ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УДАРНИКА И ТОНКОЙ ПЛАСТИНЫ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ СПЛАВА АМГ6 Текст научной статьи по специальности «Физика»

Denisov Vladimir Vasilyevich, candidate of technical sciences, dоcent, Vdeni-soff@mail.ru, Russia, Samara State Transport University,

Kononov Ivan Ivanovich, candidate of technical sciences, dоcent, ikononov@yandex.ru, Russia, Samara State Transport University,

Prusov Maxim Vladimirovich, candidate of technical sciences, dоcent, mak-prusov@yandex.ru, Russia, Samara State Transport University

УДК 620.17

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-512-517

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УДАРНИКА И ТОНКОЙ ПЛАСТИНЫ, ВЫПОЛНЕННЫХ

ИЗ СПЛАВА АМГ6

М.В. Житный, Э.Г. Синельников

Показаны результаты численного моделирования высокоскоростного ударного воздействия сферического ударника на тонкую пластину при различных параметрах ударника. Для определения баллистического предельного уравнения тыльной прочности численное моделирование выполнялось для различных значений диаметра ударника (от 1 до 6 мм) и для различных его скоростей (от 500 до 3500 м/с). В качестве материала, из которого изготовлены ударник и тонкая пластина, принят алюминиево-магниевый сплав. По результатам, полученным в ходе моделирования, получена численная зависимость, представляющая собой баллистическое предельное уравнение тыльной прочности для данного типа взаимодействующих тел.

Ключевые слова: предел прочности, высокоскоростной удар, космический аппарат, численное моделирование, космический мусор, стойкость.

Одним из важных условий успешного функционирования космического аппарата (КА) в течение всего срока его активного существования является обеспечение целостности его конструкции и совокупности элементов различных бортовых комплексов. Вместе с тем одним из факторов, воздействующих на КА в процессе его функционирования, является антропогенное загрязнение, выражающееся в столкновении частиц космического мусора (КМ) с КА. Опасность таких столкновений обусловлена высокой относительной скоростью частиц КМ. В результате их столкновения с поверхностью КА возможно возникновение повреждений как внешних элементов КА (радиационных теплообменников, солнечных батарей, кабелей и пр.), так и нарушения целостности герметичных отсеков или в результате сквозного пробития, или в результате образования трещин. Так, например, результатом высокоскоростного удара 2 мм стальной сферы в оболочку КА, является пробоина с выходным диаметром порядка 6 мм. При этом сила удара, вызванная расширяющимися расплавом частицы КМ и материала стенки, распространяясь на компоненты КА, расположенные позади пробитой стенки, может превысить допустимую нагрузку для большинства материалов, из которых изготовлены критичные элементы КА [1, 2].

Особую опасность для КА представляют малоразмерные твердые частицы (МТЧ), имеющие максимальный поперечный размер не более 10 мм. Это обусловливается тем фактом, что определение орбит таких частиц в силу их малого размера невозможно. Поэтому маневр уклонения космического аппарата от встречи с такой МТЧ не

может быть выполнен в силу малого временного интервала от момента регистрации МТЧ до момента ее встречи с КА. Таким образом, в данной ситуации на первый план выходит прочность элементов конструкции КА и их способность эффективно выдерживать высокоскоростное воздействие МТЧ.

В данной работе рассматривается влияние параметров сферического ударника (диаметра и скорости) на характер повреждения тонкой пластины, представляющей собой имитатор поверхности элемента КА, выполненной из алюминиево-магниевого сплава, на основе численного моделирования в среде специального программного обеспечения ANSYS. В результате численного моделирования определяется зависимость диаметра ударника от его скорости, при которых наблюдается разрушение заданного типа, и определяется баллистическое предельное уравнение тыльной прочности для пары материалов, из которых выполнены ударник и тонкая пластина.

Баллистическое предельное уравнение представляет собой критериальную зависимость, связывающую скорость и максимальный линейный размер МТЧ, воздействующей на поверхность КА, и определяющую критические значения скорости и максимального линейного размера МТЧ при достижении которых в результате высокоскоростного удара происходит нарушение тыльной целостности поверхности воздействия.

В общем виде методику определения баллистического предельного уравнения можно представить в виде следующих последовательных этапов [3]:

1. Выбор диапазона скоростей, в котором баллистическое предельное уравнение должно обеспечивать адекватный результат. Деление диапазона скоростей на условные зоны, обусловлено различиями в физических процессах взаимодействия соударяющихся тел, возникающими при разных скоростях ударника. Можно выделить следующие зоны скоростей ударника:

- первая зона от 500 до 3500 м/с;

- вторая зона от 3500 до 7000 м/с;

- третья зона от 7000 до 15000 м/с.

2. Обоснование критерия стойкости испытываемой поверхности. В качестве критерия стойкости испытываемой поверхности может использоваться или предельная скорость сквозного пробития или предельная скорость тыльной прочности, выбор которых определяется требованием сохранения целостности тыльной стороны поверхности.

3. Определение в ходе экспериментального или численного моделирования результатов высокоскоростного воздействия ударника заданного размера на исследуемый образец поверхности при различных скоростях воздействия, находящихся в заданных в п.1 интервалах.

4. Определение значения скорости, соответствующей выбранному критерию стойкости образца испытываемой поверхности для заданного размера ударника.

5. Повторение пп. 3 и 4 для нескольких размеров из заданного для исследования диапазона размеров ударника.

6. Аппроксимация полученных значений полиномиальной функцией по результатам определения скорости, соответствующей выбранному критерию стойкости образца испытываемой поверхности.

Исследования, проведенные в [3], позволили определить границы применения данной методики, которые для размера ударника находятся в пределах от 1 до 10 мм, для скорости ударника - от 500 до 15000 м/с.

Одними из основных конструкционных материалов, используемых в ракетно-космической технике, являются материалы на основе алюминиево-магниевых сплавов. Такие материалы характеризуются хорошими прочностными свойствами, малым весом, хорошей свариваемостью и простой механообработкой. Данные материалы применяются при создании несущих конструкций, элементов конструкций герметичных отсеков, радиационных теплообменников и др. Кроме того, в силу указанных обстоятельств значительная доля частиц космического мусора также состоит из алюминиево-

магниевых сплавов. Поэтому в данной работе рассматривается численное моделирование и определение баллистического предельного уравнения для тонкой пластины, выполненной из АМг6 и имитирующей поверхность обшивки или радиационного теплообменника, при высокоскоростном ударном воздействии на нее сферического ударника, выполненного также из АМг6 и имитирующего высокоскоростную МТЧ. Определение баллистического предельного уравнения осуществлялось для скоростей нагру-жения, находящихся в диапазоне скоростей, относящихся к первой зоне.

Моделирование взаимодействия ударника и тонкой пластины проводилось с использованием специального программного обеспечения ANSYS для следующих условий:

- ударник: сферический, диапазон изменения максимального линейного размера от 1 до 6 мм;

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

- скорость ударника: от 500 до 3500 м/с;

- угол вектора скорости ударника относительно нормали к поверхности тонкой пластины: 180О;

- материал взаимодействующих тел: АМг6;

- модель разрушения материалов: Джонсона-Кука;

- критерий повреждения: нарушение тыльной целостности тонкой пластины;

Характеристики материала АМг6 задавались на основе результатов исследований, полученных при уточнении модели материала АМг6 библиотеки ANSYS [4].

Результаты численного моделирования представлены в таблице.

Результаты численного моделирования высокоскоростного соударения

Диаметр Скорость Материал Материал ударни- Результат

ударника, мм ударника, м/с преграды ка моделирования

4000 Пробитие

3500 Пробитие

1 3000 АМг6 АМг6 нарушение тыльной целостности

2000 непробитие

3000 Пробитие

2000 Пробитие

2 1650 АМг6 АМг6 нарушение тыльной целостности

1500 непробитие

1000 непробитие

2000 Пробитие

1000 Пробитие

3 985 АМг6 АМг6 нарушение тыльной целостности

950 непробитие

800 непробитие

800 пробитие

4 780 АМг6 АМг6 нарушение тыльной целостности

750 непробитие

700 непробитие

800 пробитие

5 700 АМг6 АМг6 нарушение тыльной целостности

600 непробитие

700 пробитие

6 600 АМг6 АМг6 нарушение тыльной целостности

550 непробитие

Опорными значениями, приведенными в таблице, на основе которых определяется баллистическое предельное уравнение тыльной прочности, являются значения, при которых в ходе моделирования регистрируется результат, отражающий нарушение тыльной целостности тонкой пластины.

На рис.1 представлен графическое представление одного из результатов, полученных в ходе численного моделирования для диаметра ударника 6 мм и скорости ударника 700 м/с.

В: ЕхрИсИ

вдшшнйетШШ

Туре: ГфЛ V ['"'Ч^

Ещ'й р»

06 СЧ.2022

3,5039е8

|§||Ш |вр|

1,32Ие8' 8;83£6е7

ВЙбВ

1,0262е6М|п

Рис. 1. Результат пробития тонкой пластины ударником

С учетом данных таблицы и принятого критерия повреждения на основе метода наименьших квадратов определяется баллистическое предельное уравнение тыльной прочности тонкой пластины, выполненной из сплава АМг6 при высокоскоростном воздействии на него ударника, выполненного из такого же материала. Графическое представление баллистического предельного уравнения тыльной прочности, полученной в результате численного моделирования, представлено на рис. 2.

Аналитическая запись баллистического предельного уравнения тыльной прочности, представлена аппроксимирующей функцией вида й = /(V), выраженной полиномом шестой степени и характеризующейся величиной достоверности аппроксимации Я2 = 0,9998:

й = 2,556 • 10-19 • V6 - 3,518 • 10-15 • V5 +1,97 • 10-11 • V4

-5,741 • 10-8 • V3 + 9,201 •Ю-5 • V2 -0,07785• V + 29,695, где й - диаметр ударника, мм; V - скорость ударника, м/с.

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) кривая баллистической прочности описывает такое соотношение параметров пары «диаметр ударника - скорость ударника», при котором наступает нарушение тыльной целостности тонкой пластины, приводящее к возникновению процесса трещинообразования в условиях знакопеременных нагрузок.

йI мм

б

4

з 2 1 О

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 V, м/с

Рис. 2. Зависимость диаметра ударника от скорости ударника для критерия «нарушение тыльной целостности мишени»

Таким образом, в результате численного моделирования был определено баллистическое предельное уравнение тыльной прочности для случая соударения сферического ударника (диаметр ударника от 1 до 6 мм) с тонкой пластиной толщиной 3 мм. При этом в качестве материала обоих взаимодействующих элементов использован алюминиево-магниевый сплав АМг6. Данное баллистическое предельное уравнение тыльной прочности позволяет осуществлять прогнозирование результата высокоскоростного соударения взаимодействующих элементов рассмотренного вида в диапазоне скоростей от 500 до 3500 м/с и может быть использовано для предварительной оценки стойкости некоторых элементов КА к кинетическому воздействию МТЧ из алюминие-во-магниевого сплава.

Список литературы

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

2. Гончаров П.С., Житный М.В. Результаты экспериментальных исследований высокоскоростного удара по алюминиево-магниевому сплаву // Известия Тульского государственного университета. 2018. Вып. 11. С. 100 - 105.

3. 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.

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.

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

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

516

NUMERIACAL SIMULATION OF HIGH-SPEED INTERACTION BETWEEN A STRIKER AND A THIN PLATE MADE OF AMG6 ALLOY

M.V. Zhitnyy, E.G. Sinelnikov

A methodical approach to the construction of the curve of the ballistic strength limit of spacecraft structures made of aluminum magnesium alloy is considered. The results of modeling a high-speed impact on a thin-walled element of a spherical striker of various diameters are shown. An aluminum-magnesium alloy is used as the material of the interacting elements. A polynomial expression is given that characterizes the curve of the ballistic tensile strength of an aluminum-magnesium alloy under high-speed action of a spherical striker on it.

Key words: tensile strength, high-speed impact, spacecraft, numerical simulation, space debris, resistance.

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

Sinelnikov Eduard Gennadievich, senior researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy