Экспериментальное исследование процессов
неупругого деформирования и разрушения при плоском напряженном состоянии
, ,
Пермский государственный технический университет, Пермь, Россия
Данные о механических характеристиках и закономерностях поведения материалов, получаемые из опытов на одноосное растяжение, сжатие, изгиб, часто не могут удовлетворить требованиям к повышенной достоверности расчетов на прочность изделий с учетом сложного напряженного состояния материала. Решение проблем механики для элементов конструкций в значительной степени связано с исследованием полей деформаций и напряжений в зонах концентрации с помощью теоретических и экспериментальных методов.
Целью данной работы является экспериментальное исследование закономерностей деформирования и разрушения при плоском напряженном состоянии на основе использования испытательной системы для двухосного нагружения Instron 8850 и цифровой оптической системы Vic-3D анализа полей деформаций.
Существует большое количество методов экспериментальной механики, позволяющих определить напряжения и деформации в элементах конструкций. Наряду с традиционными экспериментальными методами, такими, как тензометрия, поляризационно-оптический метод, метод хрупких покрытий, методы муаровых полос и голографическая интерферометрия [3, 4], предлагаются и развиваются новые методы, получившие развитие в последние годы, в частности, метод, основанный на корреляции цифровых изображений.
Проведено исследование полей перемещений и деформаций при одноосном растяжении пластин из органического стекла с различными концентраторами (малое круговое отверстие, проточка, система отверстий) с использованием цифровой оптической системы Vic-3D. Данная система представлена на рис. 1 и включает в себя две цифровые черно-белые камеры с разрешением 1,4 МПкс, систему подсветки, блок синхронизации, специализированное программное обеспечение и набор калибровочных таблиц. Вычислительный аппарат программного обеспечения Vic-3D основан на методе DIC (digital image correlation) – корреляция цифровых изображений [5]. Корреляция цифровых изображений – это бесконтактный метод измерения полей перемещений и деформаций на поверхности объекта путем сравнения пары цифровых фотографий (до и после нагружения).
Эксперимент с использованием данной системы включал в себя предварительную подготовку образца, проведение испытаний на одноосное растяжение с видеофиксацией, анализ полученных цифровых фотоснимков с помощью программного обеспечения Vic-3D. При этом процессы нагружения и съемки образца были синхронизированы с помощью специального устройства сбора аналогового и цифрового сигналов. На рис. 2 приведены полученные результаты, дающие представление о картине распределения полей поперечной, продольной и сдвиговой деформации в пластине с поперечной проточкой на стадии упругого деформирования.
Существует большое количество методов исследований, позволяющих реализовать в материале сложное напряженное состояние. Наиболее часто используемый в лабораторной практике метод – растяжение с кручением тонкостенных трубчатых образцов [2]. При изменении отношения осевой и сдвиговой деформации в материале реализуется различное напряженное состояние (одноосное растяжение, плоское напряженное состояние, чистый сдвиг). Проводить подобные исследования позволяет универсальная двухосевая сервогидравлическая испытательная система Instron 8850.
В работе проведены экспериментальные исследования поведения сплава алюминия Д16Т при различном напряженном состоянии на стадии упругого и пластического деформирования. Для возможности сопоставления результатов различных экспериментов, данные представлены в виде зависимости интенсивности напряжений от интенсивности деформаций на рис. 3 (а): одноосное растяжение (1), чистый сдвиг (3), пропорциональное растяжение с кручением (2). В экспериментах на одноосное растяжение получены диаграммы деформирования стали Ст3 с ниспадающим участком. В результате анализа данных экспериментов на одноосное растяжение образцов с различным отношением длины рабочей части к диаметру, выявлено влияние масштабного фактора на поведение материала на закритической стадии деформирования. Результаты экспериментов представлены на рис. 3 (б).
а б
Рис. 3. Диаграммы деформирования сплава алюминия Д16Т при различном
напряженном состоянии (а) и стали Ст3 при различном отношении
длины рабочей части к диаметру (б)
Таким образом, в ходе данной работы получены поля перемещений и деформаций при одноосном растяжении пластин с концентраторами различной формы с использованием цифровой оптической системы Vic-3D. Проведена серия экспериментов, позволяющих исследовать поведение материалов в условиях сложного напряженного состояния в экспериментах на растяжение с кручением. Построены диаграммы деформирования с ниспадающими участками, полученные при одноосном растяжении образцов с различной длиной рабочей части.
Работа выполняется при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ и РФФИ-Урал ), а также Федерального агентства по науке и инновациям в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы» (госконтракт № 02.518.11.7135).
Литература
1. , , . Механика неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов. – М.: Наука; Физматлит, 1997. – 288 с.
2. , , Гигиняк свойства конструкционных материалов при сложном напряженном состоянии. – Киев: Издательский Дом «Ин Юре», 2003. – 540 с.
3. Экспериментальная механика: В 2-х книгах: Книга 1. Пер. с англ. / Под ред. А. Кобаяси. – М.: Мир, 1990. – 616 с.
4. Экспериментальная механика: В 2-х книгах: Книга 2. Пер. с англ. / Под ред. А. Кобаяси. – М.: Мир, 1990. – 552 с.
5. Sutton M. A., Orteu J.-J., Schreier H.. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements. – University of South Carolina, Columbia, SC, USA, 2009. – 364 p.
