Многоуровневый подход к моделированию процессов разрушения материалов с субмикроструктурой, применимых в условиях Арктики и Субарктики

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.

1. Hughes 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)00844-9

2. Лепов 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.

3. Lepov V. Multiscale modelling of damage and fracture processes in nanomaterials. Journal of Physics: Conference Series. 2011;1(291):012031.

4. Панин В.Е., Егорушкин В.Е. Деформируемое твердое тело как нелинейная иерархически организованная система. Физическая мезомеханика. 2011; 3(14):7–26.

5. Weinan E., Engquist B., Huang Z.Y. Heterogeneous multiscale method: a general methodology for multiscale modeling. Phys. Rev. B. 2003;67:092101.

6. 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-x

7. Fish J., Wagner G.J., Keten S. Mesoscopic and multiscale modelling in materials. Nat. Mater. 2021; 20:774–786. https://doi.org/10.1038/s41563-020-00913-0

8. Морозов Е.М. ANSYS в руках инженера. Механика разрушения. М.: Ленанд;2014.

9. Lee R. ABAQUS for Engineers: A Practical Tutorial Book. Independently Published; 2018.

10. Logg A., Mardal K.A. Automated Solution of Differential Equations by the Finite Element Method. The FEniCS Book. Springer; 2012. https://doi.org/10.1007/978-3-642-23099-8

11. Курушин А.А. Решение мультифизических СВЧ задач с помощью САПР COMSOL. Moscow: One-Book; 2016.

12. 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.

13. Пермяков П.П., Аммосов А.П. Математическое моделирование техногенного загрязнения в криолитозоне. Новосибирск: Наука; 2003. 224 с.

14. Broberg B.K. Crack and Fracture. London: Academic Press;1999.

15. 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.

16. 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/s41598-021-81088-9

17. 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.

18. Лепов В.В. Надежность и ресурс технических систем в экстремальных условиях эксплуатации. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020; 6(86):36–39.

19. Бузник В.М., Каблов Е.Н. Состояние и перспективы арктического материаловедения. Вестник Российской академии наук. 2017;9(87):827–839.

20. 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.

21. 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/10.1063/5.0112831

22. Yue Liu, Tianlu Zhao, Wangwei Ju, Siqi Shi. Materials discovery and design using machine learning. Journal of Materiomics. 2017; 3(3):159–177.

23. 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.

24. Макаров П.В. и др. Изучение деформации и разрушения геоматериалов и геосред как иерархически организованных систем. Физическая мезомеханика. 2005;8:17–20.

25. Perdikis D., Huys R., Jirsa V.K. Time scale hierarchies in the functional organization of complex behaviors. PLoS Comput Biol. 2011;7(9):e1002198.

26. Логинов Б.А. Первый в мире сканирующий зондовый микроскоп в виде спутника как старт этапа научных спутников-лабораторий. Наноиндустрия. 2021; 5(14):270–275.

27. 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.62.2

28. 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.

29. 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.

30. Suknev S.V. TCD-based criteria for quasi-brittle fracture of material sand structures. Procedia Structural Integrity. 2019;20:30–36.

31. 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.

32. 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.

33. Черепанов Г.П. Механика разрушения. М.: УРСС; 2012.

34. 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.

35. Suknev S.V., Novopashin M.D. Criterion of normal tension crack formation in rocks under compression. Journal of Mining Science. 2003;39:132–139.

36. Ботвина Л.Р., Солдатенков А.П. О концентрационном критерии разрушения. Металлофизика и новейшие технологии. 2017;4(39):477–490.

37. 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.

38. 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_3

39. 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-x

40. Lepov 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