CC BY
33Решетнеескцие чтения. 2015
УДК 539.3
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ЛЬДА*
В. П. Глазырин1, М. Ю. Орлов1, Ю. Н. Орлов1, Ю. Н. Орлова2
Национальный исследовательский Томский государственный университет
Российская Федерация, 634050, Томск, просп. Ленина, 36 2Национальный исследовательский Томский политехнический университет Российская Федерация, 634050, Томск, просп. Ленина, 30 Е-mail: orloff_m@mail.ru
Представлены результаты комплексных теоретико-экспериментальных исследований по взрывному на-гружению льда. Приведены результаты натурных испытаний по взрывному нагружению речного льда эмульсионным зарядом взрывчатого вещества (ВВ). Проведены параметрические исследования разрушения льда в зависимости от глубины закладки ВВ. Получены рекомендации по более эффективному разрушению льда с учетом влияние слоя воды. Практическая значимость заключается в необходимости создания новых элементов летательных аппаратов с защитой от ледяных небесных тел.
Ключевые слова: лед, модель, эксперимент, расчет, взрыв, деформация, разрушение.
NUMERICAL SIMULATION OF THE ICE DESTRUCTION V. P. Glazyrin1, M. Yu. Orlov1, Yu. N. Orlov1, Yu. N. Orlova2
1National Research Tomsk State University 36, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation 2National Research Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation Е-mail: orloff_m@mail.ru
The results of complex theoretical and experimental studies on the explosive loading of ice are presented. The results offield tests of explosive loading of river ice emulsion explosive charge is considered. There has been new scientific knowledge about the behavior of ice under the explosion.
Keywords:ice, model, experiment, calculation, explosion, deformation, destruction.
Введение. Известно, что для развития отечественной ракетно-космической отрасли необходимо исследовать поведение льда при динамических нагрузках. Многие небесные тела состоят изо льда, поэтому не исключена возможность их столкновения с летательными аппаратами. В НАСА «ледовые» исследования активизировались после катастрофы «Колумбии». В результате была разработана феноменологическая модель его поведения при динамических нагрузках [1]. Анализ публикационной активности указывает на то, что модель является наиболее распространенной. Однако лед является древнейшим природным и плохо изученным материалом, некоторые результаты (теоретические и экспериментальные) не согласуются между собой. В настоящее время для проведения исследований по динамическому нагружения льда необходимы надежные экспериментальные данные.
В НИИ прикладной математики и механики Томского государственного университета постоянно ведутся поисковые научные исследования процесса динамического нагружения льда: разработана физико-математическая модель деформирования и разруше-
* Работа поддержена РФФИ 13-08-00509а.
ния льда при ударных и взрывных нагрузках, численный метод расчета его напряженно-деформированного и термодинамического состояния с учетом разрушения на фрагменты, обобщены теоретические и экспериментальные результаты. По инициативе сотрудников лаборатории. Прочности неоднократно были организованы экспедиции с целью проведения натурных испытаний по взрывному нагружению льда и других природных материалов. На территории Западно-Сибирского федерального округа проведено более 10 экспедиций и подорвано более 10 000 кг взрывчатки в тротиловом эквиваленте. Целью данной работы являлось теоретико-экспериментальное исследование поведения льда при взрывных нагрузках для получения новых знаний о его поведении при данных условиях [2].
Результаты натурных испытаний. В апреле 2015 г. проведены натурные испытания по подрыву пресноводного льда штатным эмульсионным ВВ Эмуласт АС-30 ФП. Масса заряда ВВ - 4 кг. Эксперимент проведен совместно с ОАО «КузбассСпецВзрыв» и МЧС РФ по ТО в рамках ежегодных противопаводковых мероприятий. Объект исследования - заснеженный ледяной покров. Первичный осмотр экспериментальной площадки показал, что лед имел сэндвич-
Механика сплошных сред (газодинамика, гидродинамика, теория упругости и пластичности, реология)
структуру: снег (55 см) + шуга (20 см) + монолитный лед (50 см). Экспериментальная площадка выбрана почти в середине реки. Согласно метеоданным зима была относительно теплая, аномально низкой температуры (-45 °С) отмечено не было.
Исследовано 6 лунок до и после взрыва. Первые фотографии получены через 5 минут после подрыва ВВ со спасательного катера. В первые две лунки помещали по два заряда ВВ в полиэтиленовой оболочке, а в остальные - по одному. Установлено, что во льду сформировалась майна, по форме близкая к окружности. Диаметр составил ~3,5 м. При последующем детальном осмотре кромка льда оказалась довольно развитой [3].
Результаты численного моделирования. Описание поведения льда при динамических нагрузках проводится с позиции феноменологической макроскопической теории механики сплошных сред на основе фундаментальных законов сохранения. В качестве основного инструмента исследований использован модифицированный лагранжев метод, расчетная часть которого дополнена механизмами расщепления расчетных узлов и разрушения расчетных элементов [4; 5].
Объект исследования - массивный ледяной цилиндр размерами в сечении 500*250 см. Глубина закладки ВВ варьировалась в диапазоне от 22 до 221 см. В качестве ВВ использован безоболочечный заряд тринитротолуола. Масса заряда была 4,8 кг. На контактной границе «лед-ВВ», «лед-вода», а также кромках льда задано условие скольжения. Серия вычислительных экспериментов состояла из 8 вариантов и проведена в двумерной постановке с учетом осевой симметрии. Результаты исследований получены в виде рассчитанных конфигураций «лед-ВВ-вода», а также графиков и таблиц.
Проведенные исследования позволяют рекомендовать для более эффективного разрушения льда в данных условиях закладывать ВВ в середине слоя преграды.
Библиографические ссылки
1. Carney K. S., Benson D. J., DuBois P., Lee R. A phenomenological high strain rate model with failure for ice // International Journal of Solids and Structures. 2006. № 43. Р. 7820-7839.
2. Глазырин В. П., Орлов Ю. Н., Орлов М. Ю. Разрушение льда при ударном и взрывном нагружении //
Вычислительные технологии : спец. выпуск. 2008. Т. 13, №. 1. С. 425-432.
3. Орлов М. Ю. Исследование процесса взрывного нагружения льда эмульсионным ВВ. Итоги работы мобильной лаборатории «Взрывное разрушение природных материалов» // Наука. Промышленность. Оборона : тр. XVI Всерос. науч.-техн. конф. / под ред. К. А. Матвеева. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2015. С. 608-610.
4. Орлова Ю. Н. Комплексное теоретико-экспериментальное исследование поведения льда при ударных и взрывных нагрузках : автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Томск, 2014. С. 26.
5. Взрывное нагружение конструкций. Осесим-метричная задача : свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2010615392 от 20.08.2010 / Ю. Н. Орлова, В. П. Глазырин, М. Ю. Орлов, Ю. Н. Орлов.
References
1. Carney K. S., Benson D. J., DuBois P., Lee R. A phenomenological high strain rate model with failure for ice // International Journal of Solids and Structures 43 (2006), рр. 7820-7839.
2. Glazyrin V. P., Orlov Yu. N., Orlov M. Yu. The destruction of the ice under shock and explosive loading // Computational technologies. 2008. Vol. 13, no. 1, pp. 425-432 (In Russ.).
3. Orlov M. Yu. Investigation of the process of explosive loading of ice emulsion explosives. Results of the mobile laboratory "explosive destruction of natural materials" // Science. Industry. Defence: Proceedings of the XVI All-Russian scientific and technical conference / ed. K. A. Matveeva. Novosibirsk : Novosibirsk State Technical University Publishing House, 2015, pp. 608610 (In Russ.).
4. Orlova Yu. N. Complex theoretical and experimental study of the behavior of ice under impact and explosive loads. Abstract of dissertation for the degree of candidate of Physical and Mathematical Sciences, Tomsk, 2014. p. 26.
5. Orlova Yu. N., Glazyrin V. P., Orlov M. Yu., Orlov Yu. N. Certificate of state registration of the computer № 2010615392 of 20.08.2010 "Explosive loading designs. Axisymmetric problem".
© Глазырин В. П., Орлов М. Ю., Орлов Ю. Н., Орлова Ю. Н., 2015
