Лаборатория механики прочности и разрушения метериалов и конструкций. Юбилейные материалы и достижения 2015–2025 к 60-летию ИПМех РАН

• Наиболее значимые результаты за 2015–2025 гг.
• Из истории лаборатории

Наиболее значимые результаты за 2015–2025 гг.

1. Создана установка и разработана методика 3D-спекл-интерферометрической дилатометрии для исследования изменений объёмов испытуемых тел от воздействия на них внешних факторов

   Разработана методика и создана установка для 3D-спекл-интерферометрической дилатометрии. Преимущества: съём дилатометрической информации не только в одном направлении, как у существующих дилатометров, но и одновременно в любых других направлениях, доступных для наблюдения, с помощью, также разработанной в лаборатории, системы 3D-панорамной спекл-интерферометрии. Предложенный способ и реализующая его конструкция запатентованы.

   • 
     Оптическая схема 3D-спекл-интерферометра:
     1 – лазер; 2 – видеокамера;
     3 – полупрозрачное зеркало;
     4 – диффузный отражатель;
     5 – матовое стекло; 6 – делительная призма;
     7–10 – зеркала; 11 – образец
   • 
     Фото объекта – прямоугольного
     параллелепипеда в видимом свете;
     лицевые грани обозначены буквами A и B,
     невидимые спереди, тыльные грани – C и D
   • 
     спекл-интерферограмма перемещения
     по всем боковым граням параллелепипеда
     при его наклоне как жесткого целого
   • 
     иллюстрация неравномерного температурного
     расширения боковой поверхности параллелепипеда
     при несимметричном нагреве его верхней грани
   1. Патент РФ №2559797 на изобретение: «Способ дилатометрии» (Гольдштейн Р.В., Козинцев В.М., Подлесных А.В., Попов А.Л., Солодовников С.И., Челюбеев Д.А.). Начало отсчёта действия патента 16.07.2015 г.
   2. Патент РФ №153452 на полезную модель: Интерференционный дилатометр (Гольдштейн Р.В., Козинцев В.М., Попов А.Л., Солодовников С.И., Челюбеев Д.А.). Начало отсчёта действия патента 24.06.2015 г.
   3. Goldstein R.V., Popov A.L., Kozintsev V.M., Chelubeev D.A. Some new applications of ESPI at the mechanical tests // Meccanica. 2015, Vol. 50, Iss. 2, pp. 389-399. DOI: 10.1007/s11012-014-9949-2
2. Разработан метод диагностики остаточных напряжений в упругопластических телах с помощью зондирующего отверстия

   Разработанные методы учёта пластичности в окрестности зондирующего отверстия позволяют корректировать общепринятые методики и стандарты по измерению остаточных напряжений методом зондирующего отверстия в важном для практики диапазоне высоких остаточных напряжений при осесимметричном и неосесимметричном распределениях наиболее опасных для конструкций высоких остаточных напряжений, близких к пределу текучести материалов образцов.

   • 
     Расчётная схема трёхмерного тела
     с напряжением и несквозным отверстием
   • 
     Экспериментальная диагностика
     осесимметричных и неосесимметричных
     напряжений на одном образце
   1. Popov A.L., Alexandrov S.E., Kozintsev V. M. et al. Effect of plasticity at out-of-plane electronic speckle pattern interferometry diagnostics of axisymmetric stresses by the hole-drilling method // Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 2018. Vol. 53, no. 1. P. 3-14. DOI: 10.1177/0309324717738377
   2. Бухалов В.И., Попов А.Л., Челюбеев Д.А. Задача Гадолина в упругопластической постановке // Прикладная математика и механика. 2018. Т. 82, № 6. С. 804-812. pmm.ipmnet.ru/ru/Issues/2018/82-6/804 DOI: 10.31857/S003282350002744-8
      = Bukhalov V.I., Popov A.L., Chelyubeev D.A. "Gadolin’s Theory in Elastoplastic Formulation," // Mech. Solids. 2019. Vol. 54. No. 2. P. 356-363. DOI: 10.3103/S0025654419030051
   3. Bukhalov V.I., Popov A.L. Verification of the iterative procedure for solving the elastoplastic kirsch problem on the lame problem // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1614. P. 012090. DOI: 10.1088/1742-6596/1614/1/012090
3. Разработан объединённый спекл-интерферометрический и акустический метод диагностики изменений состояния материалов и конструкций

   Состояние материалов и конструкций диагностируется по изменениям спектрального состава, добротности её вибрационного и звукового полей в сопоставлении с изменениями спекл-интерферограмм перемещений наблюдаемой поверхности образца, снимаемых в режиме реального времени одновременно с акустической информацией. Метод позволяет судить о наличии дефектов не только по изменению спектрального состава вибрационного и звукового полей, но и даёт возможность определения места дефекта по искажению спекл-интерферограммы поля перемещений поверхности образца.

   • 
     Cпекл-интерферограммы первой формы
     колебаний пластины в форме кардиоиды:
     a – при полной затяжке
     всех винтов крепления контура,
     b – при ослабленной затяжке
     двух винтов заделки
   1. Попов А.Л., Козинцев В.М., Челюбеев Д.А., Азаров А.А. Оптико-акустическая диагностика дефектов элементов тонкостенных конструкций и степени их залечивания // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. 2022. Т. 4, № 54. С. 25-33. DOI: 10.37972/chgpu.2022.54.4.003
4. Разработан метод совместного определения коэффициента Пуассона и коэффициента контактного трения при сжатии цилиндрического образца

   Использование экспериментальной информации о поле перемещений ненагруженной боковой поверхности цилиндра в качестве исходной информации для решения обратной задачи позволило получить необходимые уравнения для совместного определения коэффициента Пуассона и коэффициентов трения по торцам цилиндра с заранее неизвестными механическими характеристиками. На методику решения обратной задачи выдан патент на изобретение по способу совместного определения коэффициента Пуассона и коэффициента контактного трения.

   • 
     Расчётная схема цилиндра при осевом сжатии
   • 
     интерферограмма радиальных перемещений
     боковой поверхности цилиндра
   • 
     Аналитические и численные распределения
     радиальных перемещений по высоте боковой
     поверхности цилиндра при разных коэффициентах
     Пуассона и контактного трения
   • 
     Распределения отношений сдвигового напряжения
     к осевому по контактным торцам цилиндра
     при разных коэффициентах контактного трения
   1. Патент РФ на изобретение №2 818 645 C1: «Способ совместного определения коэффициента Пуассона и коэффициентов контактного трения при испытании на сжатие» (Бухалов В.И., Козинцев В.М., Попов А.Л., Челюбеев Д.А., Шифрин Е.И.). Дата публикации патента: 03.05.2024 г.
5. Разработаны новые, эффективные методы идентификации трещиноподобных дефектов в стержнях по собственным частотам колебаний

   В задаче о продольных колебаниях стержня доказано, что любое количество трещин однозначно идентифицируется с помощью двух спектров, отвечающих условиям на концах: свободный – свободный и закрепленный – свободный. Последний результат распространяется также на случай стержня переменного сечения. Адекватность применяемых для получения теоретических результатов моделей подтверждена с помощью полученных и обработанных экспериментальных данных. В задаче о поперечных колебаниях стержня Эйлера–Бернулли постоянного сечения доказано, что любое количество поперечных трещин однозначно восстанавливается с помощью трех спектров, отвечающих следующим условиям на концах: закрепленный – свободный, шарнирно опертый – свободный, скользящий – свободный.

   1. Shifrin E.I. Identification of a finite number of small cracks in a rod using natural frequencies // Mechanical Systems and Signal Processing. 2016. V. 70-71. P. 613-624. DOI: 10.1016/j.ymssp.2015.09.023
   2. Shifrin E.I. Inverse spectral problem for a non-uniform rod with multiple cracks // Mechanical Systems and Signal Processing. 2017. V. 96. P. 348-365. DOI: 10.1016/j.ymssp.2017.04.029
   3. Shifrin E.I., Popov A.L., Lebedev I.M., Chelyubeev D.A., Kozintsev V.M. Numerical and experimental verification of a method of identification of localized damages in a rod by natural frequencies of longitudinal vibration // Acta Mechanica. 2021. DOI: 10.1007/s00707-020-02919-w
   4. Shifrin E.I., Lebedev I.M. Identification of multiple cracks in a beam by natural frequencies // European Journal of Mechanics – A/Solids. 2020. V. 84. 104076 DOI: 10.1016/j.euromechsol.2020.104076
6. Развивается метод идентификация дефектов в упругом теле по переопределенным данным на внешней границе тела

   Продолжилось развитие метода идентификации полостей, трещин и включений в упругом теле по переопределенным данным на всей внешней границе тела, в том числе на части внешней границы тела. Метод основан на применении принципа взаимности. В этой области разработан метод идентификации множественных трещин и узловых точек упругих включений, занимающих квадратурные области.

   1. Shifrin E.I., Kaptsov A.V. Identification of multiple cracks in 2D elasticity by means of the reciprocity principle and cluster analysis // Inverse Problems. 2018. V. 34. No 1. 015009. DOI: 10.1088/1361-6420/aa9d74
   2. Шифрин Е.И., Капцов А.В. Идентификация узловых точек упругого включения в упругой плоскости // Доклады РАН. Математика, информатика, процессы управления. 2023. Т. 509. С. 77-82. DOI: 10.31857/S268695432370011X EDN: CTPNFY
      = Shifrin E.I., Kaptsov A.V. "Identification of Nodal Points of an Elastic Inclusion in Elastic Plane", // Dokl. Math. 2023. Vol. 107. No. 1. P. 64-68. DOI: 10.1134/s1064562423700527
   3. Капцов А.В., Шифрин Е.И. Плоская задача теории упругости об идентификации узловых точек квадратурного включения // Изв. РАН. МТТ. 2023. № 6. С. 47-68. mtt.ipmnet.ru/ru/Issues/2023/6/47 DOI: 10.31857/S0572329923600147
      =  Kaptsov A.V., Shifrin E.I. "Plane Problem of the Theory of Elasticity on the Identification of Nodal Points of a Quadrature Inclusion," // Mech. Solids. 2023. Vol. 58. No. 6. P. 1967-1985. DOI: 10.3103/S0025654423600435
   4. Shifrin E.I., Kasparova E.A. Defect detection using Cauchy data on a part of outer boundary of an elastic body // Zeitschrift fur Angewandte Mathematik und Physik (ZAMP). 2022. V. 73. Issue 4. Article number 134. DOI: 10.1007/s00033-022-01765-1
7. Исследования по дисперсии волн Лэмба в стратифицированных и функционально-неоднородных средах

   При распространении волн Лэмба, а так же волн Рэлея–Лэмба обнаружены эффекты образования зон с продольно-поперечными резонансами, конусов Дирака, получены условия разрывов в фазовых скоростях волн Лэмба. В случае продольно-поперечных резонансов, речь идет об опасных частотах или длинах волн, при которых возможно спонтанное увеличение амплитуд, которое может приводить к негативным эффектам, включая разрушение конструкций.

   1. Kuznetsov S.V. Anomalous Lamb waves in cubic crystals at a non-semisimple degeneracy of the fundamental matrix // Mechanics of Advanced Materials and Structures. 2024. (online first) DOI: 10.1080/15376494.2024.2305251
   2. Kuznetsov S.V. Dirac cones in three-layered plates // Journal of Sandwich Structures & Materials. 2024. Vol. 26. Iss. 5. P. 703-714. DOI: 10.1177/10996362241226982
   3. Kuznetsov S.V. Lamb waves in stratified plates: Appearance of "forbidden" phase velocities // Z. Angew. Math. Phys. 2024. Vol. 75. Article 107. DOI: 10.1007/s00033-024-02245-4
8. Исследования по распространению акустических волн в гиперупругих средах

   При распространении как гармонических, так и ангармонических волн в гиперупругих средах, определяемых потенциалами Муни–Ривлина, Огдена и Арруды–Бойс, обнаружены эффекты образования и распространения множественных ударных волновых фронтов и, связанной с этим, диссипации механической энергии в средах без сухого и вязкого трения. Полученные результаты позволят создавать гасители колебаний нового поколения, без использования демпфирующих устройств с вязким трением.

   • 
     Уменьшение амплитуд колебаний
     дельта-образного импульса
     в стержне Муни–Ривлина
   1. Kuznetsov S.V. Torsional waves in hyperelastic shells: Appearing shock waves and energy dissipation // Mechanics of Materials. 2024. Vol. 189. Article 104905. DOI: 10.1016/j.mechmat.2023.104905
   2. Kuznetsov S.V. Acoustic black hole in a hyperelastic rod // Z. Angew. Math. Phys. 2023. Vol. 74. Article 122. DOI: 10.1007/s00033-023-02020-x
   3. Kuznetsov S.V. Appearing shock waves in Arruda–Boyce incompressible rod // Waves in Random and Complex Media. 2023. (online first) DOI: 10.1080/17455030.2023.2285972
9. Разработан метод сейсмической защиты зданий на основе гранулированных метаматериалов

   Для защиты зданий и сооружений от сейсмических воздействий высокой интенсивности, подобных землетрясению в Турции 06.02.2023, разработана система сейсмической защиты на основе гранулированных метаматериалов, обладающих свойствами фононных кристаллов. Сейсмическая подушка из таких метаматериалов, располагается между фундаментными плитами многоэтажного здания. Эта система сейсмической защиты обеспечивает снижение амплитудных значений ускорений, более чем в пять раз, причем в частотном диапазоне от 0 до 35 Гц.

   • 
     Обрушение каркаса здания,
     вызванное появлением ударных
     сейсмических волн высокой интенсивности
   • 
     Сейсмическая подушка для защиты
     многоэтажного здания
     (подушка выделена красным цветом;
     боковой компенсатор показан зеленым)
   1. Karakozova A, Kuznetsov S.V., Mondrus V., Bratov V. The devastating 06.02.2023 Turkey – Syria earthquake of extreme intensity XI: Aposteriori estimates and damage prevention. // E3S Web of Conferences 410, 03001 (2023). FORM-2023 DOI: 10.1051/e3sconf/202341003001
10. Рост трещин при учёте наличия связей в концевой области

    Для анализа квазистатического роста трещины с концевой областью, заполненной связями, предложен критерий разрушения, учитывающий работу по деформированию связей в концевой области трещины. Состоянию предельного равновесия вершины трещины соответствует энергетическое условие - равенство скорости высвобождения энергии деформации в вершине трещины и скорости потребления энергии деформации связями в концевой области трещины (первое условие разрушения). Разрыв связей на краю концевой области определяется условием их предельной вытяжки (второе условие разрушения). Исходя из этих двух условий можно определить два основных параметра разрушения – критическую внешнюю нагрузку и размер концевой области трещины в состоянии предельного равновесия. Предложена модель разрушения соединения различных материалов при наличии участка ослабленных связей между материалами. Такой участок моделируется трещиной, между берегами которой действуют силы сцепления, зависящие от раскрытия трещины. Для анализа квазистатического роста трещины с концевой областью, заполненной связями, используется нелокальный критерий разрушения, учитывающий работу по деформированию связей в концевой области трещины. Исходя из этих двух условий рассмотрены режимы докритического и квазистатического роста трещины. Модель трещины с концевой областью на границе соединения различных материалов и кинетическая теория формирования молекулярных связей использованы для оценки эффективности самозалечивания трещин в композиционных материалах. Цель моделирования процесса самозалечивания состоит в вычислении коэффициентов интенсивности напряжений, которые являются основными характеристиками эффективности самозалечивания трещины.

    • 
      Расчет параметров нелокального критерия разрушения:
      a) скорость высвобождения энергии деформации
      и скорость потребления энергии связями;
      б) раскрытие трещины на краю концевой области,
      условие критического раскрытия выполняется в точке А;
      точка В – недопустимый корень
    • 
      Зависимость критического размера концевой области трещины d_cr
      от длины трещины l для квазистатического режима разрушения,
      l₀ – начальная длина трещины
    • 
      Зависимость модуля КИН от времени
      при формировании связей
      (формировании концевой области),
      вариация относительной податливости связей
    1. Perelmuter M. Nonlocal criterion of bridged cracks growth: Weak interface // Journal of the European Ceramic Society. Vol. 34, Issue 11, 2014, P. 2789-2798. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.01.033
    2. Perelmuter M. Nonlocal criterion of bridged cracks growth: analytical analysis // Acta Mechanica, 2015. Vol. 226, no. 2. P. 397-418. DOI: 10.1007/s00707-014-1170-9
    3. Perelmuter M. Analysis of interaction of bridged cracks and weak interfaces // International Journal of Mechanical Sciences. 2018. V. 149. P. 349-360. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2018.10.011
    4. Перельмутер М.Н. Моделирование кинетики самозалечивания трещин // Физ. мезомех. 2019. Т. 22. № 4. С. 47-55. DOI: 10.24411/1683-805x-2019-14005
       = Perelmuter M.N. Modeling of crack self-healing kinetics // Phys. Mesomech. 2020. Vol. 23, no. 4. P. 301-308. DOI: 10.1134/s1029959920040037

Из истории лаборатории

Лаборатория механики прочности и разрушения материалов и конструкций создана в 1988 году. Основателем лаборатории был выдающийся ученый механик, в будущем член-корреспондент РАН, Роберт Вениаминович Гольдштейн, который руководил ей бессменно вплоть до своего ухода из жизни в 2017 году. Лаборатория выросла из научной группы, под руководством Р.В. Гольдштейна, входящей вначале в состав Лаборатории механики и физики материалов (зав. лаб., профессор, д.ф.-м.н. Гавриил Семенович Шапиро), а затем Лаборатории математического моделирования в механике материалов (зав. лаб., профессор, д.ф.-м.н., Владимир Николаевич Кукуджанов). На фотографии, сделанной в 1984 году в связи с успешным подведением итогов соцсоревнования, изображена часть сотрудников Лаборатории математического моделирования вместе с группой Роберта Вениаминовича Гольдштейна.

• 
  Лаборатория математического моделирования
  в механике материалов (1984)
• 
  Лаборатория механики прочности
  и разрушения материалов и конструкций
  (на субботнике, апрель 2010)
  слева направо: Осипенко Н.М., Простомолотов А.И.,
  Дашевский И.Н., Гольдштейн Р.В., Шифрин Е.И.,
  Мокряков В.В., Попов А.Л., Челюбиев Д.А.,
  Солодовников С.И., Лисовенко Д.С., Козинцев В.М.,
  Шушпанников П.С., Подлесных А.В.
• 
  Роберт Вениаминович
  Гольдштейн
  (1940–2017)
  основатель лаборатории,
  зав. лабораторией
  с 1988 по 2017 гг.
• 
  Ефим Ильич
  Шифрин
  зав. лабораторией с 2017 г.

Под руководством Р.В. Гольдштейна за годы существования лаборатории выполнены важнейшие научные исследования, в частности, разработаны модели и методы расчета хрупкого и квазихрупкого разрушения материалов с учетом их структуры, в частности, пористой, слоистой, волокнистой. Разработаны критерии и выполнено моделирование искривления траекторий роста трещин при хрупком и квазихрупком разрушении. Разработаны методы оценки и моделирования условий пластического разрушения при статическом нагружении элементов конструкций с трещинами. Развит подход к описанию разрушения льда и ледяного покрова, в том числе при взаимодействии с ледоколами и ледостойкими конструкциями. Предложены тактические приемы работы ледоколов в сжатых льдах, включая приемы проводки судов и освобождения их от ледового сжатия. Им вместе с учениками получен ряд фундаментальных результатов в области нано- и микромеханики, выполнен ряд работ по моделированию прочности и разрушения наноматериалов и наноструктурных объектов. В работах совместных с ФГУП ЦАГИ предложена методика оценки остаточной прочности панели из углерод-углеродного композита при наличии в ней ударных повреждений. В настоящее время лабораторией руководит д.ф.-м.н. Ефим Ильич Шифрин.

Информация на февраль 2025 г.