Разрушения возможность

Несущая способность элементов конструкций включает в себя множество аспектов, связанных с разрушением материалов в результате растрескивания, потери устойчивости, усталости и ползучести при статическом и динамическом нагружешш в условиях инертной или коррозионной окружающей среды и нагрева. Процесс разрушения волокнистых композиционных материалов еще более усложняется наличием множества независимых и взаимно накладывающихся форм разрушения, таких в частности, как излом волокон, потеря устойчивости отдельных волокон, рас-

45. Rosen, B. W., and Dow, N. F. (1970). «Fracture». (H. Liebowitz, ed.), Vol. VII. Academic Press, New York. [Розен В. У., Дау Н. Ф. Механика разрушения волокнистых композитов. — В кн.: Разрушение. Под ред. Г. Либовица. Т. 7, ч. I. М., Мир, 1976, с. 300—367].

Механизмы, определяющие вязкость разрушения волокнистых композитов, можно изучать на идеализированных композитных: системах; это позволяет оценить роль поверхности раздела. Рассмотрим сначала, какой вклад вносят волокно и матрица по отдельности; затем обсудим, как влияет в этом отношении поверхность раздела.

31. Rosen В. W., Dow N. F., in "Fracture" (H. Liebowitz, ed.), vol. 7, Academic Press, New York, 1972, p. 612—675; русский перевод: Розен Б. У., Дау Н. Ф., Механика разрушения волокнистых композитов, в кн. «Разрушение» (под ред. Г. Либовица), т. 7, ч. I, «Мир», М., 1976.

Другой характеристикой стеклянных волокон, важной при; изучении временного разрушения волокнистых композитов, является статистическая природа их прочности. Уже давно извест-

В предыдущих исследованиях, о которых здесь упоминалось, материал матрицы предполагался упругим. Однако во многих практически важных случаях связующим является полимер с вязкоупругими свойствами, которые могут быть описаны соотношениями линейной теории вязкоупругости. Наличие разрывов в волокнах (вследствие их неравнопрочности) приводит к возникновению локальных сдвиговых напряжений в матрице, которые, как можно предположить, релаксируют. В результате все более длинные части волокон около разорванных концов не могут нести нагрузку. Такая последовательность разрывов, следующих один за другим, наводит на мысль о существовании временной зависимости процесса разрушения волокнистых композитов даже для однонаправленных, нагруженных в направлении Т волокна. Дадим здесь краткий обзор модели Розена [56], на которой основывается и наша, с тем чтобы применить ее к анализу вязкоупругой матрицы.

Чтобы продемонстрировать роль материала матрицы в создании механизма замедленного разрушения волокнистых композитов, в экспериментальной программе были использованы две полимерные матрицы. Одна из них представляла собой эпоксидную смолу ERL 2256 производства «Бакелит Юнион Карбид», отверж-денную специальным агентом ZZL 0820 того же самого предприятия, а другой материал матрицы представлял собой мягкий полиэфир, изготовленный в Израиле под маркой Срафолит 2591. Стекло было приобретено на фирме «Геватекс» в Швейцарии и представляло собой ровницу Е-стекла из одной нити, оно было идентифицировано как текстильное стекло Геватекс ES 13-320 X X Ik 921, М. Н. Code 6963, которое является ровницей Е-стекла с метакрилазилоновым покрытием. Образцы композита содержали 60% объемной доли волокон.

риалов. Эти экспериментальные наблюдения расширяют область применимости упругих расчетов на случай малых циклических (полных) деформаций (<1%) в волокнистых композитах. Такие упругие расчеты позволяют проводить разумные рассуждения, полезные для объяснения и прогноза вида усталостного разрушения волокнистых композитов, и приводят к следующим элементарным принципам конструирования композитов, работающих в условиях усталости [22].

Разрушение композита при сжатии, если исключить возможность потери устойчивости, происходит или от исчерпания прочности, или от местной потери устойчивости армирующих волокон. Интенсивные исследования разрушения волокнистых композитов вследствие выпучивания волокон выполнены Розеном [4], Шурчем [5] и проводятся в настоящее время Грещуком [б]1), Кулкарпи с сотр. [7] и Дэвисом [8]. Было обнаружено, что композитные системы из строго параллельных волокон большого диаметра, например волокон бора, разрушаются из-за сдвиговой микронеустойчивости композита на уровне армирующих элементов.

В качестве одного из путей преодоления этого несоответствия теории и реального процесса Си и Чен [31] предложили использовать для анализа разрушения волокнистых композитов так называемую «теорию плотности энергии» [30]. В основу теории положено предположение о том, что решение механики сплошной среды работает вплоть до области, лежащей вблизи кончика трещины на расстоянии порядка радиуса кривизны вершины трещины. Коэффициент плотности энергии деформирования элемента, лежащего вне этой области, является функцией его положения относительно осей надреза. Развитие трещины происходит, когда величина этого коэффициента достигает критического значения. Предполагая, что трещина распространяется только параллельно волокнам, при помощи теории плотности энергии в работе [31] получены значения критических напряжений для различных углов распространения трещины и зависимости «угла разрушения» от «угла трещины» для однонаправленного стеклопластика на эпоксидном связующем. Хотя в [31] и сказано, что рассматриваемая теория пригодна для случая трещины с притупленной вершиной, остается неясным, каким образом осуществить анализ напряжений, если вне области, примыкающей к вершине трещины, существует зона нелинейности.

1. Rosen В. W., Dow N. F., Mechanics of Failure of Fibrous Composites, in "Fracture", vol. VII, ed. H. Liebowitz, Academic Press, 1972; русский перевод: Розен Б. У., Дау Н. Ф., Механика разрушения волокнистых композитов, в кн. «Разрушение», т. 7, ч. I, «Мир», М., 1976.

верхность образцов оставалась обильно смоченной в течение всего времени испытания вплоть до разрушения. Возможность использования результатов, полученных на плоских образцах, для оценки коррозионно-усталостной долговечности реальных гофрированных оболочек обоснована удовлетворительным совпадением кривых малоцикловой долговечности реальной гофрированной оболочки и материала в виде пластин для случая справедливости деформационно-кинетического критерия по определению предельного состояния (образование трещины) и принятого метода расчетного определения напряженно-деформированного состояния при циклическом нагружении гофрированной оболочки, показанная А.П. Гусенковым и др. [35].

Линейная механика разрушения (точнее, механика развития магистральных трещин) описывает хрупкое разрушение, происходящее в результате роста трещины при отсутствии заметных пластических деформаций у вершины трещины. В этом случае справедливы асимптотические формулы для напряжений и деформаций (см. § 2). и задачу о распространении трещины можно сформулировать в терминах коэффициентов интенсивности напряжений. Таким образом, основной признак линейной механики разрушения — возможность изучения поведения тела с трещиной с помощью коэффициентов интенсивности напряжений, причем само понятие этого коэффициента имеет физический смысл.

Суть метода сеток заключается в том, что на поверхность модели, которая обычно изготавливается из того же материала, что и реальное изделие (иногда используется другой материал), наносится сетка с заданными параметрами. В процессе деформирования образца, включая деформирование его поверхности, сетка искажается в той же мере, что и поверхность. Измеряя искажение элементов сетки, можно судить об упругих и пластических деформациях модели. Преимущество метода — наглядность, достоверность, сравнительная простота, возможность исследования всего поля деформации и кинетики процесса пластического деформирования вплоть до разрушения. Возможность перерывов в испытаниях при разных степенях деформации с производством необходимых измерений позволяет установить количественные закономерности местной пластической деформации в различных участках и особенно в зонах концентрации деформации. Имеется также возможность изучения кинетики изменения концентрации напряжений при нагружении образца. Недостатки метода: малая чувствительность при измерении деформаций менее 5%; возможность изучения деформаций, как правило, только на поверхности.

Таким образом, особенности тонкого металла и достоинства мно-гослоя — замедленный характер разрушения, локальный характер разрушения, возможность тщательного контроля состояния стенки — практически обеспечивают неразрушаемость многослойных корпусов реакторов. При этом технико-экономические показатели рулониро-ванных корпусов по сравнению с коваными и кованосварными будут значительно выше.

Как показано в [11], функция Д1/т и является той функцией самоподобия, которая копирует множество само на себя и определяет периодичность повторения блоков промежуточной асимптотики при самоподобном росте фрактального кластера. Эта функция дает сжатую информацию о кинетике самоподобного роста фрактального кластера на различных масштабных уровнях разрушения. Возможность сжатия информации определяется масштабной инвариантностью предыдущего характерного размера кластера в спектре к последующему:

В последние годы стало общепринятым считать, что процесс усталостного разрушения состоит из трех фаз. Первая фаза — возникновение трещины, за ней следует вторая — распространение трещины, и, наконец, когда трещина достигает критического размера, процесс разрушения завершает третья фаза — быстрый неустойчивый рост трещины до полного разрушения. Возможность моделирования каждой из этих фаз интенсивно исследовалась, однако до сих пор еще не создано скоординированных между собой моделей, которые в совокупности представляли бы общепринятый инженерный метод расчета. Тем не менее целесообразно рассмотреть некоторые последние достижения в этом направлении, поскольку в последние годы они особенно велики. В первую очередь это относится к моделированию фазы распространения трещины и последней фазы разрушения, о чем уже говорилось в разд. 3.7—3.10.

Линейная механика разрушения (точнее, механика развития магистральных трещин) описывает хрупкое разрушение, происходящее в .результате роста трещины при отсутствии заметных пластических деформаций у вершины трещины. В этом случае справедливы асимптотические формулы для напряжений и деформаций (см. § 2). и задачу о распространении трещины можно сформулировать в терминах коэффициентов интенсивности па-пря,копий. Таким образом, основной признак линейной механики разрушения — возможность изучения поведения тела с т.рещи-'•<>й с помощью коэффициентов интенсивности напряжений, при-»\м само понятие этого коэффициента имеет физический смысл.

3) результаты, полученные разными авторами, не всегда •совпадают, например в работе [101] обнаружено два механизма разрушения. Возможность двух механизмов в едином процессе разрушения мало вероятно, например в работах [99, 114] указан лишь один механизм разрушения и приведен один тип соотношений между прочностью и размерами зеркальной зоны излома;

Под механикой разрушения понимается система знаний о закономерностях перехода элементов конструкций с трещинами в критическое состояние разрушения. Возможность такого перехода зависит от напряженного состояния в зоне трещин и прочностных характеристик (характеристик трещиностойкости) материала конструкции.

жений в некоторых циклах превышает предел живучести а+, то при переходе в диапазон напряжений а* -4- а_г уже возможно увеличение длины трещины. Этот вывод находится в полном соответствии с основным положением механики разрушения: возможность разрушения материала зависит не только от уровня действующих напряжений, но и от длины имеющейся на данный момент трещины. Учесть наличие трещины в расчете живучести можно путем введения изменяемых (по мере увеличения длины трещины) кривых усталости (рис. 19.3). Полагая, что при этом изменяется лишь значение предела живучести о%, а произведение Q™'Nt остается неизменным, получим для определения живучести конструкции, выраженной в числах циклов нагружения на этапе роста трещины N, следующее соотношение:

Линейная механика разрушения (точнее, механика развития магистральных трещин) описывает хрупкое разрушение, происходящее в результате роста трещины при отсутствии заметных пластических деформаций у вершины трещины. В этом случае справедливы асимптотические формулы для напряжений и деформаций ((40) — (45) § 11), и задачу о распространении трещины можно сформулировать в терминах коэффициентов интенсивности напряжений. Таким образом, основной признак линейной механики разрушения — возможность изучения поведения тела с трещиной с помощью коэффициентов интенсивности напряжений, причем само понятие этого коэффициента имеет физический смысл.