Моделирование разрушения композиционного материала на основе ледовой матрицы

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.

1. Гончарова 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/10.26518/2071-7296-2023-20-6-786-797

2. 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/S0036029523040286

3. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука; 1974. 640 с.

4. 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.

5. 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.

6. Гольдштейн Р.В., Осипенко Н.М. О модели разрушения льда при большой площади контакта. Известия РАН. Механика твердого тела. 2011;1:137–153.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Weinan E., Engquist B., Huang Z.Y. Heterogeneous multiscale method: a general methodology for multiscale modeling. Physical Review B. 2003;67(9):092–101.

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

12. Федотов С.Н. Модели разрушения гетерогенных материалов. Физическая мезомеханика. 2015;18(6):24–31.

13. 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/s41563-020-00913-0

14. 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.

15. 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/10.31242/2618-9712-2023-28-1-156-171

16. Roldán 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/10.1080/00018732.2024.2317494

17. Сыромятникова 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.

18. Берденников В.П. Изучение модуля упругости льда. М.: Машиностроение; 1948. 123 с.

19. Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. М.: МГУ;1984. 335 с.

20. Grimvall G. Thermophysical properties of materials. Amsterdam: Elsevier Science B.V.; 1999.

21. 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.2021.03.50577.18551

22. 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.2022.103490

23. Gold LW. Engineering Properties of Fresh-Water Ice. Journal of Glaciology. 1977;19(81):197–212. https://doi.org/10.3189/S0022143000215608

24. Лепов 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.

25. 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.