ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТРОПИИ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

А. Ю. Константинов Konstantinov; А. К. Ломунов Lomunov; Т. Н. Южина Iuzhina; Дж. Т. Грей III Gray III

doi:10.32326/1814-9146-2018-80-4-555-565

А. Ю. Константинов Konstantinov Научно-исследовательский институт механики Национального исследовательского Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация
А. К. Ломунов Lomunov Научно-исследовательский институт механики Национального исследовательского Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация
Т. Н. Южина Iuzhina Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация
Дж. Т. Грей III Gray III Лос-Аламосская национальная лаборатория, Лос-Аламос, Нью-Мексико, США

DOI: https://doi.org/10.32326/1814-9146-2018-80-4-555-565

Ключевые слова: древесина, анизотропия, испытание в обойме, многоцикловое нагружение

Аннотация

Древесина широко используется в качестве материала, амортизирующего ударное воздействие в различных специальных слоистых защитных конструкциях, например в контейнерах для транспортирования опасных веществ: отходов ядерной энергетики, компонентов ядерных вооружений, широкого круга токсичных веществ и т.д. Для проектирования таких конструкций и моделирования их поведения в условиях динамической нагрузки необходимы модели, оснащенные аутентичными параметрами. Поскольку древесина является сильно анизотропным материалом, этот эффект следует учитывать при численном моделировании с использованием математических соотношений ортотропного твердого тела. В условиях одноосного напряженного состояния исследовано поведение трех конструкционных пород древесины: сосны, березы и секвойи - при высоких скоростях деформации. Для достижения большей степени деформации использовался режим многоциклового нагружения образца. Получены диаграммы деформирования сосны и березы при нагружении вдоль и поперек волокон. Определены прочностные и деформационные (в том числе предельные) характеристики испытанных пород древесины. Показано, что прочность древесины вдоль волокон примерно в 10 раз выше, чем прочность поперек волокон. Предельные деформации поперек волокон существенно выше, чем вдоль волокон. Для сравнительной оценки демпфирующей способности была определена энергоемкость сосны и березы. Отмечено, что береза обладает боўльшим энергопоглощением, чем сосна, причем как вдоль, так и поперек волокон.
Для секвойи проведен анализ влияния вида напряженно-деформированного состояния на прочностные и деформационные свойства. Вырезка образцов и последующее нагружение были проведены под углами 0, 30 и 90° к направлению волокон. В условиях одноосной деформации оценена неравномерность радиального расширения образцов с различным направлением вырезки относительно волокон. Обнаружено, что боковое ограничение сильно влияет на напряженно-деформированное поведение секвойи, подавляя трещины вдоль волокон и тем самым замедляя разрушение.

Литература

1. Evaluation of LS-DYNA. Wood Material Model 143. Publication No. FHWA-HRT-04-096. 2005.
2. Manual for LS-DYNA. Wood Material Model 143. Publication No. FHWA-HRT-04-097. 2007.
3. Zhao S., Zhao J.X., Han G.Z. Advances in the study of mechanical properties and constitutive law in the field of wood research. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 137. No 1. P. 1-9.
4. Johnson W. Historical and present-day references concerning impact on wood. Int. J. Impact Eng. 1986. Vol. 4. P. 161-174.
5. Reid S.R., Peng C., Reddy T.Y. Dynamic uniaxial crushing and penetration of wood, In: Mechanical Properties of Materials at High Rates of Strain. J. Harding, ed. Inst. Phys. Conf. Series. 1989. No 102. Bristol. P. 535-542.
6. Reid S.R., Reddy T.Y., Peng C. Dynamic compression of cellular structures and materials. In: Structural Crashworthiness and Failure. New York. Elsevier Applied Science Publishers. 1993. P. 295-340.
7. Reid S.R., Peng C. Dynamic uniaxial crushing of wood. Int. J. Imp. Eng. 1997. Vol. 19. No 5-6. P. 531-570.
8. Buchar J., Krivanek I., Severa L. High rate behaviour of wood. New Experimental Methods in Material Dynamics and Impact. Trends in Mechanics of Materials. Eds. W.K. Nowacki, J.R. Klepaczko. Warsaw. 2001. P. 357-362.
9. Harrigan J.J., Reid S.R., Tan P.J., Reddy T.Y. High rate crushing of wood along the grain. Int. J. Mech. Sci. 2005. Vol. 47. No 4-5. P. 521-544.
10. Wouts J., Haugou G., Oudjene M., Coutellier D., Morvan H. Strain rate effects on the compressive response of wood and energy absorption capabilities. Part A: Experimental investigations. Composite Structures. 2016. Vol. 149. P. 315-328.
11. Bragov A.M., Lomunov A.K. Dynamic properties of some wood species. J. Phys. IV France 7 Colloque 3. 1997. P. 487-492.
12. Bol'shakov A.P., Gerdyukov N.N., Novikov S.A. et al. Damping properties of sequoia, birch, pine, and aspen under shock loading. J. Appl. Mech. Tech. Phys. 2001. Vol. 42. No 2. P. 202-210.
13. Allazadeh M.R., Wosu S.N. High strain rate compressive tests on wood. Strain. 2011. Vol. 48. No 2. P. 101-107.
14. Holmgren S.-E., Svensson B.A., Gradin P.A., Lundberg B. An encapsulated split Hopkinson pressure bar for testing of wood at elevated strain rate, temperature, and pressure. Experimental Techniques. 2008. Vol. 32. P. 44-50.
15. Брагов А.М., Ломунов А.К., Сергеичев И.В., Грей III Дж.Т. Влияние скорости деформации, температуры и угла вырезки на механические свойства некоторых пород древесины. Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны. Тр. международ. конф. IX Харитоновские тематические научные чтения. Саров, РФЯЦ - ВНИИЭФ, 12-16 марта 2007. С. 349-353.
Bragov A.M., Lomunov A.K., Sergeichev I.V., Gray III G.T. The effect of strain rate, temperature and cutting angle on the mechanical properties of certain wood species. Extreme States of Matter. Detonation. Shock Waves: Proceedings of the International Conference IX Khariton's Thematic Scientific Readings. Sarov. RFNC - VNIIEF. March 12-16. 2007. P. 349-353 (In Russian).
16. Bragov A.M., Lomunov A.K. Methodological aspects of studying dynamic material properties using the Kolsky method. Int. J. Impact Eng. 1995. Vol. 16. No 2. P. 321-330.
17. Bragov A.M., Lomunov A.K., Sergeichev I.V. Modification of the Kolsky method to study the properties of low-density materials under high-speed cyclic deformation. J. Appl. Mech. Tech. Phys. 2001. Vol. 42. No 6. P. 199-204.
18. Bragov A.M., Grushevsky G.M., Lomunov A.K. Use of the Kolsky method for studying shear resistance of soils. DYMAT J. 1994. Vol. 1. No 4. P. 253-259.
19. Bragov A.M., Lomunov A.K., Sergeichev I.V., Tsembelis K., Proud W.G. Determination of physicomechanical properties of soft soils from medium to high strain rates. Int. J. Impact Eng. 2008. Vol. 35. No 9. P. 967-976.
20. Брагов А.М., Ломунов А.К., Константинов А.Ю., Ламзин Д.А., Баландин Вл.Вл. Оценка радиальной деформации образца на основе теоретико-экспериментального анализа методики динамических испытаний материалов в жесткой обойме. Проблемы прочности и пластичности. 2016. Т. 78. №4. С. 378-387.
Bragov A.M., Lomunov A.K., Konstantinov A.Yu., Lamzin D.A., Balandin Vl.Vl. Estimation of the radial deformation of the specimen based on the theoretical and experimental analysis of the method of dynamic testing of materials in a rigid holder. Problems of Strength and Plasticity. 2016. Vol. 78. No 4. P. 378-387 (In Russian).