КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 2, с. 183-188
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ =
УДК 629.7
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОТИВОУДАРНОЙ СТОЙКОСТИ ПРЕГРАД И КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
© 2007 г. И. Е. Хорев, В. Ф. Толкачев, Г. А. Ерохин
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Поступила в редакцию 03.11.2004 г
PACS:81.70.Cv
Задача о высокоскоростном взаимодействии различных техногенных тел с преградами и конструкциями, состоящими, как правило, из набора простейших преград (слоистых, экранированных и разнесенных) из различных материалов занимает особое место в общей проблеме высокоскоростного соударения разномасштабных твердых тел. Она является научной основой для решения практических задач, связанных с разработкой технологий двойного назначения и предназначенных для постоянного совершенствования защиты гражданской, морской, авиационной и космической техники от проникающего удара техногенных тел широкого спектра. Комплексные экспериментально-численные исследования повреждения преград конечной толщины бронебойными элементами показывают [1], что с изменением начальных условий взаимодействия (повышение скоростей встречи тел, выбор других материалов преград и ударников, их геометрии и т.д.) существенно меняются механизмы разрушения мишеней. Эксперименты свидетельствуют, что в ряде случаев конечное пробивание преград в конструкции определяется взаимной комбинацией нескольких (проявляющихся при определенных условиях отдельно) механизмов разрушения мишеней (выбивание диска, вязкое растекание, хрупкое дробление, откол, лепесткование и т.д.). Однако априори трудно выяснить и тем более предсказать заранее динамику и эволюцию развития общей структуры повреждения по всей толщине конструкции и при различных скоростях встречи ударника с преградой. В этом случае ведущую роль приобретает численное моделирование, которое при наличии адекватной физико-математической модели соударяющихся тел позволяет провести компьютерный анализ противоударной стойкости преград и простейших конструкций. Традиционным методом оценки противоударной защиты различных объектов гражданской, военной и космической техники остаются широкомасштабные модельные и натурные параметрические опыты, в ходе которых устанавлива-
ются необходимые зависимости исследуемых интегральных характеристик процесса от начальных параметров взаимодействующих тел. При этом, как правило, в опытах фиксируются лишь результирующие явления процесса соударения на сохраненных образцах: форма и размеры кратера и пробоин в преградах, предельная толщина пробития отдельной преграды или конструкции в целом, а так же предельная скорость пробития и т.п. Кроме того, обычно фиксируется количество пробитых преград в разнесенной конструкции, характер и размеры повреждений в отдельных пробитых пластинах, состояние уловленных специальными устройствами остатков различных ударников. И практически отсутствуют результаты регистрации непосредственно динамики удара: закономерностей распространения ударных волн, откольных явлений, эволюции срабатывания и разрушения удлиненных элементов, групповое воздействие осколков и др. Из-за чрезвычайной кратковременности высокоскоростного удара порядка 10-4 -10-7 с и его разрушительного действия в настоящее время основными источниками экспериментальной информации о динамике всего процесса удара являются: скоростная оптическая съемка (обычная и лазерная), импульсное многократное рентгенографирование [2] и фиксация давлений и скоростей преград методами дифференциальной лазерной интерферометрии, манганиновыми, емкостными, пьезо и элек-третными датчиками [3]. При этом важным источником информации непосредственно из любой зоны интенсивной деформации, предраз-рушения и разрушения материалов взаимодействующих тел, является численное моделирование [4]. Методы математического моделирования получают в настоящее время все большее и большее распространение в силу бурного развития компьютерных технологий, т.к. они позволяют "заморозить" процесс удара на любой его стадии, представить степень деформации контактирующих тел, структуру разрушенных областей материалов на основе используемой физико-матема-
тической модели взаимодействующих тел. Это позволяет проанализировать детально эволюцию динамики всего процесса, путем качественного и количественного сравнения с аналогичным натурным экспериментом исследовать механизмы разрушения различных областей материалов и всей конструкции в целом.
Компьютерное моделирование процесса взаимодействия ударников разного удлинения с преградами и простейшими конструкциями проводилось численным методом конечных элементов и эффективно проявившим себя в решении широкого спектра задач в проблеме высокоскоростных ударных явлений [4]. В общем случае используемая в работе физико-математическая модель соударяющихся твердых тел описывается сжимаемой прочной средой, поведение которой при экстремальных ударных нагрузках описывается широкодиапазонным полуэмпирическим уравнением состояния [5], упругопластической моделью, динамическим пределом текучести, модулем сдвига и константами кинетической модели разрушения [6], описывающей локальное зарождение, развитие и адресную эволюцию микроповреждений, которые непрерывно изменяют свойства контактирующих материалов и вызывают релаксацию напряжений.
Моделирование откольно-сдвигового процесса разрушения осуществлялось, исходя из представления о непрерывной мере накопления разрушения, в качестве которой выбран удельный объем трещин или пор [7]. Скорость роста удельного объема трещин или пор задавалась как функция действующего давления и достигнутого объема повреждений согласно соотношениям, полученным в работах [8, 9], которые учитывают возможность частичного или полного закрытия микроповреждений при смене знака растягивающих напряжений и возникновении сжимающих напряжений [10], что чрезвычайно важно при анализе пробивания разнесенных конструкций. Поэтапный анализ изолиний удельного объема трещин (в различные моменты времени) на этапе предразрушения материалов позволяет локально установить качественно и количественно общую тенденцию развития разрушения, его механизм, степень локальной поврежденности материала, ход магистральной откольной трещины и адиабатического сдвига в результате падения прочности материалов из-за его адиабатического разогрева [11]. При этом выявляется зарождение и эволюция различных механизмов разрушения и их взаимовлияние. Так, при исследовании механизма сквозного пробивания пластин деформирующимися ударниками установлено, что формирование отделяемого диска в верхней и нижней половине пластины происходит по различным механизмам [12]. В верхней половине первоначальные очаги откольного разрушения в процессе внедре-
ния ударника подавляются. Сдвиговые деформации приводят к выделению по контуру формирующегося диска большого количества тепла, что понижает локальную прочность материала в этой области. Затем процесс завершается образованием трещин в зоне интенсивных сдвиговых деформаций. В нижней половине пластины, отделенной от верхней откольной трещиной, разрушение, характеризуемое сильным ростом удельного объема трещин, возникает на тыльной поверхности. Появившиеся в ослабленной трещинами области интенсивные сдвиговые деформации приводят к выделению тепловой энергии, поддерживающей развитие кольцевой трещины вверх, соединение которой с распространяющейся от лицевой поверхности зоной разрушений завершает процесс пробития пластины. В работе [12] на сохраненных образцах показано, что форма боковой поверхности отделяемого диска, характеризуемая изломом на боковой его поверхности, подтверждает описанные механизмы пробивания преград, причем границу излома на боковой поверхности выбиваемого диска (пробки) следует отождествлять с горизонтальной плоскостью от-кольных разрушений.
В данной работе численно анализируются результаты пробивания монолитных преград конечной толщины и простейших конструкций, состоящих из набора отдельных пластин одинаковой толщины из того же материала, что и материал монолитной преграды. В общем случае удельный вес таких конструкций (вес конструкции на единицу поверхности) одинаков. Численная схема реализации метода конечных элементов в существенно нестационарных задачах механики деформируемого твердого тела заимствована из работы [4], которая позволила решать осесимметричные, плоские и трехмерные задачи экстремальных ударных и взрывных явлений. Тестирование численной схемы и алгоритма расчета проводилось путем сравнения расчетных и экспериментальных данных по реверберации откольного импульса при соударении пластин (одномерный случай), а также путем сравнения запреградной скорости удлиненного осколка при пробитии им пластин из различных материалов (двумерный случай), при этом расхождение экспериментальных и расчетных данных не превосходило 7%.
В общем случае в качестве предельной скорости пробития отдельной преграды или разнесенной конструкции выбирается такая скорость, при которой ударник проникает за тыльный срез последней преграды конструкции с определенной скоростью, вызывающей минимальный запреградный эффект поражения (скорость порядка 50 м/с). В статье анализируются результаты пробивания именно разнесенных преград, т.к. экранированные преграды рассматривались в работах [13, 14]
7 мкс
3 мкс
7 мкс
Рис. 1. Хронограммы процесса взаимодействия стального цилиндра с высотой равной диаметру (8 мм) с разнесенной двухпреградной конструкцией из стали (толщина пластин равна 5 мм, а величина зазора 3 мм) в моменты реального времени 7, 8 и 8.5 мкс со скоростью 2500 м/с.
и их эффективность основана на "эффекте Уиппла" [15], связанного с использованием тонких экранов, расположенных перед основной преградой, и вызывающих интенсивное дробление ударника при высокоскоростном взаимодействии с ними на мелкие осколки. Это приводит к рассредоточению ударного импульса на большую поверхность основной преграды и в итоге к существенно меньшей глубине внедрения (толщине пробития). Защита космических аппаратов с применением тонких экранов нашла практиче
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.