Анализ динамики пробития преград компактными ударниками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ динамики пробития преград компактными ударниками

Глазырин В.П.

Орлов Ю.Н.

В практике создания ударостойких защит часто применяют инженерные формулы, позволяющие, не прибегая к анализу сложного напряженно-деформированного состояния, оценивать надежность преграды. В большинстве таких формул, используется величина предела сквозного пробития или баллистический предел. Поэтому более точное знание запреградной скорости ударника V_з предполагает и более точные расчеты по таким формулам. Очевидно, что результаты экспериментов по определению данных величин зависят от разных факторов, возможно, в том числе, и от фронтальных размеров преграды. Это актуально, поскольку материалы для современных ударостойких защит на этапе их разработки стоят довольно дорого, а образцы, как правило, невелики по размерам.

С целью проверки влияния размера преград на значение запреградной скорости ударника проведены расчеты взаимодействия стальных ударников сферической и цилиндрической формы одинаковой массы диаметром 15 мм с плитами из алюминиевого сплава Д16 толщиной 4 мм с динамическим пределом текучести 0.5 ГПа. Преграды расположены на опорных кольцах с внутренним диаметром 9.0 и 2.5 см. Начальная скорость ударников равна 290 м/с.

Для описания поведения материала используется модель упругопластической повреждаемой среды с упрочнением. Материал считается изотропным, упругопластическим, сжимаемым, пористым [1, 2]. Задача решается численно в осесимметричной постановке методом Джонсона, который дополнен алгоритмами разрушения расчетных элементов и расщепления расчетных узлов, позволяющими моделировать глубокое проникание ударников и сквозное пробитие преград с учетом разрушения тел на фрагменты [3, 4].

Микроповреждения в материале трактуются как эволюционирующие в волнах напряжений микропустоты и описываются кинетическим уравнением порообразования [3, 4]. Принято, что отрывные разрушения происходят при достижении главным растягивающим напряжением значения откольной прочности, а сдвиговые разрушения - при достижении удельной работой сдвиговых пластических деформаций критического значения [5].

Начальная схема моделируемого процесса приведена на рис. 1а. На рис. 1б представлены результаты расчетов процесса взаимодействия сферического ударника с алюминиевой плитой, расположенной на большом кольце. Наблюдается сквозное пробитие, а V_з=153 м/с. Изменение относительной скорости центра масс ударника приведено на рис. 2 (кривая 1c). Отсюда видно, что пробитие преграды происходит приблизительно на 90 мкс процесса. На рис. 1в и рис. 1г приведены результаты расчета для случая, когда преграда лежит на опорном кольце меньшего диаметра. Изменение относительной скорости центра масс ударника приведено на рис. 2 (кривая 2с). Сквозное пробитие наблюдается на 50 мкс процесса, а V_з=167 м/с.

Для выяснения влияния формы головной части проведены расчеты по моделированию процесса взаимодействия цилиндрического ударника с такой же преградой. Результаты расчета представлены на рис. 3. Изменение относительной скорости центра масс для этих вариантов приведены на рис. 2 (кривые 1ц и 2ц). Запреградная скорость цилиндра при пробитии преграды на большом кольце равна 192 м/с и на малом - 203 м/с.

Рис. 1. Взаимодействие сферического ударника с преградой

Рис. 2. Зависимость скорости центра масс ударников от времени

Рис. 3. Взаимодействие цилиндрического ударника с преградой

Рис. 4. Зависимость скорости центра масс ударников от времени при различных начальных скоростях удара

Обозначим преграду большего диаметра как тип 1, а преграду меньшего диаметра - как тип 2. Из расчетов следует, что после пробития преграды первого типа сферическим ударником, его относительная V_з равна 0.53, а после пробития преграды второго типа - 0.57, т.е. разница между ними составила 14 м/с. Относительные V_з цилиндрического ударника для аналогичных вариантов расчетов дают 0.66 и 0.71 с разницей в 11 м/с.

Запреградные скорости ударников в случае преград типа 1 ниже, чем в случае преград типа 2 видимо из-за того, что в первом случае деформируется больший объем материала, чем во втором, т.е. в первом случае тратится больше кинетической энергии ударника на упругопластическое деформирование преграды, чем во втором.

На рис. 4 приведены графики относительной скорости сферического ударника при пробитии преград 1 и 2 типа при начальных скоростях 290, 600 и 900 м/с. Напротив кривых указаны начальные скорости, а в скобках - процентная разница запреградных скоростей при пробитии преград разного типа. Видно, что с увеличением начальной скорости разница уменьшается. Это можно объяснить тем, что при высоких скоростях инерционная масса играет роль упора, и влияние размеров преград снижается.

В результате проведенных расчетов установлена степень влияния размера преград на значение запреградных скоростей сферических и цилиндрических ударников. Численные исследования позволили дать сравнительную оценку пробивного действия ударников различной формы и, кроме того, показали возможность применения и перспективность разработанного программного комплекса к решению задач сквозного пробития преград. Полученные данные нельзя автоматически распространять на любые другие материалы, размеры и скорости. Для решения такой задачи требуются проведение дополнительных исследований и экспериментальная проверка результатов.

Литература

ударник алюминиевый преграда деформируемый

1. Герасимов А.В., Пашков С.В. Взаимодействие высокоскоростных элементов с комбинированными преградами // Известия вузов. Физика. - 2011. - т. 54, № 10/2. - С. 25-29.

2. Глазырин В.П., Платова Т.М. О релаксации напряжения сдвига в металлах при ударном нагружении // Журнал Физика горения и взрыва. - 1988. - № 1. - С. 79-83.

3. Орлов Ю.Н., Глазырин В.П., Орлов М.Ю. Удар-ПЛ-2. Разрушение тел при соударении. Плоская задача. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010610912 от 21.01.2010.

4. Глазырин В.П., Орлов М.Ю., Орлов Ю.Н. Моделирование ударно-волнового нагружения функционально-градиентных материалов // Известия вузов. Физика. - 2007. - т. 50, № 9/2. - С. 65-73.

5. Герасимов А.В., Пашков С.В. Численное моделирование пробития слоистых преград// Механика композиционных материалов и конструкций // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2013. - т. 19, № 1. - С. 48-61.

Размещено на Allbest.ru