Дырда В.И., Гребенюк С.Н., Сокол С.П., Слободян С.Б., Агальцов Г.Н. Некоторые проблемы исследований нелинейных эффектов в эластомерах при длительном циклическом разрушении

Деталі
Батьківська категорія: Геотехнічна механіка, 2019
Категорія: Геотехнічна механіка, 2019, № 144

Geoteh. meh. 2019, 144, 77-88

https://doi.org/10.15407/geotm2019.144.077

Некоторые проблемы исследований нелинейных эффектов в эластомерах при длительном циклическом разрушении

1Дырда В.И., 2Гребенюк С.Н., 3Сокол С.П., 4Слободян С.Б., 1Агальцов Г.Н.

1Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, 2Запорожский национальный университет, 3Днепровский аграрно-экономический университет, 4Подольский государственный аграрно-технический университет

УДК 678:539.736

Язык: Русский

Аннотация.

В эластомерах (резинах, полиуретанах) различают геометрическую нелинейность, вызванную формой образца или асимметричностью приложения нагрузки, и физическую нелинейность, вызванную в основном разрушением и рекомбинацией наполненной структуры. Последняя форма нелинейности хорошо известна технологам и широко используется в инженерной практике: при наполнении резины техническим углеродом или другими наполнителями (текстильные волокна, медные шарики и т.д.) нелинейность механических характеристик её резко возрастает. Нелинейные эффекты в наполненных эластомерах выражаются в основном в зависимости модуля сдвига и коэффициента диссипации энергии от амплитуды деформации. При очень малых деформациях резина обладает повышенной жёсткостью, по мере увеличения деформации её эластичность возрастает. Явление это известно как эффект Маллинза и объясняется тиксотропией, т.е. разрушением и рекомбинацией наполненной структуры. Для слабонаполненных резин тиксотропия практически не наблюдается. Традиционно считается, что такие резины относятся к линейным, и эта линейность соблюдается на протяжении всего времени эксплуатации. То есть, считается, что в линейных резинах на всем протяжении их циклического деформирования вплоть до отказа образцов сохраняется линейная зависимость основных информативных параметров и резина полностью подчиняется закону Гука.

Вместе с тем, на основании многочисленных и продолжительных экспериментальных исследований слабонаполненных резин при их длительном циклическом нагружении установлена закономерность, заключающаяся в том, что резины с изначально линейными механическими характеристиками при фазовом скачкообразном переходе от метастабильного состояния к лабильному приобретают существенно нелинейные свойства.

Такая закономерность была подтверждена экспериментально при изучении механизма циклического разрушения слабонаполненной резины: в изначальном состоянии в диапазоне относительных деформаций сдвига 0-40 % резина подчинялась закону Гука, т.е. обладала линейными свойствами основных информативных параметров – модуля сдвига и коэффициента диссипации энергии. Показано, что в такой резине при переходе от метастабильного состояния (постепенно-кинетического характера разрушения) к лабильному изначально линейные механические характеристики приобретают существенно нелинейный характер.

Объяснение этому находится в рамках термодинамики необратимых процессов. С термодинамической точки зрения эластомеры в процессе длительного циклического нагружения находятся в метастабильном состоянии, т.е. в сильнонеравновесном состоянии; для таких систем устойчивость обеспечивается ростом диссипации энергии, что и наблюдается экспериментально. При этом процесс разрушения эластомеров, как эволюционный по своей сущности, характеризуется следующим: наличием автокаталитического механизма роста повреждений, что является основой сильной неравновесности процесса разрушения и эволюции материала; отсутствием периодичности автокаталитического процесса, что обеспечивает однонаправленную эволюцию материала.

Ключевые слова:

эластомер, амплитудные эффекты, диссипация энергии, модуль сдвига, фазовый переход, циклическое разрушение

Список литературы:

1. Прикладная механика упруго-наследственных сред: в 3 т. / А.Ф. Булат и др. Киев: Наук. думка, 2011. Т. 1: Механика деформирования и разрушения эластомеров. 568 с.

2. Bulat, A.F., Dyrda, V.I., Lysytsya, M.I., Grebenyuk, S.M. (2018). Numerical Simulation of the Stress-Strain State of Thin-Layer Rubber-Metal Vibration Absorber Elements Under Nonlinear Deformation, Strength of Materials, 3 (50), 387-395, https://doi.org/10.1007/s11223-018-9982-9

3. Пригожин И., Николис Г. Биологический порядок, структура и неустойчивость. Успехи физ. наук. 1973. Вып. 3. С. 517-543.

4. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуации. М.: Мир, 1973. 324 с.

5. Пригожин И. От существующего к возникающему: Время и сложность в физических науках. М.: Наука, 1985. 312 с.

6. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979. 283 с.

7. Томпсон Я. Неустойчивость и катастрофы в науке и технике. М.: Мир, 1985. 245 с.

Об авторах:

Дырда Виталий Илларионович, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом механики эластомерных конструкций горных машин, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепр, Украина, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Гребенюк Сергей Николаевич, доктор технических наук, заведующий кафедрой математического анализа Запорожского национального университета (ЗНУ), Запорожье, Украина, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Сокол Сергей Петрович, канд. техн. наук, старший преподаватель Днепровского государственного аграрно-экономического университета (ДГАЭУ), Днепр, Украина, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Слободян Сергей Борисович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры общетехнических дисциплин и физики, Подольский государственный аграрно-технический университет, Каменец-Подольск, Украина, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Агальцов Геннадий Николаевич, инженер, младший научный сотрудник отдела механики эластомерных конструкций горных машин, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепр, Украина, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.