Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 11
О проблеме испытания конструкций на воздействие интенсивных механических и ударно-волновых нагрузок 11
1.1 Описание проблемы 11
1.2 Методы и установки испытания конструкций на воздействие динамических нагрузок 12
1.3 Методы и установки испытания конструкций на воздействие импульсных нагрузок 15
1.4 Генерация импульсной нагрузки с использованием светочувствительного взрывчатого вещества 24
ГЛАВА 2 27
Способ генерации импульсной нагрузки с использованием светочувствительного взрывчатого вещества на основе комплексного перхлората ртути (II) 27
2.1 Описание светочувствительного взрывчатого вещества ВС-2 на основе комплексного перхлората ртути (II) 27
2.2 Инициирование светочувствительного вещества ВС-2 некогерентным излучением 28
2.3 Инициирование светочувствительного вещества ВС-2 лучом лазерного диода 29
2.4 Выводы 33
ГЛАВА 3 35
Численный расчет импульсного воздействия давления на тонкостенную оболочку конической и цилиндрической формы 35
3.1 Постановка задачи 35
3.2 Результаты расчета 39
3.3 Выводы 42
ГЛАВА 4 43
Взрывное воздействие на цилиндрическую оболочку, заполненную водой
4.1 Эксперимент 43
4.2 Численное моделирование 48
4.3 Результаты численного расчета и сопоставление с экспериментальными данными 54
4.4 Выводы 58
Глава 5 59
Ударно-волновое нагружение пластин из оргстекла и стали 59
5.1 Ударно-волновое нагружение оптически прозрачных тел 59
5.2 Ударно-волновое нагружение пластины из стали 68
5.3 Выводы 75
Заключение 76
Список использованных источников
- Методы и установки испытания конструкций на воздействие динамических нагрузок
- Инициирование светочувствительного вещества ВС-2 некогерентным излучением
- Результаты расчета
- Результаты численного расчета и сопоставление с экспериментальными данными
Введение к работе
Актуальность выбора темы диссертационной работы объясняется тем, что при создании и отработке современных и перспективных образцов техники, ракетно-артиллерийского вооружения требуется подтверждение стойкости приборов и систем, а также прочности конструкций к воздействию высокоинтенсивных нагрузок. К таким нагрузкам можно отнести высокоскоростное соударение, взрывное нагружение, воздействие высокоэнергетического излучения или заряженных частиц. А создание новой техники невозможно представить без экспериментальной отработки и численного моделирования. В свою очередь, исследование процессов распространения и взаимодействия ударных волн в веществе позволяет получать необходимые сведения о физико-механических свойствах, об уравнениях состояния вещества в широком диапазоне термодинамических параметров, дает возможность проводить тестирование численных методик.
Большой научный интерес к проблеме ударно-волнового нагружения объясняется и тем, что при таком воздействии в веществе могут наблюдаться полиморфные фазовые превращения с изменением кристаллической структуры, что ведет к изменению физико-механических свойств.
В ряде случаев требуется подтверждения стойкости и прочности конструкций, например, летательных аппаратов, импульсных ядерных реакторов, при воздействии рентгеновского излучения (РИ), при облучении потоком заряженных частиц. В этом случае на большой поверхности конструкции в результате мгновенного разогрева тонкого слоя вещества и перехода в газообразное состояние и его разлета возникает импульс давления, распространяющийся по толщине вглубь материала и нагружающий конструкцию корпуса и приборы системы автоматики, находящейся внутри.
В настоящее время основным методом, позволяющим моделировать интенсивное механическое воздействие на крупногабаритные объекты, являющееся результатом облучения рентгеновского излучения или потока заряженных частиц, служит метод скользящей детонации, который при своих очевидных преимуществах, связанных с простотой реализации, имеет и недостатки. Основные недостатки - это разновременность нагружения различных точек поверхности крупногабаритных объектов при инициировании взрывчатого веществ в одной точке, а также невозможность создания нагрузки с амплитудой ниже определенного уровня, который определяется критическим диаметром детонации конкретного взрывчатого вещества (ВВ). Таким образом, создание метода, позволяющего смоделировать заданное интенсивное механическое воздействие на объект испытаний является важной задачей.
Наряду с поиском новых методов и способов испытания конструкций при воздействии интенсивных механических нагрузок, также развиваются методы регистрации и визуализации быстропротекающих процессов, позволяющие также получать важную информацию о процессе.
Цель работы состоит в разработке способа испытаний крупногабаритных конструкций при воздействии импульса давления на большой площади поверхности в совокупности с исследованием поведения элементов тонкостенных конструкций при интенсивных механических нагрузках
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
проведено экспериментальное исследование нового светочувствительного взрывчатого состава на инициирование импульсом лазерного светодиода,
проведен анализ чувствительности данного состава к воздействию некогерентного излучения мощного источника света,
с помощью численного моделирования проведено сравнение динамического отклика тонкостенных конструкций на воздействие импульса давления, являющегося результатом использования метода скользящей детонации и предлагаемого в настоящей работе способа с использованием светочувствительного взрывчатого состава,
выполнены экспериментальное и численное исследования взрывного нагружения различных объектов,
по результатам экспериментальных данных проведена верификация применяемых математических моделей и физико-механических свойств.
Объектом исследования является тонкостенная конструкция, испытывающая интенсивные механические воздействия.
Предметом исследования являются методы и способы создания импульсных механических нагрузок, а также методы определения реакции конструкций на действие указанных нагрузок.
Научная новизна
-
Предложен метод создания импульсного давления на поверхности крупногабаритных объектов с использованием светочувствительного взрывчатого вещества.
-
Представлены впервые полученные результаты экспериментов по инициированию светочувствительного взрывчатого вещества лучом лазерного диода.
-
Представлены результаты расчетно-экспериментального исследования взрывного нагружения цилиндрической оболочки, заполненной водой, а также пластин из оргстекла и стали.
Теоретическая значимость исследования
-
Численно исследована реакция тонкостенных крупногабаритных объектов на действие импульса давления, характерного для традиционных способов с использованием пластифицированных взрывчатых веществ и предлагаемого светочувствительного взрывчатого вещества.
-
По результатам фотовидеорегистрации подобраны упругие характеристики оргстекла при скоростях деформирования, характерных для взрывного нагружения.
Практическая значимость исследования
-
Экспериментальные данные об инициировании светочувствительного взрывчатого вещества лучом лазерного светодиода и некогерентным источником света позволят создать методику и внедрить в практику отработки конструкций ракетно-артиллерийского вооружения на воздействие импульсных механических нагрузок, исключая, при этом, недостатки существующих методов.
-
На основе светочувствительного взрывчатого вещества возможно создание оптическихэлектродетонаторов, невосприимчивых к электромагнитным наводкам и малочувствительным к механическим воздействиям.
-
Данные результатов численного моделирования позволяют применять методы современного компьютерного инженерного анализа для исследования быстропротекающих процессов. Методологию исследованиясоставляют общие и частные научные
методы познания. Системный подход использовался при рассмотрении задачи воздействия высокоэнергетического излучения на материалы и способах моделирования.
Рассмотрение задач взрывного нагружения оболочечных конструкций и их частей осуществлялось с использованием методов эмпирического и теоретического уровней познания, таких как: наблюдение, анализ, измерение, эксперимент, математическое моделирование.
Математическое моделирование, в свою очередь, основывалось на численных методах исследования, разработанных в области механики деформируемого твердого тела, гидродинамики, физики взрыва.
Положения, выносимые на защиту
-
Способ создания импульсного давления на поверхности крупногабаритных конструкций, основанный на использовании светочувствительного взрывчатого вещества ВС-2, на основе комплексного перхлората ртути (II).
-
Результаты расчетно-экспериментального исследования взрывного нагружения цилиндрической оболочки, заполненной водой, а также пластин из стали и оргстекла. Достоверность и обоснованность результатов работы обусловлена
выбором доказавших свою эффективность и адекватность математических моделей и уравнений состояния материалов, корректностью постановок задач, соответствия расчетных результатов экспериментальным.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференци-ях,симпозиумах и съездах: международной конференции "XVI Харитонов-ские тематические научные чтения «Мощная импульсная электрофизика» (Саров, 2014), на IV всероссийской научно-технической конференции "Фундаментальные основы баллистического проектирования" (Санкт-Петербург, 2014), на XIII научно-технической конференция "Молодежь в науке" (Саров,
2014), на IX научной конференции Волжского регионального центра РАРАН "Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения (2015).
По теме диссертации получено патент на полезную модель "Способ инициирования зарядов взрывчатых веществ" №2015-112908, дата приоритета 8.04.2015.
Работа выполнялась в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации № 8.2668.2014/к.
В законченном виде работа докладывалась на семинаре в Федераль-номгосударственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. Алексеева» на кафедре «Аэрогидродинамика, прочностьмашин и сопротивления материалов».
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 в прочих изданиях и 4 тезисов докладов на международных и российских конференциях.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 87 страниц, диссертация содержит 48 рисунков, 17 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 103 наименований.
Методы и установки испытания конструкций на воздействие динамических нагрузок
Эксплуатация образцов техники военного и гражданского назначения: летательные аппараты, исследовательские реакторы, а также работы в области создания новых композитных материалов, испытывающих экстремальные динамические и тепловые нагрузки, определяют возрастающий интерес исследователей и инженеров к расчету и моделированию интенсивных термомеханических нагрузок. К таким нагрузкам можно отнести высокоскоростное соударение, взрывное нагружение, воздействие высокоэнергетического излучения или заряженных частиц[4,34-37].
Здесь и далее будем иметь в виду тонкостенные оболочечные конструкции. По характеру своего воздействия, а также причинам, вызывающим разрушение конструкций, нестационарные механические нагрузки можно условно разделить надинамические и импульсные. Рассматриваемые нагрузки характеризуются амплитудными значениями давлений, а также формой прикладываемого импульса. Они могут создаваться как простыми волнами сжатия, так и ударными волнами с бесконечно крутым фронтом[4].
Условия динамического нагружения реализуются в случае длительностей воздействия, близких к периоду свободных колебаний конструкции (например, корпусов летательных аппаратов) и в 10..15 раз больших времени распространения возмущения по толщине. При этом деформирование конструкции носит оболочечный характер. То есть разрушение конструкции или невозможность ее дальнейшего нормального функционирования при динамическом деформировании наступает из-за развития недопустимых прогибов, образования трещин или расслоения.
В случае импульсного нагружения, длительность воздействия не превышает четверти периода колебаний и сравнима или меньше времени распространения возмущения по толщине элемента конструкции. В данном случае на разрушение кон струкции влияет развитие волновых процессов по толщине оболочки. Высокая интенсивность возникающих напряжений приводит к образованию ударных волн расширения. В этом случае основной механизм разрушения - откол[36,38].
Экспериментальные и расчетные методы отработки и подтверждения стойкости конструкций к воздействию интенсивных динамических и импульсных нагрузок приведены в работах[4,39-42].
Динамическое нагружение реализуется, как правило, при воздействии воздушной ударной волны или ударной волны в жидкости, например, при взрыве.
Импульсное нагружение объектов осуществляется, например, при одновременной детонации листового ВВ, наклеенного на поверхность конструкции, при высокоскоростном соударении, при интенсивном объемном разогреве материала потоками проникающих излучений или при поглощении веществом заряженных частиц.
Исследования реакции тонкостенных о бол очечных конструкций на динамическое или импульсное нагружение приобретают все большее практическое значение в связи с их применением для решения таких задач как метеоритная защита[43], разработка средств защиты объектов от воздействия высокоскоростного удара, взрыва [44], а также от механического импульса, создаваемого высокоэнергетическим излучением [4,45].
Механическая стойкость конструкций к действию динамических нагрузок во многом характеризует их надежность при эксплуатации в условиях воздействия таких нагрузок. Количественной мерой стойкости является максимальная перегрузка
Экспериментальное определение стойкости конструкций к воздействию динамических нагрузок осуществляется либо при прямом воспроизведении ожидаемых нагрузок, либо при их имитации с помощью специальных устройств и устано вок. Примером прямых испытаний могут служить испытания транспортных средств с грузом на аварийное соударение с преградой,пулевые и осколочное воздействия.
Прямые эксперименты очень сложны и дороги, поэтому чаще всего проводят имитацию реального воздействия с помощью специальных установок.
Испытания на воздействие динамических нагрузок проводятся с использованием взрывных ударных стендов, взрывных устройств и ударных труб [4,46-49].
Импульсное механическое воздействие является одним из основных поражающих факторов высокоинтенсивного излучения[4, 45, 50].
Механическое воздействие (механический импульс) пропорционально количеству поглощенной материалом энергии (энергии сублимации) и зависит от спектрального состава, поверхностной плотности энергии и распределения поглощенной энергии по толщине материала.
Методология и математическое описание процесса формирования импульса давления на поверхности облучаемого материала сформулирована в середине ХХ века [52]. В работах [4,45] степень воз действ ияизлучений на конструкцию предлагается оценивать в зависимости от безразмерного параметра
При = 0,1..0,9 в оболочке формируются волновые процессы, способные привести коткольным разрушениям. Возникновение лицевых (т.е. со стороны облучаемой поверхности) отколов приводит к образованию откольного механического импульса давления, который воздействует на рассматриваемую конструкцию. А возникающие при тыльном отколе осколки могут повредить внутренние части объекта.
Инициирование светочувствительного вещества ВС-2 некогерентным излучением
Проведенные испытания экспериментальной сборки [72,73,74] из нескольких колпачков с составом ВС-2 при освещении импульсным источником света показали синхронность детонации. Иллюстрация этого факта на рисунке 2.1.
При подготовке конструкции к испытаниям на воздействие импульса давления данный состав может быть нанесен на поверхность конструкции в растворенном виде. После высыхания состава конструкция готова к испытаниям. Инициирование состава может производиться облучением электровзрывным источником света ЭВИС в совокупности с накопителем энергии ИИС-11 [72]. Плотность мощности светового излучения данного импульсного источника света с яркостной температурой свечения газа T=10000 K в видимом диапазоне длин волн составляет w = 21278 Вт/см2 . Усредненные характеристики источника приведены в таблице 2.2.
Исследование процессов инициирования взрыва в зарядах состава ВС-2 проводилось с использованием лазерного диода типа ТО-56 (страна КНР) с длиной вол ны излучения = 445 нм (синий свет) и выходной мощностью излучения W = 1 Втс коллиматором фирмы Aixiz.
Также данный лазерный диод имел встроенный импульсный источник питания (ИИП), работающий от 2-х аккумуляторов с напряжением U = 3,7 В. Принципиальной особенностью ИИП является наличие времени задержки включения и времени выхода на рабочий режим.
Для стабилизации параметров работы ИИП была разработана специальная синхронизируемая электронная схема управления, включающая электронный ключ с минимально возможным падением напряжения на нем и использованию для электропитания лазерного диода вместо аккумуляторов стабилизированного источника достаточной мощности, что исключает падение уровня излучения при значительных длительностях свечения.
Управление ключом осуществляется от генератора импульсов в режиме активного выходного сопротивления. Источник излучения подключали к блоку питания через схему управления длительностью импульса и генератору импульсов. Длительность импульса генератора импульсов изменяли в пределах от = 3 мс до = 3 с.
На рисунке 2.2 показана принципиальные схема подключения оборудования.
Рис. 2.2 - Принципиальная схема: 1 - генератор импульсов АКИП-3402, 2 - резистор, 3 - транзистор IRF4905, 4 - источник питания Б5-90, 5 - импульсный источник питания (ИИП), 6 - лазерный диод, А,В,С - точки подключения схемы управления.
Проведенные измерения времени запаздывания включения ИИП лазера и времени выхода излучателя на полную мощность показали, что суммарное время выхода излучателя на рабочий режим составляет не более t = 10 мс.
При исследовании возможности инициирования состава ВС-2 синим света колпачок с составом ВС-2 устанавливали в монтажное сквозное отверстие (диаметром 5,5 мм) платы из оргстекла. Взрыв состава ВС-2 сопровождался мощным хлоп ком и регистрировался с помощью скоростной видеосъемки и сигналов фотодатчика. С учетом поправок на выход излучателя на рабочий режим, среднее время инициирования по опытам с пятьюдесятью сборками составило 30±10 мс при стопроцентном срабатывании.
Возможность оптического инициирования состава ВС-2, находящегося вне прямой видимости излучателя была продемонстрирована с использованием гибкого оптического световода длиной l = 50 см с квадратным входным и выходным сечением с длиной стороны 3 мм. На рисунке 2.3 представлена общая схема опыта определения возможности инициирования состава ВС-2 через световод. Световод был специально сильно изогнут (имел большой прогиб), что соответствовало наиболее тяжелым условиям его потенциального применения. Потери передаваемой мощности за счет апертурных потерь и поглощения лазерного излучения в материале световода составляли не менее 75%.
На рисунке 2.4 приведены последовательные кадры скоростной видеорегистрации, на которых фиксируется инициирование состава ВС-2 в данной схе-ме.Параметры скоростной съемки камерой «Видео Спринт» (Россия) в опыте: 2000 к/с при экспозиции 100 мкс.
На рисунке 2.4 а инициирования нет, видно отражение свечения лазера от сборки. На рисунке 2.4b - (через t = 500 мкс после кадра а) - инициирование произошло, видно распространение продуктов взрыва состава ВС-2, в кадре видны дополнительные блики за счет рассеяния излучения на осколках колпачка. На рисунке 2.4c - (через t =1 мс после кадра a) - распространение продуктов взрыва замедляется, торец световода разбит, но частично сохраняет прозрачность – излучение лазера продолжает передаваться. На рисунке 2.4d - (через t =1,5 мс после кадра a) - продукты взрыва продолжают распространяться в окрестностях фонового экрана; световод, продолжающий передавать свечение лазерного диода, заметно отклоняется от начального положения за счет полученного импульса. На рисунке 2.4e - (через t =2 мс после кадра a) - продукты заметно рассеялись по сравнению с предыдущими кадрами, отклоняющийся торец световода проецируется на границу пластины из оргстекла. На рисунке 2.4 f- результат обработки данных кадров a и c теневым фоновым методом, который позволил визуализировать ударную волну, образованную при инициировании сборки [77]. Время инициирования состава ВС-2 в опыте со световодом по данным видео регистрации и записи фотодатчика составило 408 мс.
Полученные результаты доказывают, что взрыв состава ВС-2 происходит в режиме перехода горения в детонацию. Зажигание состава ВС-2 начинается в горячих точках, источниками которых, очевидно, являются микро неоднородности состава. Концентрация горячих точек зависит от мощности лазерного луча. Возможно, что излучение лазерного диода вызывает нелинейное изменение оптических характеристик состава ВС-2 при инициировании [78].
С уменьшением мощности луча лазерного диода с 1 Вт до менее 0,25 Вт время инициирования возрастает с около 30 мс до примерно 400 мс. Дополнительные опыты со световодами вдвое большей длины и со значительно большим поглощением квантов света видимого диапазона показали, что порог зажигания состава ВС-2 находится на уровне 0,1Вт
Результаты расчета
Из сопоставления графиков перегрузок точечной массы, являющихся результатом действия мгновенно приложенной нагрузки и нагрузки, распространяющейся с конечной скоростью видно, что при действии последней наблюдается запаздывание отклика. При этом время запаздывания соответствует времени распространения нагрузки от начальной точки до точки подвеса точечной массы.
Так же можно отметить, что для конической оболочки с грузом массой m=0,1 кг в случае мгновенного приложения нагрузки амплитуда перегрузки в первом пике оказывается на 15% больше, чем при последовательном нагружении, а для конической оболочки с грузом массой m=10 кг, находящейся в центре поперечной пластины эта разница составляет 18%.
Разница в перегрузках грузов, закрепленных в цилиндрической оболочке, в аналогичных случаях составляет 32% и 36% .
При этом для обеих оболочек характерно то, что разница в откликах груза массой m=10 кг, закрепленной на упругих элементах не заметна.
Из этого можно сделать вывод, что разница в откликах груза проявляется при увеличении жесткости упругих связей, соединяющих точечную массу и оболочку, или при уменьшении собственно массы точечного элемента. Другими словами, влияние характера нагружения увеличивается с увеличением частоты собственных колебаний точечной массы. При этом стоит добавить, что точечными массами в рассмотренных примерах могут быть представлены, например, приборы системы автоматики летательных аппаратов, которые жестко скрепляются с корпусом. И соответственно такая же разница в откликах будет характерна и для них при экспериментальной отработке конструкций.
И если учесть, что при воздействии РИ или другого высокоинтенсивного излучения, импульс давления формируется практически мгновенно на всей освещенной поверхности, то для моделирования и испытаний конструкций на воздействие такого рода предпочтительно использование методики, обеспечивающей мгновенное нагружение заданной поверхности, например, методики, использующие энергия светочувствительного взрывчатого вещества.
В разделе представленырезультаты численного моделирования воздействия импульса давления на поверхность тонкостенной конической и цилиндрической оболочки.
Показана разница в динамическом отклике конструкций при различном характере приложения нагрузки, а именно при распространении нагрузки с конечной скоростью от заданной точки заметно запаздывание отклика контрольной точечной массы по сравнению с откликом на мгновенное приложение нагрузки на заданную поверхность.Также с увеличением частоты собственных колебаний точечной массы проявляется разница в амплитудах перегрузки: при мгновенном приложении нагрузки амплитуда перегрузки точечной массы выше, чем при распространении нагрузки с конечной скоростью.
Сделан вывод, что для моделирования механического импульса нагрузки, приложенной к большой площади поверхности, целесообразно использовать методы, обеспечивающие мгновенное нагружение всей заданной поверхности.
В рамках верифицирования численной методики, а также в целях исследования реакции конструкции и специфического проявления неустойчивости при ускорении ударной волной свободной поверхности - пыления [82-85], были проведены эксперименты по взрывному нагружению тонкостенной цилиндрической оболочки заполненной водой.
Объект исследования- труба, класс прочности - k56. Размеры трубы: диаметр d=530 мм, толщина стенки h=22 мм, длина l=4600 мм, размеры фланца a=10 мм иb = 50 мм. Экспериментальная установка показана на рисунке 4.1. Схема трубы показана на рисунке 4.2.
Процесс пыления - выброс частиц со свободной поверхности нагружаемых объектов при выходе на нее ударной волны. Это явление позволяет визуализировать фронт ударной волны. И в экспериментах, подобных описываемому, является едва ли не единственным инструментом, позволяющим визуализировать распространение возмущения вдоль оболочки. Выброс мелких частиц металла со свободной поверхности связан с конфигурацией объекта, с шероховатостью или чистотой обра ботки поверхности, с микроструктурой материала (наличием пор, раковин, включений). Процесс пыления может рассматриваться также как частный случай гидродинамической неустойчивости Мешкова-Рихтмайера и Релея-Тейлора, когда одна из контактирующих сред имеет пренебрежимо малую плотность (газ, пористые материалы). Развитие возмущений свободной поверхности зависит от амплитуды и длительности ударной волны, формы профиля давления за ее фронтом, скорости деформирования и т.д. [77].
Численный расчет взрывного нагружения оболочки проводился в конечно-элементном программном комплексе ANSYS с использованием явного решателя LS-DYNA.
Решение осуществлялось в переменных Эйлера [86,87] на регулярной трехмерной сетке, поскольку этот метод позволяет моделировать течение среды без сильных искажений расчетной сетки.
В качестве области решения рассматривалось соответствующая экспериментальному случаю модель трубы с водой и установленным зарядом ВВ, которая, в свою очередь, помещалась в объем воздуха. Граничные условия объема воздуха представляли собой условия неотражения волн, а также условия симметрии.
Результаты численного расчета и сопоставление с экспериментальными данными
На приведенных ниже рисунках представлены картины распространения ударно-волнового возмущения по пластине из оргстекла. На теневой фотографии это выражено в регистрации оптических неоднородностей при выходе возмущений на свободную поверхность и зоны потери прозрачности в объеме оргстекла. Рядом с теневыми фотографиями приведены результаты численного расчета в виде полей давления и скорости.
В этом разделе приводятся результаты схемы теневой фоторегистрации - пря-мотеневой регистрации на низкочувствительную пленку с применением взрывного источника света, использующего сжатие в условиях остроугольной геометрии без фазового ускорения [77] - процесса ударно-волнового нагружения стальной пластины, а также результаты численного моделирования. Численное моделирование также как и в предыдущем разделе осуществлялось на регулярной трехмерной сетке с использованием явного решателя в связной лагранжево-эйлеровой постановке.
Объектом исследования является пластина из стали Ст45 с размерами 15x15x5 мм. Нагружение осуществлялось взрывом электродетонатора, который располагался снизу, контактирую с центром нижней грани. Объект исследования показан на рисунке 5.12.
Численный расчет ударно-волнового нагружения проводился в конечно-элементном программном комплексе ANSYS с использованием явного решателя LS-DYNA. Решение осуществлялось произвольным Лагранжево-Эйлеровым методом (Arbitrary Lagrangian-Eulerian Formulation) [94, 100] на регулярной трехмерной сетке. Использовались трехмерные восьмиузловые элементы Solid 164 с заданием формулировки Лагранжа для описания стальной пластины, и формулировки Эйлера - для описания тех частей, которые ведут себя как жидкость - воздух и ВВ. Вид расчетной модели показан на рисунке 5.14. 2 Рис. 5.14 - Расчетная модель: 1 - стальная пластина, 2 - электродетонатор (слой
Размер ячейки расчетной области, занимаемой стальной пластиной, составляет 0,2 мм. Количество ячеек, описывающих объем стальной пластинки, составляет 122500. Общее количество ячеек, принятое для описания данной задачи, составляет 138276.
Уравнения, описывающие течение среды соответствуют (5.1). Напряженно-деформированное состояние с учетом сжимаемости описываются уравнением (5.2).
Каждая часть расчетной модели ставится в соответствие своя математическая модель материала, позволяющей адекватно описать заданное воздействие.
Пластические свойства описывались моделью Джонсона-Кука, учитывающей скоростное упрочнение, и температурное разупрочнение. Выражение для напряжения текучести в рамках модели Джонсона-Кука [90,91] имеет следующий вид:
Параметры УРС стали Ст45 подобраны в соответствии с экспериментальными данными по ударному сжатию [92,93] и приведены в таблице 5.5. Таблица 5.5- Параметры УРС стали Ст Название параметра Плотность кг 0 , 3м Объемнаяскоростькм с,звука с Коэффициент ГрюнайзенаГ0 Параметр a ПараметрS1( S 2 = S 3 = 0 )
Значение параметра 7500 3,7 2,9 0 1,87 Воздух в расчете подразумевался идеальной средой без учета вязкостных свойств. Состояние определяется только гидростатическим давлением I \ Р (5.10) р = [K-1J —E Р0 где к = 1,4 - показатель адиабаты, Е– внутренняя энергия на единицу объёма, р0 - начальная плотность. Начальная плотность воздуха составляла р0 = 1,225 кг/м3. Для задания материала ВВ использовалась специальная модель взрывчатого вещества, позволяющая моделировать детонацию и течение продуктов взрыва [94,95]. Давление в элементе ВВ в каждый момент времени определяется по формуле
На приведенных ниже рисунках 5.16 и 5.17 представлены экспериментальные картины распространения скачков уплотнения в воздухев моменты времени t = 5,3 мкс и t = 20 мкс, сформированные упругими колебаниями свободной поверхности стальной пластины, вызванными взрывной нагрузкой. На теневой фотографии также зафиксированы процессы пылеобразования. На рисунке 5.16 приведен график изменения скорости центральной точки свободной поверхности, противоположной той, где производится нагружение.
По теневой картине процесса нагружения стальной пластины (рис. 5.16) можно заключить, что ко времени t = 5,3 мкс ударная волна прошла минимум 5 раз по толщине пластины, так как на картине зафиксированы три линии оптической неоднородности - скачки уплотнения в воздухе, вызванные осцилляцией свободной поверхности пластины. На графике изменения скорости центральной точки (рис. 5.18) так же хорошо видны три осцилляции до момента t = 5,3 мкс. В разделепредставлены экспериментальные данные по ударно-волновомунагружению элементов конструкций из оргстекла и стали, а также результаты численного моделирования в связанной лагранжево-эйлеровой постановке. По данным экспериментов проведена верификация математических моделей.
При этом упругие константы модели материала оргстекла: E = 7000 МПа и = 0,3, подобраны итерационно из соответствия волновых картин в различные моменты времени экспериментальным данным.