Экспериментальное исследование процессов неупругого

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
НЕУПРУГОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ПЛОСКОМ
НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ
Т. В. Санникова, М. П. Третьяков, В. Э. Вильдеман
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
Рис. 1. Цифровая оптическая система анализа
системы Vic-3D. Данная
полей перемещений и деформаций
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).
Рис. 2. Распределение поперечной (εxx·102),
продольной (εуу·102) и сдвиговой деформации
(εxу·102) в пластине с поперечной проточкой
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 Vic3D. 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 08-08-00702 и РФФИ-Урал 07-01-96021),
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. Вильдеман В.Э., Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А.. Механика неупругого
деформирования и разрушения композиционных материалов. – М.: Наука; Физматлит,
1997. – 288 с.
2. Лебедев А.А., Ковальчук Б.И., Гигиняк Ф.Ф. Механические 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.