Цели и задачи проекта

• Разработка методики построения определяющих соотношений и критериев разрушений конструкционных материалов при высокоскоростном нагружении и повышенных температурах на основе метода Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона и смещенной от оси стержней нагревательной печью с учетом неоднородности температурного и напряженно-деформированного состояния в испытуемом образце;
• Экспериментально-вычислительное исследование определяющих соотношений и критериев разрушения характерных видов авиационных конструкционных материалов (преимущественно, титановых и алюминиевых сплавов) в диапазоне изменения скоростей деформаций от 300 до 10000 с-1 и температур от 20 до 900 °С с использованием разработанной экспериментальной методики, включающее натурные и виртуальные (с использованием компьютерного моделирования) испытания по модифицированному методу Кольского с реализацией в испытуемом образце различных видов напряженного состояния (сжатие, растяжение, сдвиг);
• Идентификация параметров применяемых в расчетах процессов высокоскоростного деформирования определяющих соотношений и критериев разрушения для ряда характерных авиационных сплавов.

Процесс исследования

В ходе исследования использовалась комбинация экспериментальной методики Кольского и ее модификаций, позволяющих реализовать в испытуемом образце различные виды напряженно-деформированного состояния, и численного эксперимента, основанного на детальном компьютерном моделировании натурных испытаний в рамках принятой математической модели материала. Идентификация параметров материальной модели и критерия разрушения осуществлялась с помощью итерационной процедуры с уточнением на каждом шаге итерации материальных параметров модели путем согласования результатов натурных и виртуальных экспериментов с учетом неоднородности напряженно-деформированного и температурного состояния в образце, а также баллистических ударных тестов. Для идентификации неоднородности полей деформации в образце в натурных испытаниях по методу Кольского применялся альтернативный (оптический) способ измерения деформаций, использующий высокоскоростную съемку совместно с методом корреляции цифровых изображений (DIC). Высокоскоростная съемка также используется для визуализации характера пробиваемости в баллистических натурных испытаниях.

Качество процедуры определения предельной поверхности разрушения материалов напрямую зависит от возможности реализации различных видов напряженного состояния в испытуемых образцах. В частности, одной из базовых характеристик материалов является величина предельной деформации в условиях динамического сдвига. Одна из основных целей проекта – разработка новой схемы испытаний на динамический сдвиг в рамках модификации метода Кольского.

Исследование влияния температуры на динамические свойства материалов проводилось на экспериментальном стенде для динамических тестов по методу Кольского, оснащенного смещенной от оси мерных стержней высокотемпературной нагревательной печью (до 1200 °С), роботизированной системой управления температурным экспериментом на сжатие и бесконтактным инфракрасным пирометром для контроля температуры поверхности образца. Определение температурного поля внутри образца и оценка степени его неоднородности производилась по результатам детального альтернативного термометрирования подсистемы захват-образец-мерный стержень с использованием термопар и последующего теплового расчета всех фаз эксперимента, предшествовавших соударению.

Результаты проекта

В рамках проекта проведено систематическое экспериментально-вычислительное исследование динамических свойств ряда титановых сплавов и стали в диапазоне скоростей деформаций от 500 до 2000 обратных секунд. На основании проведенных натурных экспериментов построены динамические диаграммы и определены предельные деформационные параметры исследуемых материалов. С этой целью были разработаны новые или глубоко модифицированы известные экспериментальные схемы: новая экспериментальная методика испытаний по схеме Николсона с разрезным стержнем Гопкинсона, реализующая в образце условие динамического сдвига; новая методика построения статической диаграммы из эксперимента на совместное растяжение с кручением сплошного цилиндрического образца; модификация метода Кольского для проведения высокотемпературных испытаний. По результатам натурных и виртуальных тестов идентифицированы материальные параметры табулированной модели Джонсона-Кука для исследуемых материалов, включая характеристики предельных поверхностей разрушения.