СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕМ В МАТЕРИАЛЕ И СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G01N3/08 

Область техники

Изобретение относится к области управляемого трещинообразования в материалах, в частности, с целью определения свойств заданного объема материала при образовании трещин. Изобретение относится также к области устройств для управляемого трещинообразования в материалах, в частности, устройств, выполненных с возможностью осуществления управляемого трещинообразования на образцах материалов.

Уровень техники

Образование и распространение трещин в промышленных конструкциях представляют собой основной фактор, влияющий на безопасность. Кроме визуальных и эстетических аспектов, образование и распространение трещин могут привести к нежелательным утечкам в требующих особого внимания конструкциях, например, таких как корпус ядерного реактора, плотина гидроэлектростанции, криогенный резервуар или система канализации.

Следовательно, понимание свойств трещинообразования в материалах, применяемых в таких конструкциях, а также количественное определение явления трещинообразования представляют особый интерес.

Поведение конструкции из материала при трещинообразовании, как правило, связано с ее состоянием деформации и с механическими напряжениями вблизи начала трещины. Это локальное состояние напряжений и деформаций можно изменить путем применения перемещений на краях конструкции и приложения механических усилий, например, таких как внешнее давление, вес конструкции или центробежная сила, действующая на конструкцию. Чтобы обобщить эти понятия в технической терминологии, применяемой в литературе, ссылаются на механические «нагрузки», которым подвергаются конструкции. Используемый в дальнейшем термин «нагрузка» охватывает все эти понятия.

Обычно трещинообразование в материале определяют, отталкиваясь от испытаний, во время которых в лабораторных условиях к образцу объема материала прикладывают такие же механические нагрузки, которым подвергается объем материала в условиях использования. Часто применяют предварительно зафиксированные механические нагрузки и наблюдают изменение трещины, распространяющейся в объеме материала. Можно применять цифровую модель, основанную на вычислении посредством метода конечных элементов, чтобы моделировать трещину, ожидаемую в объеме после приложения к материалу предварительно зафиксированных механических нагрузок. Сравнение испытаний, произведенных на образце, с моделированием позволяет уточнить цифровую модель и получить качественную и/или количественную информацию о природе поведения материала при трещинообразовании.

Как правило, модели распространения трещины в материале основаны на двух разных подходах для моделирования ответа объема материала на механическую нагрузку.

Первый подход, называемый «линейно-упругой механикой разрушения» (ЛУМР), предлагает теоретические положения, адаптированные к материалам, характеризующимся глубинным линейным поведением. В данном случае трещину можно представить как особую геометрическую форму строго определенного размера. Метод ЛУМР основан на общем вычислении физических параметров объема материала, которые позволяют характеризовать поле напряжений и деформаций вблизи вершины трещины. Обычно эти параметры называют «коэффициентами интенсивности напряжений» (КИН), и они известны в области проектирования, специализирующейся на промышленных расчетах. Эти параметры, обычно обозначаемые в зависимости от природы соответствующего воздействия K_I, K_II, K_III, можно связать с членами σ_ij поля напряжений при помощи следующего отношения:

где r и θ являются полярными координатами в окрестности вершины трещины, и f обозначает функцию угла θ. Индексы I, II и III, сопровождающие коэффициенты КИН (K_m), обозначают соответственно три варианта трещинообразования, наблюдаемые в материалах. Вариант I соответствует нагрузке растяжения, перпендикулярной к плоскости, содержащей трещину, вариант II соответствует нагрузке сдвига, действующей параллельно плоскости, содержащей трещину, и перпендикулярно к фронту трещины, и вариант III соответствует нагрузке сдвига, действующей параллельно одновременно относительно плоскости, содержащей трещину, и фронту трещины.

Как правило, значения КИН изменяются линейно в зависимости от прикладываемой к материалу механической нагрузки. Эти значения можно определить, анализируя состояние напряжения локально в окрестности вершины трещины. Однако это линейное поведение наблюдается только для нагрузок ниже критической нагрузки разрыва, соответствующей пороговым значениям КИН, называемым прочностью на разрыв.

В данном случае окрестностью вершины обычно называют зону вокруг вершины трещины, как правило, тороидальную или сферическую зону, для которой производят вычисление методом конечных элементов, чтобы определить ответ материала под нагрузкой. По аналогии, эмпирическая картина поведения материала при трещинообразовании обычно предполагает введение понятия зоны вокруг вершины трещины, называемой зоной начального трещинообразования или “process zone” (зона предразрушения) в англо-саксонской терминологии. Эта зона содержит точки материала, наиболее подверженные трещинообразованию под действием прикладываемой механической нагрузки.

Согласно методу ЛУМР, трещина зарождается при достижении порогового значения коэффициентов КИН. Это пороговое значение является неотъемлемым признаком материала. Как правило, применение метода ЛУМР предусматривает построение сетки в объеме материала, чтобы получить линейное алгебраическое уравнение для решения системы, связывающей нагрузку с коэффициентами КИН. Недостатком этого подхода, который не учитывает изменения “зона предразрушения”, является то, что он в основном подходит для моделирования распространения трещин в хрупких материалах, таких как стекло, керамика и огнеупорные материалы или плексиглас, но не позволяет правильно моделировать распространение трещины в материалах, характеризующихся большей нелинейностью (пластичность, микротрещины), таких как бетон, графит или металлические материалы при низкой температуре.

Другая категория подходов, которая позволяет заполнить этот пробел, основана на моделировании среднего поля повреждения объема материала и называется «моделью диффузного повреждения». Этот подход использует термодинамическое описание объема материала и появления дефектов в этом объеме, учитываемых в виде средних значений. Приложение нагрузки к объему выражается в этой модели определенной вероятностью перехода от упругого поведения к разупрочнению, характеризующемуся резким необратимым снижением механической жесткости. Зарождение и рост микроскопических дефектов выражаются изменением поля повреждения. Решение модели диффузного повреждения позволяет описать трещины как линии уровня в поле повреждения, которое становится скалярным. При этом нет необходимости в повторном построении сетки в объеме, и повреждение в точке объема определяют относительно состояния механической нагрузки в окрестности этой точки.

Однако эти два подхода имеют ограничения, чтобы правильно моделировать поведение образца при трещинообразовании. В частности, оба подхода с трудом позволяют моделировать распространение трещины в образце, подвергающемся предварительно зафиксированным механическим нагрузкам, как было указано выше. С одной стороны, существует проблема идентификации параметров моделей. С другой стороны, модели трещинообразования основаны на некоторых приближениях и не достаточно точно воспроизводят реальное поведение материала при трещинообразовании. В частности, распространение трещины в объеме материала, подвергающемся предварительно зафиксированным механическим нагрузкам, как правило, не следует линейному поведению. При этом нелинейности не совместимы с методом ЛУМР и приводят к неудовлетворительным результатам при подходе диффузных повреждений. Наконец, появление нелинейного поведения при трещинообразовании не отвечает промышленным техническим требованиям с точки зрения контроля явлений трещинообразования.

Следовательно, существует потребность в способе, позволяющем получать более точную и более детальную количественную информацию о поведении материала при трещинообразовании.

Оригинальный подход, позволяющий повысить уровень надежности двух вышеупомянутых подходов, предложен в документе "Drawing with a crack in concrete: a hybrid test to control mixed-mode crack propagation" by Carpiuc et al, 21-й Французский конгресс по механике, 2013 год. Согласно оригинальному подходу, предложенному в этом документе, речь не идет о приложении фиксированной механической нагрузки к объему материала и о наблюдении трещины, которая затем распространяется в этом материале. Согласно предложенному в этом документе способу, фиксируют целевой путь трещины в объеме материала и последовательно прикладывают различные механические нагрузки, позволяющие трещине распространяться вдоль целевого пути трещины. При этом производят переоценку прикладываемых к образцу механических нагрузок после каждого приращения, приводящего к распространению трещины в объеме, в течение всего процесса трещинообразования, чтобы убедиться, что созданная в образце трещина управляемо следует целевому пути трещины. Преимуществом этого оригинального подхода является то, что он позволяет разбить развитие трещины на несколько этапов, что способствует сокращению нелинейностей каждого этапа распространения трещины в образце и позволяет повысить надежность прогнозирующих моделей, используемых для моделирования распространения трещины. Кроме того, этот подход позволяет использовать модель распространения, основанную на методе ЛУМР, чтобы последовательно моделировать распространение трещины, переориентируемой в объеме материала, чтобы следовать целевому пути трещины.

Вместе с тем, несмотря на усовершенствования, привнесенные этим подходом с точки зрения характеризации поведения материала при трещинообразовании, он все же не позволяет управлять скоростью распространения трещины и избегать, таким образом, появления нестабильностей во время распространения трещины.

Следовательно, существует потребность в способе, позволяющем управлять трещинообразованием в материале за счет стабильного и управляемого создания трещины, следующей целевому пути.

Раскрытие изобретения

Для решения вышеупомянутых проблем настоящим изобретением предложен способ управления трещинообразования в материале, при этом способ содержит следующие этапы:

- определяют целевой путь трещины в заданном объеме материала;

- к указанному материалу прикладывают механические нагрузки, чтобы управлять распространением трещины в объеме таким образом, чтобы трещина распространялась в материале по существу по целевому пути трещины.

Кроме того, способ содержит этап, на котором:

- к указанному объему прикладывают стабилизирующую нагрузку, при этом стабилизирующая нагрузка рассчитана таким образом, чтобы избегать нестабильного распространения трещины.

В отличие от существующих способов трещинообразования изобретением предложено комбинировать применение механических нагрузок, прикладываемых к материалу, чтобы трещина распространялась в нем по целевому пути, с применением дополнительной нагрузки, предназначенной для стабилизации трещины. При некоторых типах нагрузок уже сама форма образца может способствовать стабилизации распространения трещины в образце. Вместе с тем, это не является общим правилом. Изобретение позволяет стабилизировать любое трещинообразование независимо от формы образца путем приложения к образцу дополнительной нагрузки, отличной от нагрузки или нагрузок, прикладываемых с целью ориентации распространения трещины. Следовательно, стабилизирующую нагрузку добавляют к механическим нагрузкам, рассчитанным для того, чтобы заставить трещину следовать целевому пути. Как правило, приложение стабилизирующей нагрузки не затрагивает коэффициенты КИН, которые были использованы для определения механических нагрузок, прикладываемых для распространения трещины по целевому пути. На основании этого умозрительного вывода становится возможным отделить проблему идентификации механических нагрузок, применяемых для управления направлением распространения трещины, от проблемы идентификации нагрузок, позволяющих сохранять стабильное распространение трещины.

Под «нестабильным распространением» трещины следует понимать распространение, при котором по меньшей мере один из параметров, применяемых для направления трещины вдоль целевого пути, перестает быть управляемым. Иначе говоря, нестабильное распространение проявляется, когда длина трещины, генерированной в объеме после приложения механических нагрузок, превышает на некоторую величину в процентном выражении ожидаемую длину, например, порог приращения по длине, рассчитанный при помощи цифровой модели, применяемой для определения прикладываемых механических нагрузок. Как правило, трещина, длина которой после приложения механических нагрузок увеличивается на значение, превышающее на 10% порог приращения по длины, может считаться результатом нестабильного распространения. Нестабильное распространение может также проявляться в виде углового отклонения генерированной трещины, например, превышающего 5% относительно ожидаемого направления ориентации трещины. Нестабильное трещинообразование проявляется, когда скорость распространения трещины перестает быть управляемой, что приводит к скачкам в распространении даже при «бесконечно медленном» изменении нагрузки.

В отличие от известных подходов, в которых проблему стабилизации трещины обычно считают неразрывно связанной с проблемами определения механических параметров, необходимых для распространения трещины, изобретением предложен оригинальный и неинтуитивный метод, разделяющий эти две проблемы.

Предпочтительно приложение стабилизирующей нагрузки дополнительно включает в себя следующую операцию:

- перед вершиной трещины прикладывают градиент нагрузки растяжения-сжатия.

Приложение градиента нагрузки растяжения-сжатия перед вершиной трещины позволяет генерировать нагрузку, стабилизирующую распространение трещины. Ниже следует представленное в качестве не ограничительного примера описание физического механизма, лежащего в основе этой стабилизации.

Согласно варианту осуществления, приложение стабилизирующей нагрузки дополнительно включает в себя следующие этапы:

- оценивают значение коэффициента интенсивности напряжений, характеризующего состояние нагрузки растяжения, действующей на материал в окрестности вершины трещины перпендикулярно к трещине;

- выбирают стабилизирующую нагрузку, сохраняющую или уменьшающую значение коэффициента интенсивности напряжений на данной длине распространения трещины.

Более точную характеристику конфигурации, которую может проверить стабилизирующая нагрузка, чтобы избежать появления нестабильностей в распространении трещины, можно выразить при помощи коэффициента КИН K_I. В частности, стабилизирующую нагрузку выбирают, сравнивая изменение расчетного коэффициента КИН K_I в окрестности вершины трещины между двумя последовательными положениями вершины трещины. В частности, если трещина распространяется на порог приращения по длине Δ1 в объеме в результате приложения одинаковой механической нагрузки, вершина трещины переходит из положения х в положение х+Δ1, и коэффициент КИН K_I(x+Δl) в положении х+Δ1 не должен превышать значение коэффициента КИН K_I(х) в положении х.

В частности, способ может дополнительно содержать следующий этап:

- выбирают стабилизирующую нагрузку, сохраняющую значение коэффициента интенсивности напряжений перед трещиной ниже предельного значения, называемого прочностью материала на разрыв.

Коэффициенты КИН объема материала изменяются линейно в зависимости от амплитуды нагрузки, прикладываемой к объему материала. Вместе с тем, для нагрузок, превышающих порог разрыва, эта линейная зависимость разрывается. Кроме того, при значениях КИН, превышающих прочность на разрыв, поведение материала при трещинообразовании становится нестабильным.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, приложение механических нагрузок производят, используя по меньшей мере первую степень свободы объема и вторую степень свободы объема; приложение стабилизирующей нагрузки производят, используя третью степень свободы объема.

Как правило, механические нагрузки, применяемые к материалу для инициирования распространения трещины на заданное приращение по длине, требуют по меньшей мере одной независимой степени свободы: значения амплитуды нагрузки. Кроме того, управление путем распространения плоской (двухмерной) трещины может быть основан только на двух физических параметрах (например, таких как угол распространения трещины и порог приращения по длине трещины, которые могут быть связаны с параметрами направления и амплитуды нагрузки и позволяют, например, характеризовать составляющие растяжения и сдвига нагрузки, прикладываемой к объему). Иначе говоря, трещина может распространяться управляемо в объеме при использовании двух степеней свободы. Аналогично, механические нагрузки для запуска и управления развития распространения некоторых неплоских трехмерных трещин в объеме материала могут быть основаны только на трех физических параметрах (например, таких как угол распространения, порог приращения по длине распространения и уровень поворота фронта распространения). Чем сложнее изменение фронта трещины, тем больше может быть число активируемых степеней свободы. Все эти степени свободы (по меньшей мере две для трещины, распространяющейся двумерно, и три и даже больше для трещины, распространяющейся трехмерно) служат для геометрического контроля распространения трещины. Степени свободы геометрического контроля могут быть не связаны со степенью свободы стабилизации. Таким образом, чтобы управлять стабильностью распространения, вводят дополнительную степень свободы. Как правило, стабилизирующая нагрузка, применяемая в соответствии с заявленным способом, основана на третьем параметре или степени свободы, характеризующей, например, вращение или локальное сжатие, действующие на объем.

Согласно варианту осуществления, стабилизирующая нагрузка включает в себя сжатие перед вершиной трещины.

Согласно варианту осуществления, приложение стабилизирующей нагрузки дополнительно включает в себя следующую операцию:

- нагрузку прикладывают в нескольких разных зонах объема.

Согласно другому варианту осуществления, стабилизирующая нагрузка включает в себя вращение.

Эти варианты осуществления позволяют прикладывать нагрузку, которая способна создавать сжатие перед вершиной трещины. Это сжатие позволяет проверить вышеупомянутый критерий стабильности.

Согласно варианту осуществления, способ содержит следующий этап:

- управляют раздельно распространением двух трещин в объеме.

Действительно, изобретение позволяет прикладывать стабилизирующие нагрузки, рассчитанные для одновременного управления стабильного распространения двух трещин в материале.

Предпочтительно, когда трещина отклоняется от целевого пути трещины, способ может дополнительно содержать следующие этапы:

- уменьшают прикладываемые к материалу механические нагрузки;

- прикладывают новые механические нагрузки, позволяющие ориентировать трещину в направлении целевого пути трещины.

Постепенное уменьшение механических нагрузок, прикладываемых к объему материала в рамках заявленного способа трещинообразования, обеспечивает лучшее управление стабильностью трещины во время ее переориентации. Действительно, когда необходимо переориентировать трещину, предпочтительно сначала снимают все механические нагрузки, приложенные к образцу, пока трещина не закроется, и затем прикладывают новые механические нагрузки, рассчитанные для переориентации трещины. Это позволяет избегать случайного превышения предела прочности на разрыв или нестабильной переориентации трещины, которые могли бы произойти, если бы новые механические нагрузки были приложены вместе с текущими механическими нагрузками без снижения их интенсивности.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, способ дополнительно содержит следующие этапы:

- измеряют продвижение вершины трещины в объеме;

- изменяют механические нагрузки, когда длина распространения трещины достигает порогового значения, соответствующего заранее определенному пороговому приращению.

Установив пороговую длину распространения, можно сохранять число переориентаций трещины, рассчитываемое на основании длины целевого пути трещины. Этот подход может представлять интерес для не слишком извилистых целевых трещин.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, способ дополнительно содержит следующие этапы:

- измеряют продвижение вершины трещины в объеме;

- идентифицируют отклонение между положением вершины трещины и целевым путем трещины;

- изменяют механические нагрузки, когда отклонение достигает порогового значения, соответствующего заранее определенному пороговому отклонению.

За счет определения порогового значения для отклонения между целевым путем и реальным путем трещины в объеме изобретение обеспечивает управление степенью точности получаемого управляемого трещинообразования. Для обеспечения отслеживания трещины, распространяющейся в объеме, можно применять метод с использованием, например, корреляции цифровых изображений (КЦИ). Можно также предусмотреть и другие методы, например, использование набора тензометров или LVDT-датчиков (на английском языке: Linear Variable Differential Transformer).

В частности, при достижении порога способ может дополнительно содержать следующие этапы:

- определяют пересечение окружности, радиусом которой является приращение длины, а центром - вершина трещины, с целевым путем трещины;

- к материалу прикладывают механические нагрузки, чтобы ориентировать трещину в направлении пересечения.

Предпочтительно способ может дополнительно включать в себя следующий итеративно применяемый процесс:

- осуществляют моделирование распространения трещины по целевому пути трещины в модели объема, учитывающей трещину, чтобы определить механические нагрузки, позволяющие ориентировать трещину по целевому пути трещины;

- к материалу прикладывают механические нагрузки, определенные посредством моделирования.

Этот способ идентификации механических нагрузок, обеспечивающих переориентацию трещины, соответствует решению обратной задачи. Это решение обычно основано на двух элементах: на математическом формулировании в виде системы уравнений и на методе ее решения.

В частности, модель объема можно реализовать, произведя его разбиение на сетку из конечных элементов, и моделирование можно осуществлять, используя алгоритм решения обратных задач, основанного на линейно-упругой механике разрушения.

В альтернативном варианте модель объема можно реализовать, произведя его разбиение на сетку из конечных элементов, и моделирование можно осуществлять, используя алгоритм решения обратных задач, основанного на модели диффузных повреждений.

Этапы с применением моделирования для определения прикладываемых к объему механических нагрузок осуществляют итеративно для обеспечения переориентации трещины, созданной в объеме материала, по целевому пути трещины. Любое отклонение от целевого пути, достигающее заранее определенного порогового значения, требует осуществления нового моделирования, учитывающего новую геометрию объема, то есть, в частности, новое положение вершины трещины. Определение прикладываемых механических нагрузок основано на решении обратной задачи.

Согласно варианту осуществления, объем материала содержит первоначальную трещину и зоны остановки, при этом способ дополнительно содержит следующий этап:

- определяют целевой путь трещины таким образом, чтобы направить первоначальную трещину к зоне остановки.

Использование способа для переориентации трещины, изначально присутствующей в объеме материала, к зоне остановки, позволяет избежать нежелательной утечки, которая могла бы привести к распространению первоначальной трещины по случайному пути. Перенаправление трещины к зоне остановки позволяет также помешать первоначальной трещине распространяться за пределы зоны остановки, которая, как правило, имеет вид отверстия.

Объектом изобретения является также система для управления трещинообразованием в материале, при этом система содержит испытательный стенд, выполненный с возможностью прикладывать механические нагрузки к указанному материалу и управлять распространением трещины в объеме материала таким образом, чтобы трещина распространялась в материале по существу по целевому пути трещины, при этом испытательный стенд выполнен также с возможностью приложения стабилизирующей нагрузки к материалу, позволяющей избежать нестабильного распространения трещины.

В частности, система может дополнительно содержать:

- датчик, выполненный с возможностью определять положение вершины трещины в объеме; и

- вычислительный блок, выполненный с возможностью производить моделирование распространения трещины и управлять испытательным стендом.

Заявленная система выполнена с возможностью осуществлять описанный выше способ.

Краткое описание чертежей

Заявленный способ будет более понятен из нижеследующего описания иллюстративных и не ограничительных примеров осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схематичный вид объема материала, на который действуют нагрузки, предназначенные для распространения трещины в объеме в соответствии с заявленным способом.

Фиг. 2а и 2b - схематичное отображение нагрузок растяжения/сжатия, действующих в объеме материала.

Фиг. 3а и 3b - схематичное отображение нагрузок сдвига, действующих в объеме материала.

Фиг. 4а и 4b - схематичное отображение нагрузок вращения, действующих в объеме материала.

Фиг. 5а и 5b - схематичное отображение механических нагрузок, действующих в объеме материала.

Фиг. 6 - схематичное отображение распространения трещины, управляемого по меньшей мере по двум степеням свободы.

Фиг. 7 - схематичное отображение распространения трещины, стабилизированного при помощи дополнительной стабилизирующей нагрузки согласно варианту осуществления.

Фиг. 8 - схематичное отображение распространения трещины согласно альтернативному варианту осуществления изобретения.

Фиг. 9а, 9b и 9с - схематичные виды, иллюстрирующие три варианта критериев, запускающих переориентацию трещины согласно заявленному способу.

Фиг. 10 - блок-схема, иллюстрирующая пример алгоритма, применяемого в рамках заявленного способа.

Фиг. 11 - схематичное отображение управляемой переориентации трещины в направлении зоны остановки.

Фиг. 12 - схематичный вид системы для осуществления заявленного способа.

Для большей ясности размеры различных элементов, показанных на фигурах, представлены без соблюдения реальных пропорций. На фигурах одинаковые обозначения соответствуют идентичным элементам.

Осуществление изобретения

Изобретением предложен способ, позволяющий управлять распространением трещины в объеме материала и избегать нестабильного распространения этой трещины в объеме.

Чтобы схематично иллюстрировать эффект способа на объеме материала, в настоящем описании представлены примеры, применяемые для принудительного распространения трещины по существу в двухмерном объеме. Объем будет считаться двухмерным, чтобы упростить приведенные ниже иллюстрации, но при этом следует заметить, что представленные ниже результаты можно без труда транспонировать для трехмерного объема.

На фиг. 1 показан материал 1, называемый образцом, по существу прямоугольной формы. Образец представлен в виде объема 4, имеющего типовые размеры: 200мм х 200мм х 50мм. Как показано на фиг. 1, на боковом краю образца добавлен надрез 13. Хотя показанный на фиг. 1 надрез имеет треугольную форму, можно также предусмотреть и другие формы надреза. Образец удерживают между несколькими плитами, в том числе, в частности, между неподвижной плитой, образующей опору 11, подвижной плитой 10, предназначенной для приложения механических нагрузок к образцу, и плитой 12, тоже выполненной с возможностью приложения механических нагрузок к образцу. Подвижная плита 10 является неподвижной относительно материала, но подвижной относительно образующей опору плиты 11. Плита 12 является необязательной, и в других вариантах выполнения такой плиты 12 может не быть или могут быть несколько таких плит.

В ходе осуществления способа контроля трещинообразования в соответствии с настоящим изобретением в объеме 4 материала 1 определяют целевой путь 2 трещинообразования. Целью заявленного способа является приложение конкретных механических нагрузок к образцу таким образом, чтобы трещина 3 распространялась в объеме 4, начиная от надреза 12, по целевому пути 2 трещинообразования. Чтобы трещина 3 могла максимально соответствовать целевому пути 2 трещинообразования, в частности, чтобы трещина не распространялась нестабильно в объеме, к объему 4 прикладывают дополнительную нагрузку, называемую стабилизирующей нагрузкой. Свойства этих нагрузок будут описаны ниже.

На фиг. 1 показана также вершина 5 трещины 3. Как правило, распространение трещины 3 в объеме 4 отслеживают в ходе способа трещинообразования при помощи известных технологий получения и обработки изображений, таких как корреляция цифровых изображений (КЦИ). Как правило, приложению механических нагрузок и стабилизирующей нагрузки предшествует цифровое моделирование, целью которого является решение обратной задачи для определения значений механических нагрузок, которые могут быть приложены к материалу 1, чтобы ориентировать трещину 3 от ее вершины 5 в направлении целевого пути 2 трещинообразования.

Стабилизирующую нагрузку можно также определить посредством цифрового вычисления, суть которого будет изложена ниже.

Как правило, такое моделирование основано на вычислениях с применением на выбор либо линейно-упругой модели разрушения (ЛУМР), либо модели диффузного повреждения. Способ определения механических нагрузок с использованием этих моделей в контексте изобретения будет вкратце описан ниже. Как правило, такое моделирование позволяет определить значения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) в окрестности 6 вершины 5 трещины 3.

Управление распространением трещины 3 в объеме 4 обычно осуществляют, используя два независимых параметра: угол 7 бифуркации трещины, обозначенный θ на фиг. 1, и порог 8 приращения по длине, обозначенный Δl на фиг. 1. Угол 7 бифуркации соответствует углу, образованному между текущим направлением трещины и направлением целевого пути трещинообразования. Порог 8 приращения по длине соответствует длине, на которую трещина предположительно должна распространиться, прежде чем опять будет переориентирована.

На фиг. 2а, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b представлены три типа механических нагрузок (по усилиям или по перемещениям), которые могут быть приложены к материалу через подвижную плиту 10, чтобы в нем распространилась трещина и чтобы эта трещина стабилизировалась. На фиг. 2а показана нагрузка 20 растяжения, приложенная к материалу при помощи подвижной плиты 10. На фиг. 2b показан вид поля элементарного перемещения u_i(x,y) при растяжении 21, соответствующем нагрузке 20 растяжения. На фиг. 3а показана нагрузка 30 сдвига, приложенная к материалу 1 через подвижную плиту 10. На фиг. 3b показан вид поля элементарного перемещения u_i(x,y) при сдвиге 31, соответствующем нагрузке 30 сдвига. На фиг. 4а показано вращение 40, сообщаемое материалу 1 через подвижную плиту 10. Вращение плиты можно осуществлять, например, при помощи нагрузки вращения или при помощи момента противоположных сил. На фиг. 4b показан вид поля элементарного перемещения u_i(x,y) 41 вокруг точки 42 вращения, соответствующей вращению 40.

В рамках заявленного способа следует отталкиваться от трех типов механических нагрузок, представленных на фиг. 2а, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, чтобы контролировать распространение трещины в объеме, заставляя ее следовать целевому пути трещинообразования, и чтобы препятствовать любому нестабильному распространению трещины.

Механические нагрузки определяют путем решения обратной задачи с использованием состояния механической нагрузки вблизи вершины трещины, выражаемого, в частности, через значения коэффициентов КИН, которые, в свою очередь, связаны с амплитудами элементарных нагрузок. Независимо от своего типа (по усилию или по перемещению), элементарная нагрузка содержит векторное поле u_i(x,y) элементарной нагрузки и скалярную амплитуду U_i, ее можно записать как U_i(x,y)= U_i u_i(x,y), где i является индексом, отображающим различие между разными степенями свободы прикладываемой нагрузки. Общая нагрузка U(x, y) представляет собой сумму нагрузок U_i(x,y). В примере, представленном на фиг. 5а, общая нагрузка U(x, y) при перемещении является результатом суммы двух элементарных перемещений, а именно элементарного перемещения при растяжении 21 (фиг. 2b) и элементарного перемещения при вращении 41 (фиг. 4b) с центром вокруг точки 42 на фиг. 4b. Результирующее перемещение является смещенным относительно центра вращением 53 вокруг смещенной относительно центра точки 52.

Общая нагрузка характеризуется совокупностью амплитуд элементарных нагрузок U₁, U₂ …U_n, активированных этой нагрузкой. Например, если рассмотреть объем материала, на который воздействуют только при помощи одной подвижной плиты 10, три элементарные нагрузки, которые могут быть активированы, соответствуют степеням свободы движения жесткого корпуса подвижной плиты: вращения U_R, растяжения U_T, и сдвига U_S. В случае, представленном на фиг. 1, где объем материала подвергают нагрузке через две жесткие подвижные плиты, это число степеней свободы становится 3+3=6. Для более общих случаев геометрии это число элементарных нагрузок связано с типом монтажа и контроля испытания. Как правило, чтобы лучше контролировать трещинообразование, применяют ограничения некоторых типов движений, например, блокировку вращения U_R=0, или пропорциональную нагрузку U_T = U_S, или предварительное сжатие U_T = -1 мм.

Так называемая матрица чувствительности связывает амплитуды элементарной нагрузки с коэффициентами КИН (K_I, K_II). Можно использовать код конечных элементов, например, Code_Aster, для определения значений элементарных КИН , связанных с каждым воздействием u_i(x,y). Значения общих КИН (K_I, K_II), характеризующих общую нагрузку U(x, y), можно записать в зависимости от матрицы чувствительности размером (2хn):

(1)

Индекс i, который меняется от 1 до n, обозначает элементарные нагрузки, которые могут быть приложены к объему. В качестве упрощенного иллюстративного примера, если рассматривать объем материала, подвергающийся действию со стороны только одной подвижной плиты 10, можно указать три типа прикладываемых нагрузок при перемещении: вращение (R), растяжение (Т) и сдвиг (S), показанные на фиг. 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b. Таким образом, индекс i принимает три значения R, T, S, и общая нагрузка характеризуется вектором одинакового размера, содержащим три амплитуды нагрузки. В этом случае матричное уравнение (1) можно переписать следующим образом:

(2)

Определение нагрузок, совместимых с системой (1), предполагает ограничения степеней свободы, используемых для приложения нагрузок, чтобы уменьшить число существующих решений сформулированной выше обратной задачи.

В упрощенном варианте часто учитывают только две независимые механические нагрузки U^I и U^II, называемые обобщенными элементарными нагрузками. Достаточно использовать только два параметра механических нагрузок, чтобы контролировать одновременно угол бифуркации θ трещины и порог Δl приращения по длине трещины в объеме. Обычно приложение механических нагрузок для распространения трещины 3 в объеме 4 можно осуществлять, благодаря комбинации вращения и сдвига подвижной плиты 10, и, следовательно, получаем: U^I= U_R и U^II= U_S. При этом обратную задачу можно записать в более упрощенном виде:

(3)

где матрица 2 x 2 представляет собой сокращенную матрицу чувствительности, а вектор характеризует состояние предварительной нагрузки.

На основании этих отношений, связывающих коэффициенты КИН с механическими нагрузками, уравнение (3) можно решить при помощи модели ЛУМР, определяя коэффициенты сокращенной матрицы чувствительности . Как правило, использование модели ЛУМР предполагает разбиение объема 4 на сетку в окрестности 6 вершины 5 трещины.

Модель ЛУМР отображает соотношение между нагрузками, причем эти нагрузки выражаются при помощи общих коэффициентов КИН (K_I, K_II) и угла бифуркации. Как правило, это отношение записывают в виде, связывающем два значения K_I и K_II : K_II = f(θ) K_I. Можно использовать следующую аналитическую формулу:

(4)

Неизвестную составляющую K_I часто обозначают η, и ее можно описать как отображающую «интенсивность нагрузки», то есть прочность связи между двумя типами элементарных нагрузок (нагрузка при растяжении и сдвиге в описанном выше примере).

На основании этих соотношений обратную задачу, позволяющую получить механические нагрузки, прикладываемые к объему таким образом, чтобы переориентировать трещину в направлении целевого пути трещинообразования, можно записать следующим образом:

(5)

что соответствует фиксированной предварительной нагрузке:

(6)

и пропорциональной нагрузке, направление которой определяют как:

(7)

Чтобы переориентировать трещину, прикладываемые механические нагрузки можно записать в следующем виде:

(8)

где члены u_I(x,y) и u_II(x,y) характеризуют два векторных поля для механических нагрузок, управляющих переориентацией трещины.

На фиг. 5а и 5b представлены две разные иллюстрации механических нагрузок, которые можно приложить к объему 4, чтобы переориентировать трещину и заставить ее следовать по целевому пути трещинообразования. На фиг. 5а показана комбинация растяжения 20 и центрованного вращения 40, результатом которой является смешанная механическая нагрузка смещенного от центра вращения 53 с точкой поворота 52 вращения, находящейся снаружи объема 4. На фиг. 5b показана так называемая пропорциональная механическая нагрузка, которая является результатом комбинации растяжения со сдвигом (поступательное движение вдоль вектора 51).

Представленное выше цифровое моделирование касается только определения механических нагрузок посредством решения обратной задачи. Однако следует отметить, что изобретением предложено также стабилизировать распространение трещины во время приложения механических нагрузок. Для этого изобретением предложено прикладывать дополнительную нагрузку, специально предназначенную для стабилизации трещины.

Действительно, приложение нагрузок растяжения или сдвига часто приводит к нестабильному распространению трещины. Как было указано выше, нестабильность является понятием, известным в области трещинообразования, и, как правило, выражается тем, что параметр контроля (в данном случае угол бифуркации 7 или порог 8 приращения по длине) перестает быть контролируемым. Чаще всего это проявляется в трещине, которая распространяется по длине, превышающей порог 8 приращения по длине, или с угловым отклонением от целевого направления.

Направление распространения трещины контролируют при помощи угла 7 бифуркации, который представляет собой первую степень свободы, используемую для управления подвижной плитой 10. Порог 8 приращения по длине контролируют при помощи интенсивности нагрузки, которая, таким образом, является второй степенью свободы, используемой для управления подвижной плитой 10.

Согласно заявленному способу, стабилизация распространения трещины основана на использовании третьей степени свободы, обозначаемой S. Ниже следует описание стабилизирующей нагрузки, прикладываемой при помощи этой третьей степени свободы.

В принципе, стабилизирующую нагрузку можно определить эмпирическим путем, в частности, в случае простых материалов. Однако количественный подход позволяет опять применить модель ЛУМР, как при решении описанной выше обратной задачи. В отличие от описанной выше обратной задачи, критерий, выбранный для обеспечения стабильности распространения трещины, представляет собой изменение коэффициентов КИН между двумя последовательными положениями вершины трещины, разделенными порогом 8 приращения по длине. Иначе говоря, стабилизацией управляют, сравнивая два значения КИН: одно для текущего положения вершины 5 трещины 3 и другое для будущего положения вершины трещины.

На фиг. 6 показаны трещина 3, содержащая вершину 5 трещины 3, и будущая точка 75 положения этой вершины 5. Точка 75 отделена от вершины 5 расстоянием Δl, соответствующим порогу 8 приращения по длине. Направление, определенное прямой 72, соединяющей точку 5 и точку 75, ориентировано относительно текущего направления 71 трещины 3 под углом θ, соответствующем углу 7 бифуркации трещины.

В рассматриваемом двухмерном примере распространение трещины представляет собой вариант I трещинообразования, который соответствует нагрузке растяжения перпендикулярно к плоскости, содержащей трещину. Коэффициент КИН K_I(x+Δl), рассчитанный для будущей вершины в точке 75, выражается так же, как и коэффициент КИН в любой другой точке, в зависимости от механических нагрузок:

(9)

где члены U^I, U^II, U^III обозначают обобщенные элементарные нагрузки в будущей конфигурации, в которой вершина трещины окажется в точке 75, аналогично тому, что представлено в уравнении (1).

Систему уравнений, решаемую для получения будущего направления нагрузки, можно записать следующим образом:

(10)

Критерий стабильности распространения трещины в варианте I можно выразить следующим образом:

(11)

Иначе говоря, коэффициент КИН для варианта I предпочтительно не увеличивается, поскольку трещина распространяется. Вместе с тем, он может оставаться постоянным или уменьшаться.

Этот критерий можно выразить в виде переменной S в следующем виде:

(12)

Следовательно, распространение трещины можно считать стабильным, если -1<S <0, и потенциально нестабильным, если S>=0. Чем меньше значение S, тем лучше стабильность.

Другой критерий стабильности состоит в ограничении по абсолютной величине допустимого значения коэффициентов КИН, чтобы они не достигали значения прочности на разрыв, сверх которого материал разрушается нестабильно и неконтролируемо.

Следовательно, управление трещиной 3 в объеме 4 происходит на основании трех независимых параметров или степеней свободы: угла 7 бифуркации, порога 8 приращения по длине и критерия стабильности S в описанном выше примере.

Например, но не ограничительно, можно проверить критерий стабильности при распространении трещины, приложив к объему вращение. На фиг. 7 показана комбинация стабилизирующей нагрузки при вращении 41 вокруг поворотной точки 42 с механическими нагрузками, являющимися результатом комбинации нагрузок растяжения и сдвига, приводящих к перемещениям 51.

Кроме того, на фиг. 7 показана трещина 3, начинающаяся от закругленного надреза 73 и следующая по целевому пути 2 трещинообразования.

Другой не ограничительный пример стабилизирующей нагрузки, которую можно приложить к образцу, представлен на фиг. 8. На этой фигуре показаны разные зоны 61, 62 приложения механических нагрузок и стабилизирующей нагрузки и распределенные на разных поверхностях объема 4. При этом стабилизацию получают, прикладывая две противоположно направленные нагрузки, позволяющие создать зону сжатия на входе вершины 5 трещины 3 в этих разных зонах. В этом случае говорят о стабилизации при помощи точечных усилий. Можно также предусмотреть другие варианты осуществления, например, с использованием компактных отверстий для получения доступа к материалу 1. В частности, стабилизацию при помощи точечных усилий можно получить в образцах типа СТ или “compact tension specimen” (компактный образец для испытания на растяжение) в англо-саксонской терминологии.

Трещина 3, показанная на фиг. 8, начинается от прямоугольного надреза 63.

Стабилизацию распространения трещины можно получить, когда сжатие материала производят на входе вершины 5 трещины 3. Другим эффектом, способствующим стабилизации распространения трещины, является создание градиента растяжения на входе вершины трещины.

Таким образом, изобретение позволяет контролируемо распространять трещину в объеме материала, избегая нестабильного распространения трещины, что было описано выше в качестве иллюстративного примера.

Кроме того, контролируемое трещинообразование в соответствии с настоящим изобретением основано на итеративном действии, которое состоит в переориентации трещины, когда она удаляется от целевого пути 2 трещинообразования или когда критерий длины оказывается достигнутым или превышенным.

Чтобы проиллюстрировать несколько примеров этой переориентации в соответствии с заранее определенными критериями, на фиг. 9а-9с схематично показаны трещины, повергнутые нескольким переориентациям, чтобы следовать целевому пути 2 трещинообразования. Применяя один из описанных ниже критериев остановки, можно переориентировать трещину 3 в рамках способа.

Как показано на фиг. 9а, вершина 5 трещины 3 отошла от целевого пути 2 трещинообразования на пороговое значение “dl₁”, соответствующее пороговому отклонению 91. На фиг. 9а переориентация трещины определяет целевое положение, которое необходимо достигнуть во время последующего трещинообразования в объеме материала. Это целевое положение соответствует пересечению 85 между окружностью с радиусом 90 и целевым путем 2 трещинообразования на входе вершины 5 трещины 3. Радиус 90 может иметь значение, равное порогу Δl приращения по длине, или может иметь другое заранее определенное значение. Кроме того, сегмент, соединяющий вершину 5 и целевую точку, позволяет определить угол 7 бифуркации.

Возможно предусмотреть несколько критериев, при этом целью является остановка распространения до приложения новых нагрузок, чтобы добиться постепенной переориентации трещины.

В двух других вариантах, показанных на фиг. 9b и 9с, критерий переориентации основан не на критерии удаления от целевого пути 2 трещинообразования, а на критерии контроля продвижения трещины.

В варианте на фиг. 9b предложено переориентировать трещину 3, когда она распространяется вдоль оси (ось х на фиг. 9b) на расстояние, соответствующее пороговому значению “dl₂”. Это пороговое значение соответствует в данном случае пороговому инкременту 92.

На фиг. 9с предложен вариант, в котором трещину 3 переориентируют, когда трещина распространяется в любом направлении на совокупное расстояние, соответствующее пороговому значению “dl₃”. Это пороговое значение соответствует на фиг. 9с общему пороговому инкременту 93.

Согласно этим двум последним критериям, можно рассчитать число переориентаций на основании длины целевого пути трещинообразования и выбранного порогового значения dl.

Следует отметить, что управление объемом материала при трещинообразовании предпочтительно можно осуществлять непрерывно, прибегая лишь к преобразованию текущих механических нагрузок и текущей стабилизирующей нагрузки в новые нагрузки, позволяющие следовать целевому пути 2 трещинообразования. Вместе с тем, предпочтительно проходить через фазу разгрузки объема 4 во время переориентации трещины. Эта разгрузка предполагает либо снижение интенсивности прикладываемых к материалу механических нагрузок, либо к исключению механических нагрузок и стабилизирующей нагрузки, чтобы трещина 3 закрылась до приложения новых механических нагрузок, позволяющих переориентировать трещину. Этот более осторожный подход позволяет избегать превышения предела прочности на разрыв на уровне вершины 5 трещины.

Далее со ссылками на фиг. 10 следует описание алгоритма, применяемого в рамках описанного выше способа.

Прежде всего, в рамках изобретения предлагается определить целевой путь 2 трещинообразования (первый этап 900).

Затем, на втором этапе 901 определяют механические нагрузки и стабилизирующую нагрузку. Этот второй этап соответствует началу итеративного цикла распространения трещины.

На третьем этапе 902 к объему 4 материала 1 прикладывают механические нагрузки и стабилизирующую нагрузку.

На четвертом этапе 903, который предпочтительно можно осуществлять одновременно с третьим этапом 902, наблюдают трещину 3 при помощи известной технологии получения и обработки изображений, например, такой как КЦИ. Технология КЦИ основана на оптическом методе, позволяющем измерить поле перемещения в любых точках отображаемой поверхности. Предварительно поверхность можно подготовить, чтобы облегчить идентификацию различных элементов объема и трещины. Поскольку принцип технологии КЦИ известен, его описание опускается. При необходимости можно применять также другие технологии отслеживания изменения вершины 5 трещины 3.

Если отслеживание вершины 5 трещины 3 позволило обнаружить превышение порогового критерия, распространение трещины 4 останавливают на пятом этапе 904, и в рамках способа опять запускают цикл распространения, производя новое определение параметров θ, η и S, позволяющих найти надлежащие механические нагрузки и стабилизирующую нагрузку, чтобы заставить трещину распространяться по пути 2 трещинообразования. В этой связи следует отметить, что после распространения трещины на заданную длину, опять применяют коэффициенты КИН и разбиение на сетку, используемое при решении обратной задачи. Для этого модель, в которой решают обратную задачу, соответствует модели объема 4, которая учитывает присутствие текущей трещины 3.

Кроме того, настоящий способ может включать в себя вариант, в котором, чтобы решить обратную задачу, вместо метода, основанного на ЛУМР, используют модель диффузного повреждения для определения новых механических нагрузок, обеспечивающих стабильную переориентацию трещины. Согласно такому подходу, больше нет необходимости в обновлении сетки на каждой стадии распространения, так как трещина представлена в виде поля повреждения.

После получения хронологии нагрузки, обеспечивающей стабильное трещинообразование по заранее определенному пути, можно получить полное моделирование механических нагрузок, которые необходимо приложить, чтобы следовать целевому пути 2 трещинообразования, не прибегая к итеративным вычислениям, как в описанном выше случае.

Описанный выше алгоритм соответствует, таким образом, гибридному циклу, позволяющему управлять распространением трещины в объеме материала, комбинируя наблюдение распространения и моделирование распространения, обновляемое с учетом наблюдений. Этот подход позволяет создавать трещины требуемой формы в материале и создавать надлежащие экспериментальные условия трещинообразования, чтобы качественно и количественно испытывать свойства материала при трещинообразовании. Тип целевого пути 2 трещинообразования может меняться от одного трещинообразования к другому, но, как правило, имеет извилистые формы.

Можно применить версию гибридного цикла, в которой реальное испытание заменяют моделированием распространения трещины при помощи модели диффузного повреждения. Эта версия позволяет проверить несколько путей трещинообразования до осуществления реального испытания. После определения всех различных последовательных нагрузок, приводящих к стабильному трещинообразованию по заранее определенному пути, можно произвести реальное испытание, применив все эти последовательные нагрузки, не прибегая к итеративному методу.

Изобретение позволяет изготавливать идентичные детали, в частности, воспроизводить одинаковую трещину в разных образцах. Эта высокая воспроизводимость трещин, распространяемых в образцах, позволяет, например, воспроизводить в образце трещину, наблюдаемую в поврежденной конструкции, например, в поврежденном бетонном сооружении. Образцы, воспроизводящие наблюдаемую трещину, можно подвергнуть различным испытаниям трещинообразования, чтобы определить стратегию заделки трещины в поврежденном сооружении.

Изобретение может найти другое применение, чтобы ориентировать распространение нежелательной трещины в направлении зоны остановки. Такое применение сходно с динамической остановкой трещинообразования. В частности, это применение позволяет избегать главного риска, связанного с распространением трещин, например, такого как радиоактивная утечка или разрушение крыла самолета. Нежелательная трещина может быть следствием случайной нагрузки (превышение давления, избыточный вес, смещение, вздутие в результате термической нагрузки). Было установлено, что трещина останавливается на особых геометрических элементах типа отверстия. Известные технологии контроля трещинообразования не позволяют идентифицировать наиболее подходящие места для размещения этих особых геометрических элементов, чтобы избегать появления трещин, приводящих к утечкам. Случайное размещение геометрических элементов может позволить нежелательной трещине пройти между этими элементами без остановки.

Способ в соответствии с настоящим изобретением можно применять для определения нагрузок, которые следует приложить к поврежденной трещиной конструкции, чтобы распространить эту трещину в направлении зоны остановки. Расположение этих зон остановки не может быть случайным и должно быть оптимальным, чтобы упростить переориентацию случайной трещины.

На фиг. 11 представлен пример поврежденной конструкции (объем 4 материала 1), в которой приложение нагрузок позволяет переориентировать под стабильным контролем трещину 3 к зоне 110 остановки, содержащей отверстие.

Изобретение относится также к системе, выполненной с возможностью осуществления описанного выше способа.

На фиг. 12 в качестве иллюстративного примера показана система, которую можно применять для осуществления способа. Эта система содержит испытательный стенд 1001 в виде двойной «шестиногой» конструкции, выполненный, с одной стороны, с возможностью измерения действующих на образец механических нагрузок и, с другой стороны, с возможностью приложения к образцу механических нагрузок и стабилизирующей нагрузки. Испытательный стенд взаимодействует с датчиком 1002, выполненным с возможностью отслеживать распространение вершины 5 трещины и идентифицировать отклонения от целевого пути 2 трещинообразования. Датчик взаимодействует с вычислительным блоком 1003 обработки, выполненным с возможностью анализировать собранные данные и осуществлять моделирование с решением описанных выше обратных задач. Затем определенные на основании этих данных механические нагрузки и стабилизирующую нагрузку применяют на испытательном стенде 1001.

Хотя описание, представленное выше в качестве примера, относится к управлению трещиной с использованием трех степеней свободы: угла 7 бифуркации, порога 8 приращения по длине и критерия S стабильности, можно выбрать и другие степени свободы. Точно так же, не обязательно ограничиваться тремя степенями свободы для управления трещинообразованием, даже если использование небольшого числа степеней свободы позволяет упростить способ. Преимуществом использования только трех степеней свободы является то, что можно использовать другие степени свободы, чтобы устранить паразитные движения, влияющие на образец.

Настоящее изобретение находит свое применение в области деформации материалов любого типа. Вместе с тем, оно представляет особый интерес для контроля распространения трещины с целью изготовления деталей из хрупких материалов (например, таких как стекло и керамика), квази-хрупких материалов (например, таких как бетон, металл при низких температурах, графит) или пластических материалов. Изобретение позволяет также предусматривать новые испытания с целью тестирования свойств материалов, чтобы проектировать конструкции, более стойкие к явлениям трещинообразования. Это позволяет естественным образом отводить трещину от критичной зоны и направлять ее к менее важным зонам конструкции.

Изобретение относится к области управляемого трещинообразования в материалах, в частности, с целью определения свойств заданного объема материала при образовании трещин. Сущность: осуществляют определение целевого пути трещины в заданном объеме материала; и приложение к указанному материалу механических нагрузок для управления распространением трещины в указанном объеме таким образом, чтобы трещина распространялась в материале по существу по указанному целевому пути трещины, и приложение к указанному объему стабилизирующей нагрузки, при этом стабилизирующую нагрузку формируют таким образом, чтобы избежать нестабильного распространения трещины. Система содержит испытательный стенд, выполненный с возможностью прикладывать механические нагрузки к указанному материалу и управлять распространением трещины в объеме материала таким образом, чтобы трещина распространялась в материале по существу по целевому пути трещины, при этом испытательный стенд выполнен также с возможностью прикладывать стабилизирующую нагрузку к материалу, с тем чтобы избежать нестабильного распространения указанной трещины. Технический результат: возможность контролируемо распространять трещину в объеме материала, избегая нестабильного распространения трещины. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ управления трещинообразованием в материале, включающий:

определение целевого пути трещины в заданном объеме материала; и

приложение к указанному материалу механических нагрузок для управления распространением трещины в указанном объеме таким образом, чтобы трещина распространялась в материале по существу по указанному целевому пути трещины, и

приложение к указанному объему стабилизирующей нагрузки, при этом стабилизирующую нагрузку формируют таким образом, чтобы избежать нестабильного распространения трещины.

2. Способ управления трещинообразованием по п. 1, в котором при приложении стабилизирующей нагрузки прикладывают градиент нагрузки растяжения-сжатия перед вершиной трещины.

3. Способ управления трещинообразованием по п. 1, в котором при приложении стабилизирующей нагрузки:

оценивают значение коэффициента интенсивности напряжений, характеризующего состояние нагрузки растяжения, действующей на материал в окрестности вершины трещины перпендикулярно к трещине;

выбирают стабилизирующую нагрузку, сохраняющую или уменьшающую указанное значение коэффициента интенсивности напряжений для заданной длины распространения трещины.

4. Способ управления трещинообразованием по п. 3, в котором дополнительно выбирают стабилизирующую нагрузку, сохраняющую значение коэффициента интенсивности напряжений перед трещиной ниже предельного значения, называемого прочностью материала на разрыв.

5. Способ управления трещинообразованием по п. 1, в котором приложение механических нагрузок выполняют, используя по меньшей мере первую степень свободы указанного объема и вторую степень свободы указанного объема, при этом приложение стабилизирующей нагрузки выполняют, используя третью степень свободы указанного объема.

6. Способ управления трещинообразованием по п. 1, в котором стабилизирующая нагрузка включает в себя сжатие перед вершиной трещины.

7. Способ управления трещинообразованием по п. 1, в котором при приложении стабилизирующей нагрузки нагрузку прикладывают в нескольких разных зонах указанного объема.

8. Способ управления трещинообразованием по п. 1, в котором стабилизирующая нагрузка включает в себя вращение.

9. Способ управления трещинообразованием по п. 1, в котором, когда трещина отклоняется от указанного целевого пути трещины:

уменьшают прикладываемые к материалу механические нагрузки;

прикладывают новые механические нагрузки, чтобы ориентировать трещину в направлении указанного целевого пути трещины.

10. Способ управления трещинообразованием по п. 1, в котором также:

измеряют продвижение вершины трещины в указанном объеме;

изменяют механические нагрузки, когда длина распространения трещины достигает порогового значения, соответствующего заранее определенному пороговому приращению.

11. Способ управления трещинообразованием по п. 1, в котором также:

измеряют продвижение вершины трещины в указанном объеме;

идентифицируют отклонение между положением вершины трещины и целевым путем трещины;

изменяют механические нагрузки, когда отклонение достигает порогового значения, соответствующего заранее определенному пороговому отклонению.

12. Способ управления трещинообразованием по п. 10, в котором, когда достигнуто указанное пороговое значение:

определяют пересечение окружности, радиусом которой является приращение по длине, а центром - вершина трещины, с целевым путем трещины; и

прикладывают к материалу механические нагрузки, чтобы ориентировать трещину в направлении указанного пересечения.

13. Способ управления трещинообразованием по п. 10, в котором итеративно применяют следующий процесс:

моделируют распространения трещины по указанному целевому пути в модели указанного объема, учитывающей трещину, чтобы определить механические нагрузки, позволяющие ориентировать трещину по указанному целевому пути трещины;

прикладывают к материалу механические нагрузки, определенные посредством указанного моделирования.

14. Способ управления трещинообразованием по п. 13, в котором модель указанного объема создают посредством разбиения его на сетку из конечных элементов, при этом указанное моделирование осуществляют, используя алгоритм решения обратных задач на основе линейно-упругой механики разрушения.

15. Способ управления трещинообразованием по п. 13, в котором модель указанного объема создают посредством разбиения его на сетку из конечных элементов, при этом моделирование осуществляют, используя алгоритм решения обратных задач на основе модели диффузных повреждений.

16. Способ управления трещинообразованием по п. 15, в котором указанный объем материала содержит первоначальную трещину и зоны остановки, при этом способ дополнительно содержит этап, на котором определяют указанный целевой путь трещины таким образом, чтобы направить первоначальную трещину к зоне остановки.

17. Система для управления трещинообразованием в материале, содержащая испытательный стенд, выполненный с возможностью прикладывать механические нагрузки к указанному материалу и управлять распространением трещины в объеме материала таким образом, чтобы трещина распространялась в материале по существу по целевому пути трещины, при этом испытательный стенд выполнен также с возможностью прикладывать стабилизирующую нагрузку к материалу, с тем чтобы избежать нестабильного распространения указанной трещины.

18. Система по п. 17, дополнительно содержащая:

датчик, выполненный с возможностью определять положение вершины трещины в указанном объеме; и

вычислительный блок, выполненный с возможностью производить моделирование распространения трещины и управлять испытательным стендом.