ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТАЛЬНОГО УДАРНИКА И ТОНКОЙ ПЛАСТИНЫ, ВЫПОЛНЕННОЙ ИЗ СПЛАВА АМГ6 Текст научной статьи по специальности «Физика»

Key words: fatigue, cyclic loads, optical properties, auto correlation interval, standard deviation.

Motevich Svetlana Anatolyevna, master, veta.m231@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 620.17

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-448-453

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТАЛЬНОГО УДАРНИКА И ТОНКОЙ ПЛАСТИНЫ, ВЫПОЛНЕННОЙ ИЗ СПЛАВА АМГ6

М.В. Житный, Э.Г. Синельников, И.В. Апевалов

Показаны результаты численного моделирования ударного воздействия стального сферического ударника на тонкую пластину, выполненную из алюминиево-магниевого сплава АМг6 при различных параметрах ударника. Приведены основные результаты численного моделирования, содержащие значения скорости ударника, при которых фиксируется нарушение тыльной целостности испытываемого образца. В качестве результата исследования приведены баллистическое предельное уравнение тыльной прочности для исследуемого образца и сравнительный график функций, представляющих уравнение баллистической прочности, для ударников, выполненных из различных материалов.

Ключевые слова: космический аппарат, кинетическое ударное воздействие, численное моделирование, космический мусор, баллистическое предельное уравнение, сферический ударник.

Анализ числа наблюдаемых (каталогизированных) космических объектов, находящихся в околоземном пространстве, позволяет сделать вывод об уверенном росте их количества в последнее время. Это обстоятельство связано с повышением интенсивности запусков космических аппаратов (КА) различными государствами в целях интенсификации освоения околоземного космического пространства. В связи с этим возрастает вероятность столкновения фрагментов космического мусора (КМ) с поверхностью КА или с элементами КА, находящимися на внешней поверхности КА [1].

В зависимости от конструкции КА (герметичный или негерметичный), целевого назначения и ряда других факторов, такое столкновение может иметь различные последствия, которые влияют на способность КА функционировать с заданными характеристиками. Прогнозирование результатов такого столкновения является важным условием при разработке конструкции КА и защиты КА экранного типа. Такое прогнозирование может осуществляться как на основе результатов экспериментальных исследований, проводимых на лабораторных установках, так и на основе результатов численного моделирования.

Следует отметить, что использование пассивных экранных конструкций КА в качестве защиты от столкновения с фрагментами КА целесообразно только для малоразмерных частиц, размером менее 10 мм. Это связано с тем, что для обеспечения защиты КА от частиц большего размера в силу их высокой энергии, обусловленной высокой собственной скоростью и массой, конструкция такой защиты будет иметь значительную массу. Выбор в настоящем исследовании стали в качестве материла ударника обусловлен наличием в конструкции ракетно-космической техники (РКТ) деталей, выполненных из этого материала, что позволяет предполагать о наличии стальных частиц в составе КМ в ОКП. Кроме того, такие частицы в силу высокой плотности обладают более высокой энергией и, как следствие, высокой проникающей способностью в отличие от частиц из алюминиево-магниевого сплава аналогичного размера.

Анализ конструкции КА показывает, что при изготовлении элементов КА достаточно часто используются конструкционные материалы на основе алюминиево-магниевых сплавов. Так, например, из таких материалов изготавливаются обечайки герметичных отсеков КА, элементы радиационных теплообменников и др. Данные материалы обладают хорошей свариваемостью, коррозионной стойкостью, хорошо поддаются механической обработке, имеют сравнительно малую плотность, что позволяет изготавливать достаточно сложные конструкции, характеризующиеся сравнительно малой массой.

448

С учетом вышесказанного в работе проведено численное моделирование ударного взаимодействия стального сферического ударника и тонкой пластины, выполненной из сплава АМг6.

Целью исследования являлось определение критериальной зависимости, на основании которой возможно осуществлять прогнозирование состояния испытываемой поверхности после воздействия ударника в зависимости от скорости и размеров ударника.

Возможными критериями повреждения испытываемой поверхности после ударного внешнего воздействия могут являться следующие условия:

- превышение предельной скорости сквозного пробития;

- превышение предельной скорости тыльной прочности.

Выбор конкретного критерия определяется исходя из наличия требования сохранения целостности тыльной стороны испытываемой поверхности.

В данной работе в качестве критерия повреждения исследуемого образца было принято условие превышения предельной тыльной прочности. Под данным критерием понимается такое минимальное значение скорости ударника в момент начального взаимодействия с исследуемым образцом, при котором в результате столкновения нарушается целостность тыльной (противоположной первоначальному месту касания ударника) поверхности образца. При этом наблюдается возникновение различных дефектов этой поверхности, например, отколов, трещин и пр.

В качестве искомой критериальной зависимости, поиск которой был основной целью моделирования, является баллистическое предельное уравнение тыльной прочности испытываемого образца.

В общем случае порядок определения коэффициентов баллистического предельного уравнения тыльной прочности заключается в выполнении следующих шагов [2]:

- задание диапазона скоростей ударника;

- выбор критерия повреждения испытываемой поверхности;

- моделирование процесса ударного взаимодействия при заданных начальных условиях;

- определения значения скорости ударника, при котором происходит выполнение критерия стойкости исследуемого образца;

- аппроксимация полученных значений полиномиальный функцией с использованием метода наименьших квадратов.

Скорости ударника, принято условно делить на три диапазона, в зависимости от изменения характера функции повреждения [2, 3]:

- первый диапазон: скорость ударника менее 3500 м/с;

- второй диапазон: скорость ударника от 3500 до 7000 м/с;

- третий диапазон: скорость ударника от 7000 до 15000 м/с.

Такое деление обусловлено разницей в физических процессах, происходящих во взаимодействующих материалах при разных скоростях ударного воздействия. Проведенные в [4] исследования, позволили уточнить параметры модели разрушения сплава АМг6 при ударном воздействии только для первого диапазона скоростей, что обусловлено значением максимально возможной скорости ударника, достигаемой при проведении экспериментальных исследований с использованием легкогазовой установки экспериментального баллистического комплекса БС-3 в Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского. Поэтому в работе значение моделируемой скорости ударника выбиралось исходя из ограничений, определенных для первого диапазона скоростей.

Численное моделирование исследуемого процесса ударного взаимодействия стального ударника с тонкой пластиной, выполненной из сплава АМг6, осуществлялось с использованием специального программного обеспечения ANSYS. При этом использовались следующие начальные условия:

- ударник: сферический, диапазон изменения диаметра от 1 до 6 мм;

- материал ударника: сталь (марка ШХ9);

- тонкая пластина: линейный размер 50х50 мм, предельная толщина - 3 мм;

- материал пластины: АМг6;

- диапазон моделируемой скорости ударника: от 250 до 2000 м/с;

- угол между вектором скорости ударника и нормалью к поверхности тонкой пластины: 180О;

- модель разрушения материалов: Джонсона-Кука;

- критерий повреждения: нарушение тыльной целостности пластины. Характеристики материала АМг6 задавались на основе результатов исследований, полученных при уточнении модели материала АМг6 библиотеки ANSYS [4].

На рис. 1 представлен вид используемой сетки конечных элементов для случая осе-симметричной задачи.

Основные результаты численного моделирования представлены в таблице.

Рис. 1. Сетка конечных элементов

Результаты численного моделирования

Диаметр ударника, мм Скорость ударника, м/с Результат моделирования

1 1500 Непробитие

1740 Нарушение тыльной целостности

2000 Пробитие

1,2 1300 Непробитие

1380 Нарушение тыльной целостности

1420 Пробитие

2 700 Непробитие

780 Нарушение тыльной целостности

850 Пробитие

3 400 Непробитие

480 Нарушение тыльной целостности

520 Пробитие

4 300 Непробитие

380 Нарушение тыльной целостности

450 Пробитие

5 250 Непробитие

300 Нарушение тыльной целостности

500 Пробитие

6 250 Непробитие

280 Нарушение тыльной целостности

300 Пробитие

На рис. 2 приведен пример графического представления результата численного моделирования для ударника диаметром 1,2 мм, имеющего скорость 1400 м/с.

На основе полученных данных с помощью метода наименьших квадратов определяются коэффициенты, входящие в баллистическое предельное уравнение тыльной прочности для тонкой пластины, выполненной из сплава АМг6 для случая ударного воздействия на нее сферическим стальным ударником диаметром от 1 до 6 мм. С учетом определенных коэффициентов аналитическое представление баллистического предельного уравнения тыльной прочности может быть представлено в следующем виде:

а = 2,213-10-17 -V6 -1,459-10-13 -V5 + 3,873-10-10 -V4

- 5,290 -10-7 •V3 + 3,932 -10-4 •V2 - 0,1535 •V + 27,42, где а - диаметр ударника, мм; V- скорость ударника, м/с.

В: Explicit Dynamic*

Equivalent Stress

Type: Equivalent (von-Miseî) Strass

Unit: Pa

Time: 2,e-005

Cycle Number: 15378

08.06.202210:29

4.3451e8Max

3,8632eS !,!814e8 ?,8995e8 2,4177(8 1,935 UeU l,454e8 9,721t7 4,9025e7 8.39ïïe5Mln

Рис. 2. Результат пробития тонкой пластины сферическим ударником

На рис.3 показана зависимость изменения значения диаметра ударника от предельной скорости тыльной прочности. Также для сравнения приведена аналогичная зависимость, полученная для ударника, выполненного из сплава АМгб [5].

(I, мм 1

о--------

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 л500 4000 V. м/с Рис. 3. Изменение диаметра ударника в зависимости от предельной скорости

тыльной прочности

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы:

- при значениях линейных размеров ударника, для которых выполняется условие ( < /(V), не будет наблюдаться ни пробития тонкой пластины, ни нарушения целостности ее тыльной поверхности;

- в случае выполнения условия ( > /(V) будет иметь место сквозное пробитие тонкой пластины;

- в случае выполнении условия ( = / (V) зависимость описывает такое соотношение

параметров пары «диаметр ударника - скорость ударника», при котором возникает нарушение тыльной целостности тонкой пластины, приводящее к возникновению процесса трещинообра-зования в условиях действия растягивающих и знакопеременных нагрузок;

- применение стального ударника, имеющего большую плотность и твердость, обеспечивает пробитие преграды при меньших скоростях и аналогичном размере, за счет большей кинетической энергии.

Таким образом, в результате численного моделирования процесса ударного взаимодействия сферических стальных ударников разного размера с пластиной, выполненной из сплава АМгб, было определено баллистическое предельное уравнение тыльной прочности. Данная

аналитическая зависимость позволяет осуществлять прогнозирование результата ударного взаимодействия сферического стального ударника с испытываемым образцом в виде тонкой пластины толщиной не более 3 мм из сплава АМг6 в диапазоне скоростей ударника до 3500 м/с и может использоваться для предварительного оценивания прочности некоторых элементов КА, выполненных из сплава АМг6, в условиях кинетического воздействия стальных малоразмерных частиц.

Список литературы

1. Динамика удара / Д.Зукас [и др.]. М.: Мир, 1985. 295 с.

2. Тимофеев Н.М., Ветелев С.С., Прохватова И.С. Методика построения кривой баллистического предела прочности защиты КА от элементов космического мусора // Моделирование влияния космического мусора на элементы орбитальных станций и космических аппаратов. Научно-технический сборник. СПб: МО РФ. 1997. 83 с.

3. Миронов В.В., Толкач М.А. Баллистические предельные уравнения для оптимизации системы защиты космических аппаратаов от микрометеороидов и космического мусора // Космическая техника и технологии, 2016. № 3(14). С. 26-42.

4. Житный М.В., Синельников Э.Г., Апевалов И.В. Уточнение параметров модели разрушения сплава АМг6 при высокоскоростном ударе // Известия Тульского государственного университета. 2021. Вып. 10. С. 556 - 561.

5. Житный М.В., Синельников Э.Г. Численное моделирование высокоскоростного взаимодействия ударника и тонкой пластины, выполненных из сплава АМг6 // Известия Тульского государственного университета. 2022. Вып. 4. С. 512 - 517.

Житный Михаил Владимирович, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,

Синельников Эдуард Геннадьевич, старший научный сотрудник, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,

Апевалов Игорь Владимирович, научный сотрудник, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского

NUMERIACAL SIMULATION OF KINETIC INTERACTION BETWEEN A STEEL STRIKER AND A

THIN PLATE MADE OF AMG6 ALLOY

M.V. Zhitnyy, E.G. Sinelnikov, I.V. Apevalov

Shows the results of numerical simulation of the impact of a spherical striker on a thin plate made by alloy AM. The main results of a numerical simulation are shown. The result of research presents as ballistic limit equation.

Key words: ballistic limit equation, kinetic impact, spacecraft, numerical simulation, space debris, spherical striker.

Zhitnyy Mihail Vladimirovich, candidate of technical science, docent, senior researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,

Sinelnikov Eduard Gennadievich, senior researcher, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,

Apevalov Igor Vladimirovich, researcher, Russia, Saint-Petersburg, Military Space

Academy