CC BY
139
УДК 531.66
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1354-1357
МЕХАНИКА ВЫСОКОСКОРОСТНОГО СОУДАРЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ УДАРНИКОВ С КОМБИНИРОВАННЫМИ ПРЕГРАДАМИ
© В.Ф. Толкачев1*, С.А. Зелепугин2*, В.С. Козлов3*
НИИ прикладной математики и механики Томского государственного университета, г. Томск, Российская Федерация, е-mail: tolk@niipmm.tsu.ru 2) Томский научный центр СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, e-mail: szel@yandex.ru 3) Научно-производственное предприятие «Контур», г. Москва, Российская Федерация, e-mail: v-kozlov-90gbk.ru
Обсуждаются результаты широкомасштабных экспериментальных и теоретических исследований деформирования, разрушения и сквозного пробития одиночных и комбинированных преград при высокоскоростном воздействии стержневых ударников. На базе баллистического стенда, использующего пороховые и легкогазовые ускорители, проведены систематические экспериментальные исследования процессов высокоскоростного (0,5^4,5 км/с) взаимодействия стержневых элементов с массивными преградами, преградами конечной толщины и слоисто-разнесенными конструкциями при варьировании начальных условий удара (углов подхода, удлинения ударника, материала, толщины преград и состава конструкции). Проведено численное моделирование методом конечных элементов в пространственной постановке. Результаты численных расчетов согласуются с данными экспериментов.
Ключевые слова: высокоскоростной удар; деформирование; разрушение; ударник; преграда; физическое и математическое моделирование.
Исследование высокоскоростного взаимодействия стержневых ударников различного удлинения с одиночными преградами и конструкциями, представляющими набор простейших преград (слоистых, экранированных и разнесенных) из различных материалов (металлов, сплавов, керамик и пластиков), занимает особое место в решении сложной проблемы высокоскоростного соударения разномасштабных твердых тел. Подобное исследование является научной основой для решения практических задач, связанных с разработкой технологий двойного назначения и предназначенных для постоянного совершенствования защиты гражданской, наземной, морской, авиационной и космической техники от проникающего удара техногенных тел широкого спектра. Систематические комплексные экспериментально-теоретические исследования повреждения и пробития преград конечной толщины показывают, что изменение начальных условий взаимодействия (повышение скоростей встречи тел, выбор материалов преград и ударников, их геометрии и т. д.) существенно меняет механизмы разрушения материала [1-3]. Эксперименты свидетельствуют, что в ряде случаев конечное пробитие преград в конструкции определяется взаимной комбинацией нескольких (при определенных условиях проявляющихся отдельно) механизмов разрушения отдельных пластин, таких как выбивание диска, вязкое растекание, хрупкое дробление, откол, лепе-сткование и т. д. Однако трудно априори выяснить и предсказать динамику и эволюцию общей структуры повреждения по всей толщине как отдельной преграды, так и всей конструкции при различных начальных и граничных условиях. Для таких задач используется численное моделирование, которое при наличии адекватной опыту физико-математической модели соуда-
ряющихся тел позволяет провести компьютерный анализ противоударной стойкости преград. При этом численное моделирование остается важным источником, дающим определенную информацию непосредственно из зоны деформации и разрушения взаимодействующих тел, которое позволяет «заморозить» процесс удара на любой его стадии развития, представить степень деформации, структуру и области разрушения, исследовать динамику процесса, а также поэтапно проанализировать механизм разрушения различных материалов и всей конструкции в целом.
В работе обсуждаются результаты широкомасштабных экспериментальных и теоретических исследований сквозного пробития комбинированных преград, а также деформирования и разрушения взаимодействующих тел (ударник - преграда) при высокоскоростном соударении. На базе баллистического стенда разработаны методики метания стержневых ударников различного удлинения и регистрации их угловых и кинематических параметров в области контакта с мишенью и в запреградном пространстве [4]. Проведены систематические экспериментальные исследования процессов высокоскоростного (0,5 ^ 4,5 км/с) взаимодействия стержневых элементов с массивными преградами, преградами конечной толщины и конструкциями при варьировании начальных условий удара (углов подхода, удлинения бойка, материала, толщины преград и состава конструкции). Установлено влияние динамического предела текучести (твердости) материала ударников на их проникающую способность в преграды [3]. Из приведенных на рис. 1 экспериментальных данных по определению глубины проникания стержней из сплава ВНЖ-90 в различные преграды видно, что на глубину проникания влияют прочност-
ные характеристики материала преграды (кривые 2 и 3), плотность материала преграды (кривые 3 и 4] и плотность материала ударника (кривые 1 и 3). Кривая 4 расположена значительно выше кривой 2, и этот разрыв увеличивается с ростом скорости удара.
На рис. 2 приведены обобщенные результаты испытаний по прониканию стержневых ударников из сплава ВНЖ-90 при V = 1,5 + 3 км/с и различных углах подхода, (0° и 60° от нормали) в различные преграды: монолитную стальную плиту, слоистые и экранированные конструкции.
Из анализа представленных зависимостей следует, что многообразие начальных условий соударения в исследованном диапазоне скоростей удара существенно влияет на пробивную способность стержневых ударников из тяжелых сплавов.
В работе процесс высокоскоростного взаимодействия ударников различного удлинения с преградами и простейшими конструкциями моделировался с помощью численного метода конечных элементов, эффективно проявившего себя при решении широкого класса динамических задач высокоскоростного соударения.
Рис. 1. Относительная толщина пробития преград стержневыми ударниками: 1) - проникание стального ударника в стальную преграду (НВ 190); 2), 3) - проникание ударника из сплава ВНЖ-90 в стальные преграды НВ 320 (2) и НВ 135 (3) соответственно; 4) - проникание и преграду из сплава АБТ (р = 2,75 г/см3, НВ 60, ов = 0,7 ГПа)
Рис. 2. Относительная глубина проникания стержневых ударников из сплава ВНЖ-90 в монолитную стальную плиту (1), разнесенную преграду (2), слоистые (□) и экранированные (А) преграды при углах подхода 0° (1-3) и 60° (4)
Рис. 3. Изолинии распределения удельного объема микроповреждений (слева) и удельной энергии сдвиговых деформаций (справа) в стержне (1) и пластинах (2) разнесенной преграды в момент времени 2 мкс (а) и 7 мкс (б)
Рассматриваемая модель взаимодействия твердых тел описывается сжимаемой упругопластической средой, поведение которой при динамических нагрузках характеризуется широкодиапазонным уравнением состояния, модулем сдвига, динамическим пределом текучести и константами кинетической модели разрушения активного типа, описывающей накопление и эволюцию микроповреждений, которые непрерывно изменяют физико-механические свойства материала и вызывают релаксацию напряжений [2]. В модели учитывается влияние температурных эффектов на прочностные свойства металлов при динамическом нагружении [5].
Характерные особенности разрушений в стержне и отдельных преградах разнесенной конструкции показаны на рис. 3 в виде распределения изолиний удельного объема микроповреждений и удельной энергии сдвиговых деформаций в различные моменты времени. Поэтапный анализ изолиний удельного объема трещин, образовавшихся в период предразрушения материалов взаимодействующих тел, позволяет установить (как качественно, так и количественно) механизм и общую тенденцию развития разрушений, степень локальной поврежденности материалов в конкретной области, ход магистральной откольной трещины и адиабатический сдвиг в результате падения прочности материала из-за его адиабатического разогрева.
Проведено трехмерное численное моделирование наиболее сложной задачи механики высокоскоростного взаимодействия стержневых элементов с преградами -удара по керамической преграде стального ударника, продольная ось которого имеет определенный угол по отношению к вектору скорости (угол нутации). Для исследования физических особенностей деформирования и разрушения, происходящих при ударе по преградам нутирующих ударников, численно моделировалось воздействие стальных цилиндров диаметром 7,6 мм, длиной 50,8 мм по керамической пластине толщиной 10 мм при различных скоростях встречи.
Рис. 4. Расчетная конфигурация процесса взаимодействия в момент времени 1 мке (V = 4 км/с, угол нутации 10°, угол встречи 15°)
На рис. 4 приведены расчетная конфигурация процесса взаимодействия стального цилиндра с керамической пластиной (угол нутации 10°, угол встречи 45°, скорость встречи 4 км/с). Изучены физические особенности взаимодействия нутирующих стержневых ударников с различными преградами.
В результате систематических параметрических исследований установлено, что по сравнению с любой разнесенной и эквивалентной ей по удельной массе (на единицу площади) преградой наиболее эффективной от проникающего удара недеформируемых стержневых ударников является монолитная стальная защита. Это объясняется тем, что при проникании в массивную преграду максимально расходуется кинетическая энер-
гия ударника. В случае внедрения деформируемого стержня с удлинением порядка десяти калибров в конструкцию, состоящую из нескольких стальных пластин, наиболее эффективной защитой выступает трехслойная конструкция, которая максимально поглощает кинетическую энергию ударника по сравнению с любой монолитной или эквивалентной ей по удельной массе разнесенной преградой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хорев И.Е. Физическое и математическое моделирование разрушения материалов и конструкций по анализу предразрушения твердых тел // Химическая физика. 2002. Т. 21. № 9. С. 16-20.
2. Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. М.: Янус-К, 1996. 408 с.
3. Хорев И.Е., Толкачев 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.
4. Толкачев В.Ф., Коняев А.А., Назаров А.Г., Хорев И.Е. Баллистический стенд для исследования высокоскоростного соударения твердых тел // Исследования по баллистике и смежным вопросам механики: сборник статей. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1997. С. 70-75.
5. Горельский В.А., Толкачев В.Ф., Глазырин В.А. Исследование влияния температуры на прочностные свойства металлов при динамическом нагружении // Изв. вузов. Физика. 2010. Т. 53. № 12/2. С. 90-94.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Проекта № 8.2.02.2015 Программы «Научный фонд Томского государственного университета».
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 531.66
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1354-1357
THE MECHANICS OF HIGH VELOSITY IMPACT OF ROD PROJECTILES WITH COMBINE TARGETS
© V.F. Tolkachev1), S.A. Zelepugin2), V.S. Kozlov3)
Research Institute of Applied Mathematics and Mechanics Tomsk State University, Tomsk, Russian Federation,
e-mail: tolk@niipmm.ru 2) Tomsk Scientific Centre of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, e-mail: szel@yandex.ru 3) Scientific Production Industry "Kontur", Moscow, Russian Federation, e-mail: v-kozlov-90gbk.ru
Change of mechanisms destruction material of a targets end projectiles under high velocity impact is investigated.
Key words: high velocity impact; deformation; destruction; projectile; target; physical and mathematical modeling.
REFERENCES
1. Khorev I.E. Fizicheskoe i matematicheskoe modelirovanie razrusheniya materialov i konstruktsiy po analizu predrazrusheniya tverdykh tel. Khimicheskaya fizika — Russian Journal of Physical Chemistry B, 2002, vol. 21, no. 9, pp. 16-20.
2. Kanel' G.I., Razorenov S.V., Utkin A.V., Fortov V.E. Udarno-volnovye yavleniya v kondensirovannykh sredakh. Moscow, Yanus-K Publ., 1996. 408 p.
3. Khorev I.E., Tolkachev V.F., Erokhin G.A. Fiziko-matematicheskiy analiz protivoudarnoy stoykosti pregrad i konstruktsiy dlya zash-chity kosmicheskoy tekhniki. Kosmicheskie issledovaniya - Cosmic Research, 2007, vol. 45, no. 2, pp. 183-188.
4. Tolkachev V.F., Konyaev, A.A., Nazarov A.G., Khorev I.E. Ballisticheskiy stend dlya issledovaniya vysokoskoro-stnogo soudareniya tverdykh tel. Issledovaniya po ballistika i smezhnym voprosam mekhaniki. Tomsk, Publishing House of Tomsk State University, 1997, pp. 70-75.
5. Gorel'skiy V.A., Tolkachev V.F., Glazyrin V.A. Issledovanie vliyaniya temperatury na prochnostnye svoystva me-tallov pri di-namicheskom nagruzhenii. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika - Russian Physics Journal, 2010, vol. 53, no. 12/2, pp. 90-94.
GRATITUDE: The work is fulfilled under support of Project no. 8.2.02.2015 of program "Scientific Fund of Tomsk State University"
Received 10 April 2016
Толкачев Владимир Фомич, НИИ прикладной математики и механики Томского государственного университета, г. Томск, Российская Федерация, доктор математических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: tolk@niipmm.ru
Tolkachev Vladimir Fomich, Research Institute of Applied Mathematics and Mechanics Tomsk State University, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Mathematics, Leading Research Worker, e-mail: tolk@niipmm.ru
Зелепугин Сергей Алексеевич, Томский научный центр СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: szel@yandex.ru
Zelepugin Sergey Alekseevich, Tomsk Scientific Centre of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Leading Research Worker, e-mail: szel@yandex.ru
Козлов Виктор Сергеевич, Научно-производственное предприятие «Контур», г. Москва, Российская Федерация, доктор технических наук, директор, e-mail: v-kozlov-90gbk.ru
Kozlov Viktor Sergeevich, Scientific Production Industry "Kontur", Moscow, Russian Federation, Doctor of Technics, Director, e-mail: v-kozlov-90gbk.ru
