Высокоскоростное деформирование и разрушение хрупких структурно-неоднородных сред

Механика деформируемого твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (4), с. 1533-1535

1533

УДК 539.3

ВЫСОКОСКОРОСТНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ХРУПКИХ СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

© 2011 г. А.Ю. Константинов1, Д.А. Ламзин2, А.К. Ломунов1, А.Р. Филиппов1

'НИИ механики Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 2Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

кош1ап1шоу_а1@та11. ги

Поступила в редакцию 15.06.2011

Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований процессов высокоскоростного деформирования и разрушения хрупких структурно-неоднородных сред типа бетонов и огнеупоров различной плотности, некоторых горных пород. Экспериментальное изучение динамических свойств было выполнено с использованием модификаций метода Кольского. Теоретические разработки выполнены с применением модели пористой среды. Для верификации моделей использовался набор тестовых натурных и численных экспериментов по исследованию процессов взаимодействия в прямой и обращенной постановках. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов показало их хорошее соответствие.

Ключевые слова: высокоскоростное деформирование, метод Кольского, мелкозернистые бетоны, огнеупорные материалы, горные породы.

Тематика исследований

Интерес к изучению поведения бетонов, грунтовых сред и горных пород в условиях интенсивных кратковременных воздействий в последние годы значительно усилился в связи с необходимостью решения ряда проблем, таких как анализ распространения сильных сейсмических и взрывных волн и их взаимодействия с надземными и подземными частями сооружений, задачи использования энергии взрыва при строительстве плотин, каналов и т.п. Особое место в динамике грунтов отводится анализу процессов ударного взаимодействия твердых тел с грунтовыми средами, бетонами и горными породами, а также вопросам проникания. Для рационального проектирования различных зданий и сооружений гражданского и военного характера необходима обширная база данных по динамическим свойствам указанных хрупких структурно-неоднородных материалов.

Высокопористые материалы, такие как шамот и муллит, обладают высокой температурой плавления. Благодаря своим свойствам эти материалы могут быть с успехом использованы в качестве демпфирующих материалов контейнеров для авиа-, автомобильных и других перевозок радиоактивных или высокотоксичных материалов. В случае возникновения аварийных ситуаций, терактов, сопровождающихся ударными или взрывными воздействиями и высокими температурами, эти материалы могут значительно уменьшить по-

следствия подобных ситуаций. Для проектирования изделий с использованием таких материалов необходимо знание их динамических свойств.

Методы исследований

Экспериментальное изучение динамического поведения материалов (определение ударной сжимаемости, прочностных и деформационных характеристик) было выполнено с помощью традиционной методики Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона (РСГ), а также ряда оригинальных модификаций в условиях одноосного напряженного состояния и одноосной деформации [1, 2]. Для определения прочностных свойств материалов при растяжении использовался метод раскалывания при сжатии [3]. Для получения больших степеней деформаций малоплотных высокопористых сред использовалось многоцикловое нагружение образцов в одном эксперименте [4].

Испытуемые материалы и образцы

Испытаниям подвергались образцы мелкозернистых бетонов, некоторых видов керамик и огнеупоров различной плотности. Образцы для испытаний были изготовлены в виде таблеток диаметром 20 мм и толщиной 10 мм (для испытаний на установке РСГ-20 с мерными стержнями диаметром 20 мм), а также диаметром 60 мм и

1534

А.Ю. Константинов, Д.А. Ламзин, А.К. Ломунов, А.Р. Филиппов

толщиной 35 мм (для испытаний на установке РСГ-60 с мерными стержнями диаметром 60 мм). Кроме того, испытывались образцы ряда горных пород. Образцы имели форму прямоугольных параллелепипедов сечением 20x20 мм и 30x30 мм при толщине обоих вариантов 20 мм.

Результаты исследований

Было выполнено многоцикловое нагружение образцов легковесного шамота при сжатии в условиях одноосной деформации и получены диаграммы деформирования до степеней деформации 80%. После выбирания пористости (~40%) отмечается значительный рост напряжений. На рис. 1 изображены графики зависимости от времени исходных импульсов в мерных стержнях (а) и диаграмма деформирования шамота ШЛ-4 (б).

сти горных пород как при сжатии, так и при раскалывании, до скоростей деформации ~102 с-1.

S 0.001 3

Л "i h J

i f Г

L J J V IA

-Нагружающий стержень —— Опорный стержень

1000 1500

Время, мкс

а)

50

45

40

35

с

30

ф

S

I Ф 25

ï

К

CL с 20

I 15

10

5

0

1Ж

Г~ _

i J j i / г 1

,- —I I A —— к I

5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Разрушающие напряжения при раскалывании

Граниг Габбро-диаб: О Мрамор Коелга Д Мрамор Первоу|1

О

...gtçL.

Истинная деформация б) Рис. 1

Выполнены статические и динамические испытания трех горных пород при сжатии и растяжении (раскалывании). Сравнительный анализ прочности испытанных горных пород при сжатии и раскалывании в зависимости от скорости деформации показан на рис. 2. Наблюдается известная тенденция: слабое изменение прочно-

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 Скорость деформации, 1. с

б) Рис. 2

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (гранты №10-01-00585, 11-08-00545).

Список литературы

1. Брагов А.М., Ломунов А.К. // Прикладные проблемы прочности и пластичности: Межвуз. сб. / Ниже-город. ун-т. 1995. №51. С. 101-106.

2. Брагов А.М., Гандурин В.П., Грушевский Г.М., Ломунов А.К. // Химическая физика. 1995. Т. 14, №2-3. С. 126-135.

3. Rodriguez T., Navarro C., Sanchez-Galvez V. // Journal de Physique IV. C8. 1994. P. 101-106.

4. Брагов А.М., Ломунов А.К., Сергеичев И.В. // Прикладная механика и техническая физика. 2001. Т. 42, №6. С. 199-204.

Высокоскоростное деформирование и разрушение хрупких структурно-неоднородных сред

1535

HIGH-VELOCITY DEFORMATION AND FRACTURE OF BRITTLE STRUCTURALLY HETEROGENEOUS MEDIUMS

A. Yu. Konstantinov, D.A. Lamzin, A.K. Lomunov, A.R. Filippov

The results of experimental and theoretical investigations of processes of high-velocity deformation and fracture of brittle structurally heterogeneous mediums such as concrete and refractory materials of different densities, and some rocks are presented. Experimental study of the dynamic properties has been performed using a modifications of Kolsky method. Theoretical developments have been performed using the model of a porous medium. A set of test full-scale and numerical experiments on the study of the interaction processes in the direct and inverse formulations was used for the verification of the models. Comparison of theoretical and experimental results showed their good agreement.

Keywords: high speed deformation, Kolsky method, fine concrete, refractory materials, rocks.