Сверхзвуковые трещины: новые открытия и теоретические аспекты.
Supersonic fracture
Суперосонические переломы: новое явление в динамической механике разрушения. Исследования Макса Планка и IBM объясняют скорость распространения трещин выше скорости звука.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Сверхзвуковые переломы – это переломы, при которых скорость распространения трещины превышает скорость звука в материале. Это явление было впервые обнаружено учеными из Института исследований металлов имени Макса Планка в Штутгарте (Маркус Дж. Бюлер и Хуацзянь Гао) и Исследовательского центра IBM Almaden в Сан-Хосе, Калифорния (Фарид Ф. Абрахам). Вопросы межзвукового и сверхзвукового разрушения находятся на переднем крае динамической механики разрушения. Работа Берриджа положила начало исследованию межзвукового роста трещин (когда скорость трещины V находится между скоростью сдвиговой волны C⁸ и скоростью продольной волны C¹). Сверхзвуковой перелом был явлением, которое не могло быть объяснено классическими теориями разрушения. Молекулярно-динамическое моделирование, проведенное группой Абрахама и Гао, показало существование межзвуковых трещин типа I и сверхзвуковых трещин типа II. Это послужило стимулом для анализа механики континуума трещин типа III, выполненного Яном. Недавний прогресс в теоретическом понимании гипереластичности при динамическом разрушении показал, что сверхзвуковое распространение трещин можно понять только путем введения новой масштабирующей длины, обозначаемой χ, которая определяет процесс переноса энергии вблизи вершины трещины. Динамика трещин полностью определяется свойствами материала внутри зоны вокруг вершины трещины, имеющей характерный размер, равный χ. Когда материал внутри этой характерной зоны становится более жестким из-за гипереластических свойств, трещины распространяются быстрее скорости продольной волны. Исследовательская группа Гао использовала эту концепцию для моделирования проблемы Броберга о распространении трещин внутри жесткой полосы, встроенной в мягкую эластичную матрицу. Эти моделирования подтвердили существование энергетической масштабирующей длины. Это исследование также имело последствия для динамического распространения трещин в композитных материалах. Если характерный размер микроструктуры композита больше энергетической масштабирующей длины χ, то модели, которые гомогенизируют материалы в эффективный континуум, дадут значительную погрешность. Возникает задача разработки экспериментов и интерпретационных симуляций для проверки энергетической масштабирующей длины. Подтверждение концепции необходимо искать в сравнении экспериментов по сверхзвуковым трещинам с прогнозами моделирования и анализа. Хотя значительный интерес справедливо сосредоточен на относительно новой области исследований, связанной с межзвуковым разрушением, остается не включенной в современные работы старая, но интересная возможность: для границы раздела между эластически различными материалами распространение трещин, которое является субзвуковым, но превышает скорость волны Рэлея, было предсказано, по крайней мере, для некоторых комбинаций эластических свойств двух материалов.
Supersonic fractures are fractures where the fracture propagation velocity is higher than the speed of sound in the material. This phenomenon was first discovered by scientists from the Max Planck Institute for Metals Research in Stuttgart (Markus J. Buehler and Huajian Gao) and IBM Almaden Research Center in San Jose, California (Farid F. Abraham). The issues of intersonic and supersonic fracture become the frontier of dynamic fracture mechanics. The work of Burridge initiated the exploration for intersonic crack growth (when the crack tip velocity V is between the shear in wave speed C^8 and the longitudinal wave speed C^1. Supersonic fracture was a phenomenon totally unexplained by the classical theories of fracture. Molecular dynamics simulations by the group around Abraham and Gao have shown the existence of intersonic mode I and supersonic mode II cracks. This motivated a continuum mechanics analysis of supersonic mode III cracks by Yang. Recent progress in the theoretical understanding of hyperelasticity in dynamic fracture has shown that supersonic crack propagation can only be understood by introducing a new length scale, called χ; which governs the process of energy transport near a crack tip. The crack dynamics is completely dominated by material properties inside a zone surrounding the crack tip with characteristic size equal to χ. When the material inside this characteristic zone is stiffened due to hyperelastic properties, cracks propagate faster than the longitudinal wave speed. The research group of Gao has used this concept to simulate the Broberg problem of crack propagation inside a stiff strip embedded in a soft elastic matrix. These simulations confirmed the existence of an energy characteristic length. This study also had implications for dynamic crack propagation in composite materials. If the characteristic size of the composite microstructure is larger than the energy characteristic length, χ; models that homogenize the materials into an effective continuum would be in significant error. The challenge arises of designing experiments and interpretative simulations to verify the energy characteristic length. Confirmation of the concept must be sought in the comparison of experiments on supersonic cracks and the predictions of the simulations and analysis. While much excitement rightly centres on the relatively new activity related to intersonic cracking, an old but interesting possibility remains to be incorporated in the modern work: for an interface between elastically dissimilar materials, crack propagation that is subsonic but exceeds the Rayleigh wave speed has been predicted for at least some combinations of the elastic properties of the two materials.