Информационно-системное моделирование в задачах механики разрушения

Abstract

Для исследования появления и распространения трещин в тех или иных условиях успешно используется механика разрушения. Однако в настоящее время аналитические решения существуют только для простых трещин. Трещины же сложные (наклонные, разветвленные и т. д.) могут быть решены только с использованием численных методов. Благодаря постоянно развивающимся компьютерным технологиям инженеры и ученые уже получили возможность анализа прочности, напряженно-деформированного состояния конструкции с трещинами или без, не прибегая к созданию моделей, эквивалентных данным, а лишь работая в системах инженерного анализа (CAE-системы). Метод, использующий математические модели вместо экспериментальных стендов, очень перспективен с точки зрения автоматизации и ускорения инженерных расчетов. Данный метод экономичен по материальным и трудовым затратам. В ANSYS была смоделирована аналогичная образцу 3D геометрическая модель полого толстостенного цилиндра с полуэллиптической поверхностной трещиной, построена конечно-элементная сетка и приложены необходимые нагрузки. Следует также заметить, что при трехмерном моделировании необходимо искусственно сдвигать узлы конечного элемента в вершине трещины. Следовательно, появляется необходимость в разработке метода автоматизированного процесса построения сетки конечных элементов в вершине трещины для трехмерных объектов. В результате расчета были получены карты распределения перемещений и эквивалентных напряжений по IV теории прочности, а также распределение коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) по фронту трещины. Полученные в ANSYS значения КИН были представлены в виде графиков зависимости КИН от номера узла фронта трещины. По результатам моделирования можно сделать вывод о том, что такие виды дефектов зависят от растягивающих напряжений. Внутреннее давление, технические характеристики материала, а также толщина стенки и диаметр цилиндра в наибольшей степени влияют на растягивающие напряжения. Результаты работы могут стать основой исследования параметров механики разрушения для сборных сварных конструкций цилиндрических сосудов высокого давления, а также в задачах, где необходим учет упругопластического поведения материала. На основе предложенного метода исследования могут быть выявлены дополнительные факторы, влияющие на рассматриваемые вопросы прочностных расчетов динамического напряженно-деформированного состояния автомобильных деталей.