PL
EN

Zeszyty Naukowe

Jan Saczuk,

Mechanics of solids with microstructure modelled by Finslerian geometry

493/1440/1998.

W niniejszej pracy zaproponowano, stosując geometrię Finslera, fizycznie uzasadnione podstawy do modelowania niesprężystych, niezależnych od skali czasu zjawisk zachodzących w ciałach stałych z wyróżnioną mikrostrukturą. Przyjmując, że zachowanie ciała stałego może być opisane za pomocą wiązki Finslera, gdzie cząstki traktowane jako indywidualne kontinua modelowane są przy pomocy ogólnego pojęcia indykatrysy, rozwinięto fenomenologiczną bazę opartą na informacjach poziomu mikrostrukturalnego, która obejmuje niżej omawiane zagadnienia. Kinematyka prezentowanego finslerowskiego kontinuum jest następstwem wykorzystania informacji o stanie wewnętrznym do przedstawienia strukturalnej ewolucji zmiennych stanu. W tym opisie stan mechaniczny ciała określony jest przez wartości zewnętrznych i wewnętrznych zmiennych stanu. Ruch, analizowany poprzez zależne od czasu dyfeomorfizmy, pozostaje w relacji do wewnętrznej struktury ciała, indukowanej przez obecność dyslokacji, pęknięć, luk i innych defektów. Addytywny rozkład całkowitego gradientu deformacji na część horyzontalną (makro) i wertykalną (mikro) został wprowadzony bez dodatkowych założeń, takich jak pośrednia konfiguracja beznaprężeniowa, reguła płynięcia prawa umocnienia i/lub osłabienia, etc Nowe miary odkształcenia, które zarówno są anizotropowe jak i zależne od zmiennych wewnętrznych, związane są ściśle z analityczną formą potencjału charakteryzującego lokalną topologię deformacji. Wariacyjne argumenty dla funkcjonału Lagrange'a określonego na wiązce Finslera i przyjętej rodziny transformacji dla zmiennych niezależnych i zależnych, zostały wykorzystane do określenia statycznych i dynamicznych równań pola, warunków brzegowych i transwersalności. Komplet równań pola. Definiujący problem niesprężystej deformacji ciał stałych, został ograniczony do izotermicznego przypadku. odpowiednie równania Errlera-Lagrange'a, w granicznym przejściu, redukują się do znanych równań ruchu klasycznej mechaniki. Warunek dostateczny dla całki działania, sformułowany przez warunek Weierstrassa, prowadzi do zasady dyssypacyjnej dla termiczno-niesprężystych procesów deformacji. Przedstawioną procedurę uogólniono tak, by ujęła ona termiczne efekty procesu deformacji. Mechaniczne i termiczne aspekty procesu deformacji analizowano w ramach prezentowanej konstytutywnej metodologii' Funkcjonał energii swobodnej Helmholtza, traktowany jako właściwy potencjał termodynamiczny' wykorzystano do określenia termiczno-niesprężystych związków pomiędzy odkształceniami i naprężeniami w wersji prędkościowej i przyrostowej. Równania konstytutywne niesprężystości dla skończonych deformacji i finslerowskie równania konstytutywne typu prędkościowego przedstawione w pracy wykazują pewne podobieństwo do klasycznych prędkościowych równań konstytutywnych. Zależności temperaturowe modułów nieściśliwości, które uwzględniają mikrostrukturę, zostały wyrażone w funkcji energii termicznej, rozszerzalności cieplnej i stałej Griineisena. Celem weryfikacji przedstawionego finslerowskiego modelu kontinuum z mikrostrukturą, pokazano ścisły związek pomiędzy finslerowskim modelem i innymi geometrycznymi modelami plastyczności, uwzględniającymi strukturę krystalograficzną ciała. Sformułowano ponadto nowe kryterium adaptacji, umożliwiające prognozę globalnego zachowania struktury materialnej poddanej dowolnemu programowi obciążeń, przy wykorzystaniu zależnych od struktury funkcji porównawczych. Potencjalne możliwości przedstawionego finslerowskiego podejścia zilustrowano numerycznymi przykładami dotyczącymi płynięcia, istnienia stanu residualnego, umocnienia, osłabienia i lokalizacji odkształceń w ciałach stałych, w warunkach zmiany ścieżki deformacji zarówno na poziomie makro- jak i w mikroskali. W przykładach tych nieodwracalność deformacji analizowana od samego początku procesu deformacji, została uwzględniona już na poziomie definiowania miar odkształcenia, zależnych od kierunku wektora stanu wewnętrznego. Pokazano, że w tym podejściu mechaniczna odpowiedź ciała stałego (płynięcie, umocnienie, osłabienie, lokalizacja, pękanie) może być zmieniona tylko przez historię deformacji i zadany system obciążeń. Prędkościowe lub przyrostowe związki konstytutywne, użyte w numerycznych obliczeniach, nie wymagają dodatkowych równań ewolucji dla zmiennych wewnętrznych stanu.

 

In this work we have proposed a physically motivated, Finslerian-geometryoriented framework for the modelling of rate-independent inelastic phenomena in solids with a distinguished microstructure. Assuming that a solid mechanical behaviour can be described by means of the Finslerian bundle, where the particles treated as individual continua are modelled by the general concept of indicatrix, we have developed a phenomenological basis supported by experimental information form the microstructural level. which includes several aspects discussed below. Kinematics of proposed Finslerian continuum follows from using of the internal state information to characterize a structure-dependent evolution of state variables. In this description the mechanical state of the solid is determined by the values of external and internal state variables. The motion is analysed as the time-dependent diffeomorphisms with reference to the internal structure induced by the presence of dislocations, cracks, voids and other defects in the solid. The additive decomposition of the total deformation gradient into horizontal (macro-) and vertical (micro-) parts is introduced without additional assumptions, like an intermediate stress-free configuration, a yield rule, hardening and/or softening laws, etc. New strain measures, which are both anisotropic and internal-variable-dependent, are strictly connected with the analytical form of the potentiai characterizing the local topology of deformation. The variational arguments for a Lagrangian functional defined on the Finslerian bundle and an assumed one-parameter family of transformations of independent and dependent variables are used to derive local static and dynamic field equations, boundary and transversality conditions. A complete set of field equations defining the problem of inelastic behaviour of solids is restricted to the isothermal case. The corresponding Euler-Lagrange equations are reduced, in a limit transition, to the well-known equations of motion of the classical continuum mechanics. The sufficient condition for the action integrai is formulated by the Weierstrass condition, which leads to the dissipation inequality for the thermalinelastic deformation processes. The presented procedure is then extended to include thermal effects of the deformation process. Mechanical and thermal aspects of the deformation process are analysed within the presented constitutive methodology. The Helmholtz free energy functional treated as the relevant thermodynamic potential is used to define thermo-inelastic stress-strain relations of rate and incremental types. Finite strain inelasticity and rate-type Finslerian constitutive equations presented in the work exhibit some similarity to the classical rate-type constitutive equations. Temperature-dependence of bulk moduli accounting for a microstructure is formulated in terms of thermal energy, thermal expansion and Griineisen constant. In order to verify the proposed Finslerian modei of the continuum with microstructure, we show a close agreement between the Finslerian and other known geometric models of crystal plasticity. We also formulate a new criterion of adaptation, which allows one to predict a global structure behaviour subjected to an arbitrary loading programme, by structure-dependent comparison functions. The predictive ability of the proposed Finslerian approach is illustrated by numerical examples concerning yielding, the existence of residual state, hardening, softening and strain localization of solids under changes of deformation path both at macro- and microlevel. In these examples the irreversibility of deformation is taken into account from the very beginning of the deformation process, and is already regarded at the level of formulation of direction-dependent strain measures. It is shown, that in this approach the mechanical response (yielding, hardening, softening, localization, fracture) of the solid can be changed only by a history of deformation and the applied load system. Rate or incremental constitutive relations, which are used in numerical calculations, do not demand additional evolution equations for internal state variables.

Logowanie

Nie pamiętam hasła.

  

DO GÓRY