Многоуровневый подход к моделированию процессов разрушения материалов с субмикроструктурой, применимых в условиях Арктики и Субарктики

Аннотация

Представлен краткий обзор исследований в области многомасштабного моделирования процессов разрушения материалов с микроструктурой, применимых в условиях Арктики и Субарктики. Ряд модельных задач рассматривается с точки зрения макроскопической прочности и роста магистральной трещины путем накопления микроскопических дефектов, реализации иерархических процессов разрушения по механизму образования, роста и слияния микротрещин и микропор. Так, для процесса разрушения образцов из пористого бетона, модифицированного органическими волокнами для повышения его потребительских качеств, проведено моделирование роста трещин, которое показало снижение трещиностойкости материала с ростом содержания фибры. Для оценки изгибных прочности и модуля упругости использовались испытания на трехточечный изгиб, также определены прочность и модуль упругости на сжатие. Увеличение концентрации волокон приводит к уменьшению предела прочности и модуля упругости на сжатие. Анализ поверхности изломов позволил выявить механизм распространения трещин путем коалесценции микропор на волокнах. Основой моделирования являлся экспериментально обоснованный критерий концентрационного разрушения при образовании трещин, основанный на теории перколяции. Также осуществлено многоуровневое моделирование - макроскопическое конечно-элементное и стохастическое на микро- и мезомасштабе - разрушения при изгибе балки из дерева. Особенностью деревянных конструкций является анизотропия поведения материала к направлению нагрузки. Учитывалась микроструктура дерева Bilinga, для древесины которой построена иерархия пространственных и временных масштабов процесса. Определены скорости роста трещины на различных масштабах, которые сопоставлены с макроскопическим расчетом. Еще одна задача - определение зависимости скорости трещины в плотном грунте при воздействии ультразвукового ударника при отсутствии влаги. С помощью стохастического моделирования роста трещины в массиве микропор выявлена зависимость скорости разрушения от параметров ультразвукового воздействия и амплитуды импульсов.