Аспекты численного моделирования процессов разрушения упруго-хрупких тел
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.4.35Ключевые слова:
разрушение, численное моделирование, пакет ANSYS, редуцирование жесткостейАннотация
Для обеспечения надежности и безопасности ответственных конструкций, определения их прочностных и деформационных резервов, важным является понимание процессов зарождения и развития макродефектов в твердых телах. При численном моделировании зоны, где произошло разрушение материала, могут быть представлены как области со значительно заниженными жесткостными характеристиками, по аналогии с методом переменных параметров упругости, применяемым при решении краевых задач теории пластичности. Однако формальное использование численных алгоритмов пластичности не всегда приводит к адекватному описанию процессов разрушения, особенно упруго-хрупких тел. В связи с этим в работе рассмотрены такие аспекты численных (базирующихся на методе конечных элементов) алгоритмов процессов разрушения, как пересчет при неизменных граничных условиях напряженно-деформированного состояния после редуцирования жесткости конечных элементов путем организации соответствующей итерационной процедуры, выбор максимального числа «разрушаемых» за итерацию конечных элементов, величины шага нагружения и степени дискретизации расчетной области. Влияние перечисленных аспектов на результаты моделирования процесса разрушения иллюстрируется путем сравнения численных решений задачи деформирования полосы из упруго-хрупкого материала с краевым концентратором напряжений, полученных различными алгоритмами. Построены расчетные диаграммы нагружения, продемонстрирована реализация закритической стадии на макроуровне. Анализируется кинетика процесса разрушения при различной организации итерационной процедуры и разном количестве «разрушаемых» за итерацию элементов. Выявлено, что для более точного описания процесса деформирования и разрушения целесообразнее использовать автоматически подбираемую величину шага нагружения. Получено, что степень дискретизации расчетной области оказывает значительное влияние на результаты моделирования. В связи с этим сделано предположение, что размер конечного элемента должен соответствовать некоторой прочностной константе материала, имеющей размерность длины.
Скачивания
Библиографические ссылки
Ильиных A.В. Численное моделирование процессов структурного разрушения зернистых композитов с изотропными элементами структуры // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2011. № 2(23). С. 101-106. https://doi.org/10.14498/vsgtu947
Вильдеман В.Э., Ильиных А.В. Моделирование процессов структурного разрушения и масштабных эффектов разупрочнения на закритической стадии деформирования неоднородных сред // Физ. мезомех. 2007. Т. 10, № 4. С. 23 29.
Ильиных А.В., Вильдеман В.Э. Моделирование структуры и процессов разрушения зернистых композитов // Вычисл. мех. сплош. сред. 2012. Т. 5, № 4. С. 443-451. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2012.5.4.52
Муллахметов М.Н., Ильиных А.В. Численное моделирование процесса разрушения пучков параллельных волокон // Master's Journal. 2020. № 1. С. 9-26.
Вильдеман В.Э., Третьяков М.П. Испытания материалов с построением полных диаграмм деформирования // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2013. № 2. С. 93-98. (English version https://doi.org/10.3103/S1052618813010159)
Цепенников М.В., Сметанников О.Ю., Повышев И.А. Идентификация параметров численной методики расчета разрушения конструкций из композиционных материалов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2015. № 2. С. 46-53.
Цепенников М.В., Стром А.А., Повышев И.А., Сметанников О.Ю. Экспериментально-теоретическое исследование механического поведения 3D-композитов при квазистационарном разрушении // Вестник ПНИПУ. Механика. 2016. № 2. С. 143-158. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2016.2.10
Цепенников М.В., Повышев И.А., Сметанников О.Ю. Верификация численной методики расчета разрушения конструкций из композиционных материалов // Вестник ПНИПУ. Прикладная математика и механика. 2012. № 10. С. 225-241.
Степанов Г.В., Широков А.В. Моделирование кинетики распространения трещины // Проблемы прочности. 2010. № 4. С. 87-95. (English version https://doi.org/10.1007/s11223-010-9233-1)
Feklistova E.V., Tretyakov M.P., Wildemann V.E. Numerical implementation issues of the deformation and destruction process of bodies with stress concentrators // AIP Conf. Proc. 2021. Vol. 2371. 050002. https://doi.org/10.1063/5.0059553
Аношкин А.Н. Неупругое деформирование и прочность однонаправленных композитов при продольном сдвиге // Вестник ПГТУ. Математическое моделирование систем и процессов. 1995. № 3. С. 4-10.
Boyce B.L., Kramer S.L.B., Fang H.E. et al. The Sandia Fracture Challenge: Blind round robin predictions of ductile tearing // Int. J. Fract. 2014. Vol. 186. P. 5-68. https://doi.org/10.1007/s10704-013-9904-6
Hedayati Dezfuli F., Alam M.S. Sensitivity analysis of carbon fiber reinforced elastomeric isolators based on experimental tests and finite element simulations // Bull. Earthquake Eng. 2014. Vol. 12. P. 1025-1043. https://doi.org/10.1007/s10518-013-9556-y
Козлов М.В., Шешенин С.В. Моделирование прогрессирующего разрушения слоистых композитов // МКМ. 2016. Т. 51, № 6. С. 991-1006. (English version https://doi.org/10.1007/s11029-016-9540-0)
Ренев С.А. Шелофаст В.В. Решение задач прочности и трещиностойкости с использованием модифицированной функции "birth and death" для трех типов деформации в вершине трещины // Морские интеллектуальные технологии. 2017. № 4-3 (38). С. 72-78.
Королев И.К., Петинов С.В., Фрейдин А.Б. Численное моделирование накопления повреждений и развития усталостной трещины в упругих материалах // Вычисл. мех. сплош. сред. 2009. Т. 2, № 3. С. 34-43. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2009.2.3.21
Шаблей А.А., Сапожников С.Б., Шипулин Л.В. Расчетная оценка кинетики разупрочнения слоистых композитов на основе стохастического микро-мезо-моделирования // Вестник ЮУрГУ. Серия Машиностроение. 2017. Т. 17, № 4. С. 59-69. https://doi.org/10.14529/engin170406
Крыжевич Г.Б., Филатов А.Р. Численное моделирование процессов упругопластического деформирования перекрытия ледового пояса морской ледостойкой платформы // Труды Центрального научно-исследовательского института им. академика А.Н. Крылова. 2015. № 86(370). С. 125-132.
Новоселов А.В., Вильдеман В.Э. Исследование характера процесса разрушения ортотропных пластин с концентраторами напряжений на базе вычислительного эксперимента // Вестник ПНИПУ. Механика. 2012. № 4. С. 66-78.
Соколкин Ю.В., Вильдеман В.Э., Зайцев А.В., Рочев И.Н. Накопление структурных повреждений и устойчивое закритическое деформирование композитных материалов // МКМ. 1998. Т. 34, № 2. С. 234-250. (English version https://doi.org/10.1007/BF02256036)
Бартоломей М.Л., Труфанов Н.А. О применении пакета ANSYS для исследования деформирования здания с учетом трещинообразования // Вестник ПГТУ. Механика. 2009. № 1. С. 15-20.
Шабан Б.А., Зузов В.Н. Особенности моделирования каркасных элементов кузовов и кабин автомобилей при исследовании пассивной безопасности // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 11. С. 81-104. https://doi.org/10.7463/1112.0486675
Лю И., Зузов В.Н. Исследование влияния размеров конечных элементов на точность моделирования клеевого соединения в автомобильных конструкциях // Изв. МГТУ «МАМИ». 2021. Т. 15, № 3. C. 31-41. https://doi.org/10.31992/2074-0530-2021-49-3-31-41
Шабан Б.А., Зузов В.Н. Особенности построения конечно-элементных моделей кабин для исследования пассивной безопасности при ударе в соответствии с правилами ЕЭК ООН №29 // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2013. № 3. C. 129-156. https://doi.org/10.7463/0313.0542301
Lopes B., Arruda M.R.T., Almeida-Fernandes L., Castro L., Silvestre N., Correia J.R. Assessment of mesh dependency in the numerical simulation of compact tension tests for orthotropic materials // Composites Part C: Open Access. 2020. Vol. 1. 100006. https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2020.100006
Monforte L., Ciantia M.O., Carbonell J.M., Arroyo M., Gens A. A stable mesh-independent approach for numerical modelling of structured soils at large strains // Computers and Geotechnics. 2019. Vol. 116. 103215. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2019.103215
Galavi V., Schweiger H.F. Nonlocal multilaminate model for strain softening analysis // Int. J. Geomech. 2010. Vol. 10. P. 30 44. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1532-3641(2010)10:1(30)
Кургузов В.Д. Выбор параметров сетки конечных элементов при моделировании роста трещин гидроразрыва // Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8, № 3. С. 254-263. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.3.21
Сметанников О.Ю., Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Шустов Д.В. Численная модель развития трещины при повторном гидроразрыве пласта // Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8, № 2. С. 208-218. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.2.18
Каспарова Е.А., Шушпанников П.С. Численные и аналитические методы моделирования роста и взаимодействия трещин // Вычисл. мех. сплош. сред. 2018. Т. 11, № 1. С. 79-91. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.1.7
Pour A.E., Afrazi M., Golshani A. Experimental study of the effect of length and angle of cross-cracks on tensile strength of rock-like material // Iran. J. Sci. Technol. Trans. Civ. Eng. 2022. Vol. 46. P. 4543-4556. https://doi.org/10.1007/s40996-022-00891-0
Xiao D., Yang W., Liu C., Hu R. Testing of mode-I fracture toughness of sandstone based on the fracturing mechanism of an explosion stress wave // Rock Mech. Rock Eng. 2022. Vol. 55. P. 7731-7745. https://doi.org/10.1007/s00603-022-03047-8
Liu P., Liu Q., Huang X., Hu M., Bo Y., Yuan D., Xie X. Direct tensile test and FDEM numerical study on anisotropic tensile strength of kangding slate // Rock Mech. Rock Eng. 2022. Vol. 55. P. 7765-7789. https://doi.org/10.1007/s00603-022-03036-x
Васильев В.В., Лурье С.А., Салов В.А. Определение нагрузки, вызывающей появление пластической деформации в растягиваемой пластине с трещиной // Изв. РАН. МТТ. 2020. № 4. С. 43-49. https://doi.org/10.31857/S0572329920040133
Васильев В.В., Лурье С.А., Салов В.А. Новое решение задачи о трещине в растягиваемой ортотропной пластине // Изв. РАН. МТТ. 2021. № 6. С. 23-32. https://doi.org/10.31857/S0572329921060167
###
Ilinykh A.V. Numerical modeling of structural fracture processes for granular composites with isotropic elements of structure. Vestn. Sam. gos. tekhn. un-ta. Ser. Fiz.-mat. nauki – J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci., 2011, no. 2(23), pp. 101-106. https://doi.org/10.14498/vsgtu947
Wildemann V.E., Ilyinykh A.V. Simulation of structural failure and scale effects of softening at the post-critical deformation stage in heterogeneous media. Fiz. mezomekh. – Physical Mesomechanics, 2007, vol. 10, no. 4, pp. 23-29.
Ilinykh A.V., Vildeman V.E. Modeling of structure and failure processes of granular composites. Vychisl. mekh. splosh.
sred – Computational Continuum Mechanics, 2012, vol. 5, no. 4, pp. 443-451. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2012.5.4.52
Mullahmetov M.N., Ilinykh A.V. Numerical simulation of the process of destruction of sequentially and parallel associated fibers. Master’s Journal, 2020, no. 1, pp. 9-26.
Vil’deman V.E., Tretyakov M.P. Material testing by plotting total deformation curves. J. Mach. Manuf. Reliab., 2013, vol. 42, pp. 166-170. https://doi.org/10.3103/S1052618813010159
Tsepennikov M.V., Smetannikov O.Yu., Povyshev I.A. Parameters identification numerical techniques calculation of fracture structures of composite materials. Fundamental’nyye i prikladnyye problemy tekhniki i tekhnologii – Fundamental and Applied Problems of Technics and Technology, 2015, no. 2, pp. 46-53.
Tsepennikov M.V., Strom A.A., Povyshev I.A., Smetannikov O.Yu. Theoretical-experimental study of mechanical behavior in 3D composites under quasi-steady damage. Vestnik PNIPU. Mekhanika – PNRPU Mechanics Bulletin, 2016, no. 2, pp. 143-158. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2016.2.10
Tsepennikov M.V., Povyshev I.A., Smetannikov O.Yu. Verification of numerical technique for composite structures failure modeling. Vestnik PNIPU. Prikladnaya matematika i mekhanika – Applied Mathematics and Control Sciences, 2012, no. 10, pp. 225-241.
Stepanov G.V., Shirokov A.V. Modeling of crack propagation kinetics. Strength Mater., 2010, vol. 42, pp. 426-431. https://doi.org/10.1007/s11223-010-9233-1
Feklistova E.V., Tretyakov M.P., Wildemann V.E. Numerical implementation issues of the deformation and destruction process of bodies with stress concentratorsю AIP Conf. Proc., 2021, vol. 2371, 050002. https://doi.org/10.1063/5.0059553
Anoshkin A.N. Neuprugoye deformirovaniye i prochnost’ odnonapravlennykh kompozitov pri prodol’nom sdvige [Inelastic deformation and strength of unidirectional composites under longitudinal shear]. Vestnik PGTU. Matematicheskoye modelirovaniye sistem i protsessov – Vestnik PNIPU. Mekhanika, 1995, no. 3, pp. 4-10.
Boyce B.L., Kramer S.L.B., Fang H.E. et al. The Sandia Fracture Challenge: Blind round robin predictions of ductile tearing. Int. J. Fract., 2014, vol. 186, pp. 5-68. https://doi.org/10.1007/s10704-013-9904-6
Hedayati Dezfuli F., Alam M.S. Sensitivity analysis of carbon fiber reinforced elastomeric isolators based on experimental tests and finite element simulations. Bull. Earthquake Eng., 2014, vol. 12, pp. 1025-1043. https://doi.org/10.1007/s10518-013-9556-y
Kozlov M.V., Sheshenin S.V. Modeling the Progressive Failure of Laminated Composites // Mech. Compos. Mater., 2016, vol. 51, pp. 695–706. https://doi.org/10.1007/s11029-016-9540-0
Renev S.A., Shelofast V.V. The method of solving the problems of strength and fracture toughness using the modified function "birth and death" for three modes of deformation at the tip of a crack. Morskiye intellektual’nyye tekhnologii – Marine Intellectual Technologies, 2017, no. 4-3 (38), pp. 72-78.
Korolev I.K., Petinov S.V., Freidin A.B. Numerical simulation of damage accumulation and fatigue crack growth in elastic materials. Vychisl. mekh. splosh. sred – Computational Continuum Mechanics, 2009, vol. 2, no. 3, pp. 34-43. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2009.2.3.21
Shabley A.A., Sapozhnikov S.B., Shipulin L.V. Estimated evaluation of the softening kinetics of laminates based on stochastic micro-meso modeling. Vestnik YuUrGU. Seriya Mashinostroyeniye – Bulletin of the South Ural State University. Series “Mechanical Engineering Industry”, 2017, vol. 17, no. 4, pp. 59-69. https://doi.org/10.14529/engin170406
Kryzhevich G.B., Filatov A.R. Numerical simulation of elastic-plastic strain of ice belt grillage of offshore ice resistant platform and comparison with full-scale experiment. Trudy Tsentral’nogo nauchno-issledovatel’skogo instituta im. akademika A.N. Krylova – Transactions of the Krylov State Research Centre, 2015, no. 86(370), pp. 125-132.
Novoselov A.V., Vildeman V.E. Structural failure behavior research for the planar stressed plates based on numerical modeling. Vestnik PNIPU. Mekhanika – PNRPU Mechanics Bulletin, 2012, no. 4, pp. 66-78.
Sokolkin Yu.V., Vil’deman V.E., Zaitsev A.V., Rochev I.N. Structural damage accumulation and stable postcritical deformation of composite materials. Mech. Compos. Mater., 1998, vol. 34, pp. 171-183. https://doi.org/10.1007/BF02256036
Bartolomei M.L., Trufanov N.A. O primenenii paketa ANSYS dlya issledovaniya deformirovaniya zdaniya s uchetom treshchinoobrazovaniya [On application of ANSYS package for building deformation study taking into account crack formation]. Vestnik PGTU. Mekhanika – PNRPU Mechanics Bulletin, 2009, no. 1, pp. 15-20.
Shaban B.A., Zuzov V.N. Osobennosti modelirovaniya karkasnykh elementov kuzovov i kabin avtomobiley pri issledovanii passivnoy bezopasnosti [Features of wireframe modeling bodies and cabs of cars while investigating passive safety]. Nauka i obrazovaniye: nauchnoye izdaniye MGTU im. N.E. Baumana – Science and education of Bauman MSTU, 2012, no. 11, pp. 81-104. https://doi.org/10.7463/1112.0486675
Liu Yi., Zuzov V.N. Study of the effect of finite element dimensions on the simulation accuracy of adhesive bonding in automotive structures. Izvestiya MGTU MAMI, 2021, vol. 15, no. 3, pp. 31-41. https://doi.org/10.31992/2074-0530-2021-49-3-31-41
Shaban B.A., Zuzov V.N. Osobennosti postroyeniya konechno-elementnykh modeley kabin dlya issledovaniya passivnoy bezopasnosti pri udare v sootvetstvii s pravilami EEK OON №29 [Features of building finite element models of cabins for passive safety studies under the impact according to UNECE Regulations No. 29]. Nauka i obrazovaniye: nauchnoye izdaniye MGTU im. N.E. Baumana – Science and education of Bauman MSTU, 2013, no. 3, pp. 129-156. https://doi.org/10.7463/0313.0542301
Lopes B., Arruda M.R.T., Almeida-Fernandes L., Castro L., Silvestre N., Correia J.R. Assessment of mesh dependency in the numerical simulation of compact tension tests for orthotropic materials. Composites Part C: Open Access, 2020, vol. 1, 100006. https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2020.100006
Monforte L., Ciantia M.O., Carbonell J.M., Arroyo M., Gens A. A stable mesh-independent approach for numerical modelling of structured soils at large strains. Computers and Geotechnics, 2019, vol. 116, 103215. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2019.103215
Galavi V., Schweiger H.F. Nonlocal multilaminate model for strain softening analysis. Int. J. Geomech., 2010, vol. 10, pp. 30 44. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1532-3641(2010)10:1(30)
Kurguzov V.D. Selection of finite-element mesh parameters in modeling the growth of hydraulic fracturing cracks. J. Appl. Mech. Tech. Phy., 2016, vol. 57, pp. 1198-1207. https://doi.org/10.1134/S0021894416070087
Smetannikov O.Yu., Kashnikov Yu.A., Ashihmin S.G., Shustov D.V. Numerical model of crack growth in hydraulic re-fracturing. Vychisl. mekh. splosh. sred – Computational Continuum Mechanics, 2015, vol. 8, no. 2, pp. 208-218. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.2.18
Kasparova E.A., Shushpannikov P.S. Numerical and analytical methods for simulation of growth and interaction of cracks. Vychisl. mekh. splosh. sred – Computational Continuum Mechanics, 2018, vol. 11, no. 1, pp. 79-91. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.1.7
Pour A.E., Afrazi M., Golshani A. Experimental study of the effect of length and angle of cross-cracks on tensile strength of rock-like material. Iran. J. Sci. Technol. Trans. Civ. Eng., 2022, vol. 46, pp. 4543-4556. https://doi.org/10.1007/s40996-022-00891-0
Xiao D., Yang W., Liu C., Hu R. Testing of mode-I fracture toughness of sandstone based on the fracturing mechanism of an explosion stress wave. Rock Mech. Rock Eng., 2022, vol. 55, pp. 7731-7745. https://doi.org/10.1007/s00603-022-03047-8
Liu P., Liu Q., Huang X., Hu M., Bo Y., Yuan D., Xie X. Direct tensile test and FDEM numerical study on anisotropic tensile strength of kangding slate. Rock Mech. Rock Eng., 2022, vol. 55, pp. 7765-7789. https://doi.org/10.1007/s00603-022-03036-x
Vasil’ev V.V., Lurie S.A., Salov V.A. Determination of the load that causes the appearance of plastic deformation in a tensile plate with a crack. Mech. Solids, 2020, vol. 55, pp. 490-495. https://doi.org/10.3103/S0025654420040147
Vasil’ev V.V., Lurie S.A., Salov V.A. A new solution to the problem of a crack in a stretchable orthotropic plate. Mech. Solids, 2021, vol. 56, pp. 902-910. https://doi.org/10.3103/S0025654421060200
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 1970 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
