Файл: ShashenkoSzdvigkovaGapeev_monograf.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 06.04.2021

Просмотров: 1661

Скачиваний: 2

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

Р

АЗДЕЛ

 

 

 20

метры

С

 

одним

 

из

 

подходов

 

к

 

решению

 

этих

 

задач

 

можно

 

ознакомится

 

в

 

моно

-

графии

1

Кроме

 

описанной

 

выше

существует

 

еще

 

одна

 

теория

 

термофлуктуационной

 

прочности

активно

 

развивающаяся

 

в

 

последнее

 

время

 [55-57]. 

В

 

рамках

 

этой

 

теории

 

зарождение

 

трещины

 

происходит

 

в

 

результате

 

накачки

 

энергии

 

из

 

окру

-

жающей

 

среды

 

в

 

разрушающую

 

флуктуацию

 

плотности

 – 

дилатон

Это

 

приводит

 

к

 

разогреву

 

и

 

тепловому

 

расширению

 

дилатонов

 

до

 

критической

 

величины

рас

-

паду

 

дилатонов

 

и

 

образованию

 

в

 

твердом

 

теле

 

микротрещин

При

 

разрыве

 

на

 

границе

 

дилатона

 

возникает

 

перепад

 

давлений

В

 

результа

-

те

 

дилатон

 

оказывается

 

не

 

только

 

очагом

 

локального

 

разрушения

но

 

одновре

-

менно

 

является

 

и

 

точечным

 

флуктуационным

 

источником

 

дислокаций

Таким

 

образом

элементарные

 

механизмы

 

разрушения

 

и

 

пластической

 

деформации

 

оказываются

 

взаимосвязанными

 

и

 

действующими

 

одновременно

Дилатонная

 

теория

 

прочности

 

позволяет

 

объяснить

 

причину

 

разрушения

 

бездефектных

 

структур

 

в

 

силу

 

внутренней

присущей

 

любому

 

ансамблю

 

ато

-

мов

неустойчивости

Эта

 

неустойчивость

 

необратимым

 

образом

 

приводит

 

к

 

разрушению

 

твердого

 

тела

 

в

 

области

 

зародышевой

 

флуктуации

 

плотности

энергия

 

в

 

которой

 

увеличивается

 

в

 5-10 

раз

 

за

 

счет

 

накачки

 

тепла

 

извне

Кинетическая

 

теория

 

прочности

как

 

и

 

микродефектная

ничего

 

не

 

говорит

 

о

 

том

как

 

будут

 

сливаться

 

микродефекты

 

в

 

магистральные

 

трещины

являю

-

щиеся

 

признаком

 

разрушения

 

твердого

 

тела

Этот

 

недостаток

 

можно

 

было

 

бы

 

устранить

если

 

бы

 

существовал

 

способ

 

суммировать

 

отдельные

 

акты

 

разруше

-

ния

Идея

 

суммирования

 

повреждений

 

была

 

сформулирована

 

Больцманом

 

и

 

получила

 

существенное

 

развитие

 

в

 

механике

 

разрушения

Так

например

Л

.

М

Качанов

 [57] 

ввел

 

в

 

качестве

 

меры

 

разрушения

 

количественную

 

характе

-

ристику

 

сплошности

 

материала

 

*

γ

которая

 

представляет

 

собой

 

отношение

 

не

-

разрушенной

 

площади

 

поперечного

 

сечения

 

к

 

полной

 

площади

 

сечения

                                           

1

 

Скипочка

 

С

.

И

., 

Усаченко

 

Б

.

М

., 

Куклин

 

В

.

Ю

Элементы

 

геомеханики

 

углепородного

 

массива

 

при

 

высоких

 

скоростях

 

подвигания

 

лав

.– 

Днепропетровск

Изд

-

во

 «

Лира

 

ЛТД

», 2006.– 247 

с


background image

Ф

ИЗИЧЕСКИЕ

 

ОСНОВЫ

 

ПРОЧНОСТИ

 

И

 

РАЗРУШЕНИЯ

 

ТВЕРДЫХ

 

ТЕЛ

 

 

 21

Ю

.

Н

Работнов

 [58], 

продолжив

 

работы

 

в

 

этом

 

направлении

ввел

 

понятие

 

повреждаемости

 

материала

 

*

ω

 

как

 

отношение

 

площади

 

трещин

 

к

 

исходной

 

площади

 

сечения

 

и

 

предложил

 

для

 

случая

 

сложного

 

напряженного

 

состояния

 

тензорный

 

параметр

 

поврежденности

 

вместо

 

скалярного

 

*

γ

Условием

 

разру

-

шения

 

считается

 

достижение

 

определенными

 

инвариантами

 

этого

 

тензора

 

кри

-

тических

 

значений

Общим

 

недостатком

 

двух

 

описанных

 

выше

 

подходов

 

к

 

оценке

 

прочности

 

твердых

 

тел

 

является

 

отсутствие

 

физического

 

обоснования

 

появления

 

элемен

-

тарных

 

актов

 

разрушении

Соединив

 

концепции

 

термофлуктуационной

 

теории

 

прочности

 

с

 

идеей

 

о

 

суммировании

 

различных

 

актов

 

разрушения

Г

.

Г

Литвинский

 [59, 60] 

получил

 

обобщенное

 

уравнение

 

прочности

 

твердых

 

тел

 

1.3. 

Термодинамические

 

теории

 

прочности

 

Следствием

 

первого

 

закона

 

термодинамики

 

является

 

вывод

 

о

 

том

что

 

ни

 

количество

 

работы

ни

 

количество

 

теплоты

ни

 

параметры

их

 

определяющие

 (

в

 

том

 

числе

 

тензоры

 

напряжений

 

и

 

деформаций

температура

объем

 

тела

 

и

 

т

.

д

.), 

или

 

их

 

соотношения

 

не

 

могут

 

быть

 

приняты

 

в

 

качестве

 

критериев

 

разрушения

 

твердых

 

тел

поскольку

 

каждый

 

из

 

них

 

в

 

отдельности

 

не

 

является

 

параметром

однозначно

 

или

 

интегрально

 

оценивающим

 

их

 

состояние

В

 

наиболее

 

общем

 

случае

 

в

 

качестве

 

такого

 

параметра

 

может

 

быть

 

принята

 

удельная

 

величина

 

(

плотность

внутренней

 

энергии

 

или

 

энтропия

 

деформируемого

 

тела

В

 

некото

-

рых

 

частных

 

случаях

 

в

 

качестве

 

такого

 

параметра

 

могут

 

быть

 

выбраны

 

и

 

другие

 

термодинамические

 

функции

 

состояния

например

энтальпия

энергия

 

Гиббса

энергия

 

Гельмгольца

являющиеся

 

производными

 

от

 

первообразной

 

функции

 

внутренней

 

энергии

В

 

соответствии

 

с

 

термодинамической

 

теорией

 

разрушения

которая

 

полу

-

чила

 

своё

 

развитие

 

благодаря

 

трудам

 

И

.

И

Гольденблата

В

.

В

Федорова

В

.

Л

Бажанова

 

и

 

др

., 

разрушение

 

твердого

 

тела

 

наступает

 

в

 

момент

 

t

когда

 

хо

-


background image

Р

АЗДЕЛ

 

 

 22

тя

 

бы

 

в

 

одном

 

его

 

микрообъеме

ответственном

 

за

 

разрушение

плотность

 

внут

-

ренней

 

энергии

 

достигнет

 

некоторой

 

критической

 

величины

 

U

 (

рис

. 1.3).  

Этот

 

факт

 

проявляется

 

в

 

наличии

 

экспериментально

 

установленной

 

С

.

Н

Журковым

 

температурно

-

временной

 

зависимости

 (1.10). 

Условие

 

разру

-

шения

 

при

 

этом

 

имеет

 

вид

 

(

)

( )

(

)

const

U

t

r

U

r

U

t

r

U

=

=

Δ

+

=

,

,

0

  (1.12) 

где

 

( )

r

U

0

 – 

плотность

 

внутренней

 

энергии

 

тела

 

в

 

исходном

  (

до

 

деформиро

-

вания

состоянии

учиты

-

вающая

 

его

 

наследствен

-

ные

 

свойства

 

и

 

предысто

-

рию

 

нагружения

( )

t

r

U

Δ

,  

– 

изменение

 

плотности

 

внутренней

 

энергии

 

в

 

ло

-

кальных

 

объемах

 

тела

 

за

 

время

 

деформирования

 

t

r

 – 

параметр

характеризующий

 

координаты

 

локального

 

объема

 

тела

ответст

-

венного

 

за

 

разрушение

поскольку

 

энергия

 

в

 

общем

 

случае

 

распределяется

 

в

 

те

-

ле

 

неравномерно

 

по

 

его

 

объему

Наряду

 

с

 

описанным

 

выше

 

подходом

 

в

 

термодинамике

 

необратимых

 

про

-

цессов

 

вводится

 

энтропийный

 

критерий

 

разрушения

Это

 

направление

 

исследо

-

ваний

 

получило

 

развитие

 

в

 

трудах

 

А

.

И

Чудновского

Д

.

А

Киялбаева

И

.

И

Но

-

викова

Х

.

З

Бакенова

С

.

С

Вялова

В

.

Н

Разбегина

 

и

 

др

В

 

этом

 

случае

 

строится

 

структура

 

внутреннего

 

производства

 

энергии

которая

 

позволяет

 

выделить

 

про

-

цессы

 

ползучести

 

и

 

разрушения

 

твердых

 

тел

 (

горных

 

пород

грунтов

). 

Условие

 

разрушения

 

на

 

основе

 

энтропийного

 

критерия

 

имеет

 

вид

 

( )

/

0

/

S

S

t

S

p

Δ

+

=

    (1.13) 

Рис

. 1.3. 

Зависимость

 

внутренней

 

энергии

 (U ) 

образца

 

твердого

 

тела

 

от

 

времени

 (t) 

и

 

темпе

-

ратуры

 (T) 


background image

Ф

ИЗИЧЕСКИЕ

 

ОСНОВЫ

 

ПРОЧНОСТИ

 

И

 

РАЗРУШЕНИЯ

 

ТВЕРДЫХ

 

ТЕЛ

 

 

 23

где

 

( )

/

p

t

S

 – 

энтропия

 

деформируемого

 

образца

 

в

 

момент

 

разрушения

 

/

p

t

0

S

 – 

начальная

 

энтропия

/

S

Δ

 – 

приращение

 

энтропии

 

образца

 

при

 

его

 

деформиро

-

вании

 

от

 

начального

 

состояния

 

до

 

разрушения

Графически

 

смысл

 

энтропийного

 

критерия

 

показан

 

на

 

рис

. 1.4. 

С

 

помощью

 

энтропийно

-

го

 

критерия

 

может

 

быть

 

вы

-

ражен

 

коэффициент

 

накопле

-

ния

 

повреждений

 

П

К

 

в

 

де

-

формируемом

 

образце

 

( )

( )

/

S

t

S

t

К

П

Δ

=

. (1.14) 

При

 

1

0

p

p

П

K

 

состоя

-

ние

 

деформируемого

 

образца

 

будет

 

устойчивым

при

 

1

П

К

 

происходит

 

его

 

разрушение

Экстремальный

 

принцип

по

 

Х

.

З

Бакенову

 

и

 

Д

.

А

Киялбаеву

позволяет

 

вывести

 

кинетическое

 

уравнение

 

для

 

введенных

 

параметров

 

состояния

в

 

каче

-

стве

 

полной

 

системы

 

которых

 

принимаются

 

{

}

W

T

T

T

,

,

,

/

ε

σ

Здесь

 

/

,

ε

σ

T

T

 – 

соот

-

ветственно

 

компоненты

 

тензора

 

напряжений

 

и

 

необратимых

 

деформаций

Т

 – 

температура

W

 – 

влажность

В

 

качестве

 

термодинамических

 

потоков

 

принимаются

 

векторы

 

скоростей

 

потоков

 

тепла

 – 

q

 

и

 

влаги

 – 

W

скорости

 

необратимой

 

деформации

 – 

/

ε

T

 

и

 

тем

-

пературы

 – 

Т

а

 

соответствующими

 

термодинамическими

 

силами

 

будут

 

Δ

T

Δ

W

/

ε

σ

T

f

T

=

где

 

f

 – 

плотность

 

свободной

 

энергии

Для

 

постоянного

 

уровня

 

напряжений

 

в

 

изотермических

 

условиях

в

 

одно

-

родном

 

поле

 

влажности

 

связь

 

между

 

тензором

 

напряжений

 

и

 

тензором

 

полной

 

деформации

 

имеет

 

вид

 

Рис

. 1.4. 

Зависимость

 

изменения

 

энтропии

 

образца

 

от

 

времени

 


background image

Р

АЗДЕЛ

 

 

 24

( )

( )

( )

( )

[

]

+

=

t

d

T

F

t

k

t

GT

t

T

0

0

,

τ

τ

τ

σ

σ

ε

  (1.15) 

где

 

( )

τ

,

t

k

 – 

мера

 

ползучести

G

 – 

модуль

 

сдвига

Для

 

описания

 

вязкого

 

разрушения

 

твердого

 

тела

  (

породы

грунта

с

 

ис

-

пользованием

 

энтропийного

 

критерия

 

принимается

что

 

разрушение

 

происхо

-

дит

 

через

 

время

 

/

p

t

 

при

 

достижении

 

плотности

 

энтропии

 

критического

 

значения

 

/

S

которая

 

является

 

характеристикой

 

твердого

 

тела

  (

см

рис

. 1.4), 

определяе

-

мой

 

опытным

 

путем

Более

 

подробные

 

сведения

 

о

 

применении

 

термодимического

 

подхода

 

к

 

оценке

 

устойчивости

 

горных

 

пород

 

и

 

грунтов

 

можно

 

найти

 

в

 

книгах

 [61, 62]. 

 

1.4. 

Феноменологические

 

теории

 

разрушения

 

Исследования

 

твердых

 

тел

 

на

 

основе

 

структурных

 

моделей

 

позволили

 

по

-

нять

 

механизм

лежащий

 

в

 

основе

 

их

 

прочности

и

 

высказать

 

основные

 

концеп

-

ции

 

теории

 

разрушения

Однако

 

реальные

 

твердые

 

тела

 

существенно

 

отлича

-

ются

 

от

 

тех

 

идеализированных

 

представлений

которые

 

лежат

 

в

 

основе

 

рас

-

смотренных

 

выше

 

теорий

Инженерная

 

же

 

практика

 

требует

 

наличия

 

конкрет

-

ных

 

формул

позволяющих

 

оценивать

 

прочность

 

проектируемых

 

конструкций

Именно

 

это

 

обстоятельство

 

способствовало

 

разработке

 

практических

 

тео

-

рий

 

прочности

в

 

основе

 

которых

 

лежат

 

бесструктурные

 

модели

 

сплошного

 

де

-

формируемого

 

твердого

 

тела

На

 

настоящий

 

момент

 

из

 

всех

 

представленных

 

на

 

рис

. 1.1 

моделей

 

этот

 

класс

 

изучен

 

наиболее

 

полно

Бесструктурная

или

 

континуальная

модель

 

сплошного

 

твердого

 

дефор

-

мируемого

 

тела

 

с

 

точки

 

зрения

 

связи

 

между

 

внешним

 

воздействием

 

и

 

получен

-

ным

 

результатом

 

представляет

 

собой

 

так

 

называемый

  «

черный

 

ящик

». «

Чер

-

ным

 

ящиком

» 

принято

 

называть

 

любую

 

систему

 

со

 

стохастической

 

структурой

которая

 

преобразует

 

внешний

 

сигнал

  (

воздействие

и

 

выдает

 

результат

  (

итог

 

опыта

в

 

виде

 

некоторой

 

случайной

 

величины

Теории

 

разрушения

основанные

 

на

 

изучении

 

бесструктурных

 

моделей

получили

 

название

 

феноменологиче

-

ских