Введение к работе
Актуальность темы. Исследование закономерностей упруго-пластического деформирования и прочности материалов при сложном напряженном состоянии (СНС) и сложном нагружении является важнейшей актуальной задачей механики деформируемого твердого тела. В современном строительстве и машиностроении характерным является увеличение интенсивности нагрузок на конструкции, и как следствие, - появление упругопластических деформаций. Учет их в работе и определение предельного состояния конструкций является важным этапом безопасного их функционирования и долговечности при правильном выборе коэффициентов запаса. Двадцатый век ознаменовался крупными достижениями в области механики деформируемого твердого тела, в том числе в области экспериментальной механики. Так были созданы высокопрочные материалы, разработаны различные композиционные материалы, созданы автоматизированные испытательные комплексы типа СН-ЭВМ.
Развитие различных отраслей техники, в особенности авиакосмической, улучшение технологических характеристик конструкций, повышение их прочности, надежности и долговечности связано с внедрением новых конструкционных решений, современных технологий и конструкционных материалов. Применение оболочечных конструкций в авиации, космонавтике, строительных сооружениях и машиностроении, учет их работы в экстремальных условиях с возникновением пластических деформаций поставили задачу исследования закономерностей упруго-пластического деформирования конструкционных материалов при сложном нагружении и деформировании в ряд наиболее важных.
Эта проблемная задача теории пластичности показывает, что попытки упрощения теории процессов упругопластического деформирования конструкционных материалов при реализации траектории деформирования большой кривизны и кручения и значительными выше допустимого изломами приводят к большому расхождения расчетов с экспериментальными данными. Поэтому необходимость полного учета параметров сложного нагружения в функционалах процессов и материальных функциях определяющих соотношениий при сложном нагружении, либо разгружении для получения достоверных расчетных результатов весьма необходима и важна для современной теории пластичности и её экспериментальных исследований, её дальнейшего прогрессивного развития и оценки используемых на практике приближенных теорий и моделей пластического деформирования металлов, не содержащих параметров сложного деформирования в своих соотношениях и уравнениях.
В связи с этим данная проблема в развитии современной механики деформируемого твердого тела стала одной из наиболее важных и актуальных проблем теории пластичности и экспериментальной механики. Цель работы. Данная работа посвящена в основном экспериментальному исследованию закономерностей упругопластического деформирования
конструкционных материалов при сложном нагружении и выявлению
влияния и оценке этих закономерностей в зависимости от параметров
сложного нагружения при изотермических процессах деформирования.
Экспериментальные работы проводились на автоматизированном
испытательном комплексе СН-ЭВМ в лаборатории механических испытаний
кафедры «Сопротивление материалов, теория упругости и пластичности»
Тверского государственного технического университета. Осуществление
поставленной цели реализовывалось путем постановки решения следующих
задач:
1. Экспериментальных исследований закономерностей упругопластического
деформирования конструкционных материалов при сложном нагружении на
упомянутом современном испытательном комплексе СН-ЭВМ, реализующем
трехпараметрическое сложное деформирование либо нагружение
(растяжение- сжатие, кручение, внутренне давление) на тонкостенных
трубчатых образцах.
2.Разработке базовых программ экспериментальных исследований для их
реализации на автоматизированным испытательном комплексе СН-ЭВМ для
определения влияния различных параметров сложного нагружения на
закономерности сложного нагружения и деформирования материалов, в т.ч.
их влияния на скалярные и векторные свойства.
3. Разработке программ полного отображения результатов
экспериментальных исследований скалярных и векторных свойств
материалов в цифровом и графическом виде, в т.ч. отображение состояний
полной и неполной пластичности и упругости материалов.
4.Экспериментального исследования процессов частичной и полной сложной
разгрузки материалов с образованием прямых и обратных нырков, связанных
с состояниями полной и неполной упругости и пластичности материалов.
5.Экспериментального исследования и анализа взаимовлияния напряжений
при сложном упругопластическом деформирование (interection - effect, Эг -
effect) на плоских и пространственных винтовых траекториях.
6.Экспериментальной проверке постулата изотропии на многозвенных
траекториях в условиях ортогонального и неортогонального нагружении.
7. Экспериментальной проверке достоверности приближенной
математической модели теории процессов В.Г.Зубчанинова при сложном
деформировании по базовым ломаным траекториям и плоским траекториям
малой и средней кривизны.
8.Экспериментальном исследовании закономерностей упругопластического
деформирования по пространственным винтовым траекториям постоянной и
переменной кривизны и кручения.
9.Экспериментальном исследовании закономерностей эффекта Баушингера
при знакопеременном простом нагружении-разгружении и его обобщение на
сложное нагружение-разгружение.
10.Экспериментальном исследовании закономерностей формоизменения и
размеров предельных поверхностей деформирования и нагружения.
11. Экспериментальном исследовании изменения структуры материалов и
связанной с ней деформационной анизотропии при упругопластическом
деформировании.
Научная новизна состоит
1.В установлении новых закономерностей упругопластического
деформирования: при сложном активном нагружении и сложной разгрузке,
состояний полной и неполной пластичности и упругости; проявлении Эг -
эффекта; взаимовлиянии напряжений при сложном НДС и сложном
нагружении; при сложном деформировании по пространственным винтовым
траекториям и «плоским» винтам.
2.В разработке базовых программ сложного деформирования с учетом
параметров, характеризующих особенности процессов сложного нагружения
и разгружения материалов, их состояний полной и неполной пластичности.
З.В разработке алгоритма и программ численных расчетов для решения
основных определяющих уравнений задачи Копій методом Рунге-Кутта 4-ого
порядка точности при определении напряженно-деформированного
состояния в задачах, соответствующих программам базовых экспериментов.
4.В разработке методики отображения результатов экспериментальных
исследований и получаемых расчетных данных для анализа закономерностей
сложного упругопластического деформирования материалов и влияния на
эти закономерности параметров сложного нагружения с учетом векторных и
скалярных свойств материалов.
5. В технической реализации автоматизированных испытаний по
трехпараметрическим пространственным траекториям деформирования
материалов при сложном нагружении.
Научная и практическая значимость состоит в использовании
-
Установленных закономерностей в построении аппроксимаций функционалов упругопластических процессов деформирования в определяющих соотношениях при сложном нагружении.
-
Мето дики количественной оценки влияния векторных свойств материалов и параметров сложного нагружения на пределы применимости различных частных вариантов теории пластичности.
3.Экспериментальной оценке достоверности различных вариантов теорий пластичности при сравнении их с опытными результатами, полученных в базовых экспериментах.
Достоверность полученных результатов и выводов основывается на использовании в исследованиях аппробированного в практической работе автоматизированного испытательного комплекса СН-ЭВМ и его измерительных приборов, разработанной методикой отработки полученных прямых экспериментальных данных, достоверностью используемых в работе теоретических соотношений теории процессов, точностью использования численного метода Рунге-Кутта 4-го порядка точности при решении определяющих соотношений математической модели теории процессов для траекторий средней и малой кривизны
Внедрение результатов работы. Полученные в работе экспериментальные и теоретические результаты используются в производственном процессе на ЗАО «ЭКСМАШ» для оценки допускаемых нагрузок на оболочечные конструкции и совершенствование проектирования элементов конструкций, а также в учебном процессе Тверского государственного технического университета при подготовке магистров и аспирантов в области механики деформируемого твердого тела. Использование результатов работы подтверждено актами о внедрении.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждались на IV, V, VI Международном симпозиуме «Современные проблемы прочности» им.В.А. Лихачева г.Старая Русса в 2000,2001,2003гг; на Коллоквиуме-458 Европейского общества механиков «Современные методы аттестации и идентификации определяющих соотношений механики деформируемого твердого тела» в МГУ им.М.В.Ломоносова г.Москва, на Межвузовском научном семинаре по механике деформируемого твердого тела на кафедре сопротивления материалов теории упругости и пластичности Тверского государственного технического университета (г.Тверь,2007-2011гг), ежегодном региональном межвузовском семинаре «Тверские научные чтения по механике деформируемого твердого тела» (г.Тверь,2008-2011гг.), на 4,9,11-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии», г.Тула, ТулГУ 2003,2004,2011гг.; на 1,12-й Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики», г.Тула, ТулГУ, в 2003и2011гг.; на международной конференции RELMAS' «Научно-технические проблемы прогнозирования и долговечности конструкций и методы их решения» в С.-Петербург СпбГПУ 2008 г.; на Международном научном симпозиуме по проблемам механики деформируемых тел, посвященном 100-летию А.А.Ильюшина вМГУ им.М.В.Ломоносова в2011г.
Полностью диссертация была заслушана на расширенном семинаре кафедры «Сопротивление материалов» С.-Петербургского государственного политехнического университета 18 июня 2010 года, а также 5 июля 2010 года в Тверском государственном техническом университете на семинаре «Тверские научные чтения» по проблемам МДДТ.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 31 печатных работах, в том числе 10 работ в изданиях рекомендуемых ВАК РФ. На защиту выносятся:
1.Программы базовых испытаний процессов пластического деформирования при сложном нагружении по плоским и пространственным винтовым траекториям постоянной и переменной кривизны кручения 2. Мето дика обработки экспериментальных данных при испытаниях материалов на автоматизированном испытательном комплексе СН-ЭВМ и их цифровое и графическое отображения.
3.Новые экспериментальные результаты закономерностей поведения
материалов при сложном деформировании и нагружении для их учета в
построении вариантов математических моделей теории пластичности.
4.Оценка достоверности варианта модели теории процессов для траектории
малой и средней кривизны и ломаных траекторий.
5.Закономерности поведения материалов при сложном деформировании по
пространственным винтовым траекториям постоянной и переменной
кривизны и кручения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми
