Диссертация (1149812), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Скорость ударника была равнойVs=4190 м/с. На исходной позиции куб был повернут одной из граней на угол 45° поотношению к плоскости пластины. В результате чего первой контактной областью кубапри соударении было его ребро. Ось столкновения была перпендикулярна плоскостипластины. Постановка задачи приведена на рисунке 15 (б).
Масса кубика в задачах 1 и 2совпадали.34(а)(б)Рис. 15. Фрагменты. Постановка задач 1 и 2. Коричневым цветом показано опорноекольцо, на которое опирается преграда. Заданы граничные условия для кольца –отсутствие перемещения частиц SPH по осям X,Y,Z. Поворот частиц разрешен.(а)(б)Рис. 16 Облака осколков для двух случаев в момент времени 2 мкс: удар кубика гранью (а)удар кубика ребром (б).35(а)(б)Рис. 17 Облака осколков для двух случаев в момент времени 5 мкс: удар кубика гранью (а)удар кубика ребром (б).(а)(б)Рис. 18 Облака осколков для двух случаев в момент времени 10 мкс: удар кубика гранью(а) удар кубика ребром (б).Было проведено сравнение динамика развития облаков осколков для двух ранееописанных случаев – Задача 1 и Задача 2.36При ударе кубика гранью в авангарде образуется конус из осколков пластины (рис.16 (а), рис. 17 (а), рис. 18 (а)). С течением времени конус расширяется, а за ним следуетгруппа осколков ударника.
Формирование конуса, скорее всего, связано с откольныммеханизмом разрушения пластины до пробития ударником. Динамика движения осколковударника, в целом, схожа со случаем удара пластины сферой той же массы и при той жескорости. На оси столкновения также образуется «прилив» из осколков ударника.При ударе кубика ребром (Задача 2, рис. 16 (б), рис.
17 (б), рис. 18 (б)) наблюдаетсяиная картина. Большая часть осколков ударника сосредоточена в плотной группе на осистолкновения, от которой, с течением времени симметрично, под углом 45 градусов ктраектории столкновения расходятся вытянутые группы осколков ударника. Некотораячасть более медленных осколков ударника следует за авангардом. Прилив неформируется.При ударе гранью угол разлета осколков ударника составляет 32 градуса поотношению к траектории столкновения, осколки относительно равномерно распределенына переднем краю облака с небольшим утолщением в центре. В случае удара ребромразлет осколков составляет 24 градуса, при этом основная масса осколков (более 50%)сосредоточена в плотной группе на оси столкновения. Это означает, что уменьшаетсядисперсия осколков ударника, т.е.
снижается эффективность двухслойной защиты.Из сравнения картин развития облака можно сделать вывод, что привысокоскоростном столкновении космического мусора несферической формы с системойиз двух пластин острой гранью значительно повышается вероятность пробития второйпластины. Конфигурация из двух преград (2 пластины друг за другом) значительно менееэффективна при защите от столкновений с объектами несферической формы, имеющимиострые грани. Подтверждается вывод, сделанный Моррисоном [45].Снижениеэффективностизащитывслучаестолкновениясобъектомнесферической формы следует соотнести с неравномерным распространением вызванныхстолкновением ударных волн и напряжений в пластин и ударнике. Распространениеударнойволнывсфере–осесимметричныйпроцесс.Привысокоскоростномстолкновении ударные волны формируются и распространяются в ударнике и пластине.Интенсивность ударной волны и продолжительность её действия на сферу и пластину –функция отношения толщины к диаметру и скорости соударения.
При соударении сцилиндром с отношением длина/диаметр близким к 1 под нормальным углом, одномернаяударная волна распространяется в ударнике и пластине. При столкновении под углом37распространение волн в ударнике и пластине не симметрично. Ориентация отдельныхучастков ударника может приводить или не приводить к возникновению ударных волн вобласти этого участка. В большинстве случаев ударные волны в ударнике или пластинеопережают точку контакта между сталкивающимися поверхностями. В результатепоследующий контакт между поверхностями вызовет взаимодействие ранее нагруженногоматериала.
Нагрузки, сгенерированные столкновением с ранее нагруженным материаломмогут быть значительно ниже чем нагрузки, вызванные столкновением с невозмущеннымматериалом из-за микроскопических изменений в структуре ранее нагруженногоматериала. Сниженная ударная нагрузка ударника может привести к формированию болеекрупных объектов в облаке осколков [52].Сравним поля скоростей облаков осколков для задач высокоскоростного ударасферы, кубика, кубика ребром. Соответствующие эволюции облаков (с отображениемполей скоростей частиц SPH) приведены на рисунках 19-21 для момента времени t= 24мкс.Рис.19 Поле скоростей частиц SPH в результате вычислительного моделирования ударасферы в тонкую преграду t = 24 мкс. Отрицательные скорости вдоль оси Y условнопоказаны, как нулевые.38Рис.20 Поле скоростей частиц SPH в результате вычислительного моделирования ударакубика в тонкую преграду t = 24 мкс.
Отрицательные скорости вдоль оси Y условнопоказаны, как нулевые.Рис.21 – Поле скоростей частиц SPH в результате вычислительного моделирования ударакубика в тонкую преграду. Кубик развернут ребром к преграде (45°).t = 24 мкс.Отрицательные скорости вдоль оси Y условно показаны, как нулевые.39Для задачи удара кубика ребром, на полях скоростей частиц SPH (рисунок 21)наблюдаетсянезначительная несимметричность решения (ошибка в пределах 2-3%).Таким образом, выбранные для вычислительного моделирования параметры могутбыть использованы и для решения других вычислителях задач такого типа.ВыводыПроведены вычислительные эксперименты, направленные на изучение влиянияориентации несферического ударника перед ударом на форму облака осколков.Рассмотрены два предельных случая: удар гранью и удар ребром.
В случае удара кубагранью угол рассеивания осколков больше, чем в случае удара ребром. Осколки в облакесравнительно равномерно распределены в передней части облака с небольшимскоплением в центре. При ударе куба ребром, формирующееся облако сужено – уголрассеивания осколков составляет ¾ от угла при ударе куба гранью, распределениеосколков неравномерное: более 50% общей массы осколков сосредоточено в плотномскоплении на оси удара, скорость осколков на 7% выше, чем скорость авангарда осколковдля случая удара куба гранью.Уменьшение угла рассеяния осколков и увеличение скорости авангарда облака приводит куменьшению эффективности двухслойной защиты.
Вычислительные эксперименты,использующие верифицированную математическую модель высокоскоростного удара потонкой преграде показывают, что проникание осколков сквозь двухслойную разнесеннуюпреграду наиболее вероятно для случаяудара куба ребром, что подтверждаетсяизвестным натурным экспериментом.При высокоскоростном ударе в разнесенную преграду несферическим ударником (а всистемах защиты космических аппаратах в настоящее время используется именноразнесенная преграда), ударником цилиндрической или кубической формы, когда ударпроисходит ребром ударника, интенсивность нагружения второй преграды не может бытьзначительно уменьшена увеличением расстояния между первой и второй преградой, таккак облако осколков расширяется неравномерно, а большая масса осколков от пробитияпервой преграды сосредоточена на оси удара.402.5 Высокоскоростной удар в постановкеплоского напряженного состоянияАктуальность задач, рассматриваемых в разделе 2.5, определяется прежде всеготем, что есть практическая потребность в расчете последствий кумулятивного удара.Прежде всего для исследования эффективности гашения энергии удлиненного ударникастержня в задачах защиты военной техники и оборудования от попадания кумулятивнойструи [80].
Известно, что кумулятивную струю в модельной постановке можно заменитьудлиненным ударником-стержнем определенного диаметра, задав скоростной градиентчастиц (или для упрощения без него). Проектирование эффективных защитных экранов откумулятивной струи – основная задача, которая ложится на вычислительные модели.Более того, моделирование проникания кумулятивной струи в преграду на ЭВМсокращает в десятки и сотни раз затраты на проведение натурных экспериментов. Амоделирование на ЭВМ в постановке плоского напряженного состояния экономит в 5-10раз компьютерное время при численном счете.Рассмотриммоделированиевысокоскоростногосоударениянапримерефункционирования кумулятивного снаряда, а именно той части процесса, когда ужеобразованная кумулятивная струя начинает внедрение в сплошную преграду.
Принципдействия кумулятивного снаряда представлен на рисунке 22. Когда наконечник 6встречаетповерхностьпоражаемойпреграды,черезбаллистическойколпачокинерционное смещение передается на ударник взрывателя 4, происходит детонация заряда5. Взрыв сминает облицовку кумулятивной выемки 3, образуется струя высокой скоростии плотности, которая пробивает преграду и может поразить различные объекты иагрегаты, находящиеся за ней [91].41Рис.22 3D - компьютерная модель бронебойного кумулятивного снаряда: 1 - привинтнаяголовка; 2 - баллистический колпачок; 3 - кумулятивная выемка; 4 -взрыватель; 5 разрывной заряд; 6-наконечник.Рис.23 Схема образования кумулятивной струи: 1 - коническая облицовка,превращающаяся в пест и струю; 2 - начальная форма струи, возникающая после смятияоблицовки; 3 - пест; 4 - кумулятивная струя.На рисунке 23 показано последовательное превращение конической облицовки 1 ввысокоскоростную (6-11 км/с) кумулятивную струю 4 и низкоскоростную ее часть - пест 3(2,5-3,5 км/с).В таких прикладных пакетах моделирования высоконелинейных процессов, как ANSYS,ANSYS/LS-DYNAсуществуетдостаточноширокийинструментарийкакдлямоделирования формирования кумулятивной струи за счет схлопывания тонкойметаллической конусной оболочки под воздействием взрыва бризантного взрывчатого42вещества (ВВ), так и для моделирования проникания кумулятивной струи в "пакетные"структуры материалов.
Серии таких расчетов со всевозможными комбинациямиматериалов с различными свойствами представляют собой поиск оптимальных сочетанийзащиты в ключе "защитные свойства - суммарная масса защиты". При этом металлическаяконусная оболочка, бризантное ВВ формулируется в виде 2D или 3D тела (в зависимостиот постановки задачи). Это может быть конечно-элементное тело FEM (finite elementmodel), SHELL - элементы (плоская 2D постановка) или тело, созданное методами SPH(smooth particle hydrodynamics)[3,63].Трехмерное моделирование требует применения ЭВМ гигафлопного (109 операций/с) итерафлопного (1012 операций/с) диапазонов с объемом оперативной памяти в сотнигигабайт [91]. Как правило, на ЭВМ средней мощности (процессоры Intel Core i-5, IntelCore i-7 с тактовыми частотами 2,7-3,7 GHz) в случае, если модельная постановка задачи3D превышает 2-2,5 млн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
