Содержание к диссертации
Введение
1. Основные соотношения модели высокоскоростного деформирования и разрушения твердых тел 26
1.1. Уравнения сжимаемого упругопластического тела 26
1.2. Определяющие соотношения 27
1.2.1. Компоненты девиатора тензора напряжений 27
1.2.2. Уравнение состояния для повреждаемого твердого тела 28
1.2.3. Критерии разрушения 31
1.3. Напряжение сдвига и коэффициент вязкости 32
1.4. Формы записей основных уравнений 39
1.5. Начальные и граничные условия 40
1.6. Метод решения системы уравнений 41
1.6.1. Конечно-разностная аппроксимация уравнений 41
1.6.2. Метод расчета контактных границ. Алгоритм скольжения 45
1.6.3. Механизм расщепления расчетных узлов и разрушения расчетных элементов 46
1.6.4. Алгоритм расчета и описание программного комплекса 53
1.7. Выводы 58
2. Тестовые расчеты, сравнение с экспериментом 59
2.1. Сравнение с аналитическим решением 59
2.2. Соударение двух цилиндров 61
2.3. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов 64
2.3.1. Баллистический стенд с пороховой метательной установкой 64
2.3.2. Соударение стального цилиндра с жесткой стенкой 66
2.3.3. Сквозное пробитие однородных, слоистых и разнесенных преград 68
2.3.4. Внедрение удлиненных и сегментированных ударников в «полубесконечные» преграды 74
2.4. Откольное разрушение материала при ударе 81
2.5. Выводы 87
3. Исследование пробивного действия комбинированных ударников 88
3.1. Влияние компоновки и формы ударника на его пробивное действие 88
3.2. Влияние материала сердечника на пробивное действие ударников 99
3.3. Пробивное действие разрезных ударников 109
3.4. Поведение оболочки ударника при ее взаимодействии с преградой 111
3.5. Влияние формы ГЧ ударника на его пробивное действие 114
3.6. Влияние начальной скорости соударения и предела текучести преграды на пробивное действие ударников 125
3.7. Выводы 131
4. Моделирование взаимодействия неоднородных ударников с преградами 132
4.1. Постановка задачи 132
4.2. Взаимодействие ударников с преградами с дозвуковой скоростью 133
4.3. Взаимодействие ударников с преградами со сверхзвуковой скоростью 137
4.4. Резиновые сферические ударники 143
4.5. Выводы 149
5. Динамика деформирования ударников, наполненных ВВ, при пробитии преград 152
5.1. Механизмы ударноволнового инициирования ВВ 152
5.2. Критерии чувствительности к ударноволновому нагружению 154
5.3. Взаимодействие цилиндрического ударника со стальной преградой 156
5.4. Взаимодействие ударника с ОГЧ со стальной преградой 164
5.5. Выводы 168
6. Исследование процесса пробития слоисто-скрепленных преград 170
6.1. Постановка задачи 170
6.2. Нагружение слоисто-скрепленных преград компактными ударниками 173
6.2.1. Действие цилиндрического ударника 173
6.2.2. Действие сферического ударника 180
6.3. Нагружение слоисто-скрепленных преград удлиненными ударниками 186
6.3.1. Действие ударника с конической головной частью 186
6.3.2. Действие ударника с оживальной головной частью 188
6.4. Выводы 190
7. Анализ поведения функционально-градиентных преград при ударноволновом нагружении 192
7.1. Постановка задачи 192
7.2. Расчет нагружения градиентных преград плоской ударной волной 193
7.3. Взаимодействие компактных ударников с градиентными преград 193
7.4. Взаимодействие удлиненного ударника с градиентными преградами 200
7.5. Выводы 204
8. Ударное и взрывное нагружение льда 206
8.1. Внедрение компактных ударников в лед 206
8.2. Взрывное нагружение ледовой пластины 208
8.3. Влияние величины заглубления ВВ в воду на степень разрушения льда 212
8.4. Выводы 219
Заключение 220
Список использованной литературы 225
Приложение 239
- Уравнение состояния для повреждаемого твердого тела
- Внедрение удлиненных и сегментированных ударников в «полубесконечные» преграды
- Влияние начальной скорости соударения и предела текучести преграды на пробивное действие ударников
- Взаимодействие цилиндрического ударника со стальной преградой
Введение к работе
Процессы, протекающие в твердых телах при высокоскоростном взаимодействии, в настоящее время являются предметом фундаментальных и прикладных исследований, как в России, так и за рубежом. Это обусловлено, прежде всего, широтой использования получаемых результатов в различных сферах жизнедеятельности человека. В работах [1-20] подробно рассмотрены основные направления приложения задач удара. Сюда можно отнести создание эффективных противоударных защит гражданских и военных объектов и техники, сварку и резание взрывом, гидроштамповку, ударноволновое прессование, взрывное упрочнение, безопасность оболочек ядерного реактора в случаях попадания в них предметов извне (летательных аппаратов, осколков и пр.) или нагружения изнутри (чрезмерно высокие давления, возникающие при нарушении работы реактора) и т.д. Отдельно можно выделить защиту космических аппаратов от угрозы воздействия на них микрометеоритов и частиц техногенного мусора. Кроме этого, накопленный опыт в области высокоскоростного деформирования твердых тел представляет интерес в медицине и астрофизике.
Соударение твердых тел сопровождается сложными процессами, окончательная роль которых определяется наличием ряда факторов: начальной скоростью объектов со- ударения, их составом, формой и физико-механическими характеристиками (ФМХ). Надо отметить, что в большинстве случаев при соударении имеют место проникание тел друг в друга, а также плавление и разрушение материала на отдельные фрагменты.
При количественном описании высокоскоростных ударных явлений возникает много сложных проблем, которые в настоящее время далеки от решения и требуют использования теоретических и экспериментальных методов исследования. Определенные результаты можно получить посредством проведения широкомасштабных модельных и натурных экспериментов при помощи различных баллистических установок и взрывных ускорителей для метания тел. В ходе опытов устанавливаются необходимые зависимости и характеристики [5, 6, 10, 16, 20-27]. Например, размер осколка, степень его разрушения, форма и глубина кратера, предельная толщина пробития и т.д. Однако необходимо отметить техническую сложность и дороговизну проведения таких опытов, а также невозможность получения подробной информации о пространственно-временном распределении полей напряжений, деформаций и областей разрушений. Тем не менее, важность получения экспериментальных результатов сомнений не вызывает.
Результатам экспериментальных исследований процессов высокоскоростного деформирования материалов посвящены работы Л.В. Альтшулера, А.А. Бакановой, Ф.А. Баума, М.И. Бражника, П. Бриджмена, Б.Л. Глушака, Д. Греди, Л. Грина, А.А. Дерибаса, А.Н. Дремина, Е.И. Забабахина, Я.Б. Зельдовича, Н.А. Златина, А.Г.Иванова, Г.И. Канне-ля, СБ. Кормера, В.А. Григоряна, Р. Кинслоу, К.И. Козорезова, А.А. Коняева, A.M. Браго-ва, С. Марша, Р. Мак-Куина, Ю.И. Мещерякова, Л. Мурра, С.А. Новикова, М.В. Синицы-на, К.П. Станюковича, Г.В. Степанова, Э.С. Степанова, В.А. Одинцова, Т.М. Платовой, Г.С. Пугачева, СВ. Разоренова, В.И. Романченко, В.М. Титова, В.Ф. Толкачева, Р.Ф. Тру-нина, Д. Уолша, А.В. Уткина, В.Е. Фортова, И.Е. Хорева, П. Хоува и др.
В роли другого инструмента исследований выступают приближенные аналитические или инженерные методы. При разработке таких методов сосредоточивают внимание на одном из аспектов задачи (например, образование пробки, лепестков и т.п.). Затем вводят упрощающие допущения, которые облегчают решение основных уравнений механики сплошной среды, сводя их к одномерный или двумерным по пространственным переменным дифференциальным уравнениям. Такой подход является простым и незаменимым при проведении экспресс-анализа процесса, однако он ограничен узким диапазоном начальных данных и сделанными предположениями.
Наиболее эффективный и информативный способ моделирования высокоскоростного соударения твердых тел базируется на решении основной системы уравнений механики деформируемого твердого тела (МДТТ) [28-36]. Как правило, для задач удара такая система уравнений с определяющими соотношениями, граничными и начальными условиями аналитического решения не имеет. Для ее решения используют численные методы. Современные методы конечных разностей обладают большой гибкостью и позволяют моделировать движение среды с разрывами, с контактными и свободными поверхностями. По- существу, они также являются приближенными (решаются системы конечно-разностных уравнений, а не сами дифференциальные). При помощи численных методов можно проследить по времени весь процесс динамического деформирования твердых тел. В ходе численного эксперимента можно определить место и время образования очагов разрушений, их характер и эволюцию. Важным достоинством данного подхода является возможность получения полной информации о текущем значении выбранного параметра в каждой точке исследуемого тела, что, в свою очередь, позволяет выяснить механизмы и основные закономерности процесса. Результаты численного моделирования можно использовать для оценки существующих и разработки новых инженерных методик расчета.
Численные исследования процессов, протекающих в твердых телах при ударном и взрывном воздействии, проводились различными группами ученых и связаны с именами: Н.Х. Ахмадеева, В.В. Башурова, Н.Н. Белова, А.В. Герасимова, А.И. Глушко, С.К. Годунова, В.А. Гридневой, А.И. Гулидова, А.В. Жукова, В.Л. Загускина, С.А. Зелепугина, СП. Киселева, А.И. Корнеева, А.В. Кочеткова, Д. Куррана, М.К. Кэрролла, В.Ф. Куропатенко, Б.А. Люкшина, Е. Ли, П.В. Макарова, Л.А. Мержиевского, Н.Ф. Морозова, Р.И. Нигмату-лина, B.C. Никифоровского, Т.М. Платовой, Н.Н. Пилюгина, А.В. Радченко, А.И. Рузано-ва, А.И. Садырина, Г.А., Сапожникова, В.А. Скрипняка, Ю.П. Стефанова, В.Г. Трушкова, В.М.Фомина, Н.Н. Холина, В. Херрманна, Т. Югова, Н.Н. Яненко, а также M.L. Wilkins, R.J. Von Neumann, R.D. Richtmyer, G.R. Johnson, J.N. Johnson, R.A.Stryke, R.W. MacCor-mack, O. Neimark, F. Collombet, R.A. Gingold, P.D. Lax, B. Wendroff и др.
Наиболее сложным при численном моделировании является оправданный с точки зрения адекватного описания поведения материала в условиях ударного нагружения выбор системы определяющих уравнений. Действительно, кроме характера разрушения, необходимо учитывать упругое и вязкопластическое деформирование материала, его плавление, испарение, фазовые переходы, химические превращения и другие явления, которые имеют место при ударе. Однако на практике теоретические модели, позволяющие с высокой точностью описывать все эти явления, отсутствуют в силу неопределенности информации о реальных свойствах материала (реологических, термодинамических, прочностных) [16-18, 32-34, 37-44].
В настоящей работе используется модель сжимаемой упругопластической пористой среды, которая получила распространение в теоретических работах, тесно связанных с высокоскоростным деформированием твердых тел [5, 16, 18, 24, 27]. Тензор напряжений разбивается на шаровую и девиаторную части. Шаровая часть отвечает за изменение объема тела, а девиатор тензора напряжений — за изменение формы тела.
Для того чтобы обеспечить теоретическое описание явлений, пригодное для необходимого класса практических задач, следует правильно сделать выбор уравнения состояния. По своей сути ими могут быть непрерывные аналитические зависимости давления от плотности и внутренней энергии или температуры. Целесообразность выбора уравнения состояния зависит от класса решаемых задач.
Высокоскоростное деформирование тел зачастую сопровождается их разрушением. Теория разрушения твердых тел включает в себя ряд комплексных проблем, находящихся на стыке физики твердого тела, материаловедения и механики сплошной среды [32, 45-61]. Экспериментальная информация о развитии разрушения носит косвенный характер,
8 поскольку на современном этапе развития методов измерения принципиально невозможно полностью проследить эволюцию параметров материала непосредственно в зоне разрушения, не исказив исследуемый процесс. В условиях ударного или взрывного нагружения о характере и параметрах разрушения судят по экспериментально фиксируемой скорости свободной поверхности нагружаемого образца или по результатам металлографического анализа испытуемых образцов [10, 12, 27, 48-51, 57-61].
До некоторого времени в большинстве теоретических работ по взаимодействию твердых тел разрушение материала рассматривалось как следствие действия растягивающих напряжений. Такое разрушения принято называть откольным и, в общем случае, это разрушение по типу отрыва. В процессе взаимодействия тел можно также наблюдать разрушения по типу сдвига. Встречаются частные случаи, в которых может доминировать один вид разрушений, поэтому при решении задач подобного класса необходимо учитывать оба механизма разрушения. В настоящей работе учитывается разрушение, как по типу отрыва, так и по типу сдвига.
В работах, посвященных теоретическому исследованию проблем разрушения [16-23], нет единого общепринятого математического подхода, поэтому существует множество различных критериев разрушения, зачастую недостаточно проверенных опытом, особенно при динамическом разрушении материалов.
Согласно статическим критериям элемент материала находится в неразрушенном состоянии до тех пор, пока точка, фиксирующая его состояние в пространстве напряжений, находится внутри области, ограниченной некоторой предельной поверхностью [32, 47, 62, 63]. Достижение этой точкой предельной поверхности для хрупких материалов соответствует началу разрушения (поверхность прочности), для пластических материалов -переходу в пластическое состояние (поверхность текучести). Предельные поверхности подчиняются общим требованиям и закономерностям, следующим из физических соображений.
В линейной механике разрушений рассматривается поведение одиночной макротрещины в идеально хрупкой среде, и критерии прочности формулируются в виде ограничений на коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, на величину плотности поверхностной энергии или другую меру поля напряжений и деформаций в окрестности вершины трещины (критерий Гриффитса, Баренблатта, Ирвинга). Кинетика роста макротрещины представляется здесь как часть динамической краевой задачи.
В динамических процессах разрушения понятие предела прочности теряет свой физический смысл, поскольку разрушение не является критическим событием мгновенной
9 потери сплошности при достижении предела прочности, как принято считать при использовании статических критериев. Фундаментальной величиной, наряду с напряжением и деформацией, становится время от момента приложения нагрузки до разрушения, за которое макропараметры напряженно-деформированного состояния, достигшие некоторого критического уровня, воздействуют на структуру материала, накапливают в ней такие изменения, в результате которых материал постепенно теряет свою сплошность и, наконец, наступает полное разрушение.
Эта точка зрения взята за основу в получивших широкое развитие концепциях накопления рассеянных повреждений, учитывающих изменение структуры материала в процессе деформации. Одним из способов феноменологического описания накопленных повреждений является введение функций поврежденности, имеющих скалярную или тензорную природу и описывающих поврежденное состояние материала. Часто такой подход на возникновение разрушений и соответствующую теорию называют эволюционным или кинетическим [10, 45, 46, 53, 60].
Среди таких теорий достаточно широкое распространение получила модель Джонсона (Johnson J.N.) роста сферических пор [60]. В настоящей работе используются два подхода для вычисления критерия разрушения материала, вызванного растягивающими напряжениями: на основе модели порообразования Джонсона и на превышении растягивающими напряжениями заданного критического значения.
Для реализации разрушений, вызванных сдвигами, применяется деформационная теория, в которой мерой повреждения материала является удельная работа сдвиговых напряжений на пластических деформациях [10, 14, 16].
На достижение успеха при математическом моделировании влияет рациональный выбор метода численного решения, который зависит от конкретного класса решаемой задачи. Традиционно для описания движения сплошной среды используют эйлеров и ла-гранжев подходы. Оба подхода формально эквивалентны между собой, однако схемы, разработанные на их основе, обладают некоторыми отличиями, причем каждая из таких схем имеет как свои достоинства, так и недостатки.
В численных схемах, основанных на эйлеровом представлении о движении точек сплошной среды [64-81], система координат не связана со средой, а фиксирована в пространстве, т.е. материал перемещается относительно узлов сетки. Поэтому здесь возникают трудности при расчете контактных и свободных поверхностей. Кроме того, сами методы сложны в реализации и использовании. Выделение подвижных областей с различными свойствами материала приводит к появлению нерегулярных граничных ячеек, конфигура-
10 ции которых меняются во времени. При подключении к подвижным областям новых расчетных узлов там появляются флуктуации параметров течения. В этом случае точность решения значительно уменьшается. Эйлеровы методы удовлетворительно описывают течения с большими деформациями, причем шаг по времени остается постоянным в течение всего времени счета. Наиболее часто при решении задач удара применялись методы Лак-са-Вендроффа и Мак-Кормака, [66-74, 80, 81]. В обоих методах используется дивергентная форма записи основной системы уравнений, которая аппроксимируется разностной схемой второго порядка точности типа «предиктор-корректор». В методе Лакса-Вендроффа используется центральная, а в методе Мак-Кормака - нецентральная разностные схемы.
В лагранжевых численных схемах [8, 16, 82-118] расчетная сетка пространственных координат «вморожена» в материал среды и деформируется далее со средой в течение всего времени счета. Это позволяет с высокой точностью вести расчет в граничных точках и сравнительно просто отслеживать контактные и свободные поверхности. Лагранжевы методы относительно просты в реализации и использовании. Однако в задачах с большими деформациями возникает проблема искажения расчетной сетки, что приводит к чрезмерному уменьшению шага по времени, а поэтому к невозможности дальнейшего продолжения счета. Этот факт является существенным недостатком данных методов. Для его преодоления используют специальные приемы, которые вносят дополнительную погрешность в расчеты. Наиболее известные лагранжевы методы, хорошо зарекомендовавшие себя при решении задач ударного и взрывного нагружения твердых тел - это методы Неймана-Рихтмайера, М.Л. Уилкинса и Г.Р. Джонсона [82-84, 92, 110-113].
Метод Уилкинса с искусственной вязкостью Неймана-Рихтмайера базируется на явной разностной схеме второго порядка точности с разбиением расчетной области на четырехугольные ячейки. Надо отметить, что для явной разностной схемы область зависимости близка к области зависимости исходной системы дифференциальных уравнений. В методе Уилкинса успешно реализован алгоритм расчета контактных поверхностей при условии скольжения между ними. Предложенный алгоритм позволил значительно расширить вычислительные возможности метода и более правильно рассчитывать поведение реальных тел при их контактном взаимодействии. В дальнейшем метод Уилкинса был модифицирован на случай трехмерного описания движения сплошной среды [92, 110].
Во второй половине прошлого века для решения задач ударного взаимодействия тел Г.Р. Джонсоном был предложен численный метод, в котором сочетаются идеи метода конечных разностей и метода конечных элементов [31, 32]. Применение этого метода по-
зволяет описать более интенсивные деформации, чем предельные деформации для метода Уилкинса. Это связано, прежде всего, с использованием треугольных конечных элементов, которые более устойчивы к возникновению отрицательных объемов, чем прямоугольные.
Следует также отметить эффективность метода С.К. Годунова [64, 119] с алгоритмом построения подвижных сеток для решения задач удара. Этот метод дает хорошие результаты при расчете распада разрыва, свободных и контактных поверхностей, однако он накладывает определенные ограничения на вид уравнения состояния и мало применим для тел со сложной геометрией.
Для устранения недостатков, присущих как лагранжевым, так и эйлеровым подходам, разрабатываются методы, реализующие совместное эйлерово-лагранжево описание движения среды [18, 79, 83, 121, 122]. Как правило, в этом случае счет ведется в лагран-жевых координатах с последующей интерполяцией параметров деформирования на фиксированную эйлерову расчетную сетку. Широкое распространение при таком описании среды получили методы частиц в ячейках, крупных частиц, ЧАС [120].
Рассмотренные выше подходы и численные методы обычно учитывают разрушение материала путем введения скалярного параметра поврежденности. Разрушенная среда моделируется некоторой однородной сплошной средой с корректировкой компонент тензора напряжений и прочностных характеристик. Понятно, что такое приближение является довольно грубым и требует аккуратной привязки корректирующих констант и зависимостей для каждого решаемого класса задач и заданного диапазона начальных условий.
В последнее время для описания разрушения получил развитие подход, основанный на выделении поверхностей разрыва сплошности материалов, который так или иначе связан с модификацией первоначальной расчетной сетки, т.е. с формированием новой свободной поверхности. В этом направлении можно отметить несколько способов. В одних способах происходит локальная перестройка сетки в области разрушения, в других -расщепление узлов происходит в предположении о заранее известной свободной поверхности (т.е. введение линии сдвоенных узлов), в-третьих - расщепление узлов совершается с автоматической перестройкой свободной поверхности с введением дополнительных узлов.
Первый способ выделения поверхностей разрыва сплошности материалов при численном решении задач разрушения описан в работе [8, 104, 105], и назван авторами "алгоритмом явного выделения берегов макроскопического нарушения сплошности материала". Этот способ основан на локальной перестройке разностной сетки в области возникло-
12 вения разрыва. Если в ячейке выполняется условие разрушения, то на ее месте строятся два берега разрыва, а ячейка выбрасывается из счета. Масса ячейки, ее импульс и другие характеристики распределяются по соседним ячейкам. На берегах разрыва реализуются, в зависимости от ситуации, условия либо свободной, либо контактной поверхности. К недостаткам метода авторы отнесли ограничения для построения сильно ветвящихся разрывов, а также то, что при моделировании множественных разрушений параллельные разрывы можно построить только в слоях разделенных хотя бы двумя слоями ячеек, поэтому для достижения необходимой точности требуется применять измельченную расчетную сетку. К этому следует добавить, что поскольку данный метод основан на перестройке разностной сетки, происходит передача материала из перестраиваемой ячейки в соседние. В результате этого, если соседние ячейки содержат различные материалы, некоторые из перестроенных ячеек могут содержать конгломерат нескольких материалов. Подобрать адекватные параметры материала и уравнение состояния для такого конгломерата непросто, а зачастую и невозможно, и следовательно, невозможно решение определенного класса задач, например, задач с армированными или градиентными материалами.
В методе, предложенном в [102, 103, 116, 117] и названным авторами "методом раздвоения точек сетки", заранее определяются в узле две совокупности координат и скоростей, которые при определенных условиях раздваиваются. Очевидный недостаток такого подхода в необходимости дублировать данные для раздвоения, а в случае "разчетвере-ния" хранить их четыре совокупности. Кроме того, метод разрабатывался для регулярного < четырехугольного разбиения, а при нерегулярной и тем более при треугольной сетке придется дополнительно хранить большое количество не только координат, и скоростей, но и значения масс узлов.
Третий способ выделения поверхности разрыва сплошности, базирующийся на схеме расщепления расчетных узлов, представлен в методе, описанном в работе [118]. Этот метод не предполагает расщепление узла заведомо, следовательно, хранить какую-либо дополнительную информацию, как в методе, приведенном в [117], нет нужды. Также в этом методе образование новой свободной поверхности не сопровождается "перетеканием" вещества из одной ячейки в другую, как в [8],' поэтому и параметры, и уравнение состояния содержимого ячейки не изменяются на протяжении всего процесса. Однако проблема с расщеплением узла в рассматриваемом методе возникает при расчете критерия разрушения в узле при разнородных материалах, в ячейках, ассоциированных с узлом. Различные материалы в ассоциированных ячейках предполагают различные критерии раз-
13 рушения, а для того, чтобы воспользоваться методом [118], необходимо усреднение критерия разрушения, что для разнородных материалов приводит в итоге к неточности.
Описанные выше методы применялись для решения модельных задач с простой компоновкой и геометрией взаимодействующих тел и, естественно, они мало пригодны для моделирования перспективных ударостойких защит, которые, как правило, являются структурно-неоднородными, а именно: многослойными, наполненными высокопрочной керамикой, армированные вольфрамом или ураном и т.д. Современные высокоэффективные поражающие элементы также представляют из себя неоднородные конструкции сложной формы. В связи с этим в настоящее время существует потребность в создании численного метода и соответствующего программного комплекса, позволяющих моделировать высокоскоростное деформирование и фрагментарное разрушение материала. Другими словами, в методе расчете должна быть заложена возможность выделения поверхностей разрыва сплошности материала, а также возможность отслеживания контактных и свободных поверхностей, как имеющихся в начальный момент времени, так и образующихся в процессе деформирования и разрушения. Выполнение этих условий имеет важное значение при решении многоконтактных задач удара.
Целью диссертационной работы является разработка средств математического моделирования и проведение с их помощью численных исследований по выяснению механизмов и основных закономерностей процессов деформирования и разрушения неоднородных материалов и конструкций при ударном и взрывном нагружении в широком диапазоне начальных условий.
Научная новизна работы заключается в том, что на основе предложенного подхода разработана новая модификация метода численного моделирования процессов высокоскоростного деформирования и разрушения твердых тел, явно учитывающая фрагментацию и позволяющая моделировать нагружение структурно-неоднородных материалов. Получены новые результаты при решении ряда многоконтактных задач удара и взрыва.
Практическая значимость работы. Созданные средства математического моделирования могут быть полезны при проведении фундаментальных и прикладных исследований. В плане фундаментальных НИР использование предложенного подхода позволяет выяснять механизмы и закономерности процесса высокоскоростного деформирования и разрушения конструкционных материалов и, кроме того, получать результаты в недоступной для эксперимента области начальных условий. В плане прикладных исследований (НИОКР), а также при проведении комплексного рационального проектирования реализуется возможность прогнозировать поведение перспективных ударостойких защит граж-
14 данских и военных объектов и техники для облегчения поиска оптимального варианта, как защитной конструкции, так и поражающего элемента.
Полученные результаты численных исследований по пробитию преград комбинированными ударниками, по ударному нагружению слоисто-скрепленных и градиентных преград имеют особую значимость при выработке практических рекомендаций по поиску путей повышения ударной стойкости защит и эффективности действия поражающих элементов. Результаты решения задач о взрывном нагружении льда могут использоваться как в военных, так и в гражданских целях.
Результаты работы нашли свое отражение более чем в ста отчетах по важнейшим НИР, заказчиками которых выступали центральные НИИ и КБ ведущих отраслей промышленности. Это ЦНИИХМ, НПО «Алтай», НПО «Союз», ВНИИСтали, ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, ЦНИИТочМаш, ФГУП НПО «Астрофизика», НТК Сухопутных войск МО, СПП при президиуме РАН и др.
В последние пятнадцать лет результаты работы внедрены и использованы при выполнении следующих НИР:
«Создание методов прогнозирования стойкости бронепреград различного состава», шифр «Ибрис», заказчик: Секция прикладных проблем при Президиуме РАН, ПЗ № 2860; 1999-2001г;
«Создание математических методов исследования конструкционных материалов при ударных и взрывных нагрузках». Код НИР: 03.01.015. Межотраслевая программа Министерства образования РФ и Министерства обороны РФ «Научно-инновационное сотрудничество», 2001-2002г;
«Анализ целесообразных способов поражения воздушных и космических объектов за счет применения высокоскоростного удара, взрыва или импульсного нагружения», шифр «Властелин-ТП», заказчик: МНИИПА, ПЗ № 2860; 2007г;
«Анализ поведения перспективных защит при высокоскоростном ударе», шифр «Властелин-ТП», заказчик: ФГУП НПО «Астрофизика», ПЗ № 2860; 2006г;
«Исследование деформирования и разрушения материалов конструкций в условиях ударного нагружения», шифр «Изабелла-2АН», заказчик: НТК СВ МО РФ, 1994-1995г;
-«Исследование процесса инициирования ВВ, защищенных системой преград, при действии пуль, осколков и взрывных волн», шифр «Изабелла-4РВО», заказчик в/ч 73610, 1994-1995г;
- «Проведение численных исследований пробития монолитных и слоистых преград ударниками с наполнителем», шифр «Парус» (Бастион-304), заказчик ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, 1990-1995г.
Диссертационная работа выполнялась при частичном финансировании по программе Минобразования РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)», проект РНП 2.1.2.2398 и поддержке грантов РФФИ ( проекты № 05-08-01196, № 06-08-00903 и № 07-08-00623).
Достоверность результатов численного моделирования подтверждена и установлена корректностью физико-математической постановки и решением ряда тестовых задач, результаты которых сравнивались с аналитическим решением Ренкина - Гюгонио и экспериментальными данными. Рассмотрены задачи об ударе цилиндра по жесткой стенке, о пробитии ударником однородных и слоисто-разнесенных преград и о глубоком внедрении удлиненных ударников различной формы в полубесконечные преграды.
Совокупность полученных в работе результатов можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в развитии математического моделирования процессов деформирования и разрушения неоднородных материалов и конструкций при ударе и взрыве.
Положения, выносимые на защиту:
Подход к описанию разрушения материала при ударе и взрыве, учитывающий образование новых контактных и свободных поверхностей.
Математическая модель высокоскоростного деформирования неоднородных материалов, учитывающая релаксацию сдвиговых напряжений, а также фрагментарное разрушение отрывного и сдвигового характера.
Модификация лагранжевого метода, в явном виде учитывающая фрагментарное разрушение материалов по отрывному и сдвиговому типу при ударном и взрывном на-гружении.
Методика компьютерного моделирования и программный комплекс, позволяющие исследовать процессы высокоскоростного деформирования и разрушения материалов, в том числе глубокого внедрения ударников и сквозного пробития преград с возможностью выделения поверхностей разрыва сплошности материала.
Результаты численных исследований динамики пробития преград комбинированными ударниками различной формы и компоновки, в том числе наполненными ВВ.
Результаты численных исследований процесса взаимодействия компактных и удлиненных ударников с неоднородными, слоисто-скрепленными и функционально-градиентными преградами.
Результаты исследований динамики поведения льда при ударном и взрывном на-гружении.
Личное участие автора в получении результатов заключается в разработке подхода к описанию разрушения материала при ударе и взрыве, математической модели высокоскоростного деформирования материалов, модификации лагранжевого метода для решения многоконтактных задач удара, алгоритмов и методик, а также в постановке задач, в проведении расчетов и анализе результатов.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
Всесоюзная школа-семинар по механике деформируемого твердого тела, (Куйбышев, 1978); VII Всесоюзная конференция по прочности и пластичности, (Горький, 1978); I Всесоюзное совещание по детонации, (Черноголовка, 1978); III Всесоюзный симпозиум по импульсным давлениям, (Менделеево, 1979); I Всесоюзный симпозиум по макроскопической кинетике и химической газодинамике, (Черноголовка, 1984); III Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике, (Алма-Ата, 1984); III Всесоюзное совещание по детонации, (Таллин, 1985); I Всесоюзное совещание. «Вопросы физики и газодинамики ударных волн», (Москва, 1988); Конференция по численным методам решения задач, (Новосибирск, 1995); Совещание по физике ударных волн, (Санкт-Петербург, 1993); Международная конференция по судостроению, (Санкт-Петербург, 1994); Международная конференция посвященная академику Н.Н. Яненко, (Новосибирск, 1996); Международная конференция «Сопряженные задачи физической механики и экологии», (Томск, 1996); Международная конференция «Всесибирские чтения по математике и механике», (Томск, 1997); Всероссийская научно-техническая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», (Томск, 2000, 2001, 2004, 2006, 2008); IV Школа-семинар «Физика взрыва и применение взрыва в физическом эксперименте», (Новосибирск, 2003); III Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, (Алма-Ата, 1984); Всероссийская научно-техническая конференция «Механика летательных аппаратов и современные материалы» (Томск, 1998,1999); Международная конференция «Вычислительные и информационные технологи в науке, технике, образовании», (Алма-Ата, 2002); IX Всероссийская научно-техническая конференция «Физика и химия высокоэнергетических систем», Томск, 2003; Всероссийская научная конференция
17 «Наука. Техника. Инновации 2004», (Новосибирск, 2004); IV Школа-семинар «Физика взрыва и применение взрыва в физическом эксперименте», (Новосибирск, 2003); Международная конференция «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (ВИТ-2003), (Усть-Каменогорск, 2003); Научная конференции Волжского регионального центра РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракет-но-артиллерийского вооружения», (Саров, 2000, 2002, 2004, 2006); Зимняя школа РФЯЦ-ВНИИТФ «Физика экстремальных состояний и процессов», (Снежинск, 2004); Научная сессия молодых ученых научно-образовательного центра «Физика и химия высокоэнергетических систем», (Томск, 2004); Всероссийская научная конференция «Наука. Техника. Инновации 2004», (Новосибирск, 2004); Всероссийская конференция МИФИ-2004 «Молодежь и наука», (Москва, 2004); XI Международная научно-практическая конференция «Современные техника и технологии», (Томск, 2005); Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы авиации и космонавтики», (Красноярск, 2005); VI Всероссийская научно-техническая конфренция «Наука. Промышленность. Оборона 2005», (Новосибирск, 2005); V Всероссийская школа-семинар «Новые материалы. Создание. Структура. Свойства», (Томск, 2005); V Международная конференция по внутрека-мерным процессам и горению в установках на твердом топливе и ствольных системах ICOC2005, (Москва, 2005); VIII Международная конференция «Забабахинские научные чтения», (Снежинск, 2005); Всероссийская научная конференция «Наука. Техника. Инновации 2005», (Новосибирск, 2005); XII Международная научно-практическая конференция «Современные техника и технологии», (Томск, 2006); VII Всероссийская научно-техническая конференция «Наука. Промышленность. Оборона 2006», (Новосибирск, 2006); III Международная конференция «Перспективы развития фундаментальных наук», (Томск, 2006); Международная школа-семинар «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем», (Санкт-Петербург, 2006); IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, (Нижний Новгород, 2006); Международная конференция «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (ВИТ-2006), (Павлодар, 2006); XI Международная научная конференция, посвященная памяти генералыюгоконструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Ре-шетнева, (Красноярск, 2007); Всероссийская конференция «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва», посвященная'50-летию института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, (Новосибирск, 2007); Международная конференция «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (ВИТ-2008), (Алма-Ата, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 80 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 238 страниц и состоит из введения, восьми разделов, заключения, списка используемой литературы, приложения; содержит 102 рисунка, 18 таблиц, библиографический список из 194 наименования.
В первом разделе приводится основная система уравнений механики сплошных сред и определяющие соотношения, описывающие поведение рассматриваемых материалов в рамках сжимаемой, упругопластической модели с учетом разрушения. Уравнения состояния выбраны в форме Уолша, Ми-Грюнайзена и А.В. Жукова. Компоненты девиа-тора тензора напряжений находятся по модели, основанной на уравнениях Прандтля -Рейса при условии текучести Мизеса. Для учета вязкопластических свойств материала используется модель с релаксацией сдвиговых напряжений. Определяющие соотношения дополняются уравнениями, характеризующими поведение микроповреждений в виде микропор сферической формы, способных при определенных условиях развиваться в микротрещины. При расчете разрушений учтено их образование, как по отрывному, так и по сдвиговому механизму.
Далее излагается метод решения, в основу которого положен конечно-разностный лагранжев метод Джонсона, сочетающий в себе идеи методов конечных элементов и конечных разностей. Приведена конечно-разностная аппроксимация уравнений, а также описан предложенный способ выделения поверхностей разрыва сплошности*, материала через введение механизмов расщепления расчетных узлов и разрушения расчетных элементов. Предложены и апробированы два варианта расщепления расчетных узлов. В первом варианте в каждом расчетном элементе вычисляются главные растягивающие напряжения. При выполнении условия разрушения вычисляется главная площадка, которая переносится параллельно из центра рассматриваемой ячейки в ближайший к ней узел. Затем данный узел расщепляется в направлении плоскости этой площадки. Если вычисленная площадка не совпадает со сторонами ассоциированных элементов, то направление расщепления выбирается по сторонам, соединяющим ближайшие к площадке узлы сетки. Для объемных критериев, таких, как уровень поврежденности (пористость) или удельная работа сдвиговых пластических деформаций, предложен градиентный способ локализации трещин. Дано описание алгоритма расчета и программного комплекса, выполненного на языке объектно-ориентированного программирования Си++, в котором предусмотрено автоматическое разбиение расчетной области, визуализация и мониторинг процесса взаимодействия тел в интерактивном режиме.
Второй раздел посвящен тестовым расчетам, которые направлены на проверку, как качества самого решения, так и заложенной в программном комплексе модели среды. Достоверность результатов численного моделирования устанавливалась путем сравнения их с экспериментальными данными и решением ряда тестовых задач.
Вначале сравнивались значения скорости и амплитуды ударной волны, полученные по аналитическим соотношениям Ренкина - Гюгонио и по численной методике. Рассмотрены более десяти материалов с различными физико-механическими характеристиками. Во всех случаях расхождение не превышало 0,2%. Кроме этого, осуществлялся контроль за сохранением энергии системы. На решении задачи о фронтальном соударении двух стальных цилиндров показано выполнение универсального принципа симметрии относительно контактной поверхности и оси взаимодействующих тел.
Результаты моделирования удара цилиндра по жесткой стенке, пробития стальным шариком однородных и двухслойных преград и внедрения ударников с оживальной головной частью (ОГЧ) в полубесконечные преграды сравнивались с экспериментальными данными, полученными на баллистическом стенде НИИ ПММ ТГУ. Расчеты проводились в диапазоне начальных скоростей от 161 до 1031 м/с. В качестве ударников были выбраны однородные цилиндры, стальные шарик, сердечники пуль 6,1 Smk (Германия) и Б32 (Россия). Получено хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных, что указывает на перспективность применения предлагаемой методики численного моделирования для решения задач удара. Проведен численный эксперимент по исследованию формообразования откольной тарелочки при срабатывании силового и объемного критериев разрушения.
С целью проверки работы методики в диапазоне высоких скоростей проводился расчет высокоскоростного удара стального сферического ударника диаметром 10 мм по стальной плите толщиной 2 мм со скоростью 4500 м/с. Сравнение с экспериментом проводилось по форме и распределению осевых скоростей частиц и осколочного облака. Кроме того решена задача о проникании в стальную «полубесконечную» преграду с начальной скоростью Vo=2580 м/с сплошного вольфрамового цилиндра и сегментированного, состоящего из пяти компактных цилиндров, разнесенных на величину калибра. Расхождение с экспериментом составило 7%.
В третьем разделе исследовался процесс пробития по нормали преград комбинированными ударниками. Конструктивно ударники являются телами вращения и состоят из трех элементов: стальной оболочки, свинцовой рубашки и стального сердечника. Диаметры и массы всех составных частей ударников равны. Внешний диаметр оболочки равен
20 9,25 мм, толщина — 0,5 мм, масса 3,5 г, материал — мягкая сталь. Диаметр сердечников равен 7,4 мм, материал сталь У10А, масса 9,9 г. Масса рубашки — 1,6 г. Скорость удара - 290 м/с. Материал преград: сплав Діб, сталь 3, высокопрочно сталь (ВПС), титан.
Рассмотрены четыре типа ударников: оболочечный с ОГЧ, полуоболочечный с ОГЧ, оболочный с ОГЧ с затупленным сердечником и оболочечный с плоской ГЧ.
При помощи разработанного программного комплекса исследовано влияние компоновки и формы ударника на его пробивное действие. Полученные результаты вычислений представлены в виде текущих конфигураций «ударник-мишень», зависимостей скорости центра масс и силы сопротивления внедрению ударников от времени. Сравнение результатов расчетов и экспериментов показало, что расхождение не превышало 5%, за исключением одного варианта взаимодействия.
Для выявления влияния материала сердечника на пробивное действие ударника смоделирован процесс взаимодействия ударников В1 и В4 с 4-х мм преградой из стали 3. В качестве материалов сердечников рассмотрены сталь 10, сталь У10А, свинец, уран, ВНЖ и золото. Выбор последних трех материалов продиктован соображением целесообразности сравнения механизмов действия ударников, с «тяжелыми» прочными (ВНЖ, U) и «тяжелыми» слабопрочными (Аи) сердечниками.
Анализ пробивного действия разрезных сердечников проведен на примере вариантов расчетов для ударников с оживальной и плоской ГЧ. Далее исследовано поведение оболочки при ее соударении с преградами. Получены текущие деформационные картины и области разрушения оболочки и преграды.
Для выяснения влияния формы ГЧ ударника на его пробивное действие в работе рассмотрены ударники со сферическими (положительной и отрицательной кривизны) и плоскими ГЧ.
При изучении влияния начальной скорости, толщины и предела текучести преграды на пробивное действие оживального и затупленного ударника обнаружены точки инверсий данных зависимостей.
В четвертом разделе представлены результаты численного моделирования взаимодействия с преградами неоднородных ударников, которые по массо-габаритным характеристикам соответствуют 9 мм пистолетным пулям. Начальная скорость соударения 300 и 470 м/с.
Рассмотрены пять типов ударников различной компоновки и формы, а также модельный ударник с подкалиберным сердечником. Получены текущие конфигурации соударения, позволяющие оценить степень деформации и разрушения, как ударника, так и
21 преграды. Результаты расчетов сопровождаются графиками скорости внедрения и силы сопротивления во времени, позволяющими провести сравнительный анализ пробивных и экспансивных свойств ударников.
Решена задача о взаимодействии с медной пластиной резинового ударника, используемого в травматическом оружии. Проведено сравнение расчетного результата с экспериментом, а также рассчитаны варианты соударения резинового и стального ударника в резиновой оболочке с преградой, составленной из слоя резины и парафиновой подложки. Рассчитаны глубина проникания ударников в парафин и давление в парафине за контактной поверхностью. Используя данные, полученные при помощи разработанной методики, можно оценить степень тяжести нанесенной травмы как существующими, так и проектируемыми пулями.
В пятом разделе, при помощи развиваемого в работе подхода, решена задача на-гружения стальных преград осесимметричными ударниками с плоской и оживальной ГЧ, наполненными ВВ или слабопрочным наполнителем. Проанализированы механизмы ударноволіювого инициирования и критерии чувствительности ВВ к ударноволновому нагружению. С использованием критерия по минимальному инициирующему импульсу, выраженному через массовую скорость, проанализирован процесс взаимодействия крупногабаритных ударников с преградами.
Скорость удара задавалась в диапазоне от 270 до 900 м/с, масса - от 235 до 445 кг, толщина преград - от 35 до 76 мм. В качестве наполнителя рассматривается ВВ РВХ-9404 или инертная смесь, состоящая из пяти компонент: цемент — 15%, природный песок -62%, опилки древесные - 6%, воды - 11%, стекло жидкое - 6%. Плотность такой смеси 1,71 г/см3, динамический предел текучести в пределах 0,01-0,05 ГПа. Уравнение состояния наполнителя, как многокомпонентной среды, построено методом аддитивной ударной сжимаемости.
Замена ВВ наполнителем, имитирующим его физико-механические свойства, вызвана необходимостью описания и прогнозирования результатов той части стендовых испытаний, в которой исследуются не только вероятность самодетонации, но и параметры ударников и преград до и после момента детонации. К таким параметрам, в частности, относится укорочение ударника, запреградная скорость, давление и массовая скорость, характер разрушения и т.д.
Путем расчетов получены текущие деформационные картины и области разрушения, как материала оболочек, так и преград. Рассчитаны значения запреградных скоростей ударников, времени начала инициирования детонации заряда ВВ, укорочения, рас-
22
ширения и времени начала разрушения преград. При скорости взаимодействия выше ско
рости звука в воздухе в преградах имело место отрывное разрушение, а оболочка цилинд
рического ударника разрушалась в месте ее максимального расширения. Увеличение пре
дела текучести наполнителя привело к уменьшению деформации ударника и времени
сквозного разрушения преграды. ;с
В шестом разделе решена задача об усилении уже имеющейся защитной конструкции. Наиболее простым подходом к решению такой проблемы можно считать добавление еще одного слоя. Однако расположить дополнительный усиливающий слой в силу различных причин можно как с внешней стороны защищаемого объекта, так и с внутренней. При этом соединить основной слой защиты с дополнительным усиливающим слоем можно разными способами в зависимости от условия эксплуатации конструкции.
При помощи разработанного программного комплекса в рамках двумерного осе-симметричного случая была решена задача взаимодействия компактных и удлиненных ударников с однородными и двухслойными преградами. Компактные ударники, равные по массе, имели цилиндрическую и сферическую форму. Удлиненные ударники также имели цилиндрическую форму и оживальную и коническую головные части (ОГЧ и КГЧ). Соударение происходило по нормали к преграде в диапазоне начальных скоростей от 500 до 1500 м/с.
Всего рассмотрено шесть различных вариантов компоновки стальных преград. Двухслойные преграды состояли из дополнительного и основного слоев, скрепленных между собой разными способами. Дополнительный слой задавался на лицевой или тыльной поверхности преграды. В одних вариантах на контактной границе слоев реализовано условие скольжения, в других - тонкая скрепляющая полоса с прочностными характеристиками, вдвое меньшими, чем в материале прилегающих слоев. Толщина основного слоя была вдвое больше, чем дополнительного.
На основе полученных результатов расчетов проведена количественная оценка сравнительной стойкости преград, а также изучена динамика взаимодействия ударников с преградами. Для получения численного значения стойкости преград введен безразмерный критерий, выраженный через скорость ударника в конце процесса взаимодействия. Динамика проникания ударников продемонстрирована на рассчитанной зависимости скорости их центров масс от времени.
Образование областей разрушений преград при действии компактных ударников происходило как в зоне контакта «ударник - мишень», так и вблизи тыльной поверхности. Причем при действии сферического ударника эффекты разгрузки были выражены в боль-
23 шей степени, поэтому образование разрушений вблизи тыльной поверхности выявлено не было. При низких скоростях соударения стойкость преград без скрепления практически в три раза была меньше, чем стойкость преград со скреплением. С ростом начальной скорости удара значение критерия стойкости заметно росло, но при этом оставалось меньше значения для преград со скреплением. На полученной зависимости скорости центра масс ударников от времени выделены участки быстрого и медленного снижения скорости.
При моделировании процесса взаимодействия удлиненных ударников с преградами было установлено, что для ударников с ОГЧ пробитие происходило по механизму «прокола», а ударников с КГЧ - по механизмам срезания пробки и прокола. Во всех вариантах материал ударника не разрушился, а уровень его пластической деформации был незначительным.
Вычисленные значения критерия стойкости при действии ударника с КГЧ были больше, чем при действии ударника с ОГЧ, а расположение дополнительного слоя на лицевой поверхности преграды придавало защитной конструкции большую стойкость, чем расположение его на тыльной поверхности независимо от способа скрепления.
В седьмом разделе проведено исследование ударноволнового нагружения преград с градиентом прочностных свойств. А именно, исследовано влияние линейного изменения характеристик, отвечающих за образование отрывных и сдвиговых разрушений, по всей толщине преграды от поверхности нагружения до тыльной поверхности на процесс ее деформации и разрушения.
Всего рассмотрено девять вариантов сочетаний изменения значений откольной прочности и критического значения величины удельной работы сдвиговых пластических деформаций по толщине преграды. Выбранные интервалы изменения прочностных характеристик соответствуют реальным сталям. Воздействие на преграды задавалось в виде нагружения плоской ударной волной и в виде удара по нормали компактным и удлиненным стальными элементами.
В ходе расчетов нагружения преград плоским ударным импульсом в каждый момент времени определялись напряженно-деформированное состояние, объем и форма разрушений, а также скорость тыльной поверхности преграды на оси симметрии. Установлено, что в процессе разрушения преобладал отрывной механизм, и поэтому изменение критического значения сдвиговой прочности на деформационную картину, а также на объем и форму разрушений не влияло. При возрастании откольной прочности по толщине преграды образование откольной тарелки сопровождалось меньшими разрушениями припо-
24 верхностного слоя по сравнению с однородной преградой. В этом случае на волновых профилях присутствовали осцилляции скорости.
Далее проведено моделирование ударного взаимодействия компактных стальных ударников по нормали с градиентными преградами. В процессе счета фиксировались скорость центра масс ударника, глубина внедрения ударника, деформационная картина и области разрушения. В момент времени 20 мкс счет прекращался, т.к. при этом падение скорости ударника было незначительным, а объем и форма областей разрушения практически не менялись. В данный момент времени в рассматриваемом сечении взаимодействующих тел вычислялась площадь разрушенного материала преграды в области контакта «ударник - мишень» и в области тыльной поверхности преграды. Анализ результатов расчетов показал, что снижение сдвиговой прочности по толщине преграды приводит к более быстрому снижению скорости ударника по мере его внедрения. Наименьшие разрушения получены при росте отрывной и снижении сдвиговой прочности материала преграды.
Для выявления влияния формы ударника на процесс пробития проведено моделирование взаимодействия ударника с ОГЧ с градиентными преградами. Для количественного описания ударной стойкости преград введен безразмерный критерий, выраженный через значение начальной скорости центра масс ударника и его скорости в момент времени окончания счета. Рассчитанные значения критерия показали, что в случае удлиненного ударника в процессе разрушения преобладал сдвиговой механизм. Однако увеличение сдвиговой прочности по толщине преграды приводит к более быстрому снижению скорости ударника.
В восьмом разделе предпринята попытка расширения диапазона применения, разработанных средств математического моделирования, на решение задач, связанных с динамикой деформирования и разрушения льда при ударе и взрыве. Интерес к задачам ударного и взрывного нагружения льда вызван, прежде всего, наличием его огромного количества на нашей планете. Это морские льды Арктики и Антарктики, пресноводные льды рек и озер, а также горные ледники. Проведение аварийно-спасательных работ в морских глубинах подо льдом, а также работ по увеличению добычи нефти и газа в районах вечной мерзлоты и шельфа северных морей приводит к необходимости углубления наших знаний в области механики и физики льда.
При помощи созданной методики компьютерного моделирования решена задача проникания по нормали в пресноводный лед стального шарика диаметром 4,5 мм. Скорость удара изменялась от 100 до 150 м/с. Необходимые для расчета константы определялись путем их подбора при сравнении расчетных и экспериментальных данных. Эксперименты
25 проведены на баллистической пневмоустановке калибра 4,5 мм с образцами пресноводного льда размерами (15х15х15)см при температуре -17С. При таких размерах не наблюдалось влияния боковых и тыльной поверхностей на процесс проникания. После проведения опыта ударник сохранял первоначальную сферическую форму. Внедрение ударника сопровождалось откольными разрушениями в области лицевой поверхности образца и образованием конусообразного кратера. Полученные результаты моделирования процесса внедрения компактных ударников в лед по глубине и форме кратера качественно согласуются с экспериментом.
Действие взрывного нагружения на материал задавалось в приближении модели мгновенной детонации заряда взрывчатого вещества (ВВ). Уравнение состояния продуктов детонации (ПД) выбрано в виде политропы Ландау-Станюковича [2]. В рамках данного подхода для двумерного случая осевой симметрии решена задача о взрыве заряда ВВ, помещенного в средней части ледовой пластины и в воде подо льдом.
С целью изучения возможностей предложенного подхода решена задача взрывного нагружения толстых льдов зарядом ВВ, расположенным в воде подо льдом. Исходные данные следующие: толщина льда -5 м, масса заряда - 53 кг, расстояние от поверхности льда до заряда -1м.
Для анализа влияния величины заглубления ВВ в воду на степень разрушения ледового слоя на поверхности воды смоделированы последствия взрыва заряда ВВ, погруженного в воду, на поверхности которой расположена ледовая пластина толщиной 80 см. Глубина погружения ВВ в воду составляла 20, 50 и 80 см. Заряд ВВ представлял собой цилиндр с осевым сечением (16x18) см. Рассчитаны значения максимальных давлений в контрольных точках, скорости свободной поверхности и изолинии давления в системе лед-вода для различного заглубления заряда ВВ. Получено, что увеличение заглубления в воду заряда ВВ приводит к значительному снижению давления во льду и скорости свободной поверхности по зависимости, близкой к гиперболической.
В заключении приведены основные результаты и выводы.
В приложении приведены документы, подтверждающие внедрение и использование результатов.
Уравнение состояния для повреждаемого твердого тела
При моделировании процесса взаимодействия удлиненных ударников с преградами было установлено, что для ударников с ОГЧ пробитие происходило по механизму «прокола», а ударников с КГЧ - по механизмам срезания пробки и прокола. Во всех вариантах материал ударника не разрушился, а уровень его пластической деформации был незначительным.
Вычисленные значения критерия стойкости при действии ударника с КГЧ были больше, чем при действии ударника с ОГЧ, а расположение дополнительного слоя на лицевой поверхности преграды придавало защитной конструкции большую стойкость, чем расположение его на тыльной поверхности независимо от способа скрепления.
В седьмом разделе проведено исследование ударноволнового нагружения преград с градиентом прочностных свойств. А именно, исследовано влияние линейного изменения характеристик, отвечающих за образование отрывных и сдвиговых разрушений, по всей толщине преграды от поверхности нагружения до тыльной поверхности на процесс ее деформации и разрушения.
Всего рассмотрено девять вариантов сочетаний изменения значений откольной прочности и критического значения величины удельной работы сдвиговых пластических деформаций по толщине преграды. Выбранные интервалы изменения прочностных характеристик соответствуют реальным сталям. Воздействие на преграды задавалось в виде нагружения плоской ударной волной и в виде удара по нормали компактным и удлиненным стальными элементами.
В ходе расчетов нагружения преград плоским ударным импульсом в каждый момент времени определялись напряженно-деформированное состояние, объем и форма разрушений, а также скорость тыльной поверхности преграды на оси симметрии. Установлено, что в процессе разрушения преобладал отрывной механизм, и поэтому изменение критического значения сдвиговой прочности на деформационную картину, а также на объем и форму разрушений не влияло. При возрастании откольной прочности по толщине преграды образование откольной тарелки сопровождалось меньшими разрушениями припо-верхностного слоя по сравнению с однородной преградой. В этом случае на волновых профилях присутствовали осцилляции скорости.
Далее проведено моделирование ударного взаимодействия компактных стальных ударников по нормали с градиентными преградами. В процессе счета фиксировались скорость центра масс ударника, глубина внедрения ударника, деформационная картина и области разрушения. В момент времени 20 мкс счет прекращался, т.к. при этом падение скорости ударника было незначительным, а объем и форма областей разрушения практически не менялись. В данный момент времени в рассматриваемом сечении взаимодействующих тел вычислялась площадь разрушенного материала преграды в области контакта «ударник - мишень» и в области тыльной поверхности преграды. Анализ результатов расчетов показал, что снижение сдвиговой прочности по толщине преграды приводит к более быстрому снижению скорости ударника по мере его внедрения. Наименьшие разрушения получены при росте отрывной и снижении сдвиговой прочности материала преграды.
Для выявления влияния формы ударника на процесс пробития проведено моделирование взаимодействия ударника с ОГЧ с градиентными преградами. Для количественного описания ударной стойкости преград введен безразмерный критерий, выраженный через значение начальной скорости центра масс ударника и его скорости в момент времени окончания счета. Рассчитанные значения критерия показали, что в случае удлиненного ударника в процессе разрушения преобладал сдвиговой механизм. Однако увеличение сдвиговой прочности по толщине преграды приводит к более быстрому снижению скорости ударника.
В восьмом разделе предпринята попытка расширения диапазона применения, разработанных средств математического моделирования, на решение задач, связанных с динамикой деформирования и разрушения льда при ударе и взрыве. Интерес к задачам ударного и взрывного нагружения льда вызван, прежде всего, наличием его огромного количества на нашей планете. Это морские льды Арктики и Антарктики, пресноводные льды рек и озер, а также горные ледники. Проведение аварийно-спасательных работ в морских глубинах подо льдом, а также работ по увеличению добычи нефти и газа в районах вечной мерзлоты и шельфа северных морей приводит к необходимости углубления наших знаний в области механики и физики льда.
При помощи созданной методики компьютерного моделирования решена задача проникания по нормали в пресноводный лед стального шарика диаметром 4,5 мм. Скорость удара изменялась от 100 до 150 м/с. Необходимые для расчета константы определялись путем их подбора при сравнении расчетных и экспериментальных данных. Эксперименты проведены на баллистической пневмоустановке калибра 4,5 мм с образцами пресноводного льда размерами (15х15х15)см при температуре -17С. При таких размерах не наблюдалось влияния боковых и тыльной поверхностей на процесс проникания. После проведения опыта ударник сохранял первоначальную сферическую форму. Внедрение ударника сопровождалось откольными разрушениями в области лицевой поверхности образца и образованием конусообразного кратера. Полученные результаты моделирования процесса внедрения компактных ударников в лед по глубине и форме кратера качественно согласуются с экспериментом.
Действие взрывного нагружения на материал задавалось в приближении модели мгновенной детонации заряда взрывчатого вещества (ВВ). Уравнение состояния продуктов детонации (ПД) выбрано в виде политропы Ландау-Станюковича [2]. В рамках данного подхода для двумерного случая осевой симметрии решена задача о взрыве заряда ВВ, помещенного в средней части ледовой пластины и в воде подо льдом.
С целью изучения возможностей предложенного подхода решена задача взрывного нагружения толстых льдов зарядом ВВ, расположенным в воде подо льдом. Исходные данные следующие: толщина льда -5 м, масса заряда - 53 кг, расстояние от поверхности льда до заряда -1м.
Для анализа влияния величины заглубления ВВ в воду на степень разрушения ледового слоя на поверхности воды смоделированы последствия взрыва заряда ВВ, погруженного в воду, на поверхности которой расположена ледовая пластина толщиной 80 см. Глубина погружения ВВ в воду составляла 20, 50 и 80 см. Заряд ВВ представлял собой цилиндр с осевым сечением (16x18) см. Рассчитаны значения максимальных давлений в контрольных точках, скорости свободной поверхности и изолинии давления в системе лед-вода для различного заглубления заряда ВВ. Получено, что увеличение заглубления в воду заряда ВВ приводит к значительному снижению давления во льду и скорости свободной поверхности по зависимости, близкой к гиперболической.
Внедрение удлиненных и сегментированных ударников в «полубесконечные» преграды
Для более правильного и детального описания процессов пробития и проникания в методе численного решения должна быть заложена возможность выделения поверхностей разрыва сплошности материала. Существующие в настоящее время способы выделения таких поверхностей предполагают введение заранее линии сдвоенных узлов [117], либо используют локальную перестройку сетки [8, 104], либо - алгоритм расщепления узлов с автоматической перестройкой свободной поверхности [118]. Данные способы мало пригодны для моделирования разрушения современных ударников и преград при наличии разноплотных материалов и появлении ветвящихся разрывов.
В настоящей работе предложены и апробированы два варианта расщепления расчетных узлов. В первом варианте в каждом расчетном элементе вычисляются главные растягивающие напряжения. При выполнении условия разрушения (1.9) или (1.10) вычисляется главная площадка, которая переносится параллельно из центра рассматриваемой ячейки в ближайший к ней узел. Затем данный узел расщепляется в направлении плоскости этой площадки. Если вычисленная площадка не совпадает со сторонами ассоциированных элементов, то направление расщепления выбирается по сторонам, соединяющим ближайшие к площадке узлы сетки. При выполнении критерия разрушения (1.11) рассматриваемый узел расщепляется по прямой, лежащей в плоскости действия максимальных касательных напряжений.
Схема расщепления расчетного узла, основанная на критерии главного растягивающего напряжения, применительно для разбивки типа «конверт» изображена на рис. . Здесь / и Я обозначают направляющую к площадке и нормаль к ней, вдоль которой действует запредельное отрывное напряжение. Буквами А - Е обозначены узлы элементов /, 2, 3, 4. В элементах с более темной заливкой предполагается большая величина отрывных напряжений. Критерий расщепления выполнился в элементе 3. Ближайший к прямой / и принадлежащий треугольному элементу 3 узел Е, ближайшие к прямой / и соседние к Е узлы D и В. Расщепление происходит по линии DEB. После расщепление узла Е образуются узлы Е и Е . Расщепление расчетного узла, основанное на критерии (1.11), происходит аналогичным образом, только в этом случае узел расщепляется вдоль площадки с максимальным касательным напряжением. В результате этих действий появляются новые узлы, координаты и скорости которых прежние, а масса и другие параметры, вычисляемые через элементы, перевычисляются. Очевидно, что при расщеплении узла необходимо не только выполнение условия превышения выбранным критерием предельного значения, но и определение направления распространения трещины. В случае силового, точечного критерия естественно в качестве направляющей трещины использовать нормальные или касательные направления к вектору, вдоль которого действует силовой параметр, выбранный в качестве критерия разрушения. Например, если в качестве критерия разрушения выбраны значения главных напряжений, то направлением распространения откольной трещины будет направление площадки нормальной к максимальному растягивающему напряжению, а направлением сдвиговой трещины - направление площадки вдоль максимальных касательных напряжений. В случае применения объемного критерия разрушения нет безусловно связанного с ним векторного параметра. Поэтому для объемных критериев, таких как уровень повреж-денности (пористость) или удельная работа сдвиговых пластических деформаций предложен градиентный способ локализации трещин, суть которого заключается в следующем. В каждом элементе на каждом временном шаге вычисляется значение использованного критерия разрушения. В случае его выполнения, из всех соседних элементов выбирается элемент, имеющий значение критерия, минимально отличающееся от критического. Прямая, соединяющая центры данных элементов, переносится параллельно в ближайший узел, который затем расщепляется в направлении этой прямой. Если направление полученной прямой не совпадает со сторонами ассоциированных элементов, то линии расщепления выбираются по прямым, соединяющим ближайшие к выбранному направлению узлы сетки. Схема, иллюстрирующая этот способ расщепления, изображена на рис.1.7в и рис. 1.7г. Предположим, что критерий разрушения выполнился в элементе 7, а элемент 4 имеет минимально отличающееся значения критерия. Направляющая расщепления / будет прямая, проходящая через узел С. Ближайшие к прямой / узлы F и Е. Расщепление узла С происходит по линии ECF. Следует отметить, что градиентный способ расщепления расчетных узлов применим как для объемных, так и для силовых критериев разрушения. На рис. 1.8 и рис. 1.9 приведены результаты решения задач ударного взаимодействия, иллюстрирующие градиентный способ локализации отрывного и сдвигового разрушения. Расщепляясь, узлы образуют локальные трещины, которые располагаются произвольно относительно друг друга, скрещиваются под разными углами и не обязательно образуют магистральную трещину. Вследствие этого целые фрагменты соударяющихся тел могут иметь лишь один общий узел, не имея при этом ни одной общей стороны, что создает нереальную картину взаимодействия. Поэтому локальные трещины обрабатываются специальным алгоритмом, который отслеживает магистральную трещину, производя в случае необходимости дополнительное расщепление узлов.
Действие этого алгоритма иллюстрируется на рис. 1.10. На рис 1.10а показаны некоторые из возможных вариантов, подлежащих дополнительной обработке. Так, в точке А сходятся три трещины, в точке В -две, в точке D трещина не выходит на свободную поверхность, а в точке С - сходятся в одном узле четыре фрагмента, так как в соответствующих узлах не выполнился примененный критерий разрушения. Нефизичность такой картины очевидна, и поэтому производится дополнительное расщепление узлов изображенных на рисунке. На рис. 1.106 изображена расчетная конфигурация после обработки алгоритмом, отыскивающим и расщепляющим такие узлы.
Предложенный подход не предполагает расщепления узла заведомо, следовательно, хранить какую-либо дополнительную информацию, как в работе [117], нет необходимости. Также в этом подходе, образование новой свободной поверхности не сопровождается «перетеканием» вещества из одной ячейки в другую как в [104], поэтому и параметры, и уравнение состояния содержимого ячейки не изменяются на протяжении всего процесса. Кроме того, для случая различных материалов в ассоциированных с узлами ячейках не требуется проводить, как в [118] усреднение критерия разрушения, приводящее к снижению точности расчетов.
Влияние начальной скорости соударения и предела текучести преграды на пробивное действие ударников
Последний пример расчета (рис. 2.8) является скорее качественным сравнением с экспериментом, чем количественным, однако хотелось бы отметить необходимость подобного рода тестов, поскольку визуальные результаты расчетов позволяют наблюдать работу программных алгоритмов, обрабатывающих свободные и контактные поверхности разнородных и разноскоростных материалов, и, тем самым, контролировать их соответствие граничным условиям.
Рис. 2.8, на котором представлено соударение цилиндра из высокопрочной, стали в медной оболочке с разнесенной преградой со скоростью 2000 м/с, иллюстрирует работу таких алгоритмов. Преграда состоит из двух пластин, отстоящих друг от друга на 15 мм: дюралевой толщиной 5 мм и стальной толщиной 10 мм. На этом рисунке видно как после пробития первой, дюралевой преграды, цилиндр и медная оболочка ударника частично разрушаются в волнах разгрузки и, уже в полуразрушенном состоянии, взаимодействуют со стальной преградой. Пробитие второй преграды осуществляется осколочным облаком, образованным мелкими остатками от разрушенных дюралевой преграды, медной оболочки и стального цилиндра, а также остатками неразрушенного ударника. На рисунке видно, как различные осколки разнородных материалов, взаимодействуя, не проникают во внутрь сплошных материалов, что подтверждает корректность работы алгоритмов обработки разрушений и контактной (граничной) поверхности.
Рассматривается задача о глубоком внедрении удлиненных ударников в «полубесконечные» преграды. Под полубесконечной преградой будем понимать такую преграду, размеры которой позволяют пренебрегать реакцией тыльных и боковых свободных поверхностей, т.е. её размеры значительно превышают размеры ударника. В рассматриваемом диапазоне скоростей достаточно превышение на порядок.
На рис. 2.9 представлены результаты расчета внедрения сердечника пули 6.1 Sink в полубесконечную преграду из алюминиевого сплава АМгб. Масса сердечника 2,55 г, длина 16 мм, диаметр 6,1 мм, головная часть выполнена в форме оживала. Начальная скорость 536 м/с.
Соударяющиеся тела представлены в моменты времени 0, 25 и 67 мкс. На графике изменения скорости центра масс ударника во времени, можно видеть «точку возврата», т.е. момент времени, в котором из-за упругой разгрузки скорость и, соответственно, направление движения ударника меняют свой знак на противоположный. Очевидно, что эта точка является конечным временем внедрения сердечника. Деформационная картина внедрения типична для низкоскоростного удара ударником с оживальной головной частью по плите из алюминиевого сплава. Характерным для такого соударения является практически совпадающий по форме с ударником кратер в мишени. Выплеск материала мишени с поверхности и приповерхностных слоев наблюдается незначительное время, по сравнению с общим временем процесса. Для времени взаимодействия 67 мкс глубина внедрения составила 15,6 мм. Характер зависимости Vc(t) близок к линейному. Процесс внедрения заканчивается к 65 мкс. Кроме сердечников пули 6.1Smk, рассчитывалось проникание сердечников пуль 6ДБ-32 (масса т = 5,5 г, длина / = 30 мм) в полубесконечные преграды при различных начальных скоростях. Затем было проведено сравнение полученных расчетных Lp и экспериментальных Ьэ глубин внедрения ударников.
Из данных таблицы 2.4 видно, что расхождение между расчетной глубиной проникания и полученной в эксперименте [107, 149] для обоих типов ударников незначительно. При обработке результатов расчетов и экспериментов выявлено, что расхождение не превышало 5%.
Далее проводилось численное исследование по внедрению удлиненных ударников с начальной скоростью Vo = 2580 м/с. Рассчитывалось проникание в стальную полубесконечную преграду вольфрамового цилиндра диаметром d= 5,54 мм, соотношение длина/диаметр (удлинение) l/d- 5. Предел текучести материала преграды равен 1,4 ГПа.
На рис. 2.10 изображены конфигурации ударник - мишень для моментов времени 0, 8, 16, 23, 31 и 60 мкс. Характерным для данного взаимодействия является срабатывание (уменьшение длины) ударника в процессе его внедрения. По конфигурациям рисунка можно судить о степени срабатывания ударника в различные моменты времени. Окончательная расчетная глубина кратера 45 мм, экспериментальная - 42 мм, т.е. расхождение в значениях составило около 7%. На рис. 2.11а приведены изолинии давления, в материалах ударника и преграды. На рис. 2.116 изображена карта эквивалентных пластических деформаций (более темные области соответствуют их большей величине), а на рис. 2.11в -карта пористости.
Результаты решения задачи о внедрении вольфрамового сегментированного ударника в стальную преграду со скоростью 2580 м/с представлены на рис. 2.12. Данный ударник образован путем разрезания на пять частей цилиндра, рассмотренного в предыдущем варианте расчета. Расстояние между сегментами равно их диаметру. Получено, что в течение всего процесса взаимодействия происходит последовательное срабатывание каждого сегмента. В отличие от варианта со сплошным стержнем боковая поверхность кратера в данном случае неровная, почти волнообразная. Это также наблюдается в эксперименте [150]. Каждая заметная неровность соответствует моменту начала взаимодействия с материалом преграды очередного сегмента ударника.
На рис. 2.13а представлены зависимости осевых скоростей тыльных поверхностей от времени каждого из пяти сегментов разрезного стержня. Отсюда видно, как после периода падения скорости сегмента (кроме последнего, пятого) наблюдается её увеличение вследствие удара, подошедшего к этому времени очередного сегмента.
На рис. 2.136 представлены зависимости осевых скоростей тыльных поверхностей от времени сплошного и последнего (пятого) сегмента разрезного вольфрамового стержня при внедрении в полубесконечную преграду. Графики на рисунке практически подобны по форме и сдвинуты по времени примерно на 10 мкс.
Взаимодействие цилиндрического ударника со стальной преградой
Актуальность исследований по изучению деформирования и разрушения осесим-метричных комбинированных ударников обусловлена необходимостью поиска путей повышения эффективности действия поражающих элементов, в частности пуль стрелкового оружия. Особую важность имеют разработка и совершенствование «малошумного» или «бесшумного» стрелкового оружия, применение которого обусловлено задачами, стоящими перед диверсионно-разведывательными и антитеррористическими спецподразделениями.
Пули, имеющие начальную скорость выше 400 м/с обладают высокой пробивной способностью, однако установка глушителя в этом случае является проблематичной. Крепление глушителя нарушает нормальную работу автоматики оружия, т.к. увеличение общей массы подвижных частей уменьшает скорость отката ниже минимально необходимой. Кроме того пуля, вылетающая из ствола со скоростью выше скорости звука в воздухе, создает ударную волну, мощность звука которой соизмерима со звуком истекающих в момент выстрела пороховых газов, что сводит на нет весь эффект от установки глушителя. Наиболее эффективно глушители работают на системах с дозвуковой начальной скоростью пули, однако в этом случае они имеют слабое пробивное действие, и поэтому единственным способом его повышения является поиск оптимальной конструктивной компоновки, удовлетворяющей требованиям технологии производства и функционирования. Оружие с низкой начальной скоростью востребовано также там, где применение более мощного оружия наприемлимо ситуативно, например, на борту воздушного судна во время полета.
В настоящем разделе при помощи разработанных средств математического моделирования исследовался процесс пробития преград ударниками, соответствующими по массо-габаритным характеристикам 9-мм винтовочной пуле.
Известно [4, 9, 151], что ударники одного диаметра и массы, но разной формы и компоновки, обладают разным пробивным и проникающим действием, которое может меняться в зависимости от начальных условий процесса. В связи с этим в работе рассмотрены ударники оживальной и затупленной формы, оболочечные и полуоболочечные.
Конструктивно ударники являются телами вращения и состоят из трех элементов: стальной оболочки, свинцовой рубашки и сердечника. Внешний диаметр оболочки равен 9,25 мм, толщина — 0,5 мм, масса 3,5 г, материал — мягкая сталь. Диаметр сердечника равен 7,4 мм, материал -сталь У10А, масса 9,9 г. Масса рубашки - 1,6 г. Материал преград: сплав Діб, сталь 3, высокопрочная сталь (ВПС), титан. Скорость удара 290 м/с. На рис.3.1 приведены обозначения и схемы ударников в разрезе. Диаметры и массы всех составных частей разных ударников равны. Ударники с оживальной формой ГЧ обозначены как: В1 - оболочечный, В2 - полуоболочечный, ВЗ - с затупленным сердечником. Ударник В4 -затупленный, оболочечный.
Результаты вычислений в виде текущих конфигураций «ударник-мишень», представлены на рис.3.2. для преграды из сплава Діб толщиной 4 мм. Характер процесса и его длительность, а также конечный результат для каждого типа ударников вполне определяется его компоновкой. Ударники В1 и В2 прокалывают материал преграды. По мере внедрения они раздвигают и уплотняют его вокруг головной части и одновременно вытесняют материал вначале на лицевую, а затем - на тыльную стороны преграды. Ударники ВЗ и В4 перфорируют преграду, срезая в ней пробку, которая образуется вследствие запредельных для данного материала сдвиговых напряжений, возникающих по диаметру затупленной головной части. Во всех четырех случаях оболочка и рубашка снимаются с сердечника и остаются на лицевой стороне преграды. Везде, где пробка срезается, она движется с большей, чем ударник скоростью, поэтому расстояние между ударником и пробкой с течением времени увеличивается. Форма и остаточные размеры оболочки, сердечника и пробоины, полученные в расчетах и экспериментах, соответствуют друг другу [107,148,151].
На рис 3.3. приведены конфигурации, иллюстрирующие результат ударного взаимодействия ударников В1-В4 с дюралевыми плитами толщиной 8 мм. На рисунке видно, что характер взаимодействия ударников с преградой толщиной 8 мм, аналогичен варианту с преградой в 4 мм, т.е. ударники В1 и В2 пробивают преграду по типу прокола, а ударники ВЗ, В4 срезают пробку. В вариантах В1 и В2 видно, что материал преграды вытесняется на ее лицевую сторону, в отличие от вариантов ВЗ и В4, где вытеснение полностью от-сутствует. На рисунке видно, что оболочка отскакивает от лицевой поверхности преграды вследствие упругой реакции материала.
На рис. 3.4 приведены рассчитанные конфигурации «ударник-мишень» в варианте со стальной плитой толщиной 4 мм. Механизм пробития преград в этом случае остается прежним, т.е. ударники В1 и В2 прокалывают преграду, а ударники ВЗ и В4 срезают пробку. Рассчитанные конфигурации «ударник-мишень» в варианте со стальной плитой толщиной 8 мм приведены на рис. 3.5. В данном случае ни один из ударников не перфорирует преграду, однако следует отметить, что ударники с классической оживальной головной частью, в отличие от затупленных, проникают в преграду гораздо глубже.
На рис. 3.6 приведены графики временных зависимостей относительных скоростей центров масс сердечников рассмотренных типов ударников. Отличия этих графиков друг от друга отражают характерный способ пробития преград. Например, внедрение ударников с оживальной головной частью (Bl, В2) изображено относительно плавной кривой падения скорости центра масс сердечника, а затупленные ударники (ВЗ, В4) теряют скорость значительно быстрее. Это вызвано тем, что сила сопротивления внедрению ударников с оживальной ГЧ растет плавно вслед за плавным увеличением поверхности контакта, в отличие от ударников с затупленной головной частью. Результаты проведенных расчетов сравнивались с экспериментальными данными, полученными на баллистическом стенде с использованием пороховой метательной установки [66]. Начальные и запреград-ные скорости регистрировались индукционным датчиком и рамами - мишенями. Ошибка измерений не превышала 1%. Окончательное значение запреградной скорости каждого типа ударника получено осреднением данных пяти опытов. Экспериментальные результаты и расчетные данные приведены в табл. 3.1.
