Диссертация (Расчетно-экспериментальные методы исследования прочности трансформируемых модулей орбитальных станций при воздействии осколочно-метеороидной среды), страница 8

Обработка видеозаписи свысокоскоростной камеры представлена на рисунке 2.6.59Рисунок 2.6 – Программа обработки видеозаписиНа рисунке 2.7представлены повреждения фрагментов тканевогоэкрана в эксперименте № 1.Рисунок 2.7 – Повреждения фрагментов тканевого экрана в эксперименте № 1По результатам экспериментальной отработки проведена верификацияметодики в программном комплексе ANSYS/AUTODYN с использованием60трех подходов: метода SPH, конечно-элементной модели (метод Лагранжа),конечно-элементной модели (метод Лагранжа) с искусственной эрозией(слияние сильно деформированных ячеек). Расчет проводился в трехмернойпостановке. Использованы характеристики экрана, приведенные в таблице 3.Метод SPHПри расчете с использованием метода SPH тканевый экран состоял из16 отдельных слоев толщиной 0,5 мм с зазорами между ними 0,5 мм.

Размерчастицы SPH составил 0,5 мм. Схема расчета представлена на рисунке 2.8.ЧастицаЭкранVРисунок 2.8 – Схема расчетаРезультаты расчётов процесса пробоя представлены на рисунке 2.12.Начальная стадия пробитияВыбивание пробкиПроникание в многослойный экранОбразование облакаРисунок 2.9 – Стадии процесса61Конечно-элементная модельПри расчете с использованием конечно-элементной модели тканевыйэкран моделировался однородным слоем толщиной 4 мм. Размер элементасетки составляет 0,5 мм. Схема расчета представлена на рисунке 2.10.ЧастицаЭкранVРисунок 2.10 – Схема расчетаРезультаты расчётов представлены на рисунке 2.11.Начальная стадия пробитияПроникание в преграду с выбиваниемпробкиРисунок 2.11 – Стадии процессаКонечно-элементная модель с применением искусственной эрозииСхема расчета аналогична.

Искусственная эрозия для ткани основанана геометрической деформации, ячейка сливается с соседней при условиидеформации ячейки на 20%. Результаты расчётов наглядно представлены нарисунке 2.12.Пробой экранаНачальная стадия пробитияРисунок 2.12 – Стадии процесса62Втаблице9представленосравнениерезультатоврасчетаиэксперимента для трех используемых численных моделей.Таблица 9 – Сравнение расчета и эксперимента с использованием методаSPH, конечно-элементной модели и конечно-элементной модели с эрозиейПараметрыМетод№ экспериментаСкорость после пробоя (эксперимент), м/сСкорость после пробоя (расчет), м/сПогрешностьСредняя погрешность методаМетодСкорость после пробоя (эксперимент), м/сСкорость после пробоя (расчет), м/сПогрешностьСредняя погрешность методаМетодСкорость после пробоя (эксперимент), м/сСкорость после пробоя (расчет), м/сПогрешностьСредняя погрешность методаЗначенияМетод SPH1239307045608386455369,8%8,3%4,2%7,5%Конечно-элементная модель9307045608766825675,8%3,1%1,3%2,6%Конечно-элементная модель с эрозией9307045609507506322,2%6,5%12,6%7,2%Погрешность расчета и эксперимента при всех рассмотренных методахне превышает 10%, что может считаться удовлетворительным припрактическом использовании.

Наименьшую погрешность (2,6 %) имеетметод расчета с использованием конечно-элементной модели (методЛагранжа).Использованная расчетная модель материала преграды и методырасчета в программном комплексе ANSYS/AUTODYN позволяют сдостаточновысокойточностьюмоделироватьпроцесспробоя,прогнозировать условия удара, обеспечивающие непробой фрагмента прииспытанияхнабаллистическихустановках,сократитьколичествонеобходимых экспериментов и получить хорошее соответствие качественнойи количественной картины процесса пробоя элементов экранной защиты.Методики можно использовать для предыспытательных расчетов при63экспериментальной отработке встроенной защиты трансформируемогомодуля на воздействие метеороидной среды.2.4 Расчёт воздействия ударов частиц по многослойной стенкетрансформируемого модуляВ данном разделе приводятся результаты расчета многослойной стенкитрансформируемого модуля со встроенной экранной защитой и даносравнение экспериментальных и расчётных результатов.Предыспытательноерасчетноемоделирование,проведенноедляусловий соударения, соответствующих требованиям [34] (диаметр частицы10,0 мм, скорость удара 7,0 км/с), показало, что предложенный вариантвстроеннойзащитыобеспечивает непробойвнутреннейгерметичнойоболочки трансформируемой защиты.

Проведенные на ЛБУ испытанияфрагментов трансформируемой защиты подтвердили расчетный прогноз ипоказали, что прочность разработанной конструктивной схемы встроеннойзащитынепробойслучаеудовлетворяетзаданнымтребованиям.Зафиксированвнутренней надувной герметичной оболочки алюминиевойчастицей диаметром 10,3 мм с начальной скоростью удара 6,76 км/с.Послемоделированиеиспытанийвпроведенодвумернойипостиспытательноетрехмернойпостановках.численноеРасчетныехарактеристики ткани СВМ приведены в таблице 4. Свойства ППУприведены в таблице 5.2.4.1 Постиспытательное численное моделирование в двумернойпостановкеРасчет производился с использованием лицензионного программногокомплекса ANSYS/AUTODYN комбинированным методом, реализующимметоды SPH и ALE [113].

Для материалов ткани и частицы использовалсяметод SPH, для материала пенополиуретана (ППУ) – метод ALE. Постановказадачи двумерная, осесимметричная. Размер ячейки – 0,5 мм (всего врасчетную схему закладывалось 12356 ячеек).64На рисунке 2.13 показана расчетная схема четырехэкранной защиты.Структура и состав преграды приведены в таблице 1.1 Экран2 ЭкранЧастица3 Экран4 ЭкранРазделительРисунок 2.13 – Расчетная схемаНа рисунке 2.14 показаны последовательные стадии процессапробивания многослойной преграды. Синим цветом обозначена частица,голубым – слои ткани.

Для наглядности в изображениях картины протеканияпроцесса присутствует только материал ткани и материала ударника.Начальное состояниеОбразования мелкодисперсного облакачастиц после пробоя первого экранаОблако частиц приходит на второй защитныйэкранПробой второго защитного экранаЧасть выбитой пробки с второго экранаприходит на третий экранПробой третьего защитного экрана.Прогибание четвертого защитного экранапод воздействием фрагмента ППУРисунок 2.14 – Стадии пробоя экранной защиты.652.4.2 Постиспытательное численное моделирование в трехмернойпостановкеРасчет производился в трехмерной постановке с использованиемлицензионногопрограммногокомплексаANSYS/AUTODYNсиспользованием метода SPH.

Размер ячейки – 0,5 мм (всего в расчетнуюсхему закладывалось около 400000 ячеек). Особенностью данного расчетаявляется последовательное добавление SPH-частиц в расчетную область помере распространения в ней возмущений для ускорения счета. На рисунке2.15 представлена расчетная схема в исходной конфигурации.Разделитель из ППУНезаполненные частиЧастицаЭкраниз тканиРисунок 2.15 – Схема расчетаНа графике (рисунок 2.16) показано изменение кинетической энергииматериала частицы при ударном воздействии на преграду, а на рисунке 2.17 –стадии протекания процесса.Энергия, Дж8,0E+046,0E+044,0E+042,0E+040,0E+000,000,040,08Время, мс0,120,16Рисунок 2.16 – Изменение кинетической энергии частицы при пробивании преграды66Исходная конфигурацияПосле пробоя первого экранаПробой второго экранаОблако частиц осаждается на третьем экрана и не доходит до защищаемой стенкиРисунок 2.17 – Стадии процесса воздействия частицы на конструкцию экранной защитыРезультаты расчёта и сравнение с данными эксперимента представленыв таблице 10.

Результаты моделирования процессов в двумерной итрехмернойпостановкекачественносогласуются:вобоихслучаяхнаблюдается непробой четвертой стенки, совмещенной с гермооболочкой.Однако трехмерный расчет с использованием метода SPH показывает болеереальную картину, особенно в разрушении разлета ППУ.67Таблица 10 – Сравнение результатов эксперимента и расчета воздействияударов частиц на многослойную стенку трансформируемого модуля свстроенной экранной защитойПараметры частицы истенки защитыЭкспериментСкоростьДиаметр частицыПервый защитный экран(ЭВТИ, 15 слоев ткани)Первый разделитель ППУВторой защитный экран(8 слоев ткани)Второй разделитель ППУТретий защитный экран(5 слоев ткани)Третий разделитель ППУЧетвёртый защитный экран(4 слоя ткани, 1 слой ткани,1 слой лента СВМ, 1 слойткани)6,76 км/с10,3 ммПробоина; dвх,~ 20 мм;dвых,~ 40 ммПробоина d ~ 50 мм сразрывами, черный нагарПробоина:1слой d~55 мм;(d на свету ~25 мм)Пробоина – 70x50 мм срядом разрывов. ЧерныйнагарПоле малых пробоин на d ~70 мм.

Черный нагар.Пробоина ~ 50x20 мм срядом разрывовМикропробой трех изчетырех слоев экрана; на 1-мслое – поле темного нагара d~ 150 мм. ЧастицыРасчет 2D(методSPH+ALE)6,76 км/с10,3 ммРасчет 3D(методSPH)6,76 км/с10,3 ммПробоинаd 33,2 ммПробоинаd 20,2 ммПробоинаd 52,2 мм сразрывомПробоинаd 54,6 ммПробоинаd 50,8мм сразрывомПробоинаd 61,0 ммНепробой.Небольшойпрогиб отППУ.Не пробой.Принятые расчетные схемы и методы расчета в программномкомплексе ANSYS/AUTODYN позволяют с достаточно высокой точностьюмоделировать процесс пробоя. Согласование расчета с экспериментомпроисходит везде, кроме третьего защитного экрана; возможно, это связано снедостаточно точными прочностными свойствами ППУ.Расчетноепредыспытательноемоделированиепозволяетпрогнозировать условия удара, обеспечивающие непробой фрагмента и прииспытанияхнабаллистическихустановкахсократитьколичествонеобходимых экспериментов. Это имеет большое практическое значениеввиду высокой трудоемкости и стоимости экспериментов на легкогазовыхустановках.682.5 Исследование энергетических характеристик облака продуктовразрушения частиц на встроенной защите трансформируемого модуляДействие многослойной встроенной защиты основано на постепенномослаблении воздействия частицы и облака продуктов ее разрушения настенку гермооболочки по мере пробивания многослойной защиты.

Поэтомустепень уменьшения кинетической энергии облака по мере развитияпроцесса является показательной характеристикой встроенной защиты.Очевидно, что чем быстрее падает энергия облака, тем эффективнее защита.Проведено исследование энергетических характеристик облака для поискарациональной конструкции макета трансформируемой защиты и разработкерекомендаций по выбору расстояний между экранами и оптимальныхтолщин лицевого и промежуточных экранов. Исследование производилось сиспользованием бессточного метода SPH в лицензионном программномкомплексе ANSYS/AUTODYN.Рассматривается типовая конфигурация многослойной встроеннойэкранной защиты.

Рассматривался удар частицы из Д-16 диаметром 10 мм соскоростью 7000 м/с. Преграда представляла собой многослойный пакет изчетырехслоёвкевлара,разнесённыхнаодинаковоерасстояниепенополиуретановыми слоями. Расчёты проводились для упрощённой схемымакета стенки модуля без разделителей из ППУ. Параметры защитыпредставлены в таблице 11.69Таблица 11 – Схема многослойной тканевой экранной защиты без ППУЧислоЭкраны иоднотипныхразделителислоевЭкран 1Экран 2Экран 3Экран 43325226Толщинаматериаласлоя, ммТолщинагруппыоднотипныхслоев, ммПоверхностнаяплотностьслоя, кг/м20,30,30,30,39,97,56,61,80,20,20,20,2Поверхностнаяплотностьгруппыслоев, кг/м26,65,04,41,2Рассматривалась следующая конструкция (рисунок 2.18): сферическийударник диаметром 10 мм из сплава Д-16 (таблица 7) и система разнесенныхэкранов из кевларовой ткани (таблица 4).