Высокоскоростное деформирование и разрушение мелкозернистых бетонов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

ЛАМЗИН ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВЫСОКОСКОРОСТНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005558671

Нижний Новгород - 2014

005558671

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского» (НИИМ Нижегородского университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Брагов Анатолий Михайлович

Официальные оппоненты: Герасимов Александр Владимирович,

доктор физико-математических наук, профессор, Томский государственный университет, заведующий отделом научно-исследовательского института прикладной математики и механики

Волков Иван Андреевич,

доктор физико-математических наук, профессор, Волжская государственная академия водного транспорта, заведующий кафедрой прикладной механики и подъемно-транспортных машин

Ведущая организация: Московский государственный университет

имени М.В. Ломоносова

Защита состоится 29 декабря 2014 года в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.166.09 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603950, Н.Новгород, пр. Гагарина, 23, корпус 6.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского и на сайте diss.unn.ru/432

Автореферат разослан 28 ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Горохов Василий Андреевич

Общая характеристика работы

Диссертационная работа посвящена изучению процессов высокоскоростного деформирования и разрушения некоторых мелкозернистых бетонов. Исследования проводились с использованием комплексного экспериментально-теоретического подхода, сочетающего в себе разработку методов и средств эксперимента, реализацию обширной программы динамических испытаний, а также идентификацию и верификацию современных моделей деформирования и критериев разрушения хрупких сред.

Актуальность темы исследования. Как известно бетон является одним из наиболее распространенных конструкционных материалов и широко применяется при строительстве зданий и сооружений различного назначения. В последние годы участились случаи возникновения аварийных ситуаций, которые сопровождаются интенсивными ударными и взрывными воздействиями. Такие ситуации происходят в результате природных стихийных бедствий (землетрясения, падения метеоритов, ураганы и пр.), террористических актов (мощные взрывы), техногенных катастроф (взрывы бытового газа, падения самолетов, возгорания веществ с последующими взрывами, подрыв снарядов при их утилизации и пр.) и т.д. Подобные явления сопровождаются не только материальными, но и людскими потерями. Кроме того в последние годы активно ведется строительство новых и модернизация существующих промышленных объектов, при эксплуатации которых могут возникать разнообразные динамические воздействия на конструкции. Поэтому уже на стадии проектирования ответственных гражданских зданий и промышленных комплексов, а также инженерных сооружений атомной, энергетической и других видов техники, требуется учитывать эти динамические воздействия, которые характеризуются непрерывным изменением параметров, высокой интенсивностью и малой продолжительностью. Для рационального и надежного проектирования динамически нагруженных конструкций, обеспечения прочности и устойчивости конструктивных элементов необходимо знание механических свойств строительных материалов при высоких скоростях деформации. В связи с этим исследование поведения современных конструкционных строительных материалов, в частности бетонов, при высокоскоростном деформировании и разрушении является крайне значимой и актуальной проблемой.

В настоящее время при расчете напряженно-деформированного состояния (НДС) и прочности конструкций широко используются программно-вычислительные комплексы, такие как АЫ5У5, ЬБ-ОУКА, ЫАЗТЯАК, АВАСЗиЭ, «Динамика-2» и др. При этом поведение реального материала в расчете заменяется его математической моделью. Для оснащения известных моделей динамического деформирования и разрушения материалов необходимыми параметрами и константами, а также для их верификации требуются

многочисленные экспериментальные данные по динамическим свойствам строительных материалов. Это также свидетельствует об актуальности темы исследования.

Степень разработанности темы. На текущий момент в области высокоскоростной деформации материалов существует много нерешенных проблем методического характера. Трудности связаны с отсутствием серийно выпускаемых отечественных установок для динамических испытаний и готовых программных средств обработки опытных данных, а также с ограниченной существующей методической базой для проведения динамических экспериментов. Поэтому становятся необходимыми создание и модернизация автоматизированных экспериментальных комплексов, а также разработка и реализация новых методик динамических испытаний, позволяющих получать различные механические характеристики материалов в широком диапазоне изменения приложенных нагрузок и скоростей деформаций.

Изучением поведения хрупких строительных материалов, таких как разнообразные бетоны, при динамическом нагружении занимаются многие ученые, а результаты различных исследований опубликованы в многочисленных работах отечественных и зарубежных авторов. Тем не менее, как показывают регулярно проводимые международные конференции и симпозиумы по высокоскоростной деформации материалов, интерес к данной проблеме не ослабевает. Это связано с тем, что в силу неполноты, а иногда и противоречивости результатов исследований с одной стороны и появления новых материалов на основе цемента (например, высокопрочные фибробетоны) с другой, данная задача до сих пор остается полностью не решенной.

Целью диссертационной работы является экспериментально-теоретическое исследование процессов высокоскоростного деформирования и разрушения некоторых мелкозернистых бетонов, а также получение механических характеристик, необходимых для расчета НДС и прочности конструкций, подвергающихся интенсивным воздействиям ударного или взрывного характера. Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

^ Проведен анализ современного состояния проблемы экспериментальных и теоретических исследований поведения разнообразных бетонов при динамическом нагружении.

^ Развиты существующие, а также разработаны и реализованы новые методики динамических испытаний хрупких материалов, представляющие собой модификации метода Кольского.

^ Развит комплекс специализированных программных средств для автоматизированной обработки опытных данных.

Проведены экспериментальные исследования поведения мелкозернистых бетонов в условиях динамического нагружения, а также выполнены обработка и анализ полученных результатов. Построены основополагающие зависимости, связывающие предельные характеристики прочности, энергоемкости и т. п. со скоростью деформации для двух бетонов.

^ Выполнена идентификация и верификация современных математических моделей динамического деформирования и разрушения бетонов, которые с успехом могут быть использованы применительно к другим хрупким материалам.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- В рамках метода Кольского разработаны и реализованы методики динамических испытаний хрупких материалов при различных типах НДС (одноосное растяжение, одноосная деформация при сжатии, срез и трехточечный изгиб балок с надрезом).

- Разработан алгоритм и выполнена его программная реализация, которая позволяет проводить обработку экспериментальных данных и получать механические характеристики хрупких материалов.

- Проведены многочисленные испытания, на основании результатов которых установлены закономерности динамического деформирования и разрушения современного конструкционного мелкозернистого бетона класса В25 и нового перспективного мелкозернистого фибробетона САИСШКС, разработанного и изготовленного в университете г. Кардиффа (Великобритания).

- Предложены методики идентификации и верификации современных математических моделей, использующихся для описания поведения хрупких материалов при высокоскоростном деформировании и разрушении.

- Получены параметры и константы известных математических моделей динамического деформирования и разрушения для испытанных бетонов, а также проведена их верификация на основании сравнения результатов натурных опытов и вычислительных экспериментов.

Практическая значимость работы

Методические разработки, представленные в диссертационной работе, могут использоваться в экспериментальных лабораториях для получения механических свойств хрупких конструкционных материалов при динамическом нагружении, а установленные закономерности их поведения, определенные параметры и константы математических моделей - в научно-исследовательских организациях при расчетах НДС элементов

строительных конструкций, испытывающих в процессе эксплуатации интенсивные кратковременные воздействия.

Методология и методы исследования. При проведении исследования использовалась современная методология комплексного экспериментально-теоретического подхода к изучению процессов высокоскоростного деформирования и разрушения материалов различной физической природы', включающая в себя следующие основные составляющие: разработку и обоснование методик динамических испытаний; разработку, модернизацию и автоматизацию технических средств проведения экспериментов; получение опытных данных; идентификацию и верификацию математических моделей. Для проведения большей части экспериментальных исследований применялся метод Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона, а также ряд его современных модификаций, которые были реализованы на оригинальных испытательных стендах. Регистрация первичной экспериментальной информации осуществлялась с помощью приборов и схем динамической тензометрии. При проведении идентификации параметров математических моделей использовался метод аппроксимации экспериментальных значений теоретическими функциями, а также расчетно-экспериментальный подход, основанный на согласовании результатов натурных испытаний и численных экспериментов на ЭВМ. Численные расчеты проводилось с использованием программного комплекса LS-DYNA, в основу которого положен метод конечных элементов2.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Теоретико-экспериментальный анализ и развитие модификации метода Кольского для испытаний хрупких материалов при сжатии в условиях пассивного ограничения радиальной деформации.

2. Разработанные и реализованные модификации метода Кольского для определения динамической прочности хрупких материалов на растяжение и срез, а также трехточечный изгиб балки для исследования вязкости разрушения.

3. Предложенный алгоритм и реализованная в среде инженерного графического программирования LabVIEW программа обработки экспериментальных данных, позволяющая получать механические характеристики хрупких материалов.

4. Опытные данные по механическим свойствам некоторых мелкозернистых бетонов и закономерности процессов их динамического деформирования и разрушения в зависимости от скорости деформации и скорости роста напряжений.

1 Врагов A.M., Константинов А.Ю., Ломунов А.К. Экспериментально-теоретическое изучение процессов высокоскоростного деформирования конструкционных материалов // Приволжский научный журнал, 2008, №3, с.27-33.

2 Помощь при проведении расчетов оказывал с.н.с., к.т.н. А.Ю. Константинов (ОАО «ГосНИИмаш», г. Дзержинск)

5. Методики идентификации определяющих соотношений и верификации современных математических моделей динамического деформирования и разрушения хрупких материалов.

6. Результаты идентификации и верификации современных математических моделей динамического деформирования и разрушения мелкозернистого бетона.

7. Интерпретация разрушения мелкозернистых бетонов на основе структурно-временного подхода, развиваемого в работах Н.Ф. Морозова - Ю.В. Петрова3.

Степень достоверности результатов

Достоверность полученных результатов и сделанных выводов обеспечивается выбором современных и обоснованных методов исследования механических свойств материалов, тщательной подготовкой экспериментов, детальным и всесторонним анализом полученных данных с целью выявления основных влияющих на них эффектов, а также совпадением полученных в работе результатов с данными зарубежных и отечественных исследователей.

Апробация результатов

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Нижний Новгород, 2011); XI Международной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 2012 г.); 19-й Европейской конференции «19-th European Conference on Fracture: Fracture Mechanics for Durability, Reliability and Safety» (Казань, 2012 г.); на XVII, XVIII и XIX Нижегородской сессии молодых ученых - технические науки (Арзамасский район Нижегородской области, 2012, 2013 и 2014 г.г.); 10-й Международной конференции «10-th International Conference on the Mechanical and Physical Behaviour of Materials under Dynamic Loading (DYMAT-2012)» (Фрайбург, 2012 г.); форуме молодых ученых (Нижний Новгород, 2013 г.); Международной конференции «XV Харитоновские тематические научные чтения. Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» (Саров, 2013 г.); симпозиуме «Fib Symposium. Engineering a Concrete Future: Technology, Modeling and Construction» (Тель-Авив, 2013 г.); Ill Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - взгляд в будущее» (Москва, 2014 г.); 20-й Европейской конференции «20-th European Conference on Fracture (ECF20)» (Тронхейм, 2014 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 19 работах, 6 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.

3 Petrov YV, Morozov NF. On the modeling of fracture of brittle solids. ASME J. Appl. Mech. 1994;61. P. 710-712.

7

Личный вклад автора. Основные результаты диссертации (методические разработки, экспериментальные данные, а также идентификация и верификация математических моделей материалов) получены лично Д.А. Ламзиным. В совместных работах автору принадлежат результаты экспериментальных [1-6, 10-14, 17, 19] и численных [16] исследований. Постановка задач и общее руководство исследованиями принадлежит A.M. Брагову и А.К. Ломунову. Константинов А.Ю. оказывал помощь и содействие при проведении экспериментов и численных расчетов, а Филиппов А.Р. - при подготовке опытов. Петров Ю.В. и Смирнов И.В. осуществляли методическую помощь при описании закономерностей динамического разрушения и расчете прочностных характеристик материалов с использованием критерия инкубационного времени, а Карихалу Б.Л. являлся разработчиком фибробетона CARDIFRC и принимал участие в обсуждении полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация включает введение, 4 главы, заключение и список использованной литературы из 238 наименований, содержит 161 страницу текста, 133 рисунка, 10 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цель исследования и основные задачи.

В первой главе представлен обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению поведения бетонов при высокоскоростном деформировании и разрушении, которые были опубликованы известными отечественными и зарубежными исследователями. Ю.М. Баженов, A.M. Врагов, В.А. Велданов, А.К. Ломунов, Н.Ф. Морозов, Ю.В.Петров, А.И. Садырин, L.E.Malvern, C.A.Ross, Р.Н. Bischoff, S.H.Perry, L.J. Malvar, J.E. Crawford, Q.M. Li, H. Meng, E. Cadoni, A. Brara, J.R. Klepaczko, M.J. Forrestal и многие другие внесли значительный вклад в освоение этой области науки. В параграфе 1.1 описаны результаты экспериментальных исследований, приводится классификация методов механических испытаний материалов, рассмотрены устройства для создания динамических нагрузок и средства регистрации быстропротекающих процессов. Обсуждаются методы динамических испытаний с оценкой достоверности получаемых результатов, на которые могут оказывать влияние инерционных эффекты. Отмечено, что для достижения высоких (до 103 с"') скоростей деформации чаще всего применяется метод Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона (РСГ) и его модификации, а при больших скоростях деформации и высоких давлениях до нескольких гигапаскалей - методика плосковолнового ударного эксперимента. Обсуждаются известные экспериментальные результаты и рассматривается влияние режимов динамического нагружения на прочность и

деформативность бетонов. Проанализировано влияние таких факторов, как статическая прочность, параметры заполнителя, условия твердения, влажность, возраст, температура и дисперсное армирование на динамическое поведение бетонов. Имеющиеся опытные данные показывают, что при возрастании скорости деформации или уменьшении времени нагружения происходит увеличение прочности материала, которое обычно характеризуют коэффициентом динамического упрочнения (КДУ). В параграфе 1.2 рассматриваются работы, посвященные теоретическим подходам, которые применяются для описания поведения хрупких сред в условиях динамического нагружения. В параграфе 1.3 обсуждаются экспериментально-теоретические работы, в которых описываются результаты идентификации и верификации математических моделей хрупких материалов. На основании литературного обзора сформулированы основные направления исследований.

Вторая глава посвящена описанию методик динамических испытаний, которые были разработаны и реализованы при проведении экспериментов. В работе для построения динамических диаграмм деформирования и определения механических характеристик исследуемых материалов при высоких скоростях деформации с целью осуществления идентификации математических моделей применялся метод Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона (РСГ), а также его оригинальные модификации. В параграфе 2.1 приводится описание сущности и основных предпосылок метода Кольского, дан вывод основных зависимостей. В параграфе 2.2 обсуждаются предложенные и/или реализованные оригинальные модификации данного метода. Приведены результаты теоретического анализа, а также формула для определения радиальной деформации образца, размещенного при нагружении в металлической обойме (п. 2.2.1; см. рис. 1). Описана предложенная модификация метода Кольского для определения механических характеристик хрупких материалов при растяжении, представляющая собой модернизированную схему Николаса (п. 2.2.2). Дается описание модификации метода Кольского для определения динамической прочности хрупких материалов на срез, когда образец располагается в жесткой обойме, разрезанной под углом к продольной оси, а также обсуждаются результаты ее апробации, полученные при испытаниях гранита (п. 2.2.3; см. рис. 2). Для определения ударной вязкости использовалась модификация метода Кольского, основанная на разрушении по схеме трехточечного изгиба в системе РСГ образца балочного типа с концентратором посередине (п. 2.2.4).

Разрезная обойма

йr.specimenV'

v — коэффициент Пуассона материала обоймы

Рис. 1

Нагружающий стержень

Опорный

Мсоэавт« т, „

г(г) =-—;--е40

лй2

£ и Л - соответственно модуль Юнга и площадь поперечного сечения опорного стержня; Я - внутренний радиус обоймы Рис. 2

Плоскость среза

Для исследования процессов проникания и пробивания твердыми телами мишеней из хрупких материалов с целью оценки ударостойкости была реализована методика ударного взаимодействия (п. 2.3). При этом в случае несквозного проникания к тыльной поверхности образца-мишени из исследуемого материала пристыковывался мерный стержень. В эксперименте измерялись скорость ударника и импульс напряжения в стержне. При сквозном пробитии процесс взаимодействия регистрировался высокоскоростной кинокамерой для определения перемещения заднего торца ударника и вычисления его скорости в процессе внедрения. Измеренные параметры, а также остаточная глубина и форма кратера использовались для верификации математических моделей динамического деформирования и разрушения хрупких материалов.

В параграфе 2.4 приводится описание экспериментальных установок, которые использовались в работе. Рассмотрены средства регистрации динамических процессов на базе оригинальных схем питания и многоканальной компьютерной измерительной системы PXI фирмы National Instruments. Параграф 2.5 посвящен рассмотрению возможностей программных средств, которые применялись для автоматизированного съема и обработки опытных данных. Регистрация первичной экспериментальной информации осуществлялась с помощью виртуальных приборов «Измеритель скорости»4, «Осциллограф»4 и N1 Scope-SFP. Первоначальная обработка электрических сигналов производилась с помощью программы, написанной на языке Python4. Для построения диаграммы деформирования использовалась оригинальная программа «Diagrammed»5, написанная на языке С++ для работы в среде Windows. Автоматизация окончательной обработки экспериментальных данных и получения механических характеристик хрупких материалов была осуществлена с помощью

4 Комплекс программ составлен к.т.н. Константиновым А.Ю.

5 Программа написана к.т.н. Деменко П.В.

разработанной автором программы, написанной на языке инженерного графического программирования Lab VIEW.

В главе 3 приведены результаты экспериментальных исследований процессов динамического деформирования и разрушения двух видов мелкозернистых бетонов: современного конструкционного бетона класса В25 с добавками Muraplast FK-63 и Реостаб6 (п. 3.1) и нового перспективного фибробетона CARDIFRC, разработанного и изготовленного в университете г. Кардиффа в Великобритании (п. 3.2).

Испытания мелкозернистого бетона В25 на сжатие проводились на образцах разной длины и влажности. При подготовке экспериментов были учтены рекомендации по соотношению геометрических размеров образцов и смазке торцов мерных стержней для исключения инерционных эффектов, а анализ первичных опытных данных показал выполнение основных предпосылок метода Кольского. В результате проведенных испытаний были получены диаграммы деформирования при разных режимах динамического воздействия, на основании которых были определены прочностные, деформационные, временные и энергетические характеристики, а также построены их зависимости от скорости деформации. Полученные зависимости свидетельствуют о том, что с ростом скорости деформации происходит увеличение разрушающих напряжений, соответствующих им предельных деформаций и величин удельной энергии разрушения по линейному закону, тогда как время до начала разрушения уменьшается по степенному закону. Можно отметить, что длина образцов оказывала незначительное влияние на величины максимального напряжения, а также времени до начала разрушения и сильно влияла на значения предельных деформаций. Наличие влаги снижало прочность материала и практически не влияло на значения предельной деформации и времени до начала разрушения. Степень влияния исследованных факторов на механические характеристики зависела от скорости деформации. Было получено хорошее качественное и количественное соответствие экспериментальных данных по динамическому деформированию исследованного мелкозернистого бетона В25 с имеющимися литературными данными, а максимальная величина КДУ при сжатии в исследованном диапазоне скоростей деформации -0,5-10 -1,1 • 103 с"1 приближалась к четырем (рис. 3).

Динамические испытания на растяжение проводились по методике раскалывания, а также по предложенной модифицированной схеме Николаса. Анализ опытных данных показал, что в экспериментах были выполнены основные предпосылки используемых методик. В опытах строились зависимости растягивающего напряжения от времени, на

6 Подбор состава и приготовление бетонной смеси проводились на кафедре строительных материалов ФГБОУ ВПО ННГАСУ.

основании которых определялись значения максимальных напряжений и времени до начала разрушения в зависимости от скорости роста напряжений. Результаты экспериментов при растяжении показали, что при увеличении скорости роста напряжений, разрушающие напряжения растут по линейному закону, а время до начала разрушения уменьшается по степенному закону. Следует отметить, что механические характеристики, полученные по двум методикам, хорошо согласовались друг с другом. КДУ при растяжении в исследуемом диапазоне скоростей роста напряжений 50 ГПа/с <& <350 ГПа/с (или скоростей

деформации 2 ¿Г1 <¿<15^') достигал шести (рис.4), что качественно и количественно хорошо согласуется с результатами зарубежных исследований разнообразных бетонов.

3,5 3 2,5

F 2

1,5 1

0.5

Сжатие | 7

»hJ 6

КДУ=0.Г4861.П(.с). 1,6615

5

* > 4

*У 3

•Л 2

1

0.0001 0.001 0,01 0.1 1 10 100 1000 10000 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Скорость деформации. Мс Скорость деформации, 1/с

Рис. 3 рис. 4

Для получения механических свойств мелкозернистого бетона В25 в условиях сложного напряженно-деформированного состояния были проведены испытания на сжатие в обойме. Опыты проводились в обоймах, имеющих разный наружный диаметр, с целью исследования влияния жесткости обоймы на получаемые механические характеристики. Были построены зависимости давления от объемной деформации, а также эквивалентного напряжения (интенсивности напряжений) от давления при разных скоростях продольной деформации. Было установлено, что при увеличении степени и скорости деформации образца изменяется его первоначальное одномерное деформированное состояние, что приводит к необходимости учета величины радиальной деформации образца. Можно отметить, что податливость обоймы в пределах ее упругости оказывала некоторое влияние на значения радиальных напряжений образца, причем при испытаниях в более толстой обойме были получены несколько большие (в среднем на 30%) значения радиальных напряжений.

Динамические испытания мелкозернистого фибробетона CARDIFRC проводились на установках, реализующих классическую методику Кольского, а также ее модификации -сжатие в условиях одноосной деформации, динамическое раскалывание, срез (рис. 2) и

трехточечный изгиб балок, ослабленных надрезом. Были определены прочностные, деформационные, временные и энергетические характеристики, а также построены их зависимости от скорости деформации, скорости роста напряжений и амплитуды нагрузки. Отмечено, что скорость деформации при сжатии и скорость роста напряжений при растяжении оказывали качественно одинаковое влияние на механические характеристики как фибробетона, так и мелкозернистого бетона В25. При сжатии скорость роста напряжений влияла на свойства фибробетона так же как и скорость деформации. Для определения ударной вязкости были проведены динамические испытания на трехточечный изгиб балок с U - образным вырезом на установках РСГ-20 и РСГ-60 (цифра указывает диаметр стержней в мм), которые показали влияние масштабного фактора. С увеличением величины и скорости роста прилагаемой нагрузки возрастала затраченная за цикл нагружения работа, причем работа удара, ударная вязкость и прогиб образца в зависимости от максимального усилия изменялись по закону, близкому к линейному. Кроме того, приведены результаты исследования процесса ударного взаимодействия твердого цилиндрического ударника с образцом-пластиной. После обработки кадров высокоскоростной киносъемки, полученных при сквозном пробитии мишени из фибробетона, были построены зависимости перемещения заднего торца ударника и изменения его скорости от времени. Можно отметить, что образцы мелкозернистого бетона полностью разрушались на крупные и мелкие куски, в то время как образцы фибробетона разрушались не полностью, а наблюдалось только сквозное их пробитие в месте воздействия ударника.

Глава 4 посвящена идентификации и верификации математических моделей материалов с использованием экспериментальных данных и инструмента численного моделирования, а также теоретической интерпретации разрушения исследуемых мелкозернистых бетонов. В параграфе 4.1 описываются некоторые современные математические модели динамического деформирования и разрушения хрупких сред, которые имеются в библиотеке программного комплекса LS-DYNA. Рассмотрены модели 5, 14, 78, модель 84 или бетон Уинфрита, а также модель 111 или модель бетона Джонсона-Холмквиста. Методики оснащения рассматриваемых моделей необходимыми параметрами и константами приведены в параграфе 4.2. Данные методики предполагают проведение разных типов экспериментов, причем как статических, так и динамических, решение нескольких оптимизационных задач, а также, в некоторых случаях, применение расчетно-экспериментального подхода. Реализация разработанных методик осуществлялась на примере исследованного мелкозернистого бетона В25 (п. 4.3). Для оценки адекватности моделей и доказательства справедливости предложенных методик идентификации их параметров, было проведено численное моделирование экспериментов на сжатие в обойме,

которое показало, что все модели за исключением 84-ой (модели бетона Уинфрита) адекватно описывают поведение материала при динамическом нагружении. Расчеты проводились в двумерной осесимметричной (модели 5, 14, 111) и трехмерной (модели 78, 84) постановке в переменных Лагранжа. Для осуществления верификации выбранных моделей было проведено численное моделирование экспериментов по внедрению шарика с разными начальными скоростями (152, 169 и 187 м/с) в образец мелкозернистого бетона В25 (п. 4.4). Численные расчеты проводились в двумерной осесимметричной постановке с использованием Эйлерова-Лагранжева подхода (модели 5, 14), в двумерной осесимметричной постановке в переменных Лагранжа с перестроением сетки конечных элементов (модель 111) и трехмерной постановке с использованием Эйлерова-Лагранжева подхода (модель 78). Результаты расчета удовлетворительно соотносились с экспериментальными данными только при использовании моделей 5 и 78, причем при сравнении импульса деформации с мерного стержня (рис. 5) и относительных глубин проникания, отнесенных к диаметру шарика, при разных начальных скоростях удара (рис. 6) лучшее соответствие данных расчета и эксперимента было получено при использовании модели 5.

к 2,5

О -5 -10 | -15

I "20

!■ -25 -30 -35 -40

Внедрение Vo=187 м/с

30 6 0 90 1"

«

" •■' I

ЧУ

■ эксперимент расчет (модель_5) расчет(модель 78)

1 1.5

£ 0,5 о

Е

расчет (модель_5) ■■■&■■ расчет(модель_78) ♦ эксперимент

Время, мкс

Рис. 5

160 170 180 Скорость ударника, м/с

Рис. 6

На основе структурно-временного подхода Н.Ф. Морозова - Ю.В. Петрова в параграфе 4.5 дана единая интерпретация скоростных эффектов разрушения исследованных мелкозернистых бетонов. Приведено понятие критерия инкубационного времени как для общего, так и для частных случаев разрушения при сжатии, растяжении и трехточечном изгибе балок с надрезом. На основании опытных данных были определены значения инкубационного времени. Показано, что этот критерий хорошо качественно и количественно описывает экспериментальные данные.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы:

1. Проведен аналитический обзор известных работ отечественных и зарубежных авторов, которые посвящены проблеме высокоскоростного деформирования и разрушения

14

хрупких материалов. Отмечено, что для получения механических свойств в диапазоне скоростей деформации Ю'-Ю3 с"' используется метод Кольского и его многочисленные модификации. Показано, что свойства бетонов при динамическом нагружении зависят от вида НДС, состава и структуры, интенсивности приложенного воздействия и других факторов.

2. Проведен теоретико-экспериментальный анализ модификации метода Кольского, разработанной для получения механических свойств материалов при сложном напряженном состоянии, когда образец находится в условиях пассивного ограничения радиальной деформации. Получена аналитическая формула для вычисления радиальной деформации образца по импульсу деформации, зарегистрированному на наружной поверхности обоймы. На основании экспериментальных результатов установлено, что данную формулу необходимо применять, когда одномерность деформированного состояния образца нарушается вследствие недостаточной жесткости обоймы.

3. Предложена и реализована новая модификация метода Кольского, позволяющая определять прочность хрупких материалов на срез, когда образец располагается в жесткой обойме, разрезанной под углом к продольной оси. Полученные в экспериментах на срез данные хорошо соотносятся с результатами испытаний на растяжение при раскалывании.

4. Предложена и реализована модификация метода Кольского для определения механических характеристик хрупких материалов при растяжении, представляющая собой модифицированную схему Николаса. Анализ данной методики показал однородность напряженно-деформированного состояния образца при испытаниях. Механические характеристики, полученные по предложенной методике, достаточно хорошо согласуются с результатами, полученными на растяжение при раскалывании.

5. Для автоматизации обработки экспериментальных данных был предложен алгоритм и создана на языке инженерного графического программирования LabVIEW. программа, которая позволяет получать среднюю диаграмму деформирования при исходных диаграммах с разным шагом по времени, а также определять значения механических характеристик хрупких материалов.

6. В рамках комплексного экспериментально-теоретического подхода проведено исследование процессов динамического деформирования и разрушения двух видов мелкозернистых бетонов: современного конструкционного класса В25 с добавками Muraplast FK-63 и Реостаб, а также нового перспективного фибробетона CARDIFRC, разработанного и изготовленного в университете г. Кардиффа (Великобритания). В результате обширных экспериментов на основании построенных диаграмм деформирования при разных режимах

динамического воздействия были получены прочностные, деформационные, временные и энергетические характеристики, а также их зависимости от скорости деформации, скорости роста напряжений и амплитуды нагрузки. Отмечено влияние скорости деформации, скорости роста напряжений, геометрии образцов, их влажности и масштабного фактора на свойства испытанных материалов, а результаты исследований хорошо согласуются с имеющимися данными, полученными как отечественными, так и зарубежными исследователями.

7. Отмечено одинаковое качественное влияние скорости деформации и скорости роста напряжений на механические характеристики исследованных мелкозернистых бетонов. Фибробетон показал большие прочностные показатели, а также лучшую ударостойкость по сравнению с мелкозернистым бетоном В25.

8. Предложены и реализованы методики оснащения необходимыми параметрами и константами некоторых современных моделей динамического деформирования и разрушения хрупких материалов из библиотеки программного комплекса ЬЗ-РУЫА. Данные методики предполагают проведение статических и динамических экспериментов, решение оптимизационных задач и применение в некоторых случаях расчетно-экспериментального подхода.

9. На примере мелкозернистого бетона В25 была осуществлена идентификация реализованных в ЬБ-ОУМА моделей динамического деформирования и разрушения хрупких материалов. Для верификации моделей использовался эксперимент на высокоскоростное внедрение жесткого ударника в образец из исследуемого материала. Преимущество предложенной методики верификации заключалось в том, что, в отличие от многих известных способов, напряженно-деформированное состояние образцов в верификационных опытах отличается от такового в базовых экспериментах. Лучшее соответствие результатов численных экспериментов и натурных опытов при совместном сравнении импульса деформации мерного стержня и относительных глубин проникания получено при использовании модели 5 из библиотеки ЬБ-ОУ^.

10. Рассмотрено разрушение испытанных мелкозернистых бетонов с точки зрения структурно-временного подхода Н.Ф. Морозова - Ю.В. Петрова. Полученные в экспериментах зависимости прочностных характеристик от скорости изменения механических величин эффективно рассчитываются с использованием критерия инкубационного времени. На основании полученных экспериментальных результатов определены значения данного критерия при разных видах НДС для исследованных материалов. Отмечено, что значение инкубационного времени разрушения при растяжении оказалось больше, чем при сжатии для обоих бетонов.

Основные результаты, выводы и защищаемые положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Врагов A.M., КарихалооБ., Константинов А.Ю., Ламзин Д.А., Ломунов А.К. Исследование механических свойств фибробетона с помощью методики Кольского и ее модификаций // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. -Н. Новгород: ННГУ, 2011. - № 4, Ч. 1. С. 123 - 129.

2. Константинов А.Ю., Ламзин Д.А., Ломунов А.К., Филиппов А.Р. Высокоскоростное деформирование и разрушение хрупких структурно-неоднородных сред // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - Н. Новгород: ННГУ, 2011. - № 4, Ч. 4. С. 1533- 1535.

3. Врагов A.M., Карихалу Б.Л., Петров Ю.В., Константинов А.Ю., Ламзин Д.А., Ломунов А.К., Смирнов И.В. Высокоскоростное деформирование и разрушение фибробетона // Прикладная механика и техническая физика. 2012. Т. 53, № 6. С. 144 - 152.

4. Врагов A.M., Константинов А.Ю., Ламзин Д.А., Ломунов А.К., Филиппов А.Р. Динамическое деформирование и разрушение хрупких структурно неоднородных сред // Проблемы прочности и пластичности, вып. 74,2012. С. 59 - 67.

5. Врагов A.M., Карихалу Б.Л., Петров Ю.В., Ломунов А.К., Константинов А.Ю., Ламзин Д.А., Смирнов И.В. Экспериментально-теоретическое исследование динамического деформирования и разрушения фибробетона // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. №4, Т. 80. 2014. С. 57-63.

6. Врагов A.M., Ломунов А.К., Константинов А.Ю., Ламзин Д.А. Исследование механических свойств мелкозернистого бетона при динамическом нагружении // Приволжский научный журнал. №4, 2014. С.8-17.

В других изданиях:

7. Ламзин Д.А. Экспериментальные исследования поведения бетона и фибробетона при импульсном нагружении // Технические науки: сб. тр. аспирантов и магистрантов. - Н. Новгород: ННГАСУ, 2010. С. 51 - 56.

8. Ламзин Д.А. Исследование механических свойств фибробетона с помощью методики Кольского и ее модификаций // Технические науки: сб. тр. аспирантов, магистрантов и соискателей. - Н. Новгород: ННГАСУ, 2011. С. 46 - 52.

9. Ламзин Д.А. Определение прочности на срез бетонов при динамическом нагружении // Технические науки: сб. тр. аспирантов, магистрантов и соискателей. -Н. Новгород: ННГАСУ, 2012. С. 31 - 35.

10. Ламзин Д.А., Ломунов А.К. Экспериментальное исследование поведения фибробетона при динамическом нагружении // XVII Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. 19-22 марта 2012 г. - Н. Новгород: НИУ РАНХиГС. С. 229 - 230.

И. Врагов A.M., Константинов А.Ю., Ламзин Д.А., Ломунов А.К. Свойства фибробетона при динамическом нагружении // Забабахинские научные чтения: сб. матер. XI междунар. конф.- Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 2012. С. 185.

12. Bragov A.M., Petrov Yu.V., Karihaloo B.L., Konstantinov A.Yu., Lamzin D.A., Lomunov A.K., and Smirnov I. V. Deformation and fracture of CARDIFRC under dynamic loading // 19-th European Conference on Fracture: Fracture Mechanics for Durability, Reliability and Safety. Book of Abstracts. Kazan, Russia, 26-31 August 2012, p.131.

13. Bragov A.M., Petrov Yu.V., Karihaloo B.L., Konstantinov A.Yu., Lamzin D.A., Lomunov A.K., and Smirnov I. V. Experimental-theoretical investigation of fiber reinforced concrete under dynamic loading // Proceedings Fib Symposium. Engineering a Concrete Future: Technology, Modeling and Construction. Tel-Aviv, 22-24 April, 2013. PP. 633 - 636.

14. Bragov A.M., Petrov Yu.V., Karihaloo B.L., Konstantinov A.Yu., Lamzin D.A., Lomunov A.K., Smirnov I.V. Dynamic strengths and toughness of an ultra high performance fibre reinforced concrete // Engineering Fracture Mechanics, 110 (2013). PP.477-488.

15. Ламзин Д.А. Динамические свойства мелкозернистого бетона // Форум молодых ученых: тезисы докладов. - Н. Новгород: ННГУ, 2013. T.l. С.72-73.

16. Ламзин Д.А., Ломунов А.К. Исследование динамического деформирования мелкозернистого бетона // XVIII Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: материалы докладов. - Н. Новгород: НИУ РАНХиГС, 2013. С.214-215.

17. Врагов A.M., Константинов А.Ю., Ламзин Д.А., Ломунов А.К., Петров Ю.В., Смирнов И.В., Филиппов А.Р. Экспериментально-теоретическое исследование поведения некоторых горных пород при динамическом нагружении // Международная конференция XV Харитоновские тематические научные чтения. Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны. Сборник тезисов докладов. Саров 2013. С.213-214.

18. Ламзин Д.А. Развитие модификации метода Кольского для испытаний хрупких материалов в жесткой обойме на основе теоретико-экспериментального анализа // Технические науки. Науки о Земле. Экология: сб. тр. аспирантов, магистрантов и соискателей. - Н. Новгород: ННГАСУ, 2014. С. 42-49.

19. Ламзин Д.А., Ломунов А.К. Экспериментальное исследование динамических свойств мелкозернистого бетона // III Всероссийская (международная) конференция по бетону и железобетону. Бетон и железобетон - взгляд в будущее. Научные труды. Москва 2014. Т. 5. С. 51-62.

Подписано в печать 28.10.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1. Заказ № 640. Тираж 100 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 603000, г. Нижний Новгород, ул. Б. Покровская, 37