Диссертация (1149812)
Текст из файла
Санкт-Петербургский государственный университетНа правах рукописиНечунаев Алексей ФедоровичМоделирование процессов высокоскоростного удараи взрыва методом частиц с учетом фазовых превращенийДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСпециальность 01.02.04Механика деформируемого твердого телаНаучный руководитель:доктор технических наук,профессор Фрадков А.Л.Санкт-Петербург - 20181СодержаниеВведение………………………………………………………………………………………...41Теоретическиепредпосылкибессеточногометодасглаженныхчастиц(SPH).............................................................................................................................................111.1 Система уравнений механики сплошной среды…………………………………......111.2 Керн-функция…………………….…………………………………………………….142 Высокоскоростной удар сферического алюминиевого ударника в тонкуюалюминиевую преграду………………………………………………………………..........192.1 Актуальность исследования…………………………………………………………192.2 Моделирование высокоскоростного удара алюминиевой сферы в тонкуюалюминиевую преграду……………………...…………………................................202.3 Моделирование высокоскоростного удара алюминиевого цилиндра в монолит...272.4 Сравнение динамики облаков осколков при высокоскоростном ударе сферы икуба одинаковой массы……………………………………………………………...342.5 Высокоскоростной удар в постановке плоского напряженного состояния………412.6 Высокоскоростной удар кубика миллиметрового размера в тонкую наклоннуюалюминиевую пластину……………………………………………………………..473 Высокоскоростной удар в игольчатую структуру..........................................................503.1 О защитных системах космических аппаратов……………………………………...503.2 Эффективностьструктуригольчатоготипаисравнениесмонолитнойпреградой……………………………………………………………………………..5323.3 Сравнение эффективности игольчатых структур при нормальном и отклоненномударе (скошенном ударе)…………………………………………………………….614 Вычислительное моделирование распространения ударной волны от детонациисферического заряда..............................................................................................………664.1 Актуальность исследования…………………………………...……………………....664.2 Теоретические предпосылки для метода частиц в ячейках…………………………734.3 Результаты вычислительного эксперимента распространения ударной волнывнутри шлюза ……………………………………......................................................814.4 Вычислительное моделирование распространения ударной волны внутри сфер изводы…………………………………………………………………………………...895 Высокоскоростной удар двух ударников..........................................................................985.1 Последовательный высокоскоростной удар двух ударников, летящих след в след, втолстую преграду…………………………………………………………………….985.2 Вычислительное моделирование удара двух ударников.
Случай 2-х сфер, летящихслед в след, преграда тонкая………………………………………………………..114Заключение…………………………………………………………………………………...121Список литературы………………………………………………………………….………126Приложения…………………………………………………………………………………..135Приложение А Верификационный вычислительный эксперимент – высокоскоростнойудар алюминиевой сферы диаметром 5,01 мм по тонкой алюминиевой преграде толщиной1 мм с начальной скоростью 4190 м/с (листинг кода k-файлов с исходными параметрамивычислительного эксперимента…………...…………………………………………………135Приложение Б Вычислительный эксперимент – детонация сферического заряда внутриводяных сфер (листинг кода k-файлов с исходными параметрами вычислительныхэкспериментов)……………………………………………………………………...……........142Приложение В Перечень опубликованных работ по теме диссертации……………….....1483ВведениеРабота посвящена численному исследованию процессов высокоскоростного удара сучетом фазовых превращений.Процесс деформирования твердого тела при нагружении ударными волнами имеетряд существенных особенностей по сравнению с квазистатическим и динамическимрежимами нагружения.
Расщепление пластической волны на две или слияние их в однузаметно изменяет характер процессов, происходящих в сжимаемом материале. Изменения,возникающие в структуре материала, зависят от формы и величины импульса, времениего действия, структуры ударного фронта, пути реализации нагрузки и разгрузки [89].Существует широкий спектр задач механики деформируемого тела и динамикиразрушения, когда необходимо моделировать действие высоких давлений (от 1 до 100ГПа) в течении ограниченного промежутка времени (от 10-3 до 10-8 с).
Несмотря наобширные экспериментальные исследования процессов деформирования и разрушенияматериалов в указанном диапазоне нагрузок, их результаты пока не позволяют получитьоднозначную зависимость между параметрами нагружения, геометрией конструкции исвойствами материала. Воздействие ударной волны на металлы должно вызыватьпроцессы как упрочняющие, так и разупрочняющие нагружаемый материал. Упрочнениеможет быть обусловлено дополнительным наклепом зерен, дроблением кристаллическихблоков, обратимыми фазовыми переходами на фронте ударной волны и некоторымидругими процессами, характерными для конкретных металлов. Разупрочнение можетвызываться влиянием нагрева, возникающего в ударно-сжатом материале, так как малыевремена делают процесс близким к адиабатическому, т.е.
за время прохождения ударнойволны практически не успевает происходить теплообмен между нагреваемой за счетинтенсивного сжатия и пластического течения областью и окружающей средой [89].Вообще, в последние пять десятилетий интерес к исследованиям соударения с высокимискоростями то ослабевал, то вспыхивал с новой силой. Эти исследования внесли большойвклад в разработку технологий защиты космических аппаратов от ударов метеороидов, атакже в изучение поведения материалов при сверхвысоких давлениях.
В последнее времядостижения в этой области явились стартом к исследованиям использования соударения свысокими скоростями для инициирования реакций термоядерного синтеза [92]. Интереснопроследить, как менялось определение этой области механики. Сначала оно связывалось сминимумом абсолютного значения скорости. Если скорость тела превышала этотминимум, то его соударение с преградой считалось высокоскоростным. Позднее к этой4категории явлений стали относить соударения, сопровождающиеся специфическимиявлениями, наиболее известное из которых – полное распыление материалов снаряда имишени вблизи точки их первого контакта.
Это определение получило широкоепризнание, так как оно позволяет существенно упростить исследование таких соударений.Если развивающиеся при соударении напряжения превосходят пределы прочностиматериалов снаряда и мишени во много раз, то они ведут себя как жидкость.Следовательно, по крайней мере начальную стадию соударения с высокими скоростямиможно изучать, пользуясь законами гидродинамики [83,92]. В результате математическийанализ таких соударений значительно упрощается и уступает в этом отношении толькоматематическому анализу упругих соударений. В работе [83] предложена модельфизических явлений, возникающих при соударении металлов, движущихся одинотносительно другого с высокими скоростями, которая основана на предположении, чтокинетическаяэнергия,выделяющаясяприсоударенииметаллов,посредствомдиссипативных процессов переходит в тепловую, и вследствие этого возникают явленияфазовых переходов.
При определенной скорости соударения тонкий слой поверхностисоударяющихся металлов испаряется, а затем происходит истечение газодинамическойструи, ее охлаждение и образование вначале двухфазной, а затем и жидкой струи металла.Математическому и вычислительному описанию явлений, возникающих в твердыхтелах при высокоскоростном ударе посвящены работы Аптукова В.Н., Белова Н.Н.,Броуда Г.,. Глушко А.И., Годунова С. К., Гридневой В.А., Гулидова А.И., Демидова В.Н.,Джонсона Дж., Жукова А.В.,. Загускина В.Д., Киселева А.Б., Киселева С.П., КондауроваВ.И., Корнеева А.И., Кривцова А.М., Куропатенко В.Ф., Куррана Д., Кэрролла М., Ли Е.,Макарова П.В., Мак-Глауна Дж., Мейдера Ч., Мержиевского A., Морозова Н.Ф., МорозоваВ.А., Никифоровского B.C., Радченко А.В., Рузанова А.И., Садырина А.И., СапожниковаГ.А., Скрипняка В.А., Тарвера К., Уилкинса М., Уокерли Дж., Фомина В.М., Фореста Ч.,Херрманна В., Холина Н.Н., Шемякина Е.И., Шильпероорда А., Югова Н.Т., Яненко Н.Н.и многих других ученых.
Кроме этого, многие из перечисленных ученых в этой областикак глубокие теоретики, так и экспериментаторы: Морозов В.А., Кривцов А.М., СадыринА.И.[100, 98,102].Для моделирования взаимодействий в механике твердого деформируемого телавесьма привлекательным является метод частиц [97]. Главное преимущество такогометода то, что он хорошо работает с большими перемещениями и деформациями, сбольшими скоростями деформаций.5В диссертационной работе для моделирования соударения металлическихударников помимо уравнений состояния материала использовалась модель материала поДжонсону-Куку, в которой при вычислении предела текучести металла на каждом шагерасчета используется зависимость, включающая в себя текущую расчетную температуру итемпературу плавления металла (идет учет разницы между ними).
Использование данноймодели материала обеспечивает более точное решение задач высокоскоростного удара(эволюция облака осколков, размеры облака, размер образовавшейся пробоины впреграде, глубина кратера при высокоскоростном ударе в монолит, объем кратера и т.д.)по сравнению с другими моделями материалов.ПодвычислительныммоделированиемметодомSPH(smoothedparticlehydrodynamics) в диссертационной работе понимается не только постановка и расчетопределеннойзадачивысокоскоростногоудара,ноиполноценныйвыводкинематических, динамических и энергетических характеристик частиц SPH (smoothedparticle hydrodynamics) после расчета, покадровая визуализация динамики (в отдельныхрисунках-файлах),представлениеграфическиххарактеристик,составлениеполейдавления, скоростей суммирование параметров по материалу (например, выводкинетическиой энергии некоторой части системы во времени) в целом и т.
д.В первой главе диссертационной работы рассматриваются теоретическиепредпосылки использования бессеточного метода SPH. Рассматриваются алгоритмынахождениякерн-функцииипоискасоседей(частиц).Рассматриваетсяпоследовательность вычисления для всех частиц производных полевых функций ивычисление шага по времени для каждой частицы. Рассматривается алгоритминтегрирования на основе знания производных для каждой частицы и общего шага повремени.Во второй главе описывается проведенный диссертантом верификационныйвычислительный эксперимент на основе натурного эксперимента удара алюминиевойсферы диаметром 5,01 мм в тонкую алюминиевую преграду толщиной 1 мм. Экспериментбыл зафиксирован при помощи лазерных тенеграмм авторами KE Fa-wei и др. Параметрыразрушения для модели материала по Джонсону-Куку, а также коэффициентысглаживания SPH подбирались итерационным способом путем проведения большогочисла вычислительных экспериментов.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
