Экспериментально-вычислительное исследование динамических свойств и предельных характеристик конструкционных металлов и сплавов при высокоскоростном сдвиговом нагружении
АО "НПЦ газотурбостроения "Салют"
При моделировании в механике процессов, связанных с высокоскоростным нагружением, а также развитием в конструкциях больших деформаций вплоть до разрушения, на первое место выходят экспериментально-вычислительным методы изучения механических свойств материалов. Кроме того, в работах, посвященных исследованию предельных характеристик различных металлов и сплавов [1], показана существенная зависимость последних от вида напряженного состояния.
Сегодня наиболее широко используемым экспериментальным методом идентификации динамических свойств материалов является метод Кольского с использованием разрезного стрежня Гопкинсона и его разнородные модификации [2]. Данный метод покрывает диапазон скоростей деформаций 100 ÷ 10000 1/с и в основном используется для построения диаграмм нагружения материала при динам1ическом сжатии и растяжении. Среди общего объема модификаций метода доля испытаний, на практике реализующих сдвиговое напряженно-деформированное состояние (НДС) в образцах, крайне важных для построения надежных критериев разрушения материалов, относительно мала, в особенности применительно к твердым металлам и сплавам.
Предлагаемый в работе способ испытаний на динамический сдвиг основан на классической схеме метода Кольского на одноосное сжатие, дополненной специальными переходниками из материала, близкого по свойствам к материалу мерных стержней, и исследуемым образцом в форме условного двутавра.
Такая конструкция позволяет реализовать в рабочей области образца НДС, близкое к однородному вплоть до разрушения в режимах простого (по деформациям) и чистого (по напряжениям) сдвига. В процессе испытания регистрируются импульсы (деформации) с мерных стержней, по которым в последствии при помощи приведенных в работе соотношений восстанавливаются величины напряжений, деформаций и скоростей деформаций в образце. Так, величина сдвигового напряжения оказывается пропорциональной отношению площади поперечного сечения стержня к площади поверхности сдвига образца, что, в виду малости последней, позволяет достигать в нем предельных значений деформаций и исследовать процесс разрушения.
Большим преимуществом данного подхода является возможность альтернативного измерения деформаций видимой поверхности образца при помощи систем цифровой корреляции изображений DIC (Digital Image Correlation), использующих видеосъемку высокоскоростными камерами.
1. Carney K.S., DuBois P.A., Buyuk M., Kan S. Generalized Three-Dimensional Definition Description and Derived Limits of the Triaxial Failure of Metals // J. Aerosp. Engrg. 2009. Vol. 22. Issue 3. P. 280-286.
2. Bragov A.M., Igumnov L.A., Konstantinov A.Yu., Lomunov A.K., Linvinchuk S.Yu. Use of Hopkinson Method and its Modifications in the USSR and Russa // Proceedings of Hopkinson Centenary Conference. Cambridge. 2014. P. 69-100.
