научная статья по теме МЕТОД ИДЕНТИФИКАЦИИ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВЫХ СРЕД ПРИ ВНЕДРЕНИИ УДАРНИКОВ Механика

Текст научной статьи на тему «МЕТОД ИДЕНТИФИКАЦИИ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВЫХ СРЕД ПРИ ВНЕДРЕНИИ УДАРНИКОВ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА < 4 • 2008

УДК 539.3

© 2008 г. В.Г. БАЖЕНОВ, В.Л. КОТОВ

МЕТОД ИДЕНТИФИКАЦИИ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВЫХ СРЕД ПРИ ВНЕДРЕНИИ УДАРНИКОВ

На основе сочетания физического и математического моделирования процессов удара и проникания цилиндрических стержней разработан расчетно-экспериментальный метод идентификации деформационных и прочностных характеристик грунтовых сред в широком диапазоне изменения давлений. В результате определяются параметры уравнения состояния, при которых рассогласование экспериментальных и теоретических результатов гарантированно не превосходит ошибку эксперимента. Эффективность метода демонстрируется решением задачи идентификации параметров сопротивления песчаного грунта сжатию и сдвигу при скоростях внедрения до 1 км/с.

Исследованию процессов удара и проникания тел в грунтовые среды посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ. Были предложены [1, 2] аналитические методы решения задач проникания тел вращения в грунты с использованием упрощенных представлений о динамическом поведении грунта. Экспериментально оценивались такие характеристики проникания осесимметричных тел, как сила и коэффициент сопротивления внедрению, ускорение, глубина проникания и другие параметры. Эксперименты в зависимости от постановки можно разделить на прямые [3-5] и обращенные [5, 6]. В работе [4] наряду с анализом процесса проникания представлен метод динамического внедрения для определения сопротивления сдвигу глинистого грунта (упругопластической среды с условием пластичности Треска - Сен-Венана).

Значительное количество экспериментальных работ посвящено анализу динамических свойств мягкого грунта [7-9]. Известны [7] результаты полевых экспериментальных исследований взрывных волн в песчаных грунтах нарушенной и ненарушенной структуры при давлениях до ста атмосфер. В динамических испытаниях [8] образца грунта в упругой обойме, оснащенной тензодатчиками, получена информация о сопротивлении грунтовых сред сжатию и сдвигу при давлениях порядка тысячи атмосфер. В плосковолновых экспериментах [9] достигаются давления свыше десяти тысяч атмосфер, но определяется лишь сжимаемость грунтовой среды (ударная адиабата). Таким образом, эффективные методы исследования упругопластических свойств грунтовых сред в широком диапазоне давлений на сегодняшний день отсутствуют.

В последние годы на основе известных моделей грунтов [1, 10, 11] развиваются численные методы исследования процессов удара и проникания в грунт деформируемых тел [11-13]. Проведение численного моделирования в постановке, соответствующей динамическому эксперименту, позволяет оценить правомерность гипотез и допущений, использующихся при обработке результатов эксперимента, и в то же время определить параметры модели, при которых результаты расчетов наилучшим образом согласуются с экспериментом [14].

Ранее [13-15] проводился анализ чувствительности силы сопротивления внедрению в грунт к изменению параметров модели мягкой грунтовой среды. Установлено, что характерные особенности силы сопротивления от времени позволяют использовать максимум силы для определения динамической сжимаемости грунта [15], а квазистационарное зна-

чение - для идентификации прочностных (упругопластических) характеристик грунтовой среды. Предложен подход [14], позволяющий свести решение обратной задачи идентификации к последовательному решению ряда прямых задач, и, в конечном итоге, получить необходимые функциональные зависимости математической модели в дискретном виде с шагом дискретизации, определяемым имеющимися экспериментальными данными.

В данной работе рассмотрены два подхода к решению задачи идентификации параметров динамического сопротивления грунтовых сред сжатию и сдвигу. В первом подходе функция пластичности определяется в дискретном представлении, которое существует практически для любого мягкого грунта, но требует проведения достаточно большого числа экспериментов. Во втором подходе, требующем большего объема вычислений, используется аналитическое представление зависимости динамического сопротивления сдвигу в виде дробно-рациональной функции, зависящей от набора параметров, имеющих ясный физико-механический смысл сцепления, угла внутреннего трения и предельного сопротивления сдвигу. Идентификация этих параметров проводится с позиций интервального анализа, что позволяет одновременно учесть погрешности эксперимента и численного моделирования и в итоге получить интервалы допустимого изменения вектора искомых параметров модели при минимальном числе экспериментов.

1. Математическая модель [1] динамики мягкой грунтовой среды записывается в цилиндрической системе координат roz (oz - ось симметрии) в виде системы дифференциальных уравнений:

dp/dt + р( ur, r + uz, z) = -(р ur) / r pdUr/dt - Orr, r - °rz, z = (°rr - °ee)/r Pduz/dt - Orz, r - Ozz, z = (Orz)/r DjSj + XH(J2 - 1/3/\(p))Sij = 2Gej (i, j = r, z) dp*/dt = dp/dtH(p - p*)H(dp/dt) и конечных соотношений

p = / i(p, p*) H (p*- p) H (p0 - p) (1)

J2 = 1/3/2(p), J2 - 1/2SijSij (2)

где H - функция Хевисайда; t - время; p0, p и p^ - начальная, текущая и максимальная плотность, достигнутая в процессе нагружения; ui, Oj, sij, e¡j - компоненты вектора скорости, тензора напряжений Коши и девиаторов тензоров напряжений и скоростей деформаций соответственно (i, j = r, z); p - давление; DJ - производная Яумана; d/dt - полная производная по времени; G - модуль сдвига грунтовой среды; J2 - второй инвариант тензора напряжений в условии пластичности Мизеса-Шлейхера. Символ после запятой обозначает дифференцирование по соответствующей переменной, по повторяющимся индексам производится суммирование, неизвестные функции/ и/2 подлежат определению.

2. Решение задачи идентификации параметров уравнения состояния грунтовых сред (1), (2) целесообразно [14] осуществить на основе сочетания обращенных экспериментов с использованием мерного стержня [5, 6] и численного моделирования процессов удара и проникания цилиндрических стержней в грунтовые среды [13]. При этом необходимо регистрировать изменение силы сопротивления внедрению от времени на поверхности мерного стержня только в одном сечении вблизи ударяемого торца.

Процесс проникания состоит из двух стадий - нестационарной и квазистационарной. На нестационарной стадии наблюдается рост силы сопротивления до максимума с последующим падением до квазистационарного значения. Ранее показано [14], что оптимальным для решения задачи идентификации параметров уравнения состояния грунтовой

среды является выбор цилиндрических ударников с плоским торцом, время нарастания силы сопротивления которых минимально, а различие между силами сопротивления внедрению на начальной и квазистационарной стадиях максимально. Особенности зависимости силы сопротивления от времени позволяют использовать максимум силы для определения динамической сжимаемости грунта, а квазистационарное значение - для идентификации сдвиговых характеристик грунтовой среды. Для ударников с иной формой головной части отмеченные особенности изменения силы сопротивления во времени сглаживаются.

2.1. Приведенная математическая модель грунтовой среды содержит инвариантную зависимость (1) давления от плотности. Большинство динамических экспериментов [9, 15], как отмечалось выше, направлено на получение ударной адиабаты (УА) мягких грунтов в виде близкой к линейной зависимости Б(и) скорости УВ от массовой скорости за фронтом волны (в диапазоне скоростей удара 80-100 м/с):

Б = А + Ьи (3)

Из линейной зависимости (3) и законов сохранения массы и импульса следует зависимость напряжения от относительного изменения объема

о =-р0 А2 е / (1- Ье)2, 1- р0/р

полученная ранее [9] в диапазоне напряжений 0.1-5 ГПа. Здесь А соответствует скорости продольной волны в грунте при р = р0, Ь характеризует предельную сжимаемость грунта. УА мягкого грунта может быть также получена по данным обращенных экспериментов с использованием зависимости максимума силы сопротивления от скорости удара [15].

В условиях квазиодноосного деформированного состояния, имеющего место при получении УА, с учетом условия пластичности (2), получаем

0 = -(1+2/3 /2/р) р

2 2 2 2 (4)

/1 = р0а е/(1 - Ье)2, а = А2/(1 + 2/3/2/р)

При давлениях от 0.1 ГПа величина /2/р, соответствующая в (4) углу внутреннего трения в грунте, обычно полагается постоянной [1, 2, 7], при больших давлениях - близкой к нулю [16].

Таким образом, задача идентификации параметров модели грунта при известной ударной адиабате с учетом соотношения (4) сводится к определению зависимости напряжения внутреннего трения от давления.

2.2. Искомую зависимость определим минимизацией функционала, описывающего суммарное среднеквадратичное рассогласование теоретических и экспериментальных данных в некотором диапазоне скоростей

1 ^ - - (5)

к = 1 (П )2

Здесь - экспериментально полученная сила сопротивления внедрению с начальной скоростью Ук; ¥к - квазистационарное значение силы сопротивления, полученное в расчетах с той же скоростью.

Для приближенного решения поставленной задачи оптимизации представим функцию текучести в дискретном виде

/2(р) = /2-1 + ак(р -рк-1), рк-1 < р < рк, к = 1, N (6)

определив узлы дискретизации таким образом, чтобы выполнялось условие

- П\/П <5

где 5 - заданная малая величина. Для этого в численном расчете для скоростей удара V = Ук > Ук _ ! уточняется угол наклона ак очередного звена ломаной (6) до совпадения расчетных и экспериментальных значений сил сопротивления на квазистационарной стадии внедрения. Корректировку угла наклона каждого звена ломаной (6) осуществляем пропорционально различию экспериментальных и расчетных данных:

г + 1 Р*- Р0 (а = 0) ; .

ак = -----¡5-ак , 1 = 1

^ (ак) - Ла = 0)

Здесь г _ номер итерации. Начальное значение угла а^ при к = 1 определяется приближенной формулой [2] для силы сопротивления Р на квазистационарной стадии, а^ = ак -1 при к > 1. Опорные значения давлений р кусочно-линейной функции /2(р) можно определить при численном решении задачи как среднее давление на ударяемом торце стержня или в одномерном приближе

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком