Рачунска механика прекидних средина - Основе и примена у фрагментацији

Abstract

Главну почетну мотивацију за настанак и динамични развој рачунске механике прекидних средина представљала је потреба моделирања деформа- ције, лома и распада квази-кртих материјала са прекидном и/или хетерогеном структуром и инфериорном (чак непостојећом) затезном чврстоћом (сликa А). Током дугог низа година, многи истраживачи су покушавали да моделирају ове материјале коришћењем класичних метода механике континуума, али са ограниченим успехом. Један од главних разлога за уочену „неухватљивост” је да je понашање хетерогених материјала суштински дефинисано њиховим хетерогеним карактером, који утиче на локализацију деформације и оштећења, и процесе зачећа, раста и срастања прслина. Ове појаве су нераскидиво повезане са дисконтинуитетом померања који јасно крши хипотезу континуума. Наведенe потешкоће довеле су до настанка рачунске механике прекидних средина чије су основне методе предмет ове монографије. Ове методе, како им само име каже, ослањају се на дисконтинуирану (прекидну) апроксимацију поља променљиве у рачунском домену. Током протеклих неколико деценија модели рачунске механике прекидних средина изборили су се за своје место међу алатима у структурној анализи и дизајну у много ширем опсегу материјалних система. Коначно, у данашње време, постали су комплементарни са моделима механике континуума и експерименталним истраживањима захваљујући својој способности да побољшају наше елементарно разумевање процеса лома и његових последица на макроскопска својства материјала која имају најширу примену у инжењерској пракси. Ова монографија је израсла из моје претходне студије (Mastilovic, 2008b) и два поглавља приређена за Шпрингеров “Приручник механике оштећења” са др Антониом Риналдијем (Rinaldi and Mastilovic, 2015; Mastilovic and Rinaldi, 2015). Концепт јој је донекле неуобичајен јер укључује сажете приказе великог броја радова. Након уводних разматрања, изложен је језгровит преглед темељних поставки традиционалних метода рачунске механике прекидних средина које укључују: молекуларну динамику (МД) (поглавље 2), методе решетки (поглавље 3), методе дискретних елемената (ДЕМ) (поглавље 4), и честичне методе (поглавље 5). Илустрован је историјски развој метода, кроз уочавање и разрешавања изабраних типичних проблема приказаних у монографији кроз збирку описа радова у разноврсним областима који су у највећој мери утицали на самог аутора у његовом развоју у наведеним областима. Избор самих радова као и истицање одређених научних доприноса су субјективни у оној мери у којој одсликавају информисаност и интересовања аутора. Не може бити пренаглашено да избор радова издвојених у монографији не претендује на потпуну репрезентативност у ширем смислу. Многи истраживачи који су оставили дубок траг у доменима разних тема које су дотакнуте у овој монографији, нису поменути или нису добили простор који заслужују; неки — пре свих сам аутор — су добили више простора него што им објективно припада. Што се садржаја тиче, акценат је био на горе наведеним традиционалним, основним методама рачунске механике прекидних средина. Мада се ове методе сада широко користе за моделирање различитих класа материјала, чини се да су најприродније примене за симулације деформисања, оштећења и лома материјала који имају исту топологију као репрезентујућа структура модела. Модерне, напредне примене заговарају приступ моделирању где се, у мери у којој је то могуће, инсистира на непосредној кореспонденцији између експериментално утврђене структуре материјала и структуре коју експлицитно представља нумерички модел. Утирању овога пута допринело је коришћење експерименталних техника попут рентгенске микротомографије, тродимензионалних (3Д) „имиџинг” техника високе резолуције, и сл., у спрези са моделима рачунске механике прекидних средина који имитирају физичку структуру и процесе. Овде приказане методе имају за циљ да истакну тај тренд експлицитног представљања физичких механизама као средства за развој општих могућности за моделирање у различитим инжењерским гранама.