resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)10.31242/2618-9712-2023-28-1-156-171resar-16Research ArticleМатериаловедениеMaterials scienceМногоуровневый подход к моделированию процессов разрушения материалов с субмикроструктурой, применимых в условиях Арктики и СубарктикиFoundation of multilevel apploach to fracture modeling for materials with submicrostructure applicable for Arctic and Subarctic environmenthttps://orcid.org/0000-0003-2360-7983ЛеповВ. В.LepovV. V.

ЛЕПОВ Валерий Валерьевич, доктор технический наук, директор

г. Якутск

Researcher ID: F-9875-2011

Author ID: 6508081764

LEPOV, Valeriy Valerievich, Dr. Sci. (Engineering), Director

Yakutsk

Researcher ID: F-9875-2011

Author ID: 6508081764

wisecold@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9238-1231БисонгС. М.BisongS. M.

БИСОНГ Самуэль Мбелле, старший преподаватель, кафедра сварки

Камерун

Author ID: 57196030563

BISONG, Mbelle Samuel, Senior Lecturer

Cameroon

Author ID: 57196030563

mbellesabi@yahoo.comhttps://orcid.org/0000-0002-7708-0665ГолыхР. Н.GolykhR. N.

ГОЛЫХ Роман Николаевич, доктор технических наук

г. Барнаул

г. Бийск

Author ID: 631124

GOLYKH, Roman Nikolaevich, Dr. Sci. (Engineering)

Barnaul

Biysk

romangl90@gmail.comИнститут физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАНРоссияLarionov Institute of Physical and Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationУниверситет Дчанга, Университет ДуаляКамерунLMMSP University of Dschang, ENSET DoualaCameroonАлтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова; Бийский технологический институт (филиал)РоссияPolzunov I.I. Altai State Technical University; Biysk Technological Institute (brunch)Russian Federation202305042023281156171Copyright © Лепов В.В., Бисонг С.М., Голых Р.Н., 20232023Лепов В.В., Бисонг С.М., Голых Р.Н.Lepov V.V., Bisong S.M., Golykh R.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://resar.elpub.ru/jour/article/view/16

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.

A short review of research on multiscale modeling of the fracture processes of heterogeneous materials with submicrostructures applicable to Arctic and Subarctic environments is presented. The results of solving a number of model problems, both in terms of macroscopic strength and main crack growth, and describing the accumulation of microscopic defects and hierarchical fracture processes by the mechanisms of formation, growth, and fusion of secondary and microcracks, and microscopic pores are provided. Thus, for the fracture process of samples of porous concrete modified with oil palm fruit fibers to improve its consumer qualities, a simulation of crack growth was conducted, which showed a decrease in the crack resistance of the material with increasing fiber content. A three-point bend test was used to evaluate the bending strength and modulus of elasticity, and the compressive strength and modulus of elasticity were determined. An increase in the fiber content led to a decrease in the compressive strength and modulus of elasticity. The fracture surface analysis revealed the mechanism of crack propagation through the coalescence of micropores. The basis of the modeling was an experimentally substantiated criterion for concentrated fractures during crack formation based on percolation theory. Macroscopic finite-element and stochastic modeling of fractures during the bending of a beam made of wood have also been carried out. For wooden structures, the peculiarity is the anisotropic behavior of the material in the loading direction. The structure of the Bilinga tree timber at the mesoscopic and microscale levels was considered, and a hierarchy of the spatial and temporal scales of the fracture process was constructed. The crack growth rates at different scales were determined and compared with macroscopic FE simulations. Another task was to determine the dependence of the crack growth rate in the soil, such as regolith, under the influence of an ultrasonic impactor. Stochastic modeling of the crack growth in the array of micropores revealed the crack growth rate dependence on the ultrasonic transmitter beater parameters and pulse amplitude.

прочностьмногоуровневое моделированиеизгибразрушениетрещинаКЭ-моделированиестохастическое моделированиемодифицированный бетонпористостьпрочность древесиныразрушение грунтаультразвуковое бурениеstrengthmultilevel modelingbendingfracturecrackfinite element modelingstochastic modelingmodified concreteporositywood strengthground disintegrationultrasonic drillingРабота выполнена при поддержке Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук (проект FWRS-2021-0039) и Российского фонда фундаментальных исследований и Государственного фонда естественных наук Китая (проект 21-52-53036) в части моделирования процесса разрушения грунта, с использованием оборудования ЦКП ФИЦ ЯНЦ СО РАН, проект №13.ЦКП.21.0016.This study was supported by the Program of Fundamental Scientific Research of the State Academies of Sciences (project number FWRS-2021-0039) and the Russian Foundation for Basic Research and the State Fund of Natural Sciences of China (project number 21-52-53036) in terms of modeling the process of soil destruction using the equipment of the Core Shared Research Facility (CSRF) of the FRC YaSc SB RAS (project number 13.CSRF.21.0016).ReferencesHughes T. J. R. Multiscale phenomena: Green’s functions, the Dirichlet-to-Neumann formulation, subgrid scale models, bubbles and the origins of stabilized methods. Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 1995;127:387–401. https://doi.org/10.1016/0045-7825(95)00844-9Hughes T. J. R. Multiscale phenomena: Green’s functions, the Dirichlet-to-Neumann formulation, subgrid scale models, bubbles and the origins of stabilized methods. Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 1995;127:387–401. https://doi.org/10.1016/0045-7825(95)00844-9Лепов В.В., Архангельская Е.А., Иванова А.А., Лепова К.Я. Многоуровневое иерархическое эволюционное моделирование процессов разрушения материалов. Вычислительные технологии. 2008;3(13): 315–322.Lepov V.V., Arkhangelskaya E.A., Ivanova A.A., Lepova K.Ya. Multilevel hierarchical evolutionary modeling of the fracture processes of materials. Journal of Computational Technologies. 2008; 3(13):315–322. (In Russ.)Lepov V. Multiscale modelling of damage and fracture processes in nanomaterials. Journal of Physics: Conference Series. 2011;1(291):012031.Lepov V. Multiscale modelling of damage and fracture processes in nanomaterials. Journal of Physics: Conference Series. 2011;1(291):012031.Панин В.Е., Егорушкин В.Е. Деформируемое твердое тело как нелинейная иерархически организованная система. Физическая мезомеханика. 2011; 3(14):7–26.Panin V.E., Egorushkin V.E. Deformable solid as a nonlinear hierarchically organized system. Physical Mesomechanics. 2011;3(14):7–26. (In Russ.)Weinan E., Engquist B., Huang Z.Y. Heterogeneous multiscale method: a general methodology for multiscale modeling. Phys. Rev. B. 2003;67:092101.Weinan E., Engquist B., Huang Z.Y. Heterogeneous multiscale method: a general methodology for multiscale modeling. Phys. Rev. B. 2003;67:092101.Wang, D. L. et al. The fracture mechanism of softwood via hierarchical modelling analysis. J Wood Sci. 2019;65:58. https://doi.org/10.1186/s10086-019-1837-xWang, D. L. et al. The fracture mechanism of softwood via hierarchical modelling analysis. J Wood Sci. 2019;65:58. https://doi.org/10.1186/s10086-019-1837-xFish J., Wagner G.J., Keten S. Mesoscopic and multiscale modelling in materials. Nat. Mater. 2021; 20:774–786. https://doi.org/10.1038/s41563-020-00913-0Fish J., Wagner G.J., Keten S. Mesoscopic and multiscale modelling in materials. Nat. Mater. 2021; 20:774–786. https://doi.org/10.1038/s41563-020-00913-0Морозов Е.М. ANSYS в руках инженера. Механика разрушения. М.: Ленанд;2014.Morozov E.M. ANSYS in the hands of an engineer. Fracture mechanics. Мoscow:Lenand;2014. (In Russ.)Lee R. ABAQUS for Engineers: A Practical Tutorial Book. Independently Published; 2018.Lee R. ABAQUS for Engineers: A Practical Tutorial Book. Independently Published; 2018.Logg A., Mardal K.A. Automated Solution of Differential Equations by the Finite Element Method. The FEniCS Book. Springer; 2012. https://doi.org/10.1007/978-3-642-23099-8Logg A., Mardal K.A. Automated Solution of Differential Equations by the Finite Element Method. The FEniCS Book. Springer; 2012. https://doi.org/10.1007/978-3-642-23099-8Курушин А.А. Решение мультифизических СВЧ задач с помощью САПР COMSOL. Moscow: One-Book; 2016.Kurushin A.A. Solving of multiphysical UHF problems with COMSOL CAD software. Moscow: One-Book; 2016. (In Russ.)Коваленко А.В., Узденова А.М., Уртенов М.Х., Никоненко В.В. Математическое моделирование физико-химических процессов в среде COMSOL Multiphysics 5.2. СПб.: Лань; 2017.Kovalenko A.V., Uzdenova A.M., Urtenov M.Kh., Nikonenko V.V. Mathematical modeling of physicalchemical processes in COMSOL Multiphysics 5.2. Saint Petersburg : Lan, 2017. (In Russ.)Пермяков П.П., Аммосов А.П. Математическое моделирование техногенного загрязнения в криолитозоне. Новосибирск: Наука; 2003. 224 с.Permyakov P.P., Ammosov A.P. Mathematical modeling of man-made pollution in cryolitozone. Novosibirsk: Nauka; 2003. (In Russ.)Broberg B.K. Crack and Fracture. London: Academic Press;1999.Broberg B.K. Crack and Fracture. London: Academic Press;1999.Лепов В.В., Ачикасова В.С., Иванова А.А., Лепова К.Я. Структурный подход к многомасштабному моделированию эволюционных процессов в материалах с внутренней микроструктурой. Наука и образование. 2015;4(80):82–87.Lepov V.V., Achikasova V.S., Ivanova A.A., Lepova K.Ya. Structural approach to multiscale modeling of evolution processes in materials with internal microstructural. Nauka i Obrazovanie. 2015;4(80):82–87. (In Russ.)Lou, C., Xu, J., Wang, T. et al. Microstructure and pore structure of polymer-cement composite joint sealants. Sci Rep. 2021;11:1427. https://doi.org/10.1038/s41598-021-81088-9Lou, C., Xu, J., Wang, T. et al. Microstructure and pore structure of polymer-cement composite joint sealants. Sci Rep. 2021;11:1427. https://doi.org/10.1038/s41598-021-81088-9Bisong M.S., Lepov V.V., Landrine T. Physicomechanical characteristics and multiscale stochastic modeling of cement mortar reinforced with oil palm mesocarp fibers. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2022;5(88):62–70.Bisong M.S., Lepov V.V., Landrine T. Physicomechanical characteristics and multiscale stochastic modeling of cement mortar reinforced with oil palm mesocarp fibers. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2022;5(88):62–70.Лепов В.В. Надежность и ресурс технических систем в экстремальных условиях эксплуатации. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020; 6(86):36–39.Lepov V.V. Reliability and Resource of Engineering Systems in Extreme Environment. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2020;6(86):36–39. (In Russ.)Бузник В.М., Каблов Е.Н. Состояние и перспективы арктического материаловедения. Вестник Российской академии наук. 2017;9(87):827–839.Buznik V.M., Kablov E.N. Status and Prospects of the Arctic Material Science. Vestnik Rossiiskoi akademii nauk. 2017;9(87):827–839. (In Russ.)Леонтьев Л.И., Григорович К.В., Костина В.М. Фундаментальные исследования как основа создания новых материалов и технологий в области металлургии. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2016;59(1):11–22.Leontiev L.I., Grigorovich K.V., Kostina V.M. Fundamental research as base of design of the new materials and technologies in the field of metallurgy. Izvestia Vuzshih Uchebnykh Zavedenii. Chernaya Metallurgia, 2016; 59(1):11–22. (In Russ.)Lepov V., Petrov N., Pavlov N. System analysis of the modern materials and technologies in power engineering and industry for the russian north and arctic. AIP Conf. Proc. 2023;2552:080026. https://doi.org/10.1063/5.0112831Lepov V., Petrov N., Pavlov N. System analysis of the modern materials and technologies in power engineering and industry for the russian north and arctic. AIP Conf. Proc. 2023;2552:080026. https://doi.org/10.1063/5.0112831Yue Liu, Tianlu Zhao, Wangwei Ju, Siqi Shi. Materials discovery and design using machine learning. Journal of Materiomics. 2017; 3(3):159–177.Yue Liu, Tianlu Zhao, Wangwei Ju, Siqi Shi. Materials discovery and design using machine learning. Journal of Materiomics. 2017; 3(3):159–177.Ziheng Lu. Computational discovery of energy materials in the era of big data and machine learning: A critical review. Materials Reports: Energy. 2021; 1:100047.Ziheng Lu. Computational discovery of energy materials in the era of big data and machine learning: A critical review. Materials Reports: Energy. 2021; 1:100047.Макаров П.В. и др. Изучение деформации и разрушения геоматериалов и геосред как иерархически организованных систем. Физическая мезомеханика. 2005;8:17–20.Makarov P.V. et al. Research of the deformation and fracture of the geomaterials and geomedias as an hierarchically organized systems. Physical mesomechanics. 2005;8:17–20. (In Russ.)Perdikis D., Huys R., Jirsa V.K. Time scale hierarchies in the functional organization of complex behaviors. PLoS Comput Biol. 2011;7(9):e1002198.Perdikis D., Huys R., Jirsa V.K. Time scale hierarchies in the functional organization of complex behaviors. PLoS Comput Biol. 2011;7(9):e1002198.Логинов Б.А. Первый в мире сканирующий зондовый микроскоп в виде спутника как старт этапа научных спутников-лабораторий. Наноиндустрия. 2021; 5(14):270–275.Loginov B.A. World’s first the satellite scanning probe microscope as a start stage of the scientific laboratorysatellite. Nanoindustry. 2021;5(14):270–275. (in Russ.)Низина Т.А., Балыков А.С. Анализ комплексного влияния модифицирующих добавок и дисперсного армирования на физико-механические характеристики мелкозернистых бетонов. Региональная архитектура и строительство. 2016;2:13–25. https://doi.org/10.5862/MCE.62.2Nizina T.A., Balukov A.S. Experimental-statistical models of properties of modified fiber-reinforced finegrained concretes. Magazine of Civil Engineering. 2016; 2:13–25. https://doi.org/10.5862/MCE.62.2 (In Russ.)Иванов В.В., Егорво П.В., Пимонов А.Г. Статистическая теория эмиссионных процессов в нагруженных структурно-неоднородных горных породах и задача прогнозирования динамических явлений. ФТПРПИ. 1990;187/34:32–35.Ivanov V.V., Egorov P.V., Pimonov A.G. Statistical theory of emission processes in stressed structurally heterogeneous rocks and problem of prediction of dynamic phenomena. FTPRPY. 1990;187/34:32–35. (in Russ.)Bisong M.S., Lepov V.V., Landrine T. Physicomechanical characteristics and multiscale stochastic modeling of cement mortar reinforced with oil palm mesocarp fibers. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2022;5(88):62–70.Bisong M.S., Lepov V.V., Landrine T. Physicomechanical characteristics and multiscale stochastic modeling of cement mortar reinforced with oil palm mesocarp fibers. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2022;5(88):62–70.Suknev S.V. TCD-based criteria for quasi-brittle fracture of material sand structures. Procedia Structural Integrity. 2019;20:30–36.Suknev S.V. TCD-based criteria for quasi-brittle fracture of material sand structures. Procedia Structural Integrity. 2019;20:30–36.Барсуков Р.В., Генне Д.В., Нестеров В.А., Хмелёв В.Н., Голых Р.Н., Барсуков А.Р. Патент на изобретение 2785271 C1, 05.12.2022. Заявка № 2022123193 от 29.08.2022.Barsukov R.V., Genne D.V., Nesterov V.A., Khmelev V.N., Golykh R.N., Barsukov A.R. Patent for Invention 2785271 C1, 05.12.2022. Application No. 2022123193 dt. 29.08.2022. (In Russ.)Хмелёв В.Н., Голых Р.Н., Quan Q., Барсуков Р.В., Минаков В.Д., Генне Д.В., Абраменко Д.С., Нестеров В.А., Хмелёв М.В. Теоретическая разработка метода контроля свойств твердых внеземных почв при помощи ультразвукового воздействия. Южно-Сибирский научный вестник. 2022;1(41):23–29.Khmelev V.N., Golykh R.N., Quan Q. et al. Theoretical development of Control Method for Hard Extraterrestrial Soil Properties by the ultrasound impact. Uzhno- Sibirskyi Nauchnyi Vestnik. 2022;1(41):23–29. (In Russ.)Черепанов Г.П. Механика разрушения. М.: УРСС; 2012.Cherepanov G.P. Fracture Mechanics. Moscow: URSS; 2012. (In Rus.)Черникова Т.М., Иванов В.В., Михайлова Е.А. О кинетике разрушения материалов при их растяжении. Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2005;2(46):75–77.Chernikova T.M., Ivanov V.V., Mikhailova E.A. On the fracture kinetics of materials under tension. Bulletin of Kuzbass State Technical University. 2005;2(46):75–77. (In Russ.)Suknev S.V., Novopashin M.D. Criterion of normal tension crack formation in rocks under compression. Journal of Mining Science. 2003;39:132–139.Suknev S.V., Novopashin M.D. Criterion of normal tension crack formation in rocks under compression. Journal of Mining Science. 2003;39:132–139.Ботвина Л.Р., Солдатенков А.П. О концентрационном критерии разрушения. Металлофизика и новейшие технологии. 2017;4(39):477–490.Botvina L.R. and Soldatenkov A.P. On the Concentration Criterion of Fracture. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2017;4(39):477–490. (In Russ.) https://doi.org/10.15407/mfint.39.04.0477Glukhikh V.N, Okhlopkova A.Y., Sivtsev P.V. Numerical simulation of deformations of softwoodsawn timber. Lecture Notes in Computer Science. 2018; 10665LNCS:483-490.Glukhikh V.N, Okhlopkova A.Y., Sivtsev P.V. Numerical simulation of deformations of softwoodsawn timber. Lecture Notes in Computer Science. 2018; 10665LNCS:483-490.Shao Z., Wang F. Fracture of Wood Along Grain. In: The Fracture Mechanics of Plant Materials. Springer: 2018;27–62. https://doi.org/10.1007/978-981-10-9017-2_3Shao Z., Wang F. Fracture of Wood Along Grain. In: The Fracture Mechanics of Plant Materials. Springer: 2018;27–62. https://doi.org/10.1007/978-981-10-9017-2_3Wang D.L., et al, The fracture mechanism of softwood via hierarchical modelling analysis. J. Wood Sci. 2019;65:58. https://doi.org/10.1186/s10086-019-1837-xWang D.L., et al, The fracture mechanism of softwood via hierarchical modelling analysis. J. Wood Sci. 2019;65:58. https://doi.org/10.1186/s10086-019-1837-xLepov V.V., Panteleev K.D., Rahmilevich E.G., Yrcev E.S. A system approach to research development and creation of the complex engineering systems for Arctic and Subarctic. Procedia Structural Integrity. 2020; 30(22):82–86. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.12.014Lepov V.V., Panteleev K.D., Rahmilevich E.G., Yrcev E.S. A system approach to research development and creation of the complex engineering systems for Arctic and Subarctic. Procedia Structural Integrity. 2020; 30(22):82–86. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.12.014

The authors declare that there are no conflicts of interest present.