Компьютерное моделирование поведения металлокерамических материалов на основе диборида титана в условиях высокоскоростного удара Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Механика деформируемого твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (4), с. 1887-1889

1887

УДК 539.3

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДИБОРИДА ТИТАНА В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО УДАРА

© 2011 г. Н.Т. Югов, И.Н. Архипов

Томский государственный архитектурно-строительный университет

n.t.yugov@mail.ru

Поступила в редакцию 15.06.2011

Методом компьютерного моделирования исследованы защитные свойства металлокерамики Т1В2+В4С комбинированного строения в условиях высокоскоростного удара и особенности проникания стержней из металлокерамики Т1В2+Ре в многослойные пространственно разнесенные преграды при наклонном соударении.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, высокоскоростной удар, металлокерамика, разрушение, детонация, взрывчатое вещество.

При высокоскоростных ударных нагрузках однородные металлические защитные материалы достаточно легко разрушаются и не всегда эффективны. В качестве защитных материалов могут быть использованы керамические и металлокера-мические материалы на основе тугоплавких соединений, а также материалы комбинированного строения (слоевые и градиентные). Перспективным направлением повышения физико-механических характеристик керамик, функционирующих в условиях высоких давлений и температур, является введение в их состав эффективной металлической связующей, например методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с приложением давления к продукту горения. Экспериментальные исследования поведения материалов комбинированного строения на основе диборида титана показали их высокие защитные свойства в условиях высокоскоростного удара [1].

В [2] предложена математическая модель, позволяющая в рамках механики сплошной среды рассчитывать при ударно-волновом нагруже-нии напряженно-деформированное состояние и разрушение как в пластичных, так и хрупких материалах. Модель реализована в пакете вычислительных программ «РАНЕТ-3» для решения задач удара и взрыва модифицированным методом конечных элементов. Пакет программ «РАНЕТ-3» использован для исследования поведения метал-локерамических материалов на основе диборида титана в качестве как элементов защитных конструкций, так и поражающих элементов.

Защитные свойства металлокерамики иссле-

довались при решении следующей задачи. Необходимо разработать защитную конструкцию, способную противостоять удару стального элемента (СЭ) сферической формы массой 2 г в диапазоне скоростей до 2 км/с. Защитная конструкция может состоять из различных материалов, но непременно должна содержать стальной лист толщиной 4 мм и по удельному весу не должна значительно превышать эталонную преграду, состоящую из 10 мм дюралюминиевого слоя и 4 мм стальной подложки.

На рис. 1а приведена картина пробития СЭ эталонной преграды при скорости удара 2 км/с. Масса деформированного ударника после пробития составляет 1 г, скорость — 407 м/с.

Замена алюминиевого слоя слоем из металлокерамики предохраняет защитную конструкцию от пробития при данной скорости удара СЭ (рис. 1 б). Остаточная масса ударника на момент его останова (^ = 45 мкс) 0.8 г.

Проведено исследование проникания стержней из металлокерамики Т1В2+Бе в многослойные пространственно разнесенные преграды. Помещенный на стальное основание заряд взрывчатого вещества (ВВ) РВХ-9404 толщиной 30 мм защищен с лицевой стороны 3-миллиметровым дюралюминиевым листом. Пространство между ВВ и дюралюминиевым листом заполнено слоем пенопласта толщиной 20 мм. На расстоянии 50 мм от лицевой поверхности дюралюминиевого листа расположен 10-миллиметровый стальной экран, за которым на том же расстоянии находится экран, состоящий из 10-миллиметрового слоя асботекстолита и дюралюминиевой подложки

1888

Н. Т. Югов, И.Н. Архипов

Рис. 1

толщиной 3 мм. Экраны расположены под некоторыми углами ц к оси стержня (аг- — угол между осью стержня и лицевой поверхностью --го экрана). Стержень представляет собой цилиндрическое тело с конической головной частью. Диаметр стержня Ж0 = 4.5 мм, длина Ь0 = 105 мм, удлинение Ь0/Ж0 = 23.33. Расчет проведен для скорости удара У0 = 2 км/с и углах подхода стержня к экранам: а1 = 30°, а2 = 30°. Рассматривались стержни из стали и металлокерамики Т1Б2+Ре (массовые доли т1 = т2 = 0.5).

Для оценки инициирующей способности ВВ использовался критерий инициирования детонации (при р > рт1П) в виде [3]:

| р 2 Ж = К,

(0

где К — константа материала, р — давление в ВВ, рт1П — минимальное давление, при котором происходит инициирование детонации.

циирование ВВ. На момент инициирования остатки ударников из стали и металлокерамики обладают приблизительно одинаковой кинетической энергией.

Металлокерамический стержень с используемыми в расчетах прочностными характеристиками производит на процесс инициирования детонации в ВВ такое же воздействие, как и стальной, несмотря на то, что его масса на 25% меньше и, следовательно, он обладает меньшей на момент удара кинетической энергией.

Металлокерамический стержень с используемыми в расчетах прочностными характеристиками производит на процесс инициирования детонации в ВВ такое же воздействие, как и стальной, несмотря на то, что его масса на 25% меньше и, следовательно, он обладает меньшей на момент удара кинетической энергией.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект №10-01-00573.

Таблица

Материал Параметры после 1-й преграды Параметры после 2-й преграды Параметры на момент детонации ВВ

V/V0 L/L0 m/m0 а. V/V0 L/L0 m/m0 >-1 v/v0 L/L0 m/m0 а1

Сталь, m0 = 12.4 г 0.94 0.73 0.85 0.752 0.72 0.20 0.31 0.160 0.59 0.13 0.25 0.088

Металлокерамика, 0.93 0.90 0.96 0.602 0.55 0.49 0.59 0.129 0.54 0.44 0.52 0.093

Результаты расчетов представлены в таблице и на рис. 2, на котором приведены картины ударного взаимодействия остатков стержней из металлокерамики (рис. 2а) и стали (рис. 2б) с основной защитной конструкцией.

В таблице параметр 1 означает отношение кинетической энергии стержней в запреградном пространстве к начальной кинетической энергии стального стержня

В обоих вариантах расчета произошло ини-

Список литературы

1. Белов Н.Н. и др. // Механика композиционных материалов и конструкций. 2005. Т. 11 (41). С. 113-126.

2. Белов Н.Н., Югов Н.Т., Копаница Д.Г., Югов А.А. Динамика высокоскоростного удара и сопутствующие физические явления. Northampton; Томск: STT, 2005. 356 с.

3. Пилчер Д. Детонация и взрывчатые вещества. М: Мир, 1981. С. 306-322.

Компьютерное моделирование поведения металлокерамических материалов

1889

COMPUTER SIMULATION OF THE BEHAVIOR OF CERMET MATERIALS BASED ON TITANIUM

DIBORIDE IN A HIGH-VELOCITY IMPACT

N. T. Yugov, I.N. Arkhipov

Computer simulation is used to investigate the protective properties of metal-ceramic TiB2+B4C composite structures in high-speed impact, as well as the penetration characteristics of rods of cermet TiB2+Fe in the layered space-separated obstacles for oblique impact.

Keywords: computer simulation, high speed impact, cermet, destruction, detonation, explosive.