая величина следует из равенства и имеет вид . (7) 2. Нелинейная модель деформирования хрупкого тела с тензорным параметром поврежденности Следуя классической теории анизотропной поврежденности [44-45] зададим параметр поврежденности материала в виде симметричного тензора второго ранга Главные направления этого тензора задают направления ортотропии материала, а главные значения определяют изменение эффективной площади поперечных сечений, перпендикулярных к каждой из осей ортотропии (рис. 2, а): , (8) где и - площади поперечного сечения неповрежденного и поврежденного материала в плоскости с нормалью а б Рис. 2. Представительный объем материала в поврежденном (а) и фиктивном неповрежденном состоянии (б) Fig. 2. Representative volume of material in damaged (a) and fictitious undamaged state (б) Для перехода от поврежденного состояния (характеризующегося несимметричными тензорами напряжения и деформации) к фиктивному неповрежденному состоянию примем гипотезу эквивалентности упругой энергии этих состояний [45]. При этом предположим, что ориентация тензора в поврежденной конфигурации не совпадает с ориентацией тензора деформации в конфигурации фиктивной неповрежденной (см. рис 2). Переход от одного состояния к другому подразумевает переход от несимметричных мер напряженного и деформированного состояния к симметричным. Введем симметризованный тензор фиктивной деформации, представляющий собой разность между деформацией в фиктивном неповрежденном состоянии и эффективной деформацией в поврежденном состоянии в виде , (9) характеризующий деформацию поврежденного материала. Инварианты тензора фиктивной деформации определяются как , и в частном случае в главных осях тензора деформации имеют вид (10) Обобщим потенциал, предложенный в [46], и представим энергию упругой деформации анизотропного поврежденного материала в виде (11) где , - параметры Ламе исходного неповрежденного изотропного материала, , параметры, характеризующие деградацию упругих модулей при росте поврежденности, - дополнительный модуль, ответственный за нелинейность при накоплении повреждений. Первое слагаемое в (11) представляет собой энергию деформирования исходного неповрежденного изотропного материала, второе слагаемое - энергию деформации материала с анизотропией, индуцированной поврежденностью, а третье слагаемое отвечает за нелинейность и разномодульность деформационного отклика материала, зависимость его свойств от вида напряженно-деформированного состояния. В случае нулевой поврежденности выражение (11) сводится к классической гуковской энергии упругого изотропного тела. Частный вид потенциала (11) для случая соосных тензоров деформации и поврежденности ранее был предложен в работе [46]. Дифференцируя потенциал (11) по компонентам тензора деформации получим выражения для компонент тензора напряжений Коши (следуя [46], примем ): (12) где , Из соотношения (12) следует особенность, присущая всем анизотропным моделям. При несоосных тензорах поврежденности и деформации тензор напряжения будет не соосен им обоим. Например, в случае диагонального тензора поврежденности при сдвиговом деформировании представительного объема (только ненулевых недиагональных компонентах) тензор напряжений будет иметь как недиагональные компоненты, связанные с характером приложенной деформации, так и диагональные компоненты, связанные с дилатансией за счет роста поврежденности. Необходимо также отметить, что при поврежденный материал будет ортотропным с упругими модулями, зависящими от компонент тензора поврежденности, вида напряженно-деформированного состояния и величины приложенных главных деформаций. В случае соотношение (11) редуцируется к нелинейной реологической модели (1) с модулями, линейно зависимыми от скалярного параметра поврежденности . Различие в степенях и является спецификой анизотропной формулировки и обусловлено использованием гипотезы эквивалентности энергии. Как было сказано ранее, для строгой выпуклости потенциала необходимо и достаточно, чтобы матрица Гессе была положительно определенной. Матрица Гессе для потенциала (11) в главных осях тензора деформации имеет вид: . Для положительной определенности матрица Гессе необходимо и достаточно выполнение следующих условий [51]: (13) В случае неравенства, совпадают и редуцируются к условию с Система неравенств (13) является необходимым и достаточным условием строгой локальной выпуклости потенциала (11) и единственности решения статической задачи нелинейной теории упругости. Рассмотрим несколько частных случаев вида тензора поврежденности и найдем предельные значения его компонент из условий (13). Трансверсально-изотропная трещиноватая среда. Широко распространенным типом анизотропии горных пород является трансверсальная изотропия, связанная с процессами осадконакопления и уплотнения материала. Анизотропия может быть вызвана не только слоистым строением среды, но и определенно ориентированной трещиноватостью, появившейся в процессе ее формирования. Рассмотрим представительный объем материала с ансамблем одинаково ориентированных микротрещин (рис. 3, а) - представительный объема трансверсально-изотропной среды. Трещиноватость описывается тензором поврежденности с главными значениями . Параметр определяет степень анизотропии поврежденности материала. Ориентация трещиноватости определяется эллипсоидом поврежденности (рис. 3, б). Рис. 3. Представительный объем трансверсально-изотропного трещиноватого материала (а) и соответствующей вид эллипсоида поврежденности (б) Fig. 3. Representative volume of transversely isotropic fractured material (a) and the corresponding view of the damage ellipsoid (б) Конфигурация действующих на образец механических воздействий описывается тензором деформации с главными значениями . Рассмотрим случай, когда тензоры деформации и поврежденности соосны. Для анализа условий строгой локальной выпуклости потенциала при различных видах напряженно-деформированного состояния будем варьировать в диапазоне определяя из выражения для параметра вида напряженно-деформированного состояния, который с заданным шагом изменяется от (случай всестороннего сжатия) до (случай всестороннего растяжения). Количество шагов для деформации и параметра совпадают. На рис. 4 представлены предельные значения поврежденности для различной степени ее анизотропии от величины параметра, характеризующего тип напряженно-деформированного состояния . Рис. 4. Зависимости допустимых значений поврежденности определяемых условиями (13), от вида напряженно-деформированного состояния, для параметра анизотропии поврежденности q = 0,95 (а) и q = 0,8 (б) Fig. 4. Dependences of the permissible values of damage determined by conditions (13), on the type of stress-strain state, for the parameter of damage anisotropy q = 0,95 (a) and q = 0,8 (б) Из данных рис. 4 видим, что независимо от величины пары условий и и дают тождественные результаты. При максимальное допустимое значение поврежденности равно единице, так же, как и в модели со скалярной поврежденностью. Начиная с допустимое значение поврежденности определяется условием При этом для малых степеней анизотропии есть еще одна критическая величина, начиная с которой допустимое значение поврежденности контролируется условием . Величина зависит от степени анизотропии поврежденности, при этом при любой величине выполняется условие . На рис. 5 представлена зависимость критической величины от степени анизотропии материала q. Видно, что в целом анизотропия поврежденности приводит к упрочнению материала (точка смещается в область больших значений При этом при слабой анизотропии критическая величина находится в области преимущественного сжатия материала, тогда как при величина асимптотически приближается к нулю, т.е. потеря устойчивости материала будет наблюдаться в условии чистого сдвига. Рис. 5. Зависимости критической величины от степени анизотропии поврежденности Fig. 5. Dependences of the critical value on the degree of damage anisotropy Сравнение полученных допустимых значений поврежденности для различной степени анизотропии с изотропным случаем (скалярная поврежденность) показывает, что условия строгой локальной выпуклости (5) дают минорантную оценку только в области (см. рис. 6). В случае обстановки преимущественного растяжения () допустимые значения параметра поврежденности определяются из условия системы неравенств (13). Рис. 6. Зависимости допустимых значений поврежденности от параметра x для случаев скалярной и анизотропной поврежденности Fig. 6. Dependences of the admissible values of damage on the parameter x for cases of scalar and anisotropic damage Трансверсально-изотропная среда с наклонно-ориентированной трещиноватостью. Рассмотрим обобщение предыдущей постановки на случай несоосных тензора поврежденности и тензора деформации. Как и ранее, примем, что трещиноватость описывается тензором поврежденности с главными значениями Ее наклон задается вращением эллипсоида поврежденности вокруг оси на угол между осью максимальной главной деформации и главной осью, соответствующей максимальной главной поврежденности (рис. 7). Будем работать в системе координат главных осей тензора деформации. Компоненты тензора поврежденности в этой системе координат будут определяться из ортогонального преобразования , где - ортогональный тензор, поворачивающих систему координат главных осей поврежденности в систему координат главных осей деформации. В случае и тензор поврежденности помимо диагональных будет иметь одну ненулевую недиагональную компоненту Рис. 7. Представительный объем трансверсально-изотропного материала с наклонно-ориентированной трещиноватостью (а) и соответствующей вид эллипсоида поврежденности (б) Fig. 7. Representative volume of transversely isotropic material with obliquely oriented fracturing (a) and the corresponding view of the damage ellipsoid (б) Используя выражения для компонент матрицы Гессе и условия ее положительной определенности (13), построим допустимые предельные значения поврежденности для различных углов ориентации трещиноватости b, степени ее анизотропии q и вида напряженно-деформированного состояния x Полученные зависимости для трех различных значений параметра анизотропии представлены на рис. 8. Из рисунка видно, что и вариация угла наклона эллипсоида поврежденности b, и степень анизотропии приводят к существенному изменению характера зависимости допустимой предельной поврежденности от параметра вида напряженно-деформированного состояния поврежденного материала. Так, при условия (5) для случая изотропной поврежденности являются минорантными, тогда как при уменьшении параметра q допустимая кривая для углов и лежит ниже кривой для изотропной поврежденности. Необходимо отметить, что при вариации угла наклона трещиноватости в материале максимальная воз- Рис. 8. Зависимости допустимых значений поврежденности , определяемых условиями (13), от вида напряженно-деформированного состояния и углов наклона для параметров анизотропии поврежденности q = 0,9 (а), q = 0,6 (б) и q = 0,3 (в) Fig. 8. Dependences of the permissible values of damage , determined by conditions (13), on the type of stress-strain state, and slope angles for the parameters of damage anisotropy q = 0,9 (a), q = 0,6 (б) and q = 0,3 (в) можная поврежденность, обеспечивающая его устойчивое поведение, изменяется немонотонно с изменением типа напряженно-деформированного состояния. Эта немонотонность связана с ролью трещиноватости при деформировании материала. Проиллюстрируем это на примере рис. 8, б. Так, при (случай трещиноватости, ориентированной перпендикулярно направлению максимальной главной деформации) наиболее сильные ограничения (относительно )имеют место для > 0, т.е. для случая преимущественного растяжения образца. Это вызвано тем, что трещины, раскрываясь, обеспечивают дополнительную деформацию материала, которая может расти лавинообразно. В случае (случай трещиноватости, ориентированной перпендикулярно направлению минимальной главной деформации) мы видим два интервала с наименьшими значениями допустимой поврежденности. Интервал соответствует случаю пропорционального или непропорционального многоосного растяжения, существующая трещиноватость в этом случае также дает вклад в общую деформацию. Второй интервал соответствует ситуации одноосного сжатия со свободной от напряжений боковой поверхностью или одноосного сжатия с принудительным растяжением в двух других ортогональных направлениях. Вертикальная трещиноватость в этом случае ориентирована нормально к направлению минимальной и/или промежуточной главной деформации, что способствует ее раскрытию и дополнительному деформационному вкладу. Роль ориентации трещиноватости также можно проследить на зависимости критической величины от угла наклона для различных степеней анизотропии поврежденности (рис. 9). Так, для слабой анизотропии () наблюдается разупрочнение материала при увеличении угла ориентации трещиноватости. Разупрочнение заключается в уменьшении критической величины x** при стремлении угла наклона к . В случае существенной анизотропии поврежденности (q < 0.5) можно выделить три характерных интервала изменения величины x**. Первый интервал к характеризуется потерей устойчивости материала при деформировании в условиях чистого сдвига. Второй интервал соответствует случаю, когда материал теряет устойчивость в случаях преимущественного растяжения. При (третий интервал) деформирование материала становится неустойчивым в условиях преимущественного сжатия (). Важно отметить, что в случае наклона трещиноватости субнормально действию минимальной главной деформации (угол близок к ) и высокой степени анизотропии критическая величина будет меньше . Рис. 9. Зависимости критической величины x** от угла наклона β для различных степеней анизотропии поврежденности Fig. 9. Dependences of the critical value x** on the inclination angle β for different degrees of damage anisotropy Заключение В данной работе осуществлен вывод условий локальной строгой выпуклости потенциала в неклассической модели нелинейной упругости с тензорным (второй ранг) параметром поврежденности. Получены условия выпуклости в главных осях тензора деформации для общего случая несоосных тензора деформации и поврежденности. Найденные условия обеспечивают единственность решения статической задачи теории упругости. Для иллюстрации полученных условий выпуклости рассмотрены два частных случая вида тензора поврежденности: трансверсально-изотропная трещиноватая среда с соосными тензорами деформации и поврежденности, трансверсально-изотропная среда с наклонно-ориентированной трещиноватостью. Обе конфигурации помимо поврежденности характеризуются также параметром степени анизотропии поврежденности, показывающем, насколько отличаются площади поперечных сечений в трех ортогональных направлениях, соответствующих главным осям тензора поврежденности. Для обоих случаев установлены наиболее строгие неравенства, показана зависимость предельных значений поврежденности от параметра степени анизотропии. Для наклонно-ориентированной трещиноватости построены зависимости предельной допустимой поврежденности от степени анизотропии, угла наклона и вида напряженно-деформированного состояния. Показано, что ориентация поврежденности в совокупности при разной степени ее анизотропии может приводить как к упрочнению материала, так и разупрочнению относительно случая изотропной трещиноватости.

About the authors

I. A Panteleev

Institute of continuous media mechanics UB RAS

V. Lyakhovsky

Geological survey of Israel

References

Statistics

Views

Abstract - 222

PDF (Russian) - 199