Törés és fragmentáció statisztikus fizikája  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
84157
típus K
Vezető kutató Kun Ferenc
magyar cím Törés és fragmentáció statisztikus fizikája
Angol cím Statistical physics of fracture and fragmentation
magyar kulcsszavak törés, fragmentáció, statisztikus fizika, számítógépes szimuláció
angol kulcsszavak fracture, fragmentation, statistical physics, computer simulations
megadott besorolás
Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)100 %
Ortelius tudományág: Statisztikus fizika
zsűri Fizika 1
Kutatóhely TTK Elméleti Fizikai Tanszék (Debreceni Egyetem)
résztvevők Kocsis Gergely
Tímár Gábor
Varga Imre
projekt kezdete 2011-02-01
projekt vége 2016-01-31
aktuális összeg (MFt) 6.748
FTE (kutatóév egyenérték) 14.50
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A projekt keretében rendezetlen szerkezetű anyagok károsodásának, törésének és fragmentációjának mélyebb megértésére tervezünk vizsgálatokat. A kutatómunkának három fő iránya van: vizsgáljuk heterogén anyagok szubkritikus törését konstans (kúszó törés) és periódikus (fáradásos törés) terhelés alatt; analizáljuk az ütközéssel keltett dinamikus törés folyamatát, valamint tanulmányozzuk tömbi anyagok és héjszerkezetek fragmentációját.

A szubkritikus törés vizsgálatának fő célja annak tisztázása, hogy a mechanikai feszültségkoncentráció, az anyag strukturális rendezetlensége és a termikus zaj együttes hatása hogyan befolyásolja a konstans vagy periódikus terhelésnek kitett rendszer makroszkópikus időfejlődését és a törés mikroszkópikus folyamatát. Dinamikus törés esetén az ütközéssel keltett repedés megindulásának és terjedésének törvényszerűségeit, és a dinamikus törésnek a fázisátalakulásokkal mutatott analógiáját vizsgáljuk. Célunk annak tisztázása, hogy a törés rideg illetve szívós jellege hogyan befolyásolja a repedésterjedést kísérő zajspektrum szerkezetét. Fragmentációs jelenségek vizsgálata során a keletkezett darabok sebességeloszlásának, továbbá a tömeg és sebesség korrelációjának megértésére koncentrálunk mind tömbi anyagok, mind héjszerkezetek esetén. További célunk annak feltárása, hogy a zárt héjak repedési mintázata hogyan befolyásolja a fragmensek alakját és annak skálatörvényeit. A fragmentációs jelenségek vizsgálatát kiterjesztjük plasztikus, szívósan törő anyagokra is.

Vizsgálataink a statisztikus fizika módszereire, a fázisátalakulások és kritikus jelenségek elméletére épül. A törési jelenségeknek realisztikus szálköteg és diszkrét elem modelljeit dolgozzuk ki, amelyekkel számítógépes szimulációkat végzünk, valamint egyszerűsítő feltevések mellett analitikus számításokat is tervezünk. A projekt mindhárom részterülete a témavezetőnek a szakterület elismert hazai és nemzetközi kutatóhelyeivel együttműködésben végzett eddigi sikeres kutatásaira épül.
angol összefoglaló
In the framework of the project we are going to investigate various aspects of the damage, fracture and fragmentation of disordered materials. Research efforts are focused in three main directions: we plan to investigate the sub-critical fracture of heterogeneous materials under constant (creep) and cyclic (fatigue) loading; the dynamic fracture process induced by impact loading; furthermore, the fragmentation of bulk materials and shell-like structures.

Studying sub-critical fracture the main goal is to clarify the interplay of stress concentrations, the quenched structural disorder and annealed disorder in the macroscopic time evolution and microscopic process of creep and fatigue failure. In dynamic fracture we focus on the initiation and propagation of a crack generated by impact loading, and we investigate how the brittle and ductile character of fracture affects the jerky advancement of the crack front. In fragmentation we want to understand the velocity distribution; furthermore, the mass-velocity correlation of fragments both for bulk and shell structures. We intend to study the shape of shell fragments, as well as, the fragmentation of materials with plastic behavior and ductile breaking.

Our approach to fracture and fragmentation processes is based on statistical physics and on the theory of phase transitions and critical phenomena. We plan to develop realistic fiber bundle and discrete element models and perform large scale computer simulations complemented by analytic calculations under simplifying assumptions. All the three sub-fields of the present project are based on successful current research of the group of the PI carried out in international collaboration with respected foreign and Hungarian research groups.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A projekt keretében heterogén anyagok törési folyamatainak elméleti vizsgálatára realisztikus szálköteg és diszkrét elem modelleket dolgoztunk ki, amelyek képesek megragadni a rendezetlen mikroszerkezet és a törési dinamika legfontosabb aspektusait. Számítógépes szimulációval és analitikus számolásokkal feltártuk, hogy konstans szubkritikus és lassan növekvő terhelés alatt heterogén anyagok makroszkopikus törését intenzív repedezés előzi meg, amelynek statisztikáját univerzális hatványfüggvény eloszlások jellemzik. Megmutattuk, hogy a repedési lavinák időfejlődése a katasztrofális törés kritikus pontja felé haladva számos analógiát mutat természeti katasztrófákkal, mint a földrengések, ami felveti az előrejelzés lehetőségét is. Megállapítottuk, hogy a lavinák sokasága mellett az egyedi repedési lavinák időfejlődése is értékes információt hordoz, ami kiaknázható anyagvizsgálati módszerekben. Dinamikusan keltett, nagysebességű repedések terjedése szintén zajos folyamatnak bizonyult, azaz a repedés korrelált ugrásokban halad előre, amit hatványfüggvény eloszlások jellemeznek. Fragmentációs folyamatokra azt találtuk, hogy bizonyos körülmények között sérülhet a keletkezett darabok tömegeloszlásának univerzalitása, azaz a hatványfüggvény tömegeloszlás exponense függhet a betáplált energiától. Kísérleti és elméleti vizsgálataink arra az eredményre vezettek, hogy a fragmensek alakjának méretfüggését is univerzális törvényszerűségek írják le.
kutatási eredmények (angolul)
In the framework of the project we worked out realistic fiber bundle and discrete element models of the fracture of heterogeneous materials, which capture all relevant aspects of the structural disorder and of the dynamics of local breaking. Computer simulations and analytic calculations revealed that under constant subcritical and slowly increasing external loads the macroscopic failure of heterogeneous materials is preceded by an intensive cracking activity characterized by power law statistics. We showed that approaching catastrophic failure the time evolution of breaking bursts exhibits interesting analogies to natural catastrophes such as earthquakes which addresses the possibility of forecasting. Beyond the ensemble of breaking bursts, the time evolution of single avalanches also proved to provide valuable information about the dynamics of the fracture process that can be exploited for materials' testing methods. We pointed out that high speed crack propagation has also a jerky dynamics, i.e. the crack proceeds in correlated jumps which are characterized by universal power law statistics. For fragmentation phenomena simulations demonstrated that under certain conditions the universality of the mass distribution of fragments can be broken, i.e. the power law exponent of the distribution can depend on the imparted energy. Experiments and computer modelling revealed a high degree of universality of the size dependence of the shape of fragments.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=84157
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
G. Domokos, F. Kun, A. A. Sipos, and T. Szabo: Universality of fragment shapes, Scientific Reports 5, 9147, 2015
Zs. Danku, Gy. B. Lenkey, and F. Kun: Statistical features of magnetic noise in mixed-type impact fracture, Applied Physics Letters 106, 064102, 2015
G. Villalobos-Camargo, F. Kun, and J. D. Munoz: Effect of disorder on temporal fluctuations in drying induced cracking, Physical Review E 84, 041114, 2011
E. Karpas and F. Kun: Disorder induced brittle to quasi-brittle transition in fiber bundles, Europhysics Letters 95, 16004, 2011
A. Yamamoto, F. Kun, and S. Yukawa: Micro-structure of damage in thermally activated fracture of Lennard-Jones systems, Physical Review E 83, 066108, 2011
G. Villalobos-Camargo, F. Kun, D. L. Linero, and J. D. Munoz: Size distribution and waiting times for the avalanches of the Cell Network Model of Fracture, Computer Physics Communications 182, 1824, 2011
G. Timar and F. Kun: Crackling noise in three-point bending of heterogeneous materials, Physical Review E 83, 046115, 2011
G. Timár, F. Kun, H. A. Carmona, and H. J. Herrmann: Scaling laws for impact fragmentation of spherical solids, Physical Review E 86, 016113, 2012
Z. Halász, Zs. Danku, and F. Kun: Competition of strength and stress disorder in creep rupture, Physical Review E 85, 016116, 2012
N. Yoshioka, F. Kun, and N. Ito,: Time evolution of damage in thermally induced creep rupture, Europhysics Letters 97, 26006, 2012
S. Lennartz-Sassinek, Z. Danku, F. Kun, I. G. Main. and M. Zaiser: Damage growth in fibre bundle models with localized load sharing and environmentally-assisted ageing, Journal of Physics: Conference Series 410, 012064, 2013
F. Kun, N. Yoshioka, and N. Ito: Size scaling and bursting activity due to thermally induced cracking, Geophysical Research Abstracts Vol. 14, EGU2012-10033, 2012
K. Kovács, R. C. Hidalgo, I. Pagonabarraga, and F. Kun: Brittle-to-ductile transition in a fiber bundle with strong heterogeneity, Physical Review E87, 042816, 2013
S. Lennartz-Sassinek, I. G. Main, Zs. Danku, and F. Kun: Time evolution of damage due to environmentally assisted aging in a fiber bundle model, Physical Review E 88, 032802, 2013
Zs. Danku and F. Kun: Temporal and Spacial Evolution of Bursts in Creep Rupture, Physical Review Letters 111, 084302, 2013
Zs. Danku, and F. Kun: Creep rupture as a non-homogeneous Poissonian process, Scientific Reports 3, 268, 2013
F. Kun, I. Varga, S. Lennartz-Sassinek, and I. G. Main: Approach to failure in porous granular materials under compression, Physical Review E 88, 062207, 2013
Zs. Danku and F. Kun: Temporal and Spatial Evolution of Bursts in a Fiber Bundle Model of Creep Rupture, Key Engineering Materials 592, 773, 2014
G. Pál, I. Varga, and F. Kun: Mass-Velocity Correlation in Impact Fragmentation, Key Engineering Materials 592, 141, 2014
Z. Halász, F. van Steeden, and F. Kun: Transition from Straight to Fractal Cracks due to Projectile Penetration, Key Engineering Materials 592, 765, 2014
Zs. Danku and F. Kun: Record breaking bursts in a fiber bundle model of creep rupture, Frontiers in Physics 2, 8, 2014
F. Kun, I. Varga, S. Lennartz-Sassinek, and I. G. Main: Rupture Cascades in a Discrete Element Model of a Porous Sedimentary Rock, Physical Review Letters 112, 065501, 2014
G. Pal, I Varga, and F. Kun: Emergence of energy dependence in the fragmentation of heterogeneous materials, Physical Review E 90, 062811, 2014
H.A. Carmona, F.K. Wittel, and F. Kun: From fracture to fragmentation with discrete element modeling, European Physical Journal Special Topics 223, 2369, 2014
Zs. Danku, F. Kun, and H. J. Herrmann: Fractal frontiers of bursts and cracks in a fiber bundle model of creep rupture, Physical Review E 92, 062402, 2015
N. Yoshioka, F. Kun, and N. Ito: Kinetic Monte Carlo Algorithm for thermally induced breakdown of fiber bundles, Physical Review E 91, 033305, 2015




vissza »