Фрагментация ударника при высокоскоростном пробитии тонких дискретных преград тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат технических наук Шумихин, Тимофей Александрович

• Шумихин, Тимофей Александрович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шумихин, Тимофей Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ_4

Актуальность_4

Цели и задачи_10

Объект и предмет исследования_12

Методологические и теоретические основы исследования_13

Персоналии _14

Информационная база исследования_15

Научная новизна исследования_16

Практическая значимость исследований_17

Структура диссертации_18

ГЛАВА 1. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОВРЕЖДЕНИЙ СВИДЕТЕЛЯ ФРАГМЕНТАМИ АЛЮМИНИЕВОГО УДАРНИКА ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ПРОБИТИИ ДИСКРЕТНЫХ ПРЕГРАД_20

1.1 Описание экспериментов _22

1.1.1 Эксперименты в ФГУП ГОСНИИАС_22

1.1.2 Эксперименты в ФГУП ГОСНИИМАШ_25

1.2 Результаты экспериментов_28

1.2.1 Морфология повреждений свидетелей облаком фрагментов алюминиевого ударника при взаимодействии со струнными преградами_28

1.2.2 Морфология повреждений свидетелей при фрагментации на сеточных преградах_31

1.3 Распределение кинетической энергии между морфологически различимыми частями облака фрагментов_34

1.4 Выводы к первой главе_42

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ПРОЯСНЯЮЩИЕ МЕХАНИЗМ ФРАГМЕНТАЦИИ УДАРНИКА НА ДИСКРЕТНЫХ ПРЕГРАДАХ_46

2.1 Постановка эксперимента_46

2.2 Разрушение ударника на струнной преграде _47

2.3 Разрушение ударника на сеточной преграде_53

2.3 Фрагментация ударника на двойной струнной преграде большой апертуры_61

2.4 Выводы ко второй главе_66

ГЛАВА 3 СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА НАЧАЛА ФРАГМЕНТАЦИИ УДАРНИКА НА ДИСКРЕТНОЙ И СПЛОШНОЙ ПРЕГРАДЕ_69

3.1 Постановка экспериментов и метод численного моделирования_71

3.2 Результаты экспериментов и численных расчетов_73

3.3 Выводы к третьей главе _78

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УДАРНИКА С ДИСКРЕТНЫМИ ПРЕГРАДАМИ_79

4.1 Метод БРН и модели материалов_80

4.1.1 Метод 8РН_80

4.1.2 Модель идеально-пластического материала_85

4.1.3. Модель Стейнберга-Гуинана [43, 46]_86

4.1.4. Модель Джонсона-Кука [43]_87

4.1.5. Модель разрушения_89

4.2 Моделирование высокоскоростного взаимодействия полиэтиленового и алюминиевого ударника со струнной преградой_90

4.3 Моделирование высокоскоростного взаимодействия полиэтиленового и алюминиевого ударника с сеточной преградой_97

4.4 Моделирование фрагментации ударника на двойных струнных преградах большой апертуры_103

4.5 Выводы к четвертой главе_106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ_108

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Фрагментация ударника при высокоскоростном пробитии тонких дискретных преград»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Возможность столкновения космического аппарата (КА) с высокоскоростными частицами-метеороидами и степень возможных повреждений КА, причиняемых при этом событии, оценивались еще задолго до запуска первого искусственного спутника Земли [1]. Поскольку скорость частиц, свободнолетящих в космическом пространстве, велика и может составлять десятки километров в секунду, то даже малые частицы весом в доли грамма способны нанести ощутимые повреждения спутникам и космическим станциям на околоземных орбитах. В то же время защитить КА, увеличивая до необходимой толщины его внешние стенки, не представляется возможным из-за многократно возрастающей при этом массы объекта и увеличивающихся затрат, связанных с выводом его на орбиту. Решение этой проблемы было предложено американским астрономом Ф.Уипплом [2]. В предложенной Уипплом защитной схеме перед защищаемой стенкой на некотором расстоянии устанавливается дополнительная преграда, что, при высоких скоростях соударения характерных для космических условий, приводит к интенсивной фрагментации налетающей частицы. Образующееся запреградное облако фрагментов движется расширяясь в боковые стороны, что приводит к уменьшению удельного импульса, действующего на защищаемую стенку понижая риск её пробития (Рис. 1). Подобная схема защиты позволяет уменьшить суммарную массу всей конструкции (преграда плюс защищаемая стенка) примерно в 5 раз по сравнению с одинарной толстой стенкой при равной вероятности пробоя. Этот принцип защиты лежит в основе систем экранной защиты КА от метеороидов и частиц космического мусора, используемых в наши дни [3].

Рис. 1 Экспериментальная сборка по схеме Уиппла. На рисунке: общий вид

сборки, лицевая сторона передней пластины, лицевая сторона задней пластины (защищаемая стенка). Передняя пластина — алюминиевый сплав AL6061 толщиной 1 мм, задняя пластина - алюминиевый сплав 5А06 толщиной 2.5 мм, расстояние между пластинами 70 мм, ударник -алюминиевая сфера (AL2027) диаметром 3.2 мм, скорость 5.77 км/с, удар по

нормали (рисунки из [4])

В диссертации приведены результаты экспериментального и численного исследования высокоскоростного взаимодействия алюминиевых и полиэтиленовых ударников с тонкими дискретными металлическими преградами (часто в литературе также используется термин «экран»), а именно с сеточными и струнными преградами. Тема исследования связана с общей проблемой изучения фундаментальных основ построения баллистической защиты космических летательных аппаратов (КА) от высокоскоростных частиц естественного и искусственного происхождения, населяющих околоземное космическое пространство.

Актуальность работы проистекает из практической необходимости накопления знаний о фрагментации твердых тел при высокоскоростном пробитии тонких преград в целях совершенствования баллистической защиты КА. Кроме этого существует и фундаментальный интерес к этой проблеме. Как оказалось, процессы, сопровождающие высокоскоростную фрагментацию на тонких дискретных преградах, отличаются от процессов

сопровождающих фрагментацию на тонких сплошных преградах, что в свою

5

очередь приводит к структурным отличиям в образующемся запреградном облаке фрагментов, к иному виду перераспределения кинетической энергии между фрагментами, а значит и к другому характеру производимых им повреждений. В то время как история исследования сплошных преград насчитывает не одно десятилетие, дискретные преграды, если судить по открытым информационным источникам, исследованы крайне мало. При этом известно, что металлические сетки на сегодняшний день являются одним из перспективных конструкционных элементов баллистической защиты.

Защитные конструкции служат для защиты КА от тех МТТ, которые, ввиду их небольших размеров, не могут отслеживаться средствами наземного базирования с целыо изменения орбиты КА для увода от потенциально опасного воздействия [5]. Верхняя граница размеров неотслеживаемых частиц составляет примерно 5 см. Материал основной массы частиц космического мусора - алюминий [6]. Скорость частиц космического мусора 1-16 км/с, скорость метеороидов - 11-72 км/с [3].

Уменьшение веса защиты имеет большое практическое значение. При площади защищаемой поверхности современных космических модулей 100-200 м2, массовые затраты на построение защиты, например, для модулей Международной космической станции, превосходят 10 кг/м2 (без учета стенки гермокорпуса корабля) [7]. При удельной стоимости вывода на орбиту одного килограмма массы доходящей до 80 тыс. долларов США, уменьшение веса защиты приводит к уменьшению финансовых затрат и позволяет увеличить массу полезной нагрузки. Отсюда следует главная задача разработки баллистической защиты КА - оптимизация защитной схемы по массе, т.е. построение такой защиты, которая имеет минимальный вес при максимальной эффективности.

С экспериментальной точки зрения оптимизация защитной схемы по весу

б

представляет собой серию экспериментов, в ходе которых испытанию подвергаются одиночные преграды из различных материалов или составные конструкции, состоящие из нескольких преград. При этом в целях оптимизации конструкции варьируются расстояние между преградами, их физические и механические свойства. Эффективность защиты определяется в широком диапазоне скоростей доступных в лабораторных условиях (от 2-3 км/с до 7-8 км/с). По этим результатам строится баллистическая кривая для данной защитной схемы.

По результатам экспериментов проведенных в начале 90-х годов в космическом центре им. Джонсона НАСА в США (JSC NASA) были предложены улучшенные по отношению к защите Уиппла варианты защитных конструкций: "Multi-Shock"[8], "Mesh Double Bumper Shield" [9] и "Stuffed Whipple"[10]. Используемые в этих конструкциях комбинации сплошных и сеточных преград, преград на тканевой основе позволили уменьшить вес экранной защиты еще приблизительно на тридцать процентов по сравнению со стандартной схемой Уиппла. В защитной схеме "Mesh Double Bumper Shield" были, в частности, применены алюминиевые сетки в качестве одного из элементов конструкции. Эффективное улучшение защитных свойств за счет использования сетки в этой схеме инициировало серию экспериментов по дополнительному исследованию свойств одиночных и множественных сеточных преград [11 , 12]. Независимо от этих исследований стальные сетки в качестве элементов защитных конструкций различных зон гермокорпуса были успешно применены на первом российском модуле Международной космической станции (МКС) «Заря» [7 , 13]. Следует отметить, что модификации защитных конструкций «Зари», включающие сетки, отличаются как по их общему количеству, так и по составу сплошных и сеточных элементов.

Эксперименты по комплексной модификации экранной защиты на

7

практике нужны, чтобы оптимизировать защитную конструкцию для размещения в той или иной зоне КА. Дело в том, что для каждой зоны КА к устанавливаемой защите могут быть предъявлены свои специфические требования. Это обусловлено разной ориентацией зон относительно вероятных потоков опасных частиц, разной толщиной стенок гермокорпуса в разных зонах, а также техническими возможностями установки, ограничивающими защитные конструкции по высоте или сложности монтажа. Так, например, к 2003 году Международная космическая станция состояла более чем из 400 различных зон, отвечающих различным конфигурациям защитных конструкций [14]. На сегодняшний день не существует вычислительных или иных методов, позволяющих однозначно подбирать модификацию защитной конструкции со свойствами, удовлетворяющими техническому заданию. Главным способом оценки работоспособности схемы и поиска путей её оптимизации являются экспериментальные данные, позволяющие оценить необходимые параметры защитной схемы [14]. Вместе с тем, при проведении экспериментальных работ важное значение имеет информация о фрагментационных свойствах индивидуальных элементов, из которых собираются прототипы защитных конструкций [15]. Эффективность, с которой преграда дробит ударник, оценивается по свойствам образуемого облака осколков и создаваемым им повреждениям. Владение этой информацией позволяет значительно ускорить выбор подходящей схемы и подгонку её под требуемые параметры. Практическую пользу такого улучшения трудно переоценить, поскольку проведение баллистических экспериментов является довольно затратным мероприятием как по времени, так и по материальным и трудовым ресурсам [16].

В 60-70-х, а затем в 90-х годах была проделана большая исследовательская работа, посвященная, главным образом, тонким

8

алюминиевым преградам. Хорошо известны экспериментальные работы Титова и Мержиевского [17], Пекутовского [18 , 19], в которых была изучена структура запреградного облака, динамика его развития и зависимость от скорости ударника и свойств преграды. Грэди с сотрудниками [20 , 21] изучали физические процессы, сопровождающие образование облака запреградных фрагментов. Поскольку сетка, как элемент защитной схемы, также показала высокую эффективность [7 , 9], ряд работ был посвящен изучению их индивидуальных свойств. Наиболее детальные эксперименты были выполнены Хёрцем и др. [11 , 12]. Однако, несмотря на достаточно скрупулезный подход к экспериментам, работы Херца [11 , 12] не дали ответа на многие вопросы. Так, например, не была исследована зависимость фрагментации от соотношений между геометрическими параметрами сетки и размером ударника. Более того, проводя исследования с узким по разнообразию параметров набором дискретных преград, Херц интерпретировал причину схожести полученных результатов с данными по сплошным преградам, как результат схожести физических процессов протекающих в том и другом случае. Проведенные нами исследования показали, что такое предположение, в принципе, может быть справедливым, но лишь при определённых параметрах, определяющих геометрическую конфигурацию дискретной преграды. В общем же случае, процесс фрагментации на сеточных преградах протекает по-другому и может в большей степени зависеть от геометрических и физических параметров отдельных элементов таких преград, чем от их интегральной весовой характеристики и толщины, как это имеет место для сплошной преграды. Эти зависимости не были изучены ни в работе Херца, ни в работах других исследователей. А поскольку именно они отражают особенности физических процессов, сопровождающих фрагментацию на дискретных преградах, то, соответственно, не был исследован и сам механизм фрагментации.

Подавляющее число проводимых баллистических испытаний тонкостенных преград преследуют сугубо прикладные, инженерные цели, главная из которых - выстраивая баллистическую кривую, определить при каких параметрах данная преграда имеет оптимальные защитные свойства сравнительно с другими преградами. Примерно такие же цели изначально закладывались и в нашу работу по дискретным преградам. Однако вскоре выяснилось, что их свойства кардинальным образом отличаются от свойств сплошных преград и требуется проведение более разносторонних исследований, нежели простой сравнительный анализ. Это и определило цели и задачи нашей работы:

Цели и задачи

Цель данной работы - экспериментальное и численное исследование особенностей разрушения ударника при его высокоскоростном взаимодействии с дискретными преградами, изучение влияния геометрических параметров дискретной преграды на фрагментацию ударника.

В диссертации решались следующие задачи:

- Во-первых, предстояло выявить, в чем состоит основное отличие

дискретных преград от сплошных преград по характеру повреждений,

создаваемых облаком фрагментов. Вообще говоря, в самом начале

проведения работ ставилась задача определить экспериментальным путем

геометрические параметры сеточных преград, при которых происходит

оптимальное дробление ударника. Ранее, в редких отчетах, посвященных

этой задаче, встречались противоречивые сведения о защитных свойствах

сеточных преград. Изучая свойства сеток в терминах «пробитие-

непробитие» защищаемой стенки, исследователи варьировали, как и в случае

10

сплошных преград, лишь интегральные параметры сеток (вес, толщина). Некоторые исследователи давали одиночным сеточным преградам положительные оценки, указывая на их преимущества перед сплошными [11], а некоторые, наоборот, сообщали, что сетки имеют более скромные показатели [22]. Подобное поведение сеточных преград наводит на мысль, что их защитные свойства могут определяться некоторыми дополнительными параметрами. Такими параметрами сеточных преград могут быть диаметр проволоки и размер ячейки. Таким образом, первую задачу, которая решалась в настоящей работе, можно сформулировать как выявление отличительных особенностей фрагментации ударника на дискретных преградах по сравнению со сплошными преградами. Роль геометрических и физических параметров дискретной преграды, т.е. параметров элементов из которых преграда состоит, в формировании облака фрагментов и как свойства облака зависят это этих параметров.

- Во-вторых, важной частью работы являлась задача экспериментального изучения механизма разрушения ударника на дискретной преграде, влияние на протекающие процессы геометрических параметров преграды. Эта задача включала изучение запреградного облака фрагментов.

- В-третьих, была поставлена задача экспериментально оценить значение скорости, при которой начинается фрагментация ударника на дискретной преграде. Про сплошные преграды, из выполненных ранее экспериментальных работ Пекутовского [19] и Грэди [20] было известно, что фрагментация ударника на них имеет пороговый характер, завися от скорости и толщины преграды.

- В-четвертых, была поставлена задача численного моделирования проводимых экспериментов и сопоставления результатов расчетов с полученными экспериментальными данными.

Объект и предмет исследования

Объект исследования данной работы - это процесс фрагментации ударников при высокоскоростном пробитии тонкостенных преград. В случае полубесконечных, либо толстостенных преград, внедрение ударника в среду преграды сопровождается образованием вмятины или кратера с выбросом частиц обратной эжекции (эжекты). Возможны откол с тыльной стороны преграды или её пробитие с образованием отверстия, профиль которого сходен с профилем усеченного кратера [23]. Особенность же тонкостенных преград в том, что при высокоскоростном ударе диаметр образованного отверстия не меньше диаметра ударника. Ударник, при этом, может сохранять свою целостность, но при достижении некоторого порогового значения начальной скорости и при толщине преграды больше некоторой критической начинается интенсивное дробление (фрагментация) ударника с образование облака запреградных фрагментов. Образующееся при пробитии сплошных преград облако фрагментов имеет структуру шара, уплотненного с фронтальной части, состоящей из наиболее крупных частиц. Предмет исследования нашей работы - свойства фрагментации ударника, когда тонкостенная преграда имеет дискретную структуру.

Под термином «дискретная преграда» понимается, вообще говоря, всё многообразие плоских тонких преград с неоднородно распределенной массой. Это означает, что при контакте элементов преграды и поверхности ударника возникают перемежающиеся по интенсивности взаимодействия контактные зоны. В одних зонах на контактной поверхности образуются интенсивные ударные волны, а другие зоны можно считать свободными поверхностями, пренебрегая возникающими в них контактными возмущениями (если они там вообще есть). Таким образом, к дискретным преградам могут быть отнесены, например, и сетка, и сплошная плоская

12

преграда, состоящая из низкоплотного материла с распределёнными по её площади компактными элементами из материала высокой плотности.

В нашей работе мы изучали стальные дискретные преграды двух типов: сетки и так называемые струнные преграды (струнная преграда - это система лежащих в одной плоскости параллельных натянутых проволок).

Методологические и теоретические основы исследования

При проведении баллистических испытаний многокомпонентных защитных конструкций или одиночных преград главным образом используются двухтактных легкогазовые пушки, разгоняющие ударник -модель частицы МТТ. Существуют и другие методы разгона такие как, рельсотрон или подрыв взрывчатого вещества [24]. Однако легкогазовые пушки имеют преимущество, обеспечивая стабильную цикличность выстрелов при проведении испытаний и высокую вероятность сохранения целостности самого ударника в процессе разгона. Последнее является наиболее существенным, поскольку важно знать состояние ударника в момент контакта для правильной интерпретации конечного результата.

В настоящей работе для ускорения ударника использовались двухтактные легкогазовые пушки. В качестве ударника использовались алюминиевый шарики диаметром 6.35 мм и полиэтиленовые шарики диаметром 15 мм. При пробитии тонкой преграды образуется облако фрагментов, состояние которого может быть зафиксировано с помощью свидетеля, размещаемого за тестируемой преградой. В качестве свидетеля для регистрации фрагментов мы использовали толстые алюминиевые пластины. Кратеры, образованные фрагментами на поверхности пластины, фиксируют пространственное распределение фрагментов, объем кратеров дает информацию о кинетической энергии фрагментов.

Одной из задач работы было выяснить, как на результатах экспериментов отражается вариация геометрических параметров дискретных преград. Для изучения этой зависимости при изготовлении струнных преград мы использовали проволоки разного диаметра, меняли расстояние между проволоками. Также использовали стальные коммерческие сетки с разными параметрами. Анализ того, как вариация параметров преграды влияет на характер распределения повреждений по поверхности свидетелей, позволил не только установить искомые зависимости, но и сделать выводы о характере процессов, сопровождающих взаимодействие ударника с дискретными преградами. Набор полученных экспериментальных данных также стал хорошей базой для проведения и корректировки численных расчетов.

Численные расчеты выполнялись с использованием известного метода гладких частиц (метод SPH) [25], хорошо зарекомендовавшего себя для решения задач высокоскоростного взаимодействия [26 , 27]. Техническая реализация расчетов осуществлялась с использованием лицензионного программного пакета SPH LS-Dyna [28]. Численные расчеты позволили визуализировать эволюцию запреградного облака фрагментов и сравнить наблюдаемый процесс с характером повреждений свидетеля в эксперименте, пронаблюдать, как вариация параметров преград влияет на фрагментацию ударника и эволюцию облака фрагментов.

Персоналии

Среди исследователей, вложивших весомый вклад в развитее представление о взаимодействии высокоскоростных ударников с тонкими преградами можно выделить отечественных исследователей В.М. Титова, J1.A. Мержиевского, зарубежных исследователей Д. Грэди (D.E. Grady), А.

Пекутовского (A.J. Piekutowski), Э. Кристиансена (Е. Christiansen), Ф. Херца (F. Horz).

Также, нельзя не назвать людей принявших активное участие в разработке защитных конструкций первого российского модуля «Заря» Международной космической станции - A.C. Семенов, В.М. Смирнов, М.М. Кононенко, JT.H. Безруков [7]. Стоит отметить, что именно работы по модулю «Заря» выявили высокую эффективность стальных сеток в комбинации с алюминиевыми пластинами и сотовыми панелями и послужили хорошим заделом для данной работы.

Информационная база исследования

В качестве основных информационных источников, содержащих материалы необходимые для наших исследований, использовались специализированные научные журналы, препринты и технические отчеты ряда научно-исследовательских организаций, материалы соответствующих конференций, а также книги российских и зарубежных авторов.

Среди журналов бесспорным лидером по числу публикуемых статей по данной тематике является International Journal of Impact Engineering. Достаточно много статей публиковалось также в журнале Space Debris (не издается более). Постоянным источником актуальной информации служат труды регулярных международных конференций по космическому мусору (European Conference on Space Debris) и высокоскоростному удару (Hypervelocity Impact Symposium). Огромным по объему и уникальным по предоставляемой информации является библиотека технических отчетов HACA, доступная в электронном виде (NASA Technical Reports Server -http://ntrs.nasa.gov).

Научная новизна исследования

1. В серии экспериментов с алюминиевым ударником и стальными сеточными преградами показано, что выбор геометрических параметров дискретной преграды может приводить к более значительной фрагментации ударника, чем простое увеличение удельной массы преграды.

2. Эксперименты с полиэтиленовым и алюминиевым ударником, и стальными струнными и сеточными преградами, а также численное моделирование этих экспериментов, позволили выявить два возможных механизма разрушения ударника на дискретных преградах. Какой из механизмов является преобладающим в данном эксперименте, зависит от геометрических параметров ячейки дискретной преграды. В этих экспериментах мы впервые исследовали фрагментацию ударника на струнной преграде, состоящей из набора параллельных металлических струн, расположенных в одной плоскости. Это упростило картину распределения повреждений по поверхности свидетеля, позволив распознать корреляцию между структурой преграды и распределением повреждений.

3. Главной особенностью разрушения ударника на струнной и сеточной преграде является формирование струй фрагментов, выбрасываемых от фронтальной поверхности ударника в направлении движения ударника и в поперечных направлениях. Интенсивность струй зависит от скорости удара и геометрических параметров ячейки преграды, а их действие на пластину-свидетель (оцениваемое по глубине кратеров) может превышать действие остальной массы ударника. Численное моделирование дало следующую оценку возникающего кумулятивного эффекта: при

прицеливании ударника в центр ячейки скорость фрагментов в струях превышает начальную скорость ударника в -1.5 раза.

4. Показано, что интенсивная фрагментация ударника на дискретной преграде может начинаться при значительно меньших скоростях удара, чем это происходит на сплошной преграде. Как показывает эксперимент, потеря массы ударника в допороговом (по отношению к сплошной преграде) диапазоне скоростей при выбранных значениях геометрических параметров ячейки струнной преграды, может составлять до -50% от его начальной массы.

5. Численное моделирование позволило объяснить механизм формирования групп кратеров, линейнообразно распределенных по поверхности свидетеля, которые наблюдаются в экспериментах по фрагментации алюминиевого ударника на сеточных преградах.

Практическая значимость исследований

Говоря о значимости исследований можно утверждать, что проведенная

работа расширяет наши общие знания о процессах сопровождающих

высокоскоростное взаимодействие тел с тонкими преградами. Полученные

данные могут быть использованы для оптимизации как экспериментальных

работ, связанных с разработкой защитных конструкций КА, так и для

совершенствования численной расчетной базы, используемой для

моделирования высокоскоростных процессов взаимодействия ударников с

тонкими преградами. Например, кумулятивный эффект, обнаруженный при

изучении взаимодействия ударника с сеточными и струнными преградами,

показывает, что при определенных условиях (низкоплотный материла

ударника, высокое значение отношения размера ячейки к диаметру

проволоки сетки) применение сеточных преград для защиты от

17

высокоскоростного удара может производить обратный эффект, т.е. создавать дополнительную угрозу пробития защищаемой стенки.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Первые три главы диссертации соответствуют хронологическому порядку проведения экспериментальных работ, представляя при этом логически последовательный, замкнутый цикл исследования. Первая глава содержит материалы

пристрелочных (разведочных) экспериментов, в ходе которых выявляются главные отличительные особенности струнных и сеточных преград, определяются параметры преград, интересные для дальнейших исследований. В этой главе показано, что фрагментация на дискретных преградах может зависеть в большей степени от параметров индивидуальных элементов, из которых данная преграда состоит, чем от интегральных характеристик этих преград. Впервые результаты, представленные в этой главе, были изложены в работе [29]. Во второй главе представлены результаты модельных экспериментов, проливающих свет на механизм фрагментации ударника на дискретных преградах, и на то, как от геометрических параметров преград зависят наблюдаемые при разрушении ударника эффекты, обусловленные

этим механизмом. Материалы второй главы опубликованы в работах [30 , 31]. В третьей главе представлены эксперименты, сравнивающие скорость начала фрагментации на сплошных и на дискретных преградах. Эти результаты опубликованы в работе [32]. В каждой из первых трех глав приведены технические параметры

18

экспериментов, далее описаны экспериментальные результаты и в заключении представлены выводы. В четвертой главе описаны результаты численных расчетов, моделирующие процессы, протекающие при высокоскоростном взаимодействии с дискретными преградами. Материал четвертой главы опубликован в работах [30 , 33 , 34]. В заключении сформулированы основные выводы работы. Список литературы дан в конце диссертации.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Шумихин, Тимофей Александрович

Основные выводы работы могут быть сформулированы следующим образом:

1) Главной особенностью разрушения ударника на струнной и сеточной преграде состоит в том, что разрушение ударника сопровождается формированием струй фрагментов, выбрасываемых от фронтальной поверхности в направлении движения ударника и в поперечных направлениях. Число струй коррелирует с числом ячеек, попадающих на ударник.

2) Перемещение материала ударника между струнами, как показывает эксперимент и численные расчеты, вызывает его дополнительный разгон. Интенсивность струй зависит от скорости удара и значений геометрических параметров ячейки струнной или сеточной преграды, а их действие на пластину-свидетель (оцениваемое по глубине кратеров) может превышать действие остальной массы ударника.

3) Таким образом, при определенных условиях применение сеточных преград для защиты от высокоскоростного удара может производить обратный эффект, т.е. создавать дополнительную угрозу пробития защищаемой стенки.

4) Разрушение и фрагментация ударника на струнной и сеточной преграде характеризуется не только формированием фронтальных струй, но и ударно-волновым разрушением тыльной части ударника, которое свойственно разрушению на сплошной преграде. Какой из этих механизмов является преимущественным, зависит геометрических параметров ячейки преграды.

5) Выбор геометрических параметров сеточной преграды может приводить к более значительной фрагментации ударника, чем простое увеличение удельной массы преграды.

6) Формирование струй осколков при фронтальной фрагментации алюминиевого ударника объясняет механизм формирования групп кратеров, распределенных по поверхности свидетеля линейным образом, т.е. вытянутых в расходящиеся от центра цепочки, наблюдаемые в эксперименте.

7) В отличие от сплошной преграды, фрагментация алюминиевого ударника на дискретной преграде идет при скоростях удара меньших, чем пороговая скорость фрагментации ударника на сплошной преграде той же удельной массы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено экспериментальное и численное исследование высокоскоростного взаимодействия полиэтиленового ударника (размер ударника - 15 мм) и алюминиевого ударника (размер ударника - 6.35 мм) со струнными и сеточными преградами (материал струн - сталь, диаметр струн - 0.5-1.Омм). Целью работы являлось экспериментальное и численное исследование особенностей разрушения ударника при его взаимодействии с дискретной преградой, и изучение влияния геометрических параметров преграды на фрагментацию ударника. Полиэтилен имеет меньшее (по сравнению с алюминиевым ударником) сопротивление внедрению, поэтому эффекты, характерные для внедрения дискретной преграды в ударник, должны проявляться здесь более отчетливо. Скорость удара изменялась в пределах 1.7-3.4 км/с. Для характеристики дискретной преграды были введены два параметра (см. Рис. 4) к = la / dw и s = dp / ( /я+б/„>). Первый параметр характеризует степень дискретности преграды, второй параметр определяет, сколько ячеек струнной преграды приходиться в среднем на диаметр ударника.

Главная особенность разрушения ударника на струнной или сеточной преграде состоит в том, что разрушение ударника сопровождается формированием струй фрагментов, выбрасываемых от фронтальной поверхности в направлении движения ударника и в поперечных направлениях. Фрагментация ударника на идентичных струнных преградах дает топологически подобную структуру повреждений свидетеля при разных скоростях соударений. Число струй коррелирует с числом ячеек, попадающих на ударник. Перемещение материала ударника между струнами, как показывает эксперимент и численные расчеты, вызывает его дополнительный разгон. Интенсивность струй зависит от скорости удара и

108 значений обеих геометрических параметров к и е, а их действие на пластину-свидетель (оцениваемое по глубине кратеров) может превышать действие остальной массы ударника.

Экспериментальное и численное исследование высокоскоростного взаимодействия полиэтиленового ударника со струнной и сеточной преградой показало, что: а) фрагментация ударника на сеточной преграде, так же как и на струнной преграде, характеризуется формированием струй осколков, выбрасываемых с фронтальной части ударника вдоль и поперек направления его движения; б) фрагментация ударника на идентичных струнных преградах дает подобные топологические структуры повреждений на поверхности пластины-свидетеля для различных скоростей удара; число струй коррелирует с числом ячеек, попадающих на ударник; в) интенсивность струй зависит от скорости удара и значений обеих геометрических параметров к и е, а их действие на пластину -свидетель (оцениваемое по глубине кратеров) может превышать действие остальной массы ударника; г) при определенных условиях (низкоплотный материла ударника, высокое значение отношения размера ячейки к диаметру проволоки сетки) применение сеточных преград для защиты от высокоскоростного удара может производить обратный эффект, т.е. создавать дополнительную угрозу пробития защищаемой стенки; д) численное моделирование дает следующую оценку возникающего кумулятивного эффекта: при прицеливании ударника в центр ячейки скорость осколков в струях превышает начальную скорость ударника до -1.5 раза.

Экспериментальное и численное исследование высокоскоростного взаимодействия алюминиевого ударника со струнной и сеточной преградой показало, что: а) выбор геометрических параметров сеточной преграды может приводить к более значительной фрагментации ударника, чем простое увеличение удельной массы преграды; б) фрагментация алюминиевого ударника, так же как и полиэтиленового ударника, на сеточной преграде характеризуется формированием струй осколков, выбрасываемых от фронтальной части ударника; в) масса струй в случае алюминиевого ударника значительно меньше, что объясняется более высоким для алюминия сопротивлением внедрению; г) формирование струй осколков при фронтальной фрагментации алюминиевого ударника объясняет механизм формирования групп кратеров, распределенных по поверхности свидетеля линейным образом, т.е. вытянутых в расходящиеся от центра цепочки, наблюдаемые в эксперименте (Рис. 20). д) экспериментально показано, что в отличие от сплошной преграды, фрагментация алюминиевого ударника на дискретной преграде не имеет порогового характера и идёт при скоростях удара меньших, чем пороговая скорость фрагментации ударника на сплошной преграды той же удельной массы.

Эксперименты и расчеты показывают, что разрушение и фрагментация ударника на струнной и сеточной преграде характеризуется не только формированием фронтальных струй, но ударно-волновым разрушением тыльной части ударника, которое свойственно разрушению на сплошной преграде. Какой из этих механизмов является преимущественным, зависит от значений параметров кие. При больших апертурах ячейки дискретной преграды преобладает фронтальная фрагментация, но при уменьшении

110 апертуры доля массы ударника, фрагментируемого за счет струеобразования, существенно уменьшается и преобладает ударно-волновой механизм разрушения ударника.

Была изучена фрагментация 6.35 мм алюминиевого ударника на двойной струнной преграде, имеющей апертуру ячейки больше, чем радиус ударника. Эксперименты показывают, что этот тип преграды с низкой удельной массой может эффективно разрушать ударник при скоростях меньше чем 3 км/с, т.е. в области скоростей, где сплошная преграда, имеющая равную удельную массу, неэффективна. Численное моделирование объясняет механизм взаимодействия ударника с двумя струнными преградами большой апертуры: после взаимодействия с первой струнной преградой ударник «раскрывается» в поперечном направлении - его поперечный размер увеличивается, последующее взаимодействие «раскрытого» ударника со второй преградой приводит к его дроблению на несколько больших фрагментов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шумихин, Тимофей Александрович, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Grimminger G. Probability That a Meteorite Will Hit or Penetrate a Body Situated in the Vicinity of the Earth // Applied Physics. — 1948. —V. 19, N 10.

— P. 10.

2. Whipple F. L. Meteorites and Space Travel // Astronomical Journal. — 1947. N 1161.—P. 131.

3. PROTECTION MANUAL / IADC-WD-00-03. Inter-Agency Space Debris Coordination Committee, 2004.

4. NASA WG3 MMOD Protection Summary / NASA Johnson Space Center. — 2012. —JSC-CN-26323.

5. Reporter. International Space Station Avoids Debris from Old NASA Satellit // Orbital Debris Quarterly News. - 2011. - January 2011 .—V. 15 — P. 1.

6. Космический мусор. Проблема и пути её решения. / Меньшиков В. А., Пчелинцев Л. А., Лебедев В. В. — Москва: Патриот, 1996.

7. Безруков Л. Н., Гадасин И. М., Киселев А. И., Кононенко М. М., Нагавкин В. Ф., Семенов А. С., Смирнов В. М. О физических принципах построения защиты модуля «ЗАРЯ» Международной космической станции от ударного повреждения частицами околоземной среды // Космонавтика и ракетостроение. — 2000. — Т. 18. —С. 140-151.

8. Cour-Palaise В. G., Crews J. L. A Multi-Shock Concept for Spacecraft Shielding // Int. J. Impact Engng. — 1990. — V. 10. — P. 135-146.

9. Christiansen E., Kerr J. Mesh Double-Bumper Shield: A Low-Weight Alternative for Spacecraft Meteoroid and Orbital Debris Protection // Int. J. Impact Engng. — 1993. —V. 14,—P. 169-180.

10. Christiansen E. L., Crews J. L., Williamsen J. E., Robinson J. H., A.M. N. Enhanced meteoroid and orbital debris shielding // Int. J. Impact Engng. — 1995.

— V. 17.—P. 217-228.

11. Comparison of Continuous and Discontinuous Collisional Bumpers: Dimensionally Scalled Impact Experiments into Single Wire Meshes / NASA. — April 1992. —TM-104749.

12. Horz F., Cintala M. J., Bernhard R. P., See Т. H. Multiple-mesh bumpers: a feasibility study // Int. J. Impact Engng. — 1995. — V. 17. — P. 431-442.

13. Micrometeoroid and Orbital Debris Environment and Hypervelocity Shields. —: NASA, 2012. — JSC-CN-25810.

14. Meteoroid / Debris Shielding / NASA Lyndon B. Johnson Space Center. — August 2003. — 111 p. — TP-2003-210788.

15. Christiansen E. L. Advanced Meteoroid and Debris Shielding Concepts // AIAA/NASA/DOD Orbital Debris Conference: Technical Issues and Future Directions. — Baltimore, MD: AIAA Paper No. 90-1336, 1990.

16. Experimental investigation of the momentum transfer associated with impact into thin aliuminum targets: Technical Note / NASA Ames Research Center. — Moffett Field, Calif.: National Aeronautics and Space Administration W. D. C., 1969. — 16 p. — NASA TN D-5492.

17. Мержиевский JI. А., Титов В. M. Защитные свойства тонкого экрана при высокоскоростном ударе // Журнал прикладной механики и технической физики. —1977. —Т. 2, —С. 134-139.

18. Piekutowski A. J. Fragmentation of a sphere initiated by hypervelocity impact with a thin sheet // Int. J. Impact Engng. — 1995. — V. 17. — P. 627-638.

19. Formation and Description of Debris Clouds Produced by Hypervelocity Impact: Contractor Report / University of Dayton Research Institute. — Dayton, Ohio: NASA, 1996. — 266 p. — 4707.

20. Grady D. E., Kipp M. E. Fragmentation properties of metals // Int. J. Impact Engng. — 1997. — V. 20. — P. 293-308.

21. Grady D. E., Winfree N. A. Impact fragmentation of high-velocity compact projectiles on thin plates: a physical and statistical characterization of fragment debris // Int. J. Impact Engng. — 2001. — V. 26. — P. 249-262.

22. Study of Principles of Meteoroid Protection: Progress Report / George C. Marshall Space Flight Center. — Washington, D.C.: NASA, 1962. — 62 p. — NASA CR-55371.

23. Penetration Experiments in Aluminum 1100 Targets Using Soda-Lime Glass Projectiles: Technical Memorandum / Lyndon B. Johnson Space Center; Lockheed Engineering and Sciences Company. — Washington, D.C. 20546-0001: NASA, 1995, —228 p.—NASA TM 104813.

24. Физика сверхвысокоскоростного удара. / Баланкин А. С., Любомудров А. А., Севрюков И. Т. — Москва: МО СССР, 1990. — 364 с.

25. Monaghan J. J. Smoothed particle hydrodynamics // Rep. Prog. Phys. — 2005.—V. 68, N 1703-1759.

26. Libersky L. D., Petschek A. G., Carney Т. C., Hipp J. R., Allahdadi F. A. High Strain Lagrangian Hydrodynamics: A Three-Dimensional SPH Code for Dynamic Material Response // Journal of Computational Physics. — 1993. — November 1993. — V. 109, N 1. — P. 67-75.

27. Stellingwerf R. F., Wingate C. A. Impact modeling with smooth particle hydrodynamics // International Journal of Impact Engineering. — 2003. — V. 14, N1-4. —P. 707-718.

28. LS-DYNA Theory Manual. / Hallquist J. O. — Livermore,California: Livermore Software Technology Corporation, 2005.

29. Shumikhin T. A., Semenov A. S., Bezrukov L. N., al. e. On fragmentation of aluminum projectile on mesh bumpers // Proceedings of Fourth European Conference on Space Debris —ESA/ESOC, Darmstadt, Germany, 2005. — C. 471-476.

30. Myagkov N. N., Shumikhin T. A., Bezrukov L. N. Experimental and Numerical Study of Peculiarities at High-Velocity Interaction between a Projectile and Discrete Bumpers // Int. J. Impact Engng. — 2010. — V. 37. — P. 980-994.

31. Шумихин Т. А., Безруков JI. H., Мягков Н. Н. Модельный эксперимент, проясняющий механизм фрагментации высокоскоростного ударника на дискретных экранах // Механика композиционных материалов и конструкций. — 2007. — Т. 13, № 3. — С. 341-355.

32. Шумихин Т. А., Мягков Н. Н., Безруков JI. Н. Сравнительная оценка начала фрагментации ударника на дискретном и сплошном экране // Механика композиционных материалов и конструкций. — 2011. — Т. 17, № 1. —С. 61-70.

33. Мягков Н. Н., Сулимов А. В., Шумихин Т. А. Численное моделирование высокоскоростного взаимодействия ударника с дискретными экранами // Механика композиционных материалов и конструкций. — 2008. — Т. 14, № 4. —С. 532-546.

34. Myagkov N. N., Shumikhin Т. A. Characteristic features of projectile fragmentation on a mesh bumper at high-velocity impact // Composites: Mechanics, Computations, Applications, An International Journal. — 2012. — V. 3,N 1.—P. 35-49.

35. Разработка технологии постороения облегченной экранной защиты гермокорпуса космических аппаратов и её физическое, экспериментальное и программное обеспечение. Краткий заключиетльный отчет. Проект №1917. / МНТЦ. — Москва: МНТЦ, 2004.

36. Геринг Д. Выскоскоростной удар с инженерной точки зрения // Высокоскоростные ударные явления / Кинслоу Р. — Москва: МИР, 1973. — С. 468-516.

37. Semenov A., Bezrukov L., Malkin A., Myagkov N., Kononenko M., Shumikhin Т. Impact fragmentation dependence on geometrical parameters of

single mesh bumpers // Механика композиционных материалов и конструкций. — 2006. — V. 12, N 2. — Р. 256-262.

38. Myagkov N. N., Shumikhin Т. A. Critical behavior and energy dependence of mass distributions in impact fragmentation // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. — 2005. — V. 358, N 2-4. — P. 423-436.

39. Понд P., Гласс К. Металлофизические исследования и распределение энергии // Высокоскоростные ударные явления / Кинслоу Р. — Москва: МИР, 1973. —С. 428-467.

40. Projectile Size Effects On Hypervelocity Impact Craters In Alluminum: NASA Technical Note / Ames Research Center Center A. R. — Moffett Field, California: NASA, 1967. — TN D-4067.

41. Piekutowski A. J. Effects of scale on debris cloud properties // Int. J. Impact Engng. — 1997. — V. 20, N 6-10. — P. 639-650.

42. Shumikhin T. A., Myagkov N. N., Bezrukov L. N. Properties of ejecta generated at high-velocity perforation of thin bumpers made from different constructional materials // Int. J. Impact Engng. — 2012. —V. 50. — P. 90-98.

43. Myagkov N. N., Goloveshkin V. A., Shumikhin T. A., Sulimov A. V. On hypervelocity penetration of the mesh-bumper strings into a projectile // Int. J. Impact Engng. — 2009. — V. 36. — P. 468-475.

44. Livingstone I. H. G., Verolme K., Hayhurst C. J. Predicting the fragmentation onset velocity for different metallic projectiles using numerical simulations // Int. J. Impact Engng. — 2001. — December, 2001. — V. 26, N 1-10. — P. 453-464.

45. Schonberg W. P. Protecting Spacecraft against Meteoroid/Orbital Debris Impact Damage: an Overview//Space Debris. — 2001.—V. 1.—P. 195-210.

46. Steinberg D. J., Cochran S. G., Guinan M. W. A Constitutive Model for Metals Applicable at High Strain Rates // J. Appl. Phys. — 1980. — V. 51. — P. 1498-1504.

47. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. / Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П. — второе дополненное изд.— Москва: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1966. — 688 с.

48. A High-Strain-Rate Constitutive Model for Metals / University of California, Lawrence Livermore National Laboratory. — 1978. — Rept. UCRL-80465

49. Johnson G. R., Cook W. H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures // Seventh International Symposium on Ballistics; Royal Institute of Engineers in the Netherlands A. D. P. A. — the Hague, the Netherlands: American Defense Preparedness Association, 1983. — C. 541-547.

50. Brown E., Willms R., Gray G., Rae P., Cady C., Vecchio K., Flowers J., Martinez M. Influence of Molecular Conformation on the Constitutive Response of Polyethylene: A Comparison of HDPE, UHMWPE, and PEX // Experimental Mechanics. — 2007. — V. 47, N 3. — P. 381-393.

51. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. / Канель Г. И., Разоренов С. В., Уткин А. В., Фортов В. Е. —Москва: Янус-К, 1996. —408 с.

52. Seaman L., Curran D. R., Shockey D. A. Computational models for ductile and brittle fracture // Journal of Applied Physics. — 1976. — V. 47, N 11. — P. 4814-4826

С