Континуальные модели поврежденности твердых тел

V.2. Уравнение баланса энтропии и энтропийное представление энергетических напряжений.*.218.

V.3. Условия термодинамической ортогональности.223.

V.4. Термодинамическое определение эффективных напряжений .228.

V.5. Термодинамическая модель связки необратимая деформация — поврежденность.235.

V.6. Баланс поврежденностей в связке неупругая деформация.

— поврежденность (изотермическое приближение). 239.

V.7. Канонический термодинамический анализ процессов накопления повреждений в твердых телах.247.

V.7.I. Процессы накопления хрупкой поврежденности. 247 V.7.2. Влияние необратимых деформаций на рост хрупкой поврежденности.251.

V.7.3. Влияние микронеоднородности пластического течения на рост поврежденности .252.

V.7.4. Процессы с постоянными энергетическими напряжениями .255.

Глава VI. О ВЛИЯНИИ УДАЛЕННОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ И ПОВРЕЖДЕННОСТИ НА РАСКРЫТИЕ ТРЕЩИНЫ 258.

VI. 1. Постановка задачи и основные уравнения.259.

VI.2. Локализация пластических деформаций при повторном нагружении.275.

VI.3. Вычисление раскрытия трещины при двухзонной локализации пластических деформаций .298.

VI.4. Пример численного анализа .307.

Глава VII. КАНОНИЧЕСКИЕ ИНВАРИАНТЫ СВЯЗАННЫХ УРАВНЕНИЙ ТЕОРИИ ПЛАСТИЧНОСТИ С ПО-ВРЕЖДЕННОСТЬЮ 311.

VII. 1. Основные уравнения модели упругопластического тела с условием пластичности Треска.312.

VII.2. Канонические инварианты уравнений пластического равновесия .323.

VII.3. Учет анизотропной поврежденности.336.

VII.4. Инварианты плоской и пространственной связанной (пластичность-поврежденность) задачи.344.

Заключение

347.

Литература

.351.

ПРИЛОЖЕНИЕ. .369.

Основные обозначения.

Общая система обозначений, используемая в настоящей работе и принятая во многих статьях и монографиях по нелинейной механике, в основном подобна [198]. Незначительные отклонения подробно описаны в [78]. 1.

Светлые курсивные буквы (латинские или греческие, прописные или строчные) обозначают скаляры и скалярные поля.

Жирные прямые строчные буквы (латинские или греческие) применяются для обозначения векторов и векторных полей.

Жирные прямые прописные буквы (латинские или греческие) как правило используются для обозначения тензоров и тензорных полей (обычно второго ранга).

Тензоры четвертого ранга, рассматриваемые как линейные операторы, действующие в пространстве тензоров второго ранга, обозначаются прописными жирными символами шрифта Еи1ег Ггак’Ъиг: 21, (?,. .

В той части, где изложение касается прикладных задач механики деформируемого твердого тела, мы сочли необходимым придерживаться традиционных обозначений, что подразумевает, например, применение символов оц и е^ для обозначения напряжений и малых деформаций.

В последней главе работы, посвященной анализу связанных уравнений теории пластичности и поврежденности, система обозначений в основном совпадает с [77]. 2.

Ниже следует список основных обозначений, которые используются в работе. Символы (сначала латинские, а затем греческие) располагаются в алфавитном порядке.

А тензор деформаций Альманси.

В-1, С тензоры деформации Коши.

1 Указанная работа Радаев Ю. Н. Теория конечных деформаций сплошных сред. Самара: Изд-во Самарского гос. университета, 1997. 103 с. может быть найдена на сервере Самарского гос. университета по адресу: http://www.ssu.samara.ru/common/structure/mathematix/radayev/FiniteStrainsTheory.zip.

2Указанная работа Радаев Ю. Н. Задачи и теоремы по курсу «Математическая теория пластичности». Самара: Изд-во Самарского гос. университета, 1996. 80 с. также может быть найдена по адресу: http://www.ssu.samara.ru/common/structure/mathematix/radayev/PlProblems.zip текущая деформированная конфигурации тела.

Во отсчетная (и неповрежденная) конфигурации тела.

ВI эквивалентная неповрежденная конфигурация тела.

Bt конфигурация упруго разгруженных неповрежденных элементов тела.

В^ конфигурация поврежденных упруго разгруженных элементов тела бпроизводная по направлению координатной линии с номером к.

И скалярный параметр поврежденности.

П тензор поврежденности.

Ис критическая поврежденность канонический тензор поврежденности (энтропийное представление).

Ом канонический тензор поврежденности (энергетическое представление).

— 0(а) главные поврежденности (собственные значения тензора поврежденности второго ранга) с!(а) ортонормированные собственные векторы тензора поврежденности второго ранга геометрическая площадь плоского элемента поврежденной среды в актуальном деформированном состоянии геометрическая площадь плоского элемента в от-счетном недеформированном и неповрежденном состоянии геометрическая площадь плоского элемента поврежденной среды, ориентированного перпендикулярно главной оси тензора поврежденности В с номером 7 эффективная площадь плоского элемента поврежденной среды эффективная площадь плоского элемента в конфигурации упруго разгруженных элементов площадь плоского элемента в конфигурации поврежденных упруго разгруженных элементов эффективная площадь плоского элемента поврежденной среды, ориентированного перпендикулярно главной оси тензора поврежденности О с номером 7 определитель тензора второго ранга, А неопределенный множитель теории идеальной пластичности элемент объема в текущей деформированной конфигурации тела с1тц элемент объема в отсчетной конфигурации тела т* элемент объема в эквивалентной неповрежденной конфигурации тела.

1 т элемент объема упруго разгруженной неповрежденной конфигурации тела с1т элемент объема конфигурации поврежденных упруго разгруженных элементов.

Е тензор деформации Грина.

Е модуль Юнга.

Е (к) полный эллиптический интеграл второго рода.

Е ((р, к) канонический неполный эллиптический интеграл второго рода е г—мерный вектор пространства внутренних переменных состояния с единичными компонентами в£> энтальпия (в расчете на единицу массы) тела с повреждениями.

Г градиент деформации е упругая мультипликативная составляющая градиента деформации.

Ер пластическая мультипликативная составляющая градиента деформации к) канонический неполный эллиптический интеграл первого рода.

С градиент фиктивной деформации, преобразующей поврежденный элемент в эквивалентный неповрежденный.

С? упругий модуль сдвига дар метрика конвективной системы координат д^а/3 метрика отсчетной системы координат д*, р метрика эквивалентной неповрежденной конфигурации.

Н функция Хевисайда.

Н логарифмический тензор деформации.

Ь вектор потока тепла (пространственное представление).

Ьк вектор потока тепла (отсчетное представление).

Лд свободная энтальпия (в расчете на единицу массы) тела с повреждениями.

I тензорная единица (единичный тензор второго ранга).

3 тензорная единица (единичный тензор четвертого ранга) первый главный инвариант тензора второго ранга, А второй главный инвариант тензора второго ранга, А третий главный инвариант тензора второго ранга, А канонические инварианты пространственных уравнений теории пластичности локальный базис отсчетной системы координат локальный базис конвективной системы координат локальный (неголономный) базис эквивалентной конфигурации локальный (неголономный) базис упруго разгруженной неповрежденной конфигурации тела локальный (неголономный) базис упруго разгруженной поврежденной конфигурации тела.

Якобиан отображения отсчетной конфигурации тела на его текущую деформированную конфигурацию вектор потока энтропии (пространственное представление) вектор потока энтропии (отсчетное представление) обобщенный термодинамический поток (энтропийное представление) обобщенный термодинамический поток (энергетическое представление) материальные тензоры (энергетическое представление) тензор напряжений Кирхгофа модуль канонических эллиптических интегралов Лежандрапредел текучести при сдвиге полный эллиптический интеграл первого рода материальные тензоры (энтропийное представление) пространственный градиент скорости натуральные параметры (переменные длины дуг) вдоль линий главных напряжений ортонормированный базис, ориентированный вдоль главных осей напряжений полудлина трещины главные удлинения поврежденности (собственные значения тензора главные удлинения поврежденности по отношению к конфигурации материальные тензоры (энтропийное представление) директор (единичный вектор, определяющий ориентацию в пространстве) ортогональный тензор в г—мерном пространстве переменных состояния транспонированный вихрь тензора малых деформаций обобщенная термодинамическая сила (энтропийное представление) обобщенная термодинамическая сила (энергетическое представление) присоединенные функции Лежандра полиномы Якоби тензор поворота (ортогональный сомножитель в полярном разложении градиента деформации) радиусы кривизны линий максимальных касательных напряжений в состоянии плоской деформации ортогональный тензор четвертого ранга потенциал рассеяния (в расчете на единицу массы) тела с повреждениями цилиндрические координаты в пространстве сферические координаты в пространстве критическое значение энтропии (в расчете на единицу массы) тела с рассеянной поврежденно-стью энтропия (в расчете на единицу массы) тела с рассеянной поврежденностью тензор напряжений Коши тензор эффективных напряжений симметризованный тензор эффективных напряжений собственные значения тензора напряжений Коши (главные истинные напряжения) собственные значения тензора эффективных напряжений (главные эффективные напряжения) собственные значения симметризованного тензора эффективных напряжений вектор напряжений (внутреннее контактное усилие на единицу площади в деформированном состоянии) вектор эффективных напряжений (внутреннее контактное усилие на единицу эффективной площади) время время до разрушения след тензора второго ранга, А критическое значение падения внутренней энергии (в расчете на единицу массы) тела с рассеянной поврежденностью внутренняя энергия (в расчете на единицу массы) тела с рассеянной поврежденностью компоненты вектора малого перемещения положение (место) в отсчетной конфигурации положение (место) в пространстве положение (место) в эквивалентной неповрежденной конфигурации положение (место) в конфигурации эквивалентных неповрежденных элементов после их упругой разгрузки положение (место) в конфигурации поврежденных элементов после их упругой разгрузки декартовы координаты в пространстве пара энергетически сопряженных тензоров деформации и напряжения предел текучести при растяжении неупругая часть тензора деформации У.

Ye упругая часть тензора деформации V.

Ф) сферические гармоники Лапласа (к) /.

У1 (©, Ф) нормированные сферические гармоники Лапласа.

Ъ тензор сплошности (энергетическое представление) л комплексная переменная эталонная каноническая сплошность.

7 длина дуги траектории пластических деформаций.

Г^ символ Кристоффеля первого рода.

Г*- символ Кристоффеля второго рода.

А тензор поврежденности по отношению к конфигурации.

Д (а) главные поврежденности по отношению к конфигурации Въ.

6 (а) ортонормированные собственные векторы тензора поврежденности А.

5 раскрытие трещины тензор малых деформаций г, ?2, £з главные деформации тензор упругих деформаций тензор пластических деформаций скрытые (внутренние) переменные анизотропного состояния поврежденности сферические углы абсолютная температура (энтропийное представление) абсолютная температура (энергетическое представление) кривизна линии главного напряжения с номером г в локальной координатной плоскости, нормальной линии главного напряжения с номером у коэффициент Пуассона тензор сплошности (энтропийное представление) векторное представление канонических переменных состояния (энтропийный вариант) каноническая норма (энтропийное представление) канонические переменные состояния (энтропийное представление) канонический неполный эллиптический интеграл третьего рода р плотность плотность в отсчетной конфигурации.

Р1, р2 радиусы кривизны линий главных напряжений в состоянии плоской деформации сгу тензор напряжений ть <72, сг3 главные напряжения векторное представление канонических переменных состояния (энергетический вариант) каноническая норма (энергетическое представление).

С7 среднестепенное и в частности среднеквадратичное (по единичной сфере) значение ориентацион-ного распределения сплошности р канонические переменные состояния (энергетическое представление) с (п) ориентационное распределение сплошности.

Е^д] производство (на единицу массы) внутренней энергии.

Ее^д] внешнее производство (на единицу массы) энтропии.

Е,-[5£)] внутреннее производство (на единицу массы) энтропии свободная энергия Гиббса (расчитанная на единицу массы) тела с повреждениями свободная энергия Гельмгольца (расчитанная на единицу массы) тела с повреждениями пространственный оператор Гамильтона отсчетный оператор Гамильтона.

Замечания об использовании индексов.

Использование различных классов индексов для трех систем координат (пространственной, отсчетной и конвективной) совершенно необходимо для сознательного оперирования такими понятиями, как градиент деформации и тензоры конечной деформации.

Иногда тензор может наиболее просто и естественно представляться в смешанном диадном базисе, когда векторы диады принадлежат различным базисным системам, и в этом случае компоненты тензора имеют индексы различных классов. Так, градиент деформации наиболее просто и естественно представляется (просто частной производной) в диадном базисе, левый множитель которого есть пространственный базисный вектор, а правый — отсчетный. Это естественное представление тензора дистор-сии влияет затем на координатную запись полярного разложения и так на все координатное оформление теории конечных деформаций. Термин естественное представление тензора (см. [78]) широко используется в настоящей работе.

1. Латинские индексы применяются при записи компонент тензорных полей относительно пространственного (эйлерова) базиса Ц.

2. Греческие индексы применяются для записи компонент тензорных полей относительно конвективного базиса а.

3. Греческие индексы с предшествующим символом Я применяются для записи компонент тензорных полей относительно отсчетного базиса 1р, а. Сам отсчетный базис для сокращения записи часто обозначается 1а.

4. Действие символа Я распространяется на все греческие индексы, расположенные за ним. Сам символ Я никогда индексом не является.

5. Индексы, заключенные в треугольные скобки, используются для обозначения физических компонент тензора относительно данной ортогональной криволинейной координатной системы.

6. Индекс, заключенный в круглые скобки, указывает на представление в собственном ортонормированном базисе симметричного тензора второго ранга. В зависимости от смысла тензора этот индекс может быть как греческим, так и латинским.

7. Два и более индексов, заключенных в круглые скобки, обозначают симметризацию по этим индексам:3.

А{щ2.Лк) —^у ^ ^ ^¦гр (1)1р (2).Лр (к) ¦

Здесь символ Р обозначает произвольную перестановку множества натуральных чисел 1,2,3к. Так, например:

•(кЛ/х) — ^ {Ацц +^-Лдк Н~ А/л, к + А-кцХ + Акц + ДиА").

8. Фигурные скобки, которые заключают четное число индексов, обозначают девиаторную часть симметричного тензора четного ранга, определенную так, что свертка по любой паре индексов равна нулю:

А{г².Л2г} ~ 7о ^412−12¹² ^{ч12-^-кч.Л2г)3131 + + 72 г^ЧЧ • ••^г2т-1г2г)-/^31 313 232-Мг' где.

2 г УУ °2г°2г-1 12а гч2а ' а круглые скобки обозначают симметризацию индексов.

3 Исключением из этого правила являются собственные значения тензоров поврежденности высоких ранговО^гг-.г,)) когда круглые скобки не следует понимать как оператор симметризации индексов.

Замечания об алгебраических и дифференциальных операторах.

1. Скалярное умножение векторов и внутреннее умножение тензоров обозначается точкой (•). При внутреннем умножении тензоров второго ранга (закон композиции) и при умножении тензора второго ранга справа на вектор знак умножения для сокращения записи опускается.

2. Векторное умножение векторов и внешнее умножение тензоров обозначается крестом (х).

3. Тензорное умножение обозначается крестом, обведенным окружностью (®).

4. След тензора второго ранга, А обозначается символом 1-гА :

А =.

5. Симметричная и антисимметричная части тензора второго ранга, А обозначаются соответственно символами вут и авут: вутА, аэутА.

6. Операция транспонирования тензора второго1 ранга, А обозначается символом Т вверху справа: Ат.

7. Операция обращения тензора второго ранга, А обозначается символом — 1 вверху справа: А-1.

8. Определитель тензора второго ранга, А обозначается через с^А.

9. Пространственный оператор Гамильтона определяется формулой .к д.

V = г дхк'.

Отметим также представление пространственного оператора Гамильтона в конвективном локальном базисе: дХа'.

10. Отсчетный оператор Гамильтона определяется формулой.

7 — д.

К 8Ха'.

11. Пространственные градиенты скалярного, векторного и тензорного поля определяется соответственно формулами: grad/ = V/, gradv = (V 0 у) т, gradA = (V 0 А) т.

12. Пространственная дивергенция векторного и тензорного поля определяется соответственно формулами: с1тг = V • V, сИУА = V • Ат.

13. Пространственный ротор векторного поля V определяется формулой гс^у = V х у.

Аналогичным образом определяется пространственный вихрь тензора второго ранга Р го! Р = V х Р.

14. Ковариантная (контравариантная) производная векторного поля V определяется как коэффициент в разложении тензора второго ранга gradv по базисным диадам одного из четырех возможных типов: gradv = укц1к <8> 1 = <8> 1 = укНк ® и = у'1'к <8> где, в частности, дх1 +.

I = «ал ' ~ дук (х3,г) дх1.

Аналогично определяется ковариантная производная тензора второго ранга А. В частности, градиент тензора второго ранга может быть разложен по базисным полиадам в виде gradA = Ат1 ® V ® к ® ^ <8> 1к к'.

А^кц ® Р О к, где коэффициенты разложения г) А- ¦ л иЛгз г1 л г1 л ~ дхк ^ ~.

А1″ , — 1 4- Гг А1' — Гг 4г' ~дхк 1к' * ^ 1 суть ковариантные производные.

15. При использовании символа д дЬ аргументы дифференцируемой функции почти всегда указываются, поэтому всегда ясно, какие именно переменные следует считать фиксированными при выполнении дифференцирования. Так, например, в выражении дук (х8^) дг при выполнении дифференцирования следует считать постоянными переменные Эйлера .

Как правило, оператор используется для обозначения локальной производной по времени, т. е. производной при постоянных координатах х8.

16. Полная (материальная) производная, т. е. производная при постоянных координатах Лагранжа Ха, обозначается точкой над дифференцируемой функцией или полем:

А = Щьй + (V ® А) ТУ.

ОТ.

17. Треугольником, обращенным вниз, вверху справа от символа тензора второго ранга обозначается объективное дифференцирование по времени тензоров конечной деформации и напряжений, причем действие этого оператора на напряжения и деформации — совершенно разное. Так, например, объективное дифференцирование по времени применительно к паре тензор деформации Альманси, А — тензор напряжений Кирхгофа К означает дифференцирование тензора деформации Альманси согласно Коттеру-Ривлину.

Ау — А + АЬ + ЬТА и объективное дифференцирование по времени тензора напряжений Кирхгофа согласно Олдройду.

К4 = К — ьк — кьт.

Подобное определение объективного дифференцирования по времени тензоров напряжений и деформаций исключительно удобно, поскольку с одной стороны в силу правильно вписывается в энергетические уравнения, а с другой — позволяет установить взаимное соотношение (ву) = ^ (КА7).

Различные операторы объективного дифференцирования по времени достаточно подробно обсуждаются в монографии [65].

18. Инвариантное интегрирование в недеформированном и деформированном состояниях осуществляется с помощью элементов объема т = у^^гх^х^х3.

19. Среднее (по единичной сфере) значение функции ориентации определяется формулой.

27 Г 7Г.

-!-У J f (в, Ф) smQdQdФ. о о.

20. Сред нестепенное, и в частности среднеквавдратичное, (по единичной сфере) значение ориентационного распределения = <�г (п) определяется как следует ниже:

2″ Г. I 9″ 2з V < я- > ^ 1.

47 Г.

27 Г 7Г.

J У ?25(©, Ф) зтв<1 В (1Ф {в = 1,2,3,.). о о.

Некоторые специальные тензоры и символы.

1. Символ Кронекера 8 определяется как.

Л*-/1' 10, %фз независимо от рассматриваемой координатной системы.

2. Дискриминантные символы е^к и ег^к равны и вычисляются как.

6123 = 6312 = 6231 = 1, 6213 = е321 = е!32 = —1, а остальные ецк равны нулю, независимо от системы координат.

3. Ковариантный и контравариантный дискриминантные тензоры е^к и) определяемые в правоориентированной координатной системе следующими равенствами:

А]к 1 Цк с с., л/9 где д = , — широко используются для записи векторного произведения: ск = ?г]каф]) Ск = £фС? V. Отметим также следующие формулы:

Цк = ¡-г. ¡-у х ^ г X —^гзА 1 г х .в = £гэ^.

4. Символы Кристоффеля первого и второго рода определяются как коэффициенты в разложениях частных производных от векторов локального базиса д’ц дхэ ди г к.

1 гз№ дх* ~ и могут быть вычислены также по формулам.

2 Г = ддгк дд]к ддг] 13, дх* дхг дхк'.

I] — У 1 гз^.

5. Тензор Римана-Кристоффеля определяется уравнением Ад2и к. дхкдх1 дх1дхк 1 и вычисляется с помощью дифференцирования уравнения Гг • дх'~.

Равенство нулю тензора Римана-Кристоффеля есть условие голономно-сти базиса и возможности ввести декартову метрику д^ = 8^. Смешанные и ковариантные компоненты тензора Римана-Кристоффеля могут быть вычислены с помощью определителей [84], [93]: д д дхк дх1 + рг 1 ак рг 1 81 рг рг зк 1 ?/ ре Чк ре.

II д д дхк дх1 + 1зк ре.

Ковариантные компоненты тензора Римана-Кристоффеля могут быть вычислены также по формуле.

2R. • = d2gil d2gjl — d2gik + d2gik | l~*kl dxWxk dxldxk dxWx1 дхгдх1.

В трехмерном пространстве имеется всего шесть существенных компонент тензора Римана-Кристоффеля: #1212, -^2323, #1213, -R2123, #3132, равенство которых нулю и выражает условие сплошности (совместности) деформаций [29].

Несовместность поля деформаций, обусловленная микроструктурой пластического течения, выражается также через Тензор Римана-Кристоффеля, который уже не будет нулевым. Конкретные представления тензора несовместности имеются, например, в монографии [64].

В случае малых деформаций условие сплошности имеет следующий вид [54]: V х Р = 0, где тензор Р есть транспонированный вихрь тензора малых деформаций.

Заметим, что физические компоненты вихря тензора второго ранга Р в ортогональной криволинейной сетке могут быть вычислены по следующим формулам: v х р)11 = Жт —-+ rn ТУ 1 (д/МР<�г2> д-/ШР<22>, «1 д — v х р)12 = (л—-+.

VMd^ у/922.

1 (д^/тР< 33> d^g^P<23> Id —.

V х Р 13 = — яс2—-^тб- - Р<32> .— i, а, «л/Шд¹ v у/922 д².

V х Р)&bdquo- - 1 (дУ^Р<�"> дУзГзР<31> р 1д.

Р<32>^А р<33>жЛ 1п х Р) и — ^¡-й I—а?—-е?—) + 1.

1 (ду/тР<�хз> <^щр<�зз>, «1 а, /—, х РЬ «Жт —-ее5-)+ р<12> ^ а?1п.

111 ^+1п х Р) м —^ёй (л—.—в?—- + Р<23>^а?

Р<22>^а?1п ^+р<12>^т|ть.

С7 У РЧ — 1 Iд/Шр<�я> д^ЩР<12> 1 а, х р) з2 — жт I—ар—-а?—) ~.

Р<13>^кА1п ^ «1п ^22' х Р)33» —-а—)+ 1п.

В декартовой системе координат в геометрически линейном приближении уравнения совместности деформаций приобретают форму: п — 0.

Несовместность пластической деформации выражается уравнением (см., например, [64]): б/гг?^1тп ^т^г dSjn ¿-¦пы, где тензор несовместности который также часто называют тензором расхождения Кренера, связан с тензором плотности дислокаций а^ посредством соотношения г) ы = -^(еьуС^ау + ещдфьз)-Тензор плотности дислокаций определяется уравнением.

Ък = а^Б^ где Ьк — вектор Бюргерса, .

Отметим уравнение неразрывности дислокаций: дтк = 0.

Если на единицу площади приходится р параллельных линий дислокаций, то тензор плотности дислокаций вычисляется в виде: ацк = рпфк.

Под поврежденностью мы, следуя [161], понимаем сокращение упругого отклика тела вследствии сокращения эффективной площади, передающей внутренние усилия от одной части тела к другой его части, обусловленного, в свою очередь, появлением и развитием рассеянного поля микродефектов (микротрещины — в упругости, дислокации — в пластичности, микропоры — при ползучести, поверхностные микротрещины — при усталости).

Поврежденность за редким исключением нельзя непосредственно наблюдать и измерять так, как в физике и механике измеряются, скорость, сила и температура. Деградация механических свойств тела может быть обнаружена в результате анализа реакции тела на различные внешние воздействия. Наличие поля повреждений в твердых телах согласно современной экспериментальной практике может быть косвенно обнаружено и отчасти количественно представлено через уменьшение модуля Юнга, уменьшение скорости прохождения ультразвукового сигнала, уменьшение плотности, изменение твердости, падение электрического потенциала, падение амплитуды напряжений при циклическом испытании, ускорение ползучести в третьей стадии. Методы акустической эмиссии позволяют достаточно определенно выявлять зоны локализации поврежденности.

Механика поврежденного континуума интенсивно развивается, начиная с основополагающих работ JI. М. Качанова [40] и Ю. Н. Работнова [70]. Ценность этих первых работ, признанных ныне классическими, заключается в возможности применения единой схемы представления поврежденности для описания поврежденности в упругих и упругопластических телах, а также ее развития в условиях ползучести. Сущность нового подхода заключалась в использовании новой мезо-переменной — параметра поврежденности, — отражающей присутствие в теле поврежденности (или различных видов повреждений) — феномена совершенно другого масштаба — микро-масштаба. Последующее развитие теории происходило, в частности, по пути обобщения основных положений механики поврежденного континуума для случая трехмерного состояния анизотропной поврежденности [129], [135], [150], [169], [95], [108], [142], [135], [170], [171], [150], [144], [188].

В ряду важнейших разделов механики деформируемого твердого тела механика континуума с внутренним распределением повреждений — по-прежнему, один из наиболее динамично развивающихся. Круг потенциальных приложений континуальной механики поврежденных тел чрезвычайно широк. Проникая в классические разделы механики твердого тела, такие как теория пластичности, ползучести, механика трещин и разрушения, механика поврежденности не только обогащается новыми концепциями и методами, свойственными этим ветвям механики твердого тела, но и заставляет переосмыслить традиционные для классических теорий подходы и постановки задач при расчетах напряженно-деформированных состояний твердых тел.

Наиболее полно и с единой точки зрения механика поврежденности, ее концепции, методы, результаты и перспективы развития изложены в монографии [144], где заинтересованный читатель может найти большой библиографический список работ, посвященных этой тематике. Здесь мы акцентируем внимание на работах советских и российских ученых, посвященных моделированию состояния поврежденности в твердых телах.

Согласно сложившейся традиции основополагающими для континуальной механики поврежденности следует считать известные статьи Л. М. Качанова [40] и Ю. Н. Работнова [70]. Вклад Л. М. Качанова в механику поврежденности выразился в большом количестве работ, посвященных в основном описанию поврежденности и кинетики ее развития в условиях ползучести и подытоженных в монографии [135].

Важное место в научном творчестве Ю. Н. Работнова занимают проблемы моделирования и расчета поврежденности и длительной прочности элементов конструкций в условиях ползучести, при циклическом нагруже-нии и под влиянием агрессивной внешней среды. Соответствующие оригинальные статьи Ю. Н. Работнова (в том числе и основополагающая работа [70]) могут быть найдены в сборнике его избранных трудов [72]. Заметим, что теория ползучести и длительной прочности металлов интенсивно развивалась в СССР, особенно в 50-е годы (см. коллективную монографию [63]). Значительный вклад в конкретизацию определяющих зависимостей теории ползучести и длительной прочности, включающих скалярную меру поврежденности, принадлежит С. А. Шестерикову [90], [91].

Учет поврежденности и микронеодродности напряженно-деформированного состояния металлов при пластическом течении был выполнен В. В. Новожиловым в цикле оригинальных работ (см. сборник его научных трудов [62]). Исторический аспект проблемы, основные идеи, методы и результаты феноменологического подхода к описанию поврежденности и разрушения твердых тел подытожены в докладе [60].

Влияние поврежденности на развитие трещин и моделирование пред-разрушения и задержки разрушения рассматривались А. А. Вакуленко и Н. Ф. Морозовым [20], [21].

В. Н. Кукуджановым в работе [48] предложена микромеханическая модель упруговязкопластической среды с поврежденностью и дано ее приложение к исследованию процессов локализации пластических деформаций. Согласно концепции В. Н. Кукуджанова пластическое течение и разрушение есть единый процесс, вызванный движением дислокаций, а на более поздней стадии — зарождением и развитием микродефектов (микропор различной геометрии). Модель может учитывать форму микропор: эллипсоидальную или сферическую. В случае эллипсоидальных микропор повре-жденность тела представляется с помощью тензора поврежденности второго ранга. В этой же работе предложено условие пластичности пористого материала с кинематическим упрочнением, сформулирован соответствующий ассоциированный закон течения и получена определяющая зависимость для пористости.

Коррозионное растрескивание металлов в водородсодержащей среде под напряжением с позиций континуальной механики поврежденности исследовалось в работах В. И. Астафьева и Л. К. Ширяевой [9], [10]. В недавно изданной монографии [10] имеется довольно подробный обзор работ по указанной проблеме и соответствующая библиография.

Цикл работ [12], [13], [26], [27], [28] посвящен моделированию по схеме Баренблатта-Дагдейла интерфейсной трещины-расслоения с локализованными у вершин трещины зонами пластического течения, разупрочнения и возможных нелинейных связей в концевых областях с целью описания подготовки разрушения в этих областях. Особый интерес здесь представляет анализ влияния нелинейности связей внутри концевых зон на состояние трещины-расслоения. Оригинальная математическая модель термофлукту-ационного зарождения и развития дефектов в области ослабленных связей на плоской границе сопряжения двух тел предложена в [28]. На основе этой модели разработан метод оценки времени зарождения дефекта в зоне ослабленных связей на плоской интерфейсной границе полимер-металл.

В конце 70-х годов были предложены первые теоретические модели роста трещин в металлах в условиях ползучести с явным учетом деградации прочностных свойств металла. Моделирование основывалось на предположении, что рост трещины происходит в том случае, если некоторая мера поврежденности достигает своего критического значения на некотором расстоянии от вершины трещины. В [5], [145] при моделировании роста трещин использовался скалярный параметр поврежденности Качанова-Работнова. В [182] параметр поврежденности связывался с величиной пористости материала и, предполагалось, что процесс накопления повреждений обусловлен совместным действием диффузионного и вязкого механизмов роста пор в условиях высокотемпературной ползучести. В [106] в качестве меры поврежденности материала принималась величина интенсивности накопленных деформаций ползучести. Модель, описывающая рост трещин в условиях ползучести в более общей постановке была предложена в [6]. В рамках этой модели предполагалось, что величина критической поврежденности материала не является постоянной, зависит от уровня напряжений и убывает при возрастании интенсивности напряжений.

Асимптотическое решение для поля напряжений у вершины трещины в упрочняющейся среде, формально пригодное и для случая установившейся ползучести, было исследовано в работах [130], [181]. В работе [184] проанализировано перераспределение напряжений, вызванное влиянием упругих деформаций, для случая неподвижной трещины. В условиях ползучести происходит перераспределение напряжений у вершины подрастающей трещины. Новый тип сингулярности поля напряжений для растущей в условиях ползучести трещины был определен в [128].

Однако, наиболее существенное влияние на перераспределение напряжений и деформаций в окрестности вершины трещины несомненно оказывает величина накопленной поврежденности. Первые теоретические модели, учитывающие процесс накопления рассеянных повреждений, основывались на несвязанной постановке задачи теории ползучести и механики поврежденности. В несвязанной постановке накопленная поврежденность определялась посредством интегрирования кинетического уравнения после определения поля напряжений. Таким образом, величина накопленной поврежденности не влияет на напряженно-деформированное состояние в окрестности вершины трещины. Немногочисленные работы [124], [125] были посвящены конечноэлементному анализу процесса роста трещины в условиях ползучести на основе связанной постановки задачи теории ползучести с поврежден-ностью, предложенной впервые Ю. Н. Работновым [71].

В связанной постановке задачи теории ползучести и механики поврежденности параметр поврежденности входит в определяющие соотношения задачи и, следовательно, влияет на напряженно-деформированное состояние.

Проблема моделирования роста трещин в связанной постановке представляет собой одну из важных задач механики деформируемого твердого тела и к настоящему времени предприняты попытки рассмотреть распространение трещины в связанной постановке. Так, в [7] дано решение задачи о росте трещины антиплоского сдвига в среде с поврежденностью в связанной постановке. Исследование показало, что у вершины трещины отсутствует характерное для теории трещин сингулярное поле напряжений: эффективные напряжения ограничены, сами напряжения и сплошность линейно падают до нуля, к свободным от нагрузок берегам трещины вблизи ее вершины примыкает области полностью разрушенного материала, в которых все напряжения и сплошность равны нулю.

Таким образом, связанность постановки задачи проявляется прежде всего в исчезновении традиционной для механики разрушения сингулярности напряжений у вершины трещины и приводит к относительно меньшим значениям скорости страгивания трещины.

В [8] рассмотрена задача о растущей в процессе ползучести трещины нормального отрыва в среде с поврежденностью. Результаты показывают, что к берегам растущей трещины примыкает область полностью поврежденного материала. Такое поле напряжений принципиально отличается от соответствующего сингулярного поля напряжений в несвязанной постановке задачи.

В [202] изучен усталостный рост трещины в среде с поврежденностью. Установлено, что принципиально невозможно удовлетворить граничным условиям на берегах трещины, что в свою очередь приводит к необходимости модификации постановки задачи: введения области, в которой все компоненты тензора напряжений и сплошность равны нулю.

Наряду с построением асимптотик полей напряжений и сплошности в окрестности вершины прорастающей трещины, как это было сделано в работах [7], [8], [202], в [183] введены автомодельные переменные для задачи о росте трещины в среде с поврежденностью. Однако полное решение данной задачи к настоящему времени отсутствует.

Целью настоящей работы является разработка математической модели и средств представления анизотропной поврежденности, которые в рамках единой схемы и на основе принципов механики континуума позволяют описывать сколь угодно сложное (или вообще недетерминированное) распределение поврежденности по ориентациям, общий термодинамический анализ важнейших процессов роста повреждений в твердых телах и выявление универсальных инвариантов кинетики поврежденностей.

В работе практически не затрагиваются ни статистические, ни микроскопические аспекты, связанные с анализом поврежденности. Соответствующий круг вопросов обсуждается в уже цитированной выше монографии [144].

Прикладными аспектами работы выступают: исследование по влиянию удаленной зоны локализованной пластической деформации и поврежденности на докритическое состояние трещиныформулировка связанных задач теории пластичности и поврежденности при условии текучести Треска, вывод статических и кинематических соотношений вдоль линий главных напряжений, с целью численной реализации связанных уравнений, и поиск инвариантных отношений вдоль траекторий главных напряжений, устанавливающих баланс главных напряжений, повреждений и кривизн линий главных напряжений.

Несколько слов скажем о структуре работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения. Перед началом изложения приводятся: список основных обозначений (расположение символов — в алфавитном порядке), соглашения об использовании различных классов индексов, замечания об алгебраических и дифференциальных операторах, применяемых в работе, и определения некоторых тензоров и символов, что совершенно необходимо для ясного понимания работы.

Заключение

.

Сформулируем основные выводы о наиболее существенных результатах, полученных в настоящей работе.

1. Предложен алгоритм построения тензорных мер анизотропной повре-жденности, исходя из распределения микродефектов по ориентациям. Алгоритм позволяет вывести тензор поврежденности заданного ранга непосредственно из известного, или полученного экспериментально, распределения поврежденности по ориентациям. Методы и результаты, приведенные в работе могут быть применены к анализу любой физической величины непрерывно, или кусочно-непрерывно, распределенной по ориентациям.

2. Дана механическая интерпретация собственных элементов (главных направлений и спектра поврежденности) тензора поврежденности. Понятие о спектре трехмерной анизотропной поврежденности распространено вплоть до бесконечного (счетного) дискретного спектра.

3. Показано, что тензоры поврежденности могут быть вычислены как результат усреднения тонкой структуры поврежденного состояния и получены формулы для непосредственного вычисления компонент тензора поврежденности, ориентации его главных осей и спектра, исходя из ориента-ционного распределения поврежденности.

4. Представление поврежденности с помощью бесконечной последовательности коэффициентов ряда Фурье — гармоническое описание поврежденности — является важной альтернативой традиционному тензорному описанию, а в случае недетерминированного распределения поврежденности по ориентациям — единственной работоспособной схемой исследования.

5. Установлено соответствие между тензорным и гармоническим представлениями ориентационного распределения поврежденности.

6. С помощью быстро сходящихся рядов Фурье по обратной амплитуде выполнен численный анализа усредненной по ориентациям поврежденности в зависимости от состава спектра поврежденности. Вычислен разброс средней поврежденности, обусловленный вкладом недиагональных повре-жденностей.

Получены эффективные при численном анализе поврежденности формулы для вычисления средней поврежденности в случае узкополосных и вырожденных обратных амплитудных спектров поврежденности. Приводится техника расчета осесимметричной и двумерной поврежденности.

7. Вводятся понятия об амплитудном и обратном амплитудном спектрах поврежденности, которые позволяют дать первичную классификацию анизотропии состояний поврежденности.

8. Установлено, что усредненные по всем ориентациям в пространстве значения анизотропного распределения поврежденности обладают одним важным экстремальным свойством: средняя сплошность (отнесенная к максимальной главной сплошности) стремится принять наибольшее значение при выравнивании элементов спектра поврежденности, т. е. при эволюции к изотропному распределению.

9. Разработана общая термодинамическая модель накопления анизотропной поврежденности в твердых телах, сформулированная на основе канонической трансформации скрытых переменных состояния, которая позволяет привести к каноническому виду выражения для внутренней энергии и энтропии в стадии соответственно значительной деградации внутренней энергии и существенного роста энтропии вследствии накопления поврежденности. Получены канонические представления внутренней энергии, энтропии и всех важнейших термодинамических потенциалов состояния.

10. Найден один из вариантов канонического описания анизотропного состояния поврежденности, который дает возможность трактовать канонические скрытые переменные состояния как коэффициенты Фурье канонического ориентационного распределения сплошности, и непосредственно использовать все преимущества гармонического представления поврежденности. Указанный вариант канонического описания поврежденности не только позволяет дать формальное определение ориентационной поврежденности, но и установить соответствие между канонической термодинамической нормой и усредненной по ориентациям поврежденностью.

11. С помощью принципа термодинамической ортогональности в терминах канонических переменных состояния получены связанные уравнения накопления повреждений, учитывающие взаимодействия необратимых деформаций и поврежденности (в связках пластическая деформация — по-врежденность, ползучесть — поврежденность).

12. Найден набор точных интегралов квазилинейных уравнений накопления повреждений в их каноническом варианте. Интегралы уравнений накопления повреждений имеют форму отношения степеней от линейных комбинаций компонент канонического тензора поврежденности. Эти интегралы являются аналогами законов сохранения и выражают баланс поврежденностей (точнее некоторых дробно-степенных комбинаций поврежденностей, которые мы называем инвариантными отношениями) в процессе их развития.

Существование инвариантных отношений значительно облегчает анализ процесса накопления повреждений, развивающегося параллельно с накоплением необратимой деформации в условиях, например атермической пластичности или изотермической ползучести. Найдена одна общая оценка времени до разрушения, которая может быть получена с помощью инвариантных отношений для весьма общей формулировке закона роста повреждений.

13. Дан общий термодинамический анализ основных процессов развития повреждений в твердых телах. Отдельно рассмотрено развитие хрупкой поврежденности в упругом теле. Изучено влияние пластической деформации на поврежденность преимущественно хрупкого типа. Изучен термодинамический аспект такой интересной проблемы, как оценка поврежденности, вызванной освобождением скрытой свободной энергии микронапряжений в пределах локализованной пластической зоны.

14. Локализация необратимых деформаций и поврежденности в областях пластического течения может существенно влиять на состояние трещин. Исследовано влияние очага локализации пластических деформаций и поврежденности, удаленного от кончика трещины нормального отрыва, на трещину в условиях плоского напряженного состояния. Показано, что удаленно локализованная поврежденность может стабилизировать докри-тическое состояние трещины нормального отрыва.

15. Получена замкнутая система статических и кинематических уравнений теории связанной пластичности и поврежденности (упругопластиче-ское тело с рассеянными повреждениями при условии пластичности Треска и ассоциированным с ним законом течения). Все статические и кинематические уравнения, соотношения ассоциированного закона течения приводятся в физических компонентах по отношению к локальному базису, связанному с линиями главных.напряжений. Выведены также статические и кинематические соотношения связанной задачи вдоль траекторий главных напряжений, которые представлены в приращениях, взятых при изменении положения вдоль траекторий главных напряжений, что исключительно удобно при численной реализации предлагаемой схемы.

16. При условии расслоенности поля собственных векторов тензора напряжений, отвечающих наибольшему (или наименьшему) главному напряжению, найдены такие канонические криволинейные координаты, при преобразовании к которым уравнения равновесия, сформулированные для ребра поверхности текучести приводятся к трем уравнениям, допускающим при некоторых ограничениях точные интегралы. Найдены инварианты, сохраняющие свои значения при продвижении вдоль линий главных напряжений в среде с повреждениями и и устанавливающие баланс главных напряжений, повреждений и кривизн линий главных напряжений. В плоской задаче указанные инварианты имеют форму отношений, не изменяющих значений вдоль траектории главного напряжения.

17. Выведены кинематические уравнения течения в криволинейной сетке линий главных напряжений, в том числе и с учетом возможной сжимаемости пластического течения и несовместности поля деформаций, обусловленного влиянием поля повреждений. Получены соотношения для главных скоростей пластических деформаций вдоль линий главных напряжений в среде с повреждениями.