Автореферат (Математическое моделирование ударного воздействия метеороидов и осколков космического мусора на защитные конструкции космических аппаратов), страница 5

Еслирассматривать воздействие осколочного облака на защищаемую стенку, тооткольное явление реализуется в достаточно узком диапазоне внешнеговоздействия: незначительное отклонение импульса в меньшую сторонуприводит только к деформации защищаемой стенки без откола.Незначительное отклонение импульса в большую сторону приводит к19сквозному пробиванию защищаемой стенки.Рассмотрим натурный эксперимент, и результаты его численногомоделирования (таблица 9, рисунок 5). Условия эксперимента: ударноевоздействие компактной сферической частицы по нормали на одноэкраннуюзащитную конструкцию, материал частицы – алюминиевый сплав AL2017,диаметр частицы – 3,17 мм, материал лицевого экрана и защищаемой стенки –алюминиевый сплав АМг–6, толщина лицевого экрана – 0,95 мм, толщиназащищаемой стенки – 1,43 мм, расстояние между лицевым экраном и стенкой– 50 мм, скорость удара – 6км /с.

При расчете в качестве материала ударникаиспользуется модель алюминиевого сплава 2024–T4, для экранов ЭЗК –алюминиевый сплав 6062–T6.Таблица 9 – Анализ расчетных и экспериментальных данныхПараметрповрежденияОтверстие в лицевомэкранеОтверстие взащищаемой стенкеПоле сплошныхповреждений назащищаемой стенкеПоле кратеров назащищаемой стенкеОбласть откола тыльнойповерхностизащищаемой стенкиЭкспериментальныеданные, ммРасчетные данные, мм6,97,11,2-2,21,74038100931415Рисунок 5 – Образование откола в защищаемой стенкеРезультаты численного анализа показывают близкое, как качественное,так и количественное совпадение с экспериментальными данными.

Однако, вчисленном расчете область откола диаметром 15 мм делится на дискретныезоны – наблюдается частичное отколообразование, в то же время некоторыезоны остаются неразрушенными. В реальном эксперименте наблюдаетсяравномерное разрушение экрана в области откола.В главе четыре излагаются результаты анализа ударной стойкостигермооболочек модулей Российского сегмента Международной космической20станции (МКС), проведенного на основе численного моделирования.В п.4.1 проведено расчетное уточнение баллистических предельныхзависимостей для Служебного модуля, с использованием SPH метода.Оценка вероятности непробоя гермооболочки СМпоказаланесоответствие требованиям Спецификации SSP 41163.

В период с 2002 г. по2006 г. в РКК «Энергия» совместно с ЦНИИмаш были разработаны иустановлены на СМ 23 дополнительных противоосколочных панели,защищающие наиболее слабо защищенную коническую часть корпуса междурабочими отсеками большого и малого диаметра.При разработке экранной защиты Служебного модуля использовалисьинженерные методики расчета. В данной работе для уточнения БПЗ стенокгермооболочки СМ были проведены систематические расчеты сиспользованием SPH метода, реализованного в программном комплексеANSYS/Autodyn.При проведении расчетов были выбраны следующие интервалыизменения значений диаметров частиц и скоростей соударения: ΔV= 1000 м/с,Δdp=0,5 мм. Расчет проводился для скоростей соударения от 1000 до 12000 м/с.В качестве исходных значений диаметров при фиксированном значениискорости задавались критические диаметры, рассчитанные по инженернойметодике.

После получения расчетной пары диаметров “пробой” - “непробой”для всего расчетного диапазона скоростей производился уточненный расчетзначений критических диаметров в точках экстремумов БПЗ.── – расчет по инженерной методике, ○ – экспериментальные данные,□ – расчет ANSYS/Autodyn, ─ ─ – расчеты по трендам NASA.Рисунок 6 – БПЗ зоны 6 Служебного модуля МКСНа рисунке 6 показаны результаты расчетов ударной стойкости стенокгермоотсека СМ, снабженных одноэкранными защитными конструкциями21(зона № 6), при ударе по нормали.

Параметры зоны 6: лицевой экран из сплаваАМг–6 толщиной 1 мм, отнесенный на 50 мм от защищаемой стенки из сплаваАМг–6 толщиной 1,6 мм.Представлены результаты расчетов (зоны 6 и 10), полученные спомощью вычислительного программного комплекса ANSYS/Autodyn, иуточненные по результатам этих расчетов баллистические предельныезависимости, полученные по инженерной методике, основанной надеформационной модели пробоя тонкостенных конструкций.В п.4.2 проведено расчетное уточнение баллистических предельныхзависимостей для Многоцелевого лабораторного модуля.В разделе представлены численные расчеты зон № 6a, 6b, 24a и 24b.Конфигурация зон № 6a и 6b представляет собой двухэкранныезащитные конструкции с параметрами: лицевой экран из сплава АМг–6толщиной 1 мм, отнесенный на 80 мм от промежуточного экрана толщиной 1мм, расположенного на расстоянии 30 мм от такой же защищаемой стенкитолщиной 2,45 мм.

Конфигурация зон № 24a и 24b, представляет собойодноэкранные защитные конструкции с параметрами: лицевой экран из сплаваАМг–6 толщиной 1,5 мм, отнесенный на 65 мм от защищаемой стенкитолщиной 4 мм.Для уточнения БПЗ стенок гермооболочки МЛМ были проведен рядрасчетов с использование вычислительного программного комплексаANSYS/Autodyn. Применялся бессеточный SPH – метод, реализованный впрограммном комплексе.При проведении расчетов для двухэкранных конструкций были выбраныследующие интервалы изменения задаваемых значений диаметров частиц искоростей соударения: ΔV = 2 км/с, Δdp = 1 мм, Скорости соударения 2 – 10км/с.

Для одноэкранных конструкций были выбраны следующие интервалыизменения задаваемых значений диаметров частиц и скоростей соударения.ΔV = 1 км/с, Δdp = 0,5 мм. Скоростей соударения 2 – 12 км/с. В качествеисходных значений диаметров при фиксированном значении скоростизадавались критические диаметры, рассчитанные по инженерной методике.После получения расчетной пары диаметров “пробой” - “непробой” для всегорасчетного диапазона скоростей производился уточненный расчет значенийкритических диаметров в точках вдоль БПЗ, полученной по инженернойметодике.На рисунке 7 показано визуализация стадий взаимодействия ударника иЭЗК.

В качестве объекта визуального представления выбраны зоны № 6a и 6b.На рисунке 8 представлены результаты расчетов, полученные с помощьюSPH – метода и уточненные по результатам этих расчетов баллистическиепредельные зависимости, полученные по инженерной методике.22Рисунок 7 – Результаты расчетов (зоны 6a и 6b, V = 6 км/с, dp = 5 мм)Рисунок 8 - Уточнение БПЗ для зон 5а и 6a МЛМ23В п.4.3 представлены результаты численных исследований разрушенияэлементов систем самогерметизации трубочного и пакетного типа.Исследования проводилось с использованием SPH метода.Для исследований разрушений носителей жидких компонент привысокоскоростном ударе проводилась серия расчетов элементов опытныхобразцов без заполнения и с заполнением носителей.Трубочные схемыРассматривается воздействие компактной частицы на заполненныйжидкостью и незаполненный ряд трубок системы самогерметизации.

Диаметрналетающей частицы 6 мм, диаметр трубки 10 мм, толщина трубки 0,5 мм. Длячастицы использовалась модель алюминиевого сплава 6061–T6, для трубок –модель материала из полиэстера. Жидкость задавалась как вода, так какфизические свойства химических реагентов очень близки к свойствам воды.Моделировалось воздействие по нормали со скоростью 7 км/с.Численный эксперимент при расчете незаполненной трубочной схемыуказывает на незначительные повреждения элементов конструкции.Налетающая частица разрушает одну из трубок и сильно деформируется сама,осколки частицы и разрушенной трубки разрушают соседние трубки инезначительно деформируют последующие.При воздействии частицы на заполненные трубочные элементыконструкций, в жидкости, заполняющей трубки, возникает давление порядка100 ГПа.

Интенсивность воздействия со временем затухает. В трубке,подверженной непосредственному удару, значение давления на фронтеударной волны падает до 10 ГПа, в соседних трубках амплитуда ударнойволны имеет значения 1 ГПа. При прохождения возмущения через третью посчету трубку, значение амплитуды давления снижается с 0,1 ГПа до 0,01 ГПа.Следующие трубки получают значительные осколочные повреждения и так жеразрушаются. В результате расчета было выявлено возникновениезначительных повреждений конструкции, вызванных гидроударом.Пакетные схемыРассматривается воздействие компактной частицы на заполненныйжидкостью и незаполненный пакетный макет системы самогерметизации.Диаметр налетающей частицы 6 мм, общая толщина пакета 10 мм, толщинастенки пакета 0,5 мм, длина пакета 100 мм. Для частицы использоваласьмодель алюминиевого сплава 6061–T6, для пакета – модель материала изполиэстера.

Жидкость задавалась как вода. Моделировалось воздействие понормали со скоростью 7 км/с.Численный расчет ударного воздействия на незаполненную пакетнуюсхему показывает незначительные повреждения элементов конструкции.Налетающая частица разрушает стенки пакета, образуя отверстия размеромпорядка своего диаметра, и сильно деформируется.При воздействии частицы в высокоскоростном диапазоне на24заполненные пакетные элементы конструкций, в жидкости, заполняющейпакеты, возникает давление порядка 106 атм.

Наблюдаются разрушение ивыплеск материала. Интенсивность возмущения в жидкости со временемзатухает. При прохождении возмущения через весь пакет, значение амплитудыдавления снижается до 300 атм. Материал стенки пакета не может выдержатьстоль интенсивные давления и должен порваться. В результате следуетсделать вывод, что заполненная пакетная схема не является эффективной ввысокоскоростном диапазоне ударного воздействияКак и в случае с трубочной схемой в результате расчета было выявленовозникновение повреждений конструкции, вызванных гидроударом, чтоговорит о неэффективности использования схем, заполненных реагентами.В заключении сформулированы следующие основные результаты ивыводы по проведенной автором диссертации работе.1.Разработана методика численного моделирования процессовсоударения частиц с конструкциями на основе метода сглаженных частиц сиспользованием программного комплекса ANSYS/Autodyn.

На основеразработанной методики проведен комплекс исследований процессоввысокоскоростного соударения защитных экранов с компактными частицамиприменительно к расчету экранной защиты космических аппаратов,позволяющий повысить точность определения параметров стойкости кударному воздействию.2.Проведен анализ характеристик облака вторичных осколков,образующегося при соударении частицы и металлического экрана. Массапродуктов разрушения, образующих обратный выброс материала, составляет,20 – 25% массы разрушенной части экрана и не более 1% массы частицы.Величина импульса обратного выброса составляет 2 – 8% от начальногоимпульса частицы.