Диссертация (1149812), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Особый интерес вызывает исследование объемныхструктур на высокоскоростной удар. Одним из таких направлений может являтьсяисследование сферических защитных оболочек, заполненных двухфазной газожидкостнойсредой [49]. В таких системах энергия ударника может быть преобразована в энергиюударной волны, интенсивность которой может быть уменьшена за счет многочисленныхотражений и схлопывания газовых включений [12]. Стоит отметить эффективностьпанелей геометрии типа «коробок для хранения яиц» [73], поведение которых подобнопористым структурам и пеноматериалам различного рода, например пористому алюминию[32,69], пористой керамике [60] с добавлением слоя жидкости, воспринимающегосдвиговую нагрузку [31] или сотовые структуры [61].
Перечисленные структуры могутбыть использованы для защиты, как самостоятельные защитные материалы [26], так исовместно с «уиппл-сэндвич-панелями» [54]. Вопросам деформирования и разрушениятвердых тел с микроструктурой посвящена отдельная монография [98], где обращает насебя внимание перспективностьИспользованиенанопористогоиспользования поликристаллическихкремнияможетпородитьцелыйматериалов.спектрновыхперспективных материалов, используемых при защите от высокоскоростного удара [99].Очевидно, что полномасштабные натурные эксперименты с различной геометриейзащитных структур, а также различными комбинациями материалов, являются весьмаутомительными и трудоемкими, вместе с тем весьма дорогостоящими.
Компьютерноемоделирование может позволить эффективно разрабатывать новую геометрию, оносовершенно безопасное и позволяет исследовать структуры на скоростях, которыхневозможно достичь при помощи газовых пушек и рельсотронов. Моделирование51позволяет получить информацию о таких важных физических параметрах, кактемпература, давления, скорости, напряжения и деформации в различные дискретныемоменты времени с интервалом один расчетный шаг по времени. Весьма привлекательнымпри таком подходе является численное сравнение защитных систем при одинаковыхначальных условиях, таких как скорость ударника, его размер и масса, угол удара,давление, температура.523.2Эффективностьструктуригольчатоготипаисравнение с монолитной преградойЭкспериментальные и теоретические исследования глубины проникания при ударекомпактного ударника показали, что эффективная металлическая преграда должна бытьдостаточнотолстой,чтобывыдерживатьвысокоскоростнойударударниковмиллиметровых размеров со скоростями выше 10 км/с.
На рисунке 29 помещенафотографиякратеравразрезепослеэксперимента,проведенногопрофессоромСмирновым Н.Н и соавторами [48]. Для сравнения, точно такой же металлическийударник, образовавший кратер, помещен внутрь кратера. Линейка с миллиметровымирисками справа иллюстрирует размеры кратера. Несмотря на высокую надежность такойзащиты, данный щит имеет значительную массу, чтобы быть применимым длякосмического аппарата. Рассмотрим геометрию, представляющую собой конструкциюзначительно легче, чем монолит: игольчатую структуру.
Структура представляет собоймассив игл, которые опираются на тонкую подложку. Такую структуру возможноисследовать посредством современных вычислительных технологий. Возможно провестисерию вычислительных экспериментов, меняя при этом только один ключевой параметр,например, угол удара. При этом, сохраняя все остальные начальные и граничные условияи на основе этого оценить эффективность данной конфигурации.Рис.29 Осевой разрез экспериментальной стальной преграды после удара в нееэлементом характерным размером 2,5 мм [48].53Моделирование было проведено методом SPH с использованием гидрокодаANSYS/LS-DYNA [2,41]. Эффективность и адекватность данного метода были провереныв главе 2 верификационным вычислительным моделированием, а также в [62,57].Для описания поведения игольчатой структуры и ударника были использованыуравнения пластичности и разрушения по Джонсону-Куку (*MAT_JOHNSON_COOK),дополненные уравнениями состояния.
Уравнение состояния для ударника - линейныйполином (*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL), а уравнение состояния игольчатой структуры по Ми-Грюнайзену [35]. Были использованы константы и параметры материала,показавшиехорошеесогласиевычислительногоэкспериментасизвестнымполномасштабным натурным экспериментом [22] (высокоскоростной удар сферическогоударника по тонкой преграде).
Стоит отметить (см. главу 2), что диаметр и размер облакаосколков, скорости их распространения, распределение частиц ударника и преграды воблаке осколков, а также другие ключевые характеристики находятся в хорошем согласиис экспериментальными данными, что показывает правильность и адекватность выбранныхпараметров метода SPH в целом для такого круга задач.Таблица 4. Константы материалов и параметрыПараметрЕд. изм.Al-1100Al-6061-T6Плотность, ρкг/м327702770Модуль сдвига, GПа25.9 x 10925 x 109Константа по Джонсона-Куку AПа4.1 x 1073.241 x 108Константа по Джонсона-Куку ВПа1.25 x 1081.138 x 108Показатель прочности на растяжение, n0.1830.42Константа по Джонсону-Куку, c0.0010.002Коэффициент термической податливости, m0.8591.34Температура при испытанияхK293293Температура плавленияK893893материала1/с11Удельная теплоемкость, CpДж/(кг*910910Джонсону-Куку, D10.071-0.77D21.2481.45Скорость деформации при испытании образцовK)Коэффициенты в модели разрушения по54D3-1.142-0.47D40.00970D501.6Таблица 5.
Коэффициенты уравнения состояния – линейный полиномМатериалC0Al-11000C1,C2,C3,ГПаГПаГПа74.260.536.5C4C5C6E0V01.960001Таблица 6. Коэффициенты уравнения состояния по Ми-ГрюнайзенуМатериалC, м/сS1S2S3aE0Γ0V0Al-6061-T639351.57800001.691Игольчатая структура представляласобой массивигл,расположенныхвзаимнопараллельно на равных расстояниях. Иглы опирались на плоскую подложку.
Угол междукаждой иглой и подложкой составлял 90°. Игольчатая структура состояла из массива 51 х51 игла. Толщина подложки составляла 3,1 мм. Длина каждой иглы 50 мм, ее диаметр 0,31мм, расстояние между иглами 0,31 мм. Всего игольчатый массив включал в себя 2601 иглу.Иглы и подложка принимались заданными из материала Al-6061-T6. Была рассчитанаповерхностная плотность этой структуры, которая составила 35,96 кг/м2 (общаяповерхностная плотность игл составила 27,33 кг/м2, поверхностная плотность подложкисоставила 8,63 кг/м2).Чтобыоценитьэффективностьвышеописаннойструктуры,быливыполненывычислительные эксперименты высокоскоростного удара сферическим ударником,заданным из материала Al-1100, диаметром 5 мм, нормальным углом между направлениемудара и подложкой. Были сделаны расчеты со скоростями 6200 м/с, 7200 м/с, 8200 м/с и9200 м/с.55Рис.30 Осевое сечение модели высокоскоростного удара в игольчатую структуруОсевое сечение модели представлено на рисунке 30.
Иглы, подложка и ударникбыли разделены на частицы SPH одинакового размера диаметром 0,31 мм. Диаметр однойчастицы был равен диаметру иглы. Подложка была разделена на 10 SPH по толщине, асферический ударник – на 16 SPH по диаметру. Подложка жестко закреплялась почетырем сторонам. Ввиду сложности постановки задачи допускалось упрощение, что ударпроисходит в условиях абсолютного вакуума (когда для сравнения таких вычислительныхэкспериментов с натурными в земных условиях желательно было бы заполнитьпространство между иглами модельной средой «воздух»).Рисунки 31, 32, 33 представляют последовательные состояния динамикивысокоскоростного удара 5-мм сферического ударника в игольчатую в моменты времени 0мкс, 6 мкс, 80 мкс для начальных скоростей ударника 8200 м/с и 9200 м/с.
Палитрапоказывает соотношения между цветом частиц и их скоростями вдоль сои Y, котораярасположена перпендикулярно подложке. Вычислительные эксперименты на скоростях6200 м/с, 7200 м/с и 8200 м/с показывают, что игольчатая структура успешно выдерживаетвысокоскоростной удар. Вычислительный эксперимент на скорости 9200 м/с дает врезультате повреждение тыльной поверхности подложки – были обнаружены небольшие56продольные трещины в подложке с обратной стороны, как результат попадания вторичныхобломков от сферического ударника и игольчатой структуры в подложку.Рис.31 Начальное положение, 0 мкс. (a) – начальная скорость ударника 8200 m/s, (b) –начальная скорость ударника 9200 m/s.Рис.32 Проникание ударника в игольчатую структуру. Момент времени 6 мкс.
(a) –начальная скорость ударника 8200 m/s, (b) – начальная скорость ударника 9200 m/s.Рис.33 Проникание ударника в игольчатую структуру. Момент времени 80 мкс. (a) –начальная скорость ударника 8200 m/s, (b) – начальная скорость ударника 9200 m/s.57Диаграмма на рисунке 34 показывает групповые скорости частиц SPH подложки,расположенных на тыльной стороне.
Представлены скорости вдоль оси Y. По диаграммевидим, что в момент времени 25 мкс ударная волна достигает подложки, деформирует ее ивызывает осцилляции скоростей частиц вдоль оси Y с максимальной амплитудой 105 м/с.После 35-40 мкс подложка взаимодействует со вторичным облаком осколков (обломкиударника и игольчатой структуры). После 80 мкс большая часть вторичных осколковполностью останавливается, и подложка начинает упругое восстановление. Исследуемаяигольчатая структура успешно выдерживает удар с начальной скоростью 8200 м/сударника диаметром 5 мм.Для смежного вычислительного эксперимента, когда начальная скорость ударникасоставляла 9200 м/с, процесс взаимодействия ударника с игольчатой структуройкачественно тот же (рисунок 35).
Распространяющаяся вдоль игл ударная волна такжевызывает осцилляции скоростей частиц в подложке. Как и в предыдущем случае,осцилляции идут вдоль оси Y с максимальной амплитудой 120 м/с (максимум достигаетсяоколо 25 мкс после начала соударения). Максимум осцилляций постепенно снижается и впромежуток времени 35-80 мкс имеет отметку порядка 70-90 м/с, что обусловленоприходом вторичных осколков. Однако упругого восстановления подложки не происходити образуются продольные трещины на подложке.Рис.34 Групповая диаграмма скоростей тыльной поверхности подложки. Начальнаяскорость ударника 8200 m/s.58Рис.35 Групповая диаграмма скоростей тыльной поверхности подложки. Начальнаяскорость ударника 9200 m/s.Уточняющий расчет со скоростью 5-мм ударника в диаметре, равной 8500 м/с, показывает,что в результате соударения тыльная поверхность остается неповрежденной.Для использования игольчатой структуры в защитных системах космических аппаратовкроме ее стойкости к высокоскоростному удару, структура должна иметь массовыепреимущества перед монолитом, выполненным их такого же материала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
