Numerical modeling of the deformation and fracture of a porous alumina ceramics at mesoscale
The deformation and fracture of the mesovolumes of porous alumina ceramics during uniaxial tension were numerically simulated. The porous structure of the mesovolumes was obtained from the electron microscopy data and taken into account explicitly in the modeling process. The porosity of the mesovolumes was equal to 33, 26, and 17 %. Three different computer models of the mesovolumes of the same porosity were taken for each considered value of porosity. The modeling was implemented using the finite-difference method in a two-dimensional statement under plane-strain conditions. The constitutive equations accounting for damage accumulation which leads to a degradation of elastic properties were adopted. The equation defining damage accumulation kinetics was based on the calculation of effective stress of the Drucker-Prager material model with consideration for a stress state type (the Lode parameter). The mesoscopic fracture was described using the critical damage criterion. After meeting the fracture criterion, the stresses were set equal to zero, and the material ceased to resist tension but not compression. Based on the calculated results, the effect of the porous ceramic structure on the local fracture characteristics in the mesovolumes of material as well as on the macroscopic deformation diagram was analyzed. The presence of strong stress concentrators in the mesovolumes determined crack's nucleation cite and affected their propagation within the modeled mesovolumes. The calculated effective elastic and strength characteristics of materials are in a good agreement with experimental data.
Keywords
численное моделирование,
пористая керамика,
повреж-денность,
мезоуровень,
разрушение,
эффективные свойства,
numerical modeling,
porous ceramics,
damage,
mesoscale,
fracture,
effective propertiesAuthors
| Mikushina Valentina A. | Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS; Tomsk State University | Mikushina_93@mail.ru |
| Smolin Igor Yu. | Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS; Tomsk State University | smolin@ispms.ru |
Всего: 2
References
Митрошин А.Н., Космынин Д.А. Керамика как материал выбора в эндопротезировании коленного сустава // Изв. вузов. Поволжский регион. Медицинские науки. 2016. № 1(37). С. 98-110.
Лукин Е.С., Макаров Н.А., Козлов А.И. и др. Современная оксидная керамика и области ее применения // Конструкции из композиционных материалов. 2007. № 1. С. 3 - 13.
Savchenko N.L., Sevostyanova I.N., Sablina T.Yu., Gomze L., Kulkov S.N. The influence of porosity on the elasticity and strength of alumina and zirconia ceramics // AIP Conf. Proc. 2014. V. 1623. P. 547-550. DOI: 10.1063/1.4899003.
Микушина В.А., Смолин И.Ю. Моделирование деформации и разрушения пористой керамики с использованием разных критериев разрушения // Труды Томского государственного университета. Серия физико-математическая: Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики: VI Международная молодежная научная конференция. Томск, 27-29 ноября 2017 г. / под ред. М.Ю. Орлова. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2018. Т. 302. С. 188-192.
Meille S., Lombardi M., Chevalier J., Montanaro L. Mechanical properties of porous ceramics in compression: On the transition between elastic, brittle, and cellular behavior // J. Eur. Ceram. Soc. 2012. V. 32, P. 3959-3967. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2012.05.006.
Le Corre V., Brusselle-DuPend N., Moreaud M. Numerical modeling of the effective ductile damage of macroporous alumina // Mech. Mater. 2017. V. 114. P. 161-171. DOI: 10.1016/ j.mechmat.2017.08.002
Smolin A.Yu., Roman N.V., Konovalenko Ig.S., Eremina G.M., Buyakova S.P., Psakhie S.G. 3D simulation of dependence of mechanical properties of porous ceramics on porosity // Eng. Fract. Mech. 2014. V. 130. P. 53-64. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2014.04.001.
Mikushina V.A., Smolin I.Yu., Sidorenko Yu.N. Numerical modeling and prediction of mechanical properties of ceramic composite // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 919. P. 012013-1012013-5. DOI: 10.1088/1742-6596/919/1/012013.
Smolin I.Yu., Makarov P.V., Eremin M.O., Matyko K.S. Numerical simulation of mesome-chanical behavior of porous brittle materials // Proc. Struct. Integrity. 2016. V. 2. P. 33533360. DOI: 10.1016/j.prostr.2016.06.418.
Romanova V.A., SoPPa E., Schmauder S., Balokhonov R.R. Meso-mechanical analysis of the elasto-plastic behavior of a 3D composite-structure under tension // Comput. Mech. 2005. V. 36. P. 475-483. DOI: 10.1007/s00466-005-0682-5.
Panin A.V., Romanova V.A., Balokhonov R.R., Perevalova O.B., Sinyakova E.A., Emelyanova O.S., Leontieva-Smirnova M.V., Karfenko N.I. Mesoscopic surface folding in EK-181 steel polycrystals under uniaxial tension // Phys. Mesomech. 2012. V. 15. P. 94-103. DOI: 10.1134/S1029959912010109.
Волегов П.С., Грибов Д.С., Трусов П.В. Поврежденность и разрушение: классические континуальные теории // Физич. мезомех. 2015. Т. 18. №4. С. 68-86.
Kulkov A.S., Smolin I.Yu., Mikushina V.A. Investigation of mechanical response of Al2O3 ceramic specimens to loading with consideration for their structural features // AIP Conf. Proc. 2018. V. 2051. P. 020162-1-020162-4. DOI:10.1063/1.5083405.
Properties: Alumina - Aluminium Oxide - Al2O3 - A Refractory Ceramic Oxide. URL: https://www.azom.com/properties.aspx7ArticleID = 52 (дата обращения: 13.12.2018).
Вильдеман В.Э., Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов. М.: Наука. Физматлит, 1997. 288 с.
Смолин И.Ю., Еремин М.О., Макаров П.В., Буякова С.П., Евтушенко Е.П., Кульков С.Н. Численное моделирование механического поведения модельных хрупких пористых материалов на мезоуровне // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2013. № 5(25) C.78-90.
Еремин М.О. Применение метода механической аналогии для численного моделирования разрушения керамических композитов ZrO2-Al2O3 в трехмерной постановке // Фи-зич. мезомех. 2015. Т. 18. № 3. С. 105-112.
Смолин И.Ю., Макаров П.В., Кульков А.С., Еремин М.О, Бакеев Р.А. Режимы с обострением при разрушении образцов горных пород и элементов земной коры // Физич. ме-зомех. 2016. Т. 19. № 6. С. 77-85.
Wilkins M. L. Computer Simulation of Dynamic Phenomena. Berlin: Springer-Verlag, 1999. 246 p.
