КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА

Данилушкин Владислав Сергеевич; Vladislav Danilushkin; Воронин Сергей Васильевич; Sergey Vasilievich Voronin; Мартынова Ольга Николаевна; Olga N. Martynova

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА

Авторы: Данилушкин В.С.¹, Воронин С.В.¹, Мартынова О.Н.¹
Учреждения:
1. Самарский университет
Выпуск: № 1(20) (2022)
Раздел: Физика
Дата публикации: 19.01.2023
URL: https://vmuis.ru/smus/article/view/10385
ID: 10385

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Аннотация

В данной работе рассмотрено конечно-элементное моделирование процесса зарождения и развития трещин в модели с треугольным характером структуры при двух типах граничных условий. Конечно-элементное моделирование проводилось в программном продукте Abaqus с применением расширенного метода конечных элементов (XFEM). Установлено влияние граничных условий на зарождение и развитие трещин. Определено, что наибольшие напряжения возникают в области пор. В треугольном типе структуры заметно, что трещины движутся нелинейно и поры способны притягивать к себе трещину. Это говорит о том, что трещина способна останавливать трещину. В результате была построена конечно-элементная модель с конфигурацией пор 9х18. А также установлено, что при конфигурации пор 9х18, при создании буферной зоны, трещины начинают зарождаться на порах, расположенных в четных рядах с краю.

Ключевые слова

ТРЕУГОЛЬНЫЙ ТИП СТРУКТУР, МОДЕЛЬ, XFEM, FEM, ТРЕЩИНА, НАПРЯЖЕНИЯ

Полный текст

Fragestellung

Für die Entwicklung neuer einzigartiger Maschinen ist deren Projektierung die wichtigste Etappe. Die Entwicklung neuer, robuster und leichter Legierungen kann auch in die Entwurfsphase einbezogen werden. Dank dem modernen technischen Stand ist es möglich, virtuelle Tests solcher neuen Materialien durchzuführen. Ein Beispiel für ein neues, strapazierfähiges und leichtes Material ist ein mikroporöses Material mit einer geordneten Porenanordnung. Wenn man die Art der Porenposition und -größe ändert, kann man die Materialeigenschaften steuern. Die Pore im Material ist in der Lage, die Rolle einer Verstärkungsphase zu übernehmen, in dem sie Spannungsfelder um ihr Mikrovolumen bildet und einen sich in der Nähe entwickelnden Riss anzieht. Wenn ein Riss die Pore erreicht, kann die Zerstörung stoppen, da der Risskopf im Radius stark ansteigt. Dies liegt daran, dass je größer der Rundungswinkelradius des Risskopfes ist, desto geringer sind die Spannungen und umgekehrt: Bei einem unendlich scharfen Risskopf treten unendlich große Spannungen auf. Eine geordnete Struktur kann zu einer größeren Verzweigung von Rissen führen und gleichzeitig die Anzahl der Rissquellen erhöhen. Eine nahe Null Porendichte reduziert das Gesamtgewicht der Struktur. Es ist notwendig, den Entstehungs- und Entwicklungsprozess eines Risses im porösen Material zu untersuchen abhängig von der Anordnungsart der Mikroporen in der Struktur. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Simulation im Abaqus-Softwareprodukt mit XFEM durchgeführt. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, den Prozess der Zerstörung eines Modells mit dreieckigem Porenstruktur unter zwei Arten von Grenzbedingungen mit XFEM im Abaqus-Softwareprodukt zu untersuchen [1-5].

Stand der Forschung und Methoden

Das FEM-Modell der dreieckigen Struktur wurde einer einachsigen Dehnung unter zwei Arten von Randbedingungen unterzogen: dem idealen Fall einer einachsigen Dehnung und den experimentellen Bedingungen. Bei einer idealen einachsigen Dehnung wurden die Grenzbedingungen so festgelegt, dass die Spannungen gleichmäßig über das gesamte Modell verteilt werden, wobei ein unendlich kleiner Teil des Volumens mit einer gleichmäßigen Verteilung der Spannungen über das gesamte Volumen simuliert wird. Der zweite Fall von Randbedingungen simulierte das Greifen der Greifbacken einer Dehnmaschine zweier gegenüberliegenden Seiten des Modells bei einachsiger Dehnung. Die Rissbildung wurde an Modellen mit der Porenkonfiguration 9x9 (Abb. 1) betrachtet, da dieses Modell den Bedingungen der Quasiisotropie entspricht. Der Riss entstand im Bereich der maximalen Spannung, die bei der Konstruktion des Modells festgelegt wurde. Das Modell besaß die Eigenschaften der A5-Aluminiumlegierung.

Abb. 1 – Das poröse FEM-Modell mit der dreieckigen Porenanordnung

Es wurde später ein FEM-Modell mit einer 9x18-Porenkonfiguration und mit einer Pufferzone simulliert. Die Pufferzone ist eine Fläche ohne Poren für die Dämpfung des Einflusses auf Spannungs- und dehnungs-Randeffekt (Abb. 2).

Abb. 2 –Das poröse FEM-Modell mit einer dreieckigen Porenanordnung mit einer Pufferzone

Ergebnisse und Diskussion

Nach der Anwendung der Zugbelastungen an das FEM-Modell mit dreieckigen Porenanordnung im Fall einer idealen einachsigen Dehnung verteilten sich die größten Spannungsfelder in den Polen 1-8, die sich senkrecht zur Dehnungsachse befinden (Abb. 3).

Abb. 3 –Spannungs- und Dehnungsverteilung in einer dreieckigen Porenstruktur mit einer 9x9-Porenkonfiguration unter idealen Grenzbedingungen

Dies führte zu Rissen an den Paaren 1 bis 8 an beiden Polen (Abb. 4). Diese Risse bewegen sich nicht linear, sie neigen zu Peripherie-Poren.

Abb. 4 – Spannungs- und Dehnungsverteilung in einer dreieckigen Porenstruktur mit einer 9x9-Porenkonfiguration mit Rissen unter idealen Grenzbedingungen

Im Fall der Randbedingungen, die das Greifen der Greifbacken einer Dehnmaschine simulieren, haben sich die größten Spannungen in den Ecken an den Polengebildet des Modells gebildet, die zum Rand des Modells gerichtet sind (Abb. 5)

Abb. 5 – Spannungs- und Verformungsverteilung in einer dreieckigen Porenanordnung mit einer 9x9-Porenkonfiguration unter realen Grenzbedingungen

In den Bereichen mit den größten Spannungen entstanden Risse, die zum Rand des Modells gerichtet sind (Abb. 6).

Abb. 6 – Spannungs- und Verformungsverteilung in einer dreieckigen Porenanordnung mit einer 9x9-Porenkonfiguration mit Rissen unter realen Grenzbedingungen

Das Modell mit dem dreieckigen Porentyp wurde mit der 9x18 Porenkonfiguration und mit einer Pufferzone wurde einer Dehnungsbelastungen unterzogen, dabei entstanden Risse an den Peripherie-Poren der geraden Reihen. Die Poren mit Rissen sind von 1 bis 4 nummeriert. Die entstandenen Risse bewegen sich in Richtung der Pore 5. (Abb. 7).

Abb. 7 – Spannungs- und Verformungsverteilung in einer dreieckigen PorenStruktur mit einer 9x9-Porenkonfiguration mit Rissen unter realen Grenzbedingungen

Zusammenfassung

Zusammenfassend konnten wir als Ergebnis einer FEM-Simulation eines Porenstruktur unter idealen Randbedingungen einer einachsigen Dehnung Folgendes feststellen:

In einem Modell mit einer dreieckigen Porenstruktur entstehen Risse an den Poren, die in geraden Reihen am Rand angeordnet sind. Bei der Simulation des Zerstörungsprozesses unter realen einachsigen Dehnungsbedingungen ist eine Pufferzone erforderlich, da Risse an den äußeren Polen an den Ecken entstehen. Im Modell mit Pufferzone entstanden die Risse an den Poren 1-4 und erstreckten sich nicht linear in Richtung der Pore 5. Um die optimale poröse Struktur zu wählen, müssen die Ergebnisse der durchgeführten Simulation der Entstehung und der Entwicklung eines Risses in einem dreieckigen Porenstruktur mit anderen Strukturtypen verglichen werden.

Liste der verwendeten Quellen

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