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

УДК 620.17

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-654-658

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.

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 осесимметрич-ной задачи.

Основные результаты численного моделирования представлены в таблице.

Рис. 1. Сетка конечных элементов 655

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.

B: Explicit Dynamics

Equivalent Stresî

Type: Equivalent (von-Mtîes) Stieis

Unit: Pa

Ti me: 2,e-C0:i

Cycle Nimber 15373

0S.№.WU 1029

4.MileS Max

3,863!e8 3,3S14e3 !,e995eS l.m 77e8 1,93!8eS 1.45468 9.721C7 4,9SÎ5e? 8.3977e5 Min

Рис. 2. Результат пробития тонкой пластины сферическим ударником

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:

й = 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 й - диаметр ударника, мм; V - скорость ударника, м/с.

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 АМг6 [5].

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы:

- при значениях линейных размеров ударника, для которых выполняется условие й < /(V),

не будет наблюдаться ни пробития тонкой пластины, ни нарушения целостности ее тыльной поверхности;

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

- в случае выполнении условия й = /(V) зависимость описывает такое соотношение параметров пары «диаметр ударника - скорость ударника», при котором возникает нарушение тыльной це-

656

лостности тонкой пластины, приводящее к возникновению процесса трещинообразования 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 энер-

Рис. 3. Изменение диаметра ударника в зависимости от предельной скорости тыльной прочности

Таким образом, в результате численного моделирования процесса ударного взаимодействия сферических стальных ударников разного размера с пластиной, выполненной из сплава АМг6, 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. Методика построения кривой баллистического предела прочности защиты КА от элементов космического мусора / Н.М.Тимофеев, С.С.Ветелев, И.С.Прохватова // Моделирование влияния космического мусора на элементы орбитальных станций и космических аппаратов. Научно-технический сборник. СПб: МО РФ. 1997. 83 с.

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

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

5. Житный М.В. Численное моделирование высокоскоростного взаимодействия ударника и тонкой пластины, выполненных из сплава АМг6 / М.В.Житный, Э.Г.Синельников // 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 657

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