Физико-математическое исследование динамического разрушения конструкционных материалов при сверхинтенсивных ударных нагрузках Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 539.3

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СВЕРХИНТЕНСИВНЫХ УДАРНЫХ НАГРУЗКАХ

© И.Е. Хорев, В.М. Захаров, К.А. Климкин, В.В. Ярош

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г.Томск, Россия, e-mail: khorev@main.tusur.ru

Ключевые слова: высокоскоростной удар; моделирование; разрушение; боёк; преграда; откол.

Проводится комплексное экспериментальное и теоретическое изучение динамического разрушения преград и составных конструкций при высокоскоростном взаимодействии разномасштабных твёрдых тел, одно из которых боёк различной формы, а другое - одиночная преграда или составная конструкция.

Физическое моделирование процессов высокоскоростного взаимодействия твердых тел проводилось на экспериментальных стендах, включающих три основных элемента: баллистическую установку, трассу с регистрирующей и синхронизирующей аппаратурой и мишенную обстановку. При этом анализу при скоростях взаимодействия до 8 км/с подвергается как динамика внедрения бойков в преграды и их разрушение, так и сохранённые после опытов образцы ударников и преград [1].

Разработана математическая модель поведения материала, подверженного интенсивным ударным и взрывным нагрузкам. Она включает кинетическую модель разрушения материала в волнах разрежения активного типа и экспериментальные зависимости прочностных характеристик от температуры и пористости. Создана единая модель динамического разрушения материала, позволяющая описывать как процесс роста пор (трещин), так и процесс их схлопывания.

В общем случае разработанная математическая модель тел при ударном взаимодействии в пространственной постановке описывается сжимаемой упругопластической средой. Поведение такой среды при динамических нагрузках характеризуется уравнением состояния, модулем сдвига, динамическим пределом текучести и константами кинетической модели разрушения. Кинетическая модель разрушения описывает накопление, развитие и эволюцию микроповреждений, которые непрерывно изменяют свойства материала и вызывают релаксацию напряжений. В качестве меры разрушения взят удельный объём трещин. Изолинии удельного объёма трещин показывают степень разрушения материала в волнах разрежения, а градиент удельного объёма трещин показывает направление движения магистральной трещины откола [1]. Для численного моделирования широкодиапазонного поведения различных материалов (металлов, сплавов, керамик и порошковых сред) использовался метод конечных элементов, который хорошо зарекомендовал себя при решении пространственных задач высокоскоростного взаимодействия разномасштабных твёрдых тел.

На основе кинетической модели разрушения непрерывного типа, численного метода конечных элементов, алгоритмов и методик оценки динамических физикомеханических характеристик материалов создан программный комплекс для компьютерного моделирования процессов ударного деформирования и разрушения преград и конструкций [2, 3] в осесимметричной, плоской и трехмерной постановках.

На рис. 1 показаны конфигурации взаимодействующих тел в момент времени 30 мкс: стальной боёк диаметром 6 мм, длиной 25 мм с конической головной частью, преграда из титанового сплава ВТ6, скорость взаимодействия 730 м/с, удар по нормали к преграде (осесимметричный случай).

Исследованы особенности внедрения бойков из стали и свинца в различные преграды конечной толщины и особенности распространения дивергентных волн напряжений.

'Мя. ° 11 Р^Г7

Рис. 2.

На рис. 2 представлены хронограммы процесса накопления повреждений в бойке и в преградах в моменты времени 3, 7, 8 и 8,5 мкс при взаимодействия стального цилиндра с высотой, равной диаметру (8 мм), с разнесенной двухпреградной конструкцией из стали (толщина пластин равна 5 мм, а величина зазора между пластинами 3 мм) со скоростью 2500 м/с.

Проведены параметрические исследования различных задач высокоскоростного соударения разномасштабных твёрдых тел. Исследована стойкость наиболее эффективных защитных конструкций в диапазоне скоростей встречи до 4 км/с от стальных стержневых бойков различного удлинения. Математически описаны обнаруженные новые физические явления при пробитии преград конечной толщины, слоистых, экранированных и разнесённых в пространстве конструкций при нормальном и косом столкновении, включая наличие у бойков углов нутации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хорев И.Е. Физическое и математическое моделирование разрушения материалов и конструкций по анализу предразрушения соударяющихся тел // Химическая физика. 2002. Т. 21. № 9. С. 17-21.

2. Хорев И.Е., Толкачёв В.Ф., Ерохин Г.А., Физико-математический анализ противоударной стойкости преград и конструкций для защиты космической техники // Космические исследования. 2007. Т. 45. № 2. С. 183-188.

3. Захаров В.М., Хорев И.Е. Экспериментальное исследование особенностей проникания высокопрочных ударников в преграды // Современная баллистика и смежные вопросы механики: сборник материалов научной конференции. Томск: Томский государственный университет, 2009. С. 215-216.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и РНП ВШ, рег. № 2.1.1/4147.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Khorev I.E., Zakharov V.M., Klimkin K.A., Yarosh V.V. A physical and mathematical research of dynamic destruction construction materials at hyperintensive impacts.

A complex experimental and theoretical study of dynamic destructions of targets and sectional constructions at hypervelocity collisions of firm substances of different sizes, one of which is a projectile of different forms and the other is a single target or a sectional constructional, is conducted.

Key words: hypervelocity impact; modeling; destruction; projectile; spall; target.