resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)10.31242/2618-9712-2024-29-2-313-325resar-415Research ArticleМатериаловедение и химические технологииMaterials science and chemical technologiesМоделирование разрушения композиционного материала на основе ледовой матрицыModeling of ice-matrix composite fracturehttps://orcid.org/0000-0003-2360-7983ЛеповВ. В.LepovV. V.

Лепов Валерий Валерьевич, доктор технических наук, главный научный сотрудник

ResearcherID: F-9875-2011, Scopus Author ID: 6508081764 

г. Якутск 

Lepov Valeriy Valerievich, Dr. Sc. (Eng.), Chief Researcher 

ResearcherID: F-9875-2011, Scopus Author ID: 6508081764 

Yakutsk 

wisecold@mail.ruДьячковскийИ. И.DyachkovskyI. I.

Дьячковский Иван Иванович, инженер, аспирант 

г. Якутск 

Dyachkovsky Ivan Ivanovich, Engineer, Post-Graduate Student 

Yakutsk 

e5dii@mail.ruИнститут 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 Federation202429062024292313325Copyright © Лепов В.В., Дьячковский И.И., 20242024Лепов В.В., Дьячковский И.И.Lepov V.V., Dyachkovsky I.I.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/415

Приводятся результаты работ, выполненных в рамках системно-структурного подхода с целью моделирования элементов конструкций из конструкционных материалов на основе ледовой матрицы, модифицированной высокопрочным базальтовым волокном. Теоретическое и численное моделирование процесса разрушения композиционного материала на основе ледовой матрицы, полученного намораживанием пресной воды с добавлением базальтовой фибры, производилось на основе экспериментальных данных, полученных при разрушении образцов чистого льда и композита на основе ледовой матрицы с различным содержанием наполнителя. Выполнен расчет эффективного модуля упругости получаемых композитов в зависимости от количества армирующего базальтового волокна. На основе серии тестовых расчетов образца композиционного материала на конечноэлементном комплексе ANSYS выявлено несоответствие расчетной прочности данным эксперимента, в связи с чем сделан перерасчет эффективного модуля упругости композита и введены поправки в модели Фойгта и Рейсса, учитывающие неравномерность распределения волокон и неидеальную адгезию с ледовой матрицей. Также по данным о диаметре и длине базальтовых волокон и их случайном распределении в упрочненном слое намороженного материала выполнен расчет по стохастической модели роста трещин на микроуровне. Получено удовлетворительное согласие скорости роста трещины с полученным КЭ-расчетом при использовании полученных эффективных модулей упругости и алгоритма SmartCrackGrowth. Уточненный метод определения эффективных модулей упругости и многоуровневая структурная модель расчета композиционного материала на основе ледовой матрицы рекомендуются для оценки прочности ледового покрова и сооружения зимних дорог с высокой несущей способностью и увеличенным периодом использования в условиях Арктики и Субарктики.

This article discusses the results of a study that used the structural approach to conduct multiscale modeling of composite materials. These materials are composed of an ice matrix that has been enhanced with high-strength basalt fibers. The research involved numerical modeling to analyze the fracture process of composite materials made by freezing fresh water with added basalt fibers. The analysis included experimental data from samples of pure ice and composites with different amounts of filler. The effective modulus of elasticity of the composites was determined by considering the quantity of basalt fiber reinforcement. The discrepancy between the strength obtained by finite element complex ANSYS numerical calculation and the experimental data was revealed by a series of macroscopic test calculations of the composite material sample, according to which the effective modulus of elasticity of the composite was recalculated and corrections were introduced into the Voight and Reuss models, taking into account the non-uniform distribution of the fibers and the non-ideal adhesion between the fibers and water ice. A stochastic model of crack growth at the micro level was also used with the data on the diameter and length of basalt fibers and their random distribution in the layers of the composite material. Using the newly acquired effective elastic moduli and the SmartCrackGrowth algorithm, a satisfactory agreement of the crack growth rate with the obtained by stochastic calculation was achieved. The refined method of effective elastic moduli and multilevel model of stress-strain state calculation of composite materials are recommended for assessing the strength of ice cover and designing winter roads with high load-bearing capacity and long operational duration in the Arctic and Subarctic environments.

композиционный материал на основе ледовой матрицыбазальтовая фибрамодуль упругостипрочность на изгибразрушениетрещинамногомасштабное КЭ-стохастическое моделированиеice-matrix compositebasalt fiberelasticitybending strengthfracturecrackmultiscale FE-stochastic modelingРабота выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук (проект № FWRS-2024-0035) в части теоретических расчетов и при поддержке Российского научного фонда (проект № 24-21-20122) в части численного моделирования с использованием оборудования ЦКП ФИЦ «ЯНЦ СО РАН».This study was supported by the Program of Basic Fundamental Scientific Research of the State Academies of Sciences (No. FWRS-2024-0035) for theoretical calculations, and the Russian Science Foundation (No. 24-21-20122) for numerical modeling with the use of the equipment provided by Core Shared Research Facilities of the Federal Research Centre “The Yakut Scientific Centre SB RAS”.ReferencesГончарова Г.Ю., Сиротюк В.В., Якименко О.В. и др. Повышение несущей способности и безопасности ледовых автозимников с помощью армирования и модификации льда. Вестник СибАДИ. 2023;20(6): 786–797. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-6-786-797Goncharova G.Y., Sirotiuk V.V., Yakimenko O.V., et al. Loadbearing capacity and safety for winter roads improvement reinforcement and ice modification. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2023; 20(6):786–797. (In Russ.) https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-6-786-797.Syromyatnikova A.S., Andreev Y.M., Sibiryakov M.M., et al. Fracture laws for composite materials based on fresh ice during testing of bulky samples. Russian Metallurgy (Metally). 2023;4:553–557. https://doi.org/10.1134/S0036029523040286Syromyatnikova A.S., Andreev Y.M., Sibiryakov M.M., et al. Fracture laws for composite materials based on fresh ice during testing of bulky samples. Russian Metallurgy (Metally). 2023;4:553–557. https://doi.org/10.1134/S0036029523040286Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука; 1974. 640 с.Cherepanov G.P. Mechanics of brittle fracture. Moscow: Nauka, 1974. 640 p. (In Russ.)Kujala P., Goldstein R.V., Osipenko N.M. Ship in compressive ice – analysis of the ice failure process. Report M-165 by the Naval Architecture and Marine Engineering. Espoo: Helsinki University of Technology; 1990.Kujala P., Goldstein R.V., Osipenko N.M. Ship in compressive ice – analysis of the ice failure process. Report M-165 by the Naval Architecture and Marine Engineering. Espoo: Helsinki University of Technology; 1990.Goldstein R.V., Osipenko N.M., Tuhkuri J. Modeling of edge cracking and flaking of brittle plates and wedges. Report M-216. Otaniemi; 1997. 27 p.Goldstein R.V., Osipenko N.M., Tuhkuri J. Modeling of edge cracking and flaking of brittle plates and wedges. Report M-216. Otaniemi; 1997. 27 p.Гольдштейн Р.В., Осипенко Н.М. О модели разрушения льда при большой площади контакта. Известия РАН. Механика твердого тела. 2011;1:137–153.Goldstein R.V., Osipenko N.M. On an ice failure model with a large contact region. Mechanics of Solids. 2011;46(1):109–122.Черепанин Р.Н., Нужный Г.А., Разомасов Н.А. и др. Физико-механические свойства ледяных композиционных материалов, армированных волокнами РУСАР-С. Материаловедение. 2017;(7):38–44.Cherepanin R.N., Nuzhny G.A., Razomasov N.A., et al. Physical-mechanical properties of ice composites reinforced with RUSAR-S fibers. Materialovedenie. 2017;(7): 38–44. (In Russ.)Нужный Г.А., Бузник В.М., Черепанин Р.Н. и др. Физико-механические свойства ледяных композиционных материалов, армированных углеродными наполнителями. Материаловедение. 2020;(8):35–40.Nuzhnyy G.A., Buznik V.M., Cherepanin R.N., et al. Physical-mechanical properties of ice composite materials reinforced with carbon fillers Materialovedenie. 2020;(8): 35–40. (In Russ.)Лепов В.В., Лепова К.Я., Алымов В.Т., Ларионов В.П. Стохастическое моделирование разрушения гетерогенной повреждаемой среды. Физическая мезомеханика. 2002;5(2):23–41.Lepov V.V., Lepova K.Ya., Alymov V.T., Larionov V.P. Stochastic modeling of fracture of heterogeneous damaged media. Physical Mesomechanics. 2002;5(2): 23–41. (In Russ.).Weinan E., Engquist B., Huang Z.Y. Heterogeneous multiscale method: a general methodology for multiscale modeling. Physical Review B. 2003;67(9):092–101.Weinan E., Engquist B., Huang Z.Y. Heterogeneous multiscale method: a general methodology for multiscale modeling. Physical Review B. 2003;67(9):092–101.Панин В.Е., Егорушкин В.Е. Деформируемое твердое тело как нелинейная иерархически организованная система. Физическая мезомеханика. 2011;14(3): 7–26.Panin V.E., Egorushkin V.E. Deformable solid body as a nonlinear hierarchically organized system. Physical Mesomechanics. 2011;14(3):7–26. (In Russ.)Федотов С.Н. Модели разрушения гетерогенных материалов. Физическая мезомеханика. 2015;18(6):24–31.Fedotov S.N. Fracture models of heterogeneous materials. Physical Mesomechanics. 2015;18(6):24–31. (In Russ.).Fish J., Wagner G.J., Keten S. Mesoscopic and multiscale modelling in materials. Nature Materials. 2021;20(6): 774–786. https://doi.org/10.1038/s41563-020-00913-0Fish J., Wagner G.J., Keten S. Mesoscopic and multiscale modelling in materials. Nature Materials. 2021;20(6): 774–786. https://doi.org/10.1038/s41563-020-00913-0Лепов 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.Y. Structural approach to multiscale modeling of evolutionary processes in materials with internal microstructure. Nauka i obrazovanie. 2015;4(80):82–87. (In Russ.)Лепов В.В., Бисонг С.М., Голых Р.Н. Многоуровневый подход к моделированию процессов разрушения материалов с субмикроструктурой, применимых в условиях Арктики и Субарктики. Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2023; 28(1):156–171. https://doi.org/10.31242/2618-9712-2023-28-1-156-171Lepov V.V., Bisong S.M., Golykh R.N. Foundation of multilevel apploach to fracture modeling for materials with submicrostructure applicable for Arctic and Subarctic environment. Arctic and Subarctic Natural Resources. 2023;28(1):156–171. (In Russ.) https://doi.org/10.31242/2618-9712-2023-28-1-156-171Roldán É., Neri I., Chetrite R., et al. Martingales for physicists: a treatise on stochastic thermodynamics and beyond. Advances in Physics. 2024:1–258. https://doi.org/10.1080/00018732.2024.2317494Roldán É., Neri I., Chetrite R., et al. Martingales for physicists: a treatise on stochastic thermodynamics and beyond. Advances in Physics. 2024:1–258. https://doi.org/10.1080/00018732.2024.2317494Сыромятникова А.С., Андреев Я.М., Сибиряков М.М. и др. Исследование закономерностей разрушения композиционных материалов на основе пресного льда при испытании массивных образцов. Деформация и разрушение материалов. 2022;(10):34–39.Syromyatnikova A.S., Andreev Y.M., Sibiryakov M.M., et al. Investigation of fracture patterns of fresh ice based composite materials during testing of massive specimens. Deformation and Fracture of Materials.2022;(10):34–39. (In Russ.)Берденников В.П. Изучение модуля упругости льда. М.: Машиностроение; 1948. 123 с.Berdennikov V.P. Study of the modulus of elasticity of ice. Moscow: Mashinostroenie Publ.; 1948. 123 p. (In Russ.)Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. М.: МГУ;1984. 335 с.Pobedrya B.E. Mechanics of Composite Materials. Moscow: Moscow State University; 1984. 335 p. (In Russ.)Grimvall G. Thermophysical properties of materials. Amsterdam: Elsevier Science B.V.; 1999.Grimvall G. Thermophysical properties of materials. Amsterdam: Elsevier Science B.V.; 1999.Кияшко М.В., Гринчук П.С., Кузнецова Т.А. и др. Определение модуля упругости композиционной керамики на основе SiC. Письма в Журнал технической физики. 2021;47(3):47–50. https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.03.50577.18551Kiyashko M.V., Grinchuk P.S., Kuznetsova T.A., et al. Determination of elastic modulus of sic-based composite ceramics. Technical Physics Letters. 2021;47(2): 150–153.Buznik V.M., Goncharova G.Yu., Grinevich D.V., et al. Strengthening of ice with basalt materials. Cold Regions Science and Technology. 2022;196:103490. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103490Buznik V.M., Goncharova G.Yu., Grinevich D.V., et al. Strengthening of ice with basalt materials. Cold Regions Science and Technology. 2022;196:103490. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103490Gold LW. Engineering Properties of Fresh-Water Ice. Journal of Glaciology. 1977;19(81):197–212. https://doi.org/10.3189/S0022143000215608Gold LW. Engineering Properties of Fresh-Water Ice. Journal of Glaciology. 1977;19(81):197–212. https://doi.org/10.3189/S0022143000215608Лепов В.В. Алгоритм стохастического моделирования роста трещины в массиве пор и/или трещин вязко-хрупкого материала, в том числе при воздействии коррозионной среды. Ноу-хау. ИФТПС СО РАН, ФИЦ ЯНЦ СО РАН; 2021.Lepov V.V. Stochastic model algorithm – formation of crack growth in an array of pores and/or cracks ductile-brittle material, including when exposed to corrosive environment. Know-how. IPTPN SB RAS, FRC YaSC SB RAS; 2021.Bisong S., Lepov V.V., Etinge A.R. Study of the mechanical behavior and multiscale simulation of the crack propagation in a bilinga wooden beam. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024;90(3):52–61. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2024-90-3-52-61.Bisong S., Lepov V.V., Etinge A.R. Study of the mechanical behavior and multiscale simulation of the crack propagation in a bilinga wooden beam. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024;90(3):52–61. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2024-90-3-52-61.

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