Мержиевский -3-Доклад

УДК 539.3
Л. А. Мержиевский, e-mail: merzh@hydro.nsc.ru
А.А. Васильев e-mail: gasdet@hydro.nsc.ru
*А.В. Виноградов e-mail: vini@craft.nstu.ru
**С.С. Соколов e-mail: artem-vs@mail.ru
**А.В. Свидинский e-mail: artem-vs@mail.ru
Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирск
*Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск
**Российский федеральный ядерный центр-ВНИИЭФ, г. Саров
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО УДАРА ТРУБЧАТЫМИ И
КОЛЬЦЕВЫМИ УДАРНИКАМИ
Аннотация.
Численно моделируется высокоскоростной удар стальными ударниками трубчатой и
кольцевой формы по массивным преградам из стали и сплава АМг-6. Проанализированы
особенности деформирования и разрушения мишени. Проводится аналогия с коллективным
воздействием группы тел на преграду. Особое внимание уделено удару стального ударника
кольцевой формы по плоской стальной мишени. В результате соударения передней стороне
мишени остается кольцевой кратер, а на тыльной стороне фиксируется откол материала в
виде сплошного квазидиска с диаметром, почти вдвое превышающем внешний диаметр
кольцевого ударника.
Ключевые слова: высокоскоростной удар, трубчатый ударник, ударный кратер, откол.
Высокоскоростные ударники находят широкое применение в физике высоких давлений для достижения экстремальных параметров состояния исследуемых веществ и исследования процессов взаимодействия компактных и удлиненных тел с различными преградами. В
первом случае используются ударники в форме пластин, создающие в исследуемом материале мишени плоские ударные волны. Во втором предметом исследования являются особенности формирования кратеров в "полубесконечных" преградах, механизмы предельного пробивания и разрушения ударников при взаимодействии с тонкими экранами. При этом рассматриваются не только ударники простой формы - стержни, шаровидные частицы, но и ударники более сложной формы - полые цилиндры и шарики, цилиндры с конической выемкой на
ударяющем торце и т. д. [1-5]. В экспериментальных работах изучалась эффективность пробивного действия трубчатых ударников в сравнении с ударом стержней. Для этого случая с
использованием классических подходов теории пробивания стержнями [6, 7] построены аналитические модели проникания в полубесконечные преграды [8]. Довольно значительное количество работ посвящено численному моделированию пробивания преград трубчатыми
ударниками различных конфигураций (например, [1,5]).
В данной работе приводятся результаты расчетов пробивания преград трубчатыми и
кольцевыми ударниками в постановках, воспроизводящих постановки экспериментов [9,10].
В первом случае расчеты проводились с использованием разработанного во ВНИИЭФ комплекса программ ТИМ-2D, предназначенной для решения двумерных задач механики
сплошных сред на многоугольных неструктурированных лагранжевых сетках. Для описания
поведения стали (материал ударника) использовалось модель Джонсона-Кука, для материала
мишени (АМг-6) релаксационная модель Армстронга - Зерилли с расчетом температуры
плавления по уравнению Линдемана и уравнение состояние Ми-Грюнайзена для обеих материалов. Конфигурация расчетной области для одного из вариантов расчета показана на
рис. 1, где I - ударник, II - стабилизирующая "юбка", III - преграда. Другие расчеты отли-
чались иной геометрией стабилизирующей "юбки". Результаты расчета
данной задачи иллюстрируются на
рис. 2 (распределение давления вверх, и плотности - внизу на момент
10 мкс после соударения, скорость
удара 2,93 км/с). Сравнение формы и
размеров рассчитанных кратеров с
экспериментальными проводится на
рис. 3, а соответствующие числовые
характеристики приведены в таблице.
Таблица
Рис. 1
№
№
U,
HЭ,
HР,
опы расче- км/с
cм
cм
та
та
10.1 14391
2,93
17.4 17.3
10.2 14392
2,74
11
11.7
10.3 14313
3,25
12.4 12.3
Здесь U, HЭ, HР - скорость ударника,
экспериментальная и расчетная глубины кратера соответственно. Как
Рис. 2
Рис. 3
следует из приведенных данных, расчет с хорошей точностью воспроизводит данные экспериментов [9].
В следующей серии расчетов моделировался удар стального кольца по стальной пре-
Рис. 4
граде [10]. Постановка задачи аналогична описанной выше, для решения использовался па-
кет ANSYS, та же модель и уравнения состояния. Сравнение результатов расчетов удара
кольца толщиной 2 мм с внешним и внутренним радиусами 20 мм и 12,5 мм для разных скоростей удара (слева направо 1; 1,7; 2,5 км/с соответственно) на один и тот же момент времени проводится на рис. 4. С ростом скорости удара увеличивается выброс материала с лицевой стороны мишени и величина откольного диска. Для сравнения на рис. 5 приведены фотографии мишени толщиной 25 мм после удара такого же, как в расчетах диска со скоростью
1,7 км/с. Как и в расчете, на передней стороне мишени остается кольцевой кратер, а на тыльной стороне формируется откол в виде квазидиска с диаметром, почти вдвое превышающем
внешний диаметр ударника.
Рис.5
Анализируя результаты проведенных расчетов можно сказать, что качественные картины
процессов при соударении трубчатых и кольцевых ударников подобны и характеризуются
формированием струй, распространяющихся навстречу движения ударника. Эффективность
трубчатых ударников по глубине проникания вполне сопоставима с эффективностью стержней, при этом, как отмечается в [3], трубчатый ударник может оказаться более устойчивым.
Работа проведена при частичной поддержке Интеграционного проекта СО РАН № 64.
Библиографический список
1. Рини Т. Численное моделирование явлений при высокоскоростном ударе / Т. Рини
// Высокоскоростные ударные явления. -М. -Мир.- 1973. - С. 164-219.
2. Козорезов К.И. Упрочнение металлов при кумуляции ударных волн / К.И. Козорезов, Л.И. Миркин.// ДАН СССР. - 1966. - Т. 171. - № 2. - С. 324-326.
3. Евстропьев-Кудреватый В.В. Моделирование стационарного процесса высокоскоростного взаимодействия деформируемых твердых тел / В.В. Евстропьев-Кудреватый, Е.Л.
Зильбербранд, Н.А. Златин и др. // ЖТФ. - 1990. - Т. 60, № 3. - С. 102-106.
4. Franzen R.R. Observations concerning the penetration mechanics of tubular hypervelocity
penetrators / R.R. Franzen, P.N. Schneidewind // Int. Journal of Impact Engineering. - 1991. - V.
11. -No. 3. - P. 289-303.
5. Milis J.T. A theoretical investigation of the penetration properties of hollow particles /
J.T. Milis, J.P. Curtis // Int. Journal of Impact Engineering. - 2001. - V. 26. No. 1-10. - P. 523-531.
6. Алексеевский В.П. К вопросу о проникания стержня в преграду с большой скоростью / В.П. Алексеевский // ФГВ. - 1966. - № 2. - С. 99-106.
7. Тейт А. Теория торможения длинных стержней после удара по мишени // Механика, сб. пер. - 1968. - № 5. - С. 125-137.
8. Lee M. Cavity models for solid and hollow projectiles / M. Lee, S.J. Bless // Int. Journal
of Impact Engineering. - 1998. - V. 21. No. 10. - P. 881-894.
9. Рыжов И.В. Особенности высокоскоростного внедрения трубчатых ударников /
И.В.Рыжов ,А.М.Близнюк, С.А.Капинос, Ю.В.Кочнев, В.А.Могилев ,В.Н. Номаконова //
Сборник докладов XI научно-технической конференции "Молодежь в науке" г.Саров изд.
ВГУП "РФЯЦ" - 2013. - С. 538-543
10. Мержиевский Л.А. Высокоскоростной удар ударником кольцевой формы / Л.А.
Мержиевский, А.А. Васильев, А.В. Виноградов, В.И. Лаптев // Сборник материалов XII
Международной конференции "Забабахинские научные чтения". - 2014. - С. 214-215.