Исследование высокоскоростного взаимодействия деформируемых твердых тел тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат технических наук Чан Динь Тхань

• Чан Динь Тхань
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чан Динь Тхань

Перечень условных обозначений.

Введение.В

Глава 1. Обзор явления высокоскоростного взаимодействия и постановка задач исследования.

1.1. Описание явления взаимодействия твердых тел.

1.1.1. Описание системы «ударник- плита», как инструмента исследования

1.1.1.1. Взаимодействие элементов системы.

1.1.1.2. Описание ударника.

1.1.1.3. Описание плиты.

1.1.1.4. Общая характеристика системы.

1.1.2. Виды взаимодействия. Диапазоны скоростей.

1.1.3. Факторы, влияющие на процесс взаимодействия.

1.1.3.1. Влияние свойств материала и конструкции ударника.

1.1.3.2. Влияние материала и конструкции плиты.

1.1.3.3. Влияние условий встречи ударника с плитой.

1.1.4. Виды разрушения при взаимодействии ударника и плиты.

1.2. Обзор методов исследования высокоскоростного взаимодействия

1.2.1. Экспериментальные методы.

1.2.2. Эмпирические и полуэмпирические методы.

1.2.2.1. Допущение о силе сопротивления в эмпирических и полуэмпирических формулах.

1.2.2.2. Формула Вуича.

1.2.2.3. Формула Забудского.

1.2.2.4. Березанская формула.

1.2.2.5. Методика ВИА расчета параметра проникания.

1.2.2.6. Формула Нобля.

1.2.2.7. Формула Жакоб де Марра.

1.2.2.8. Формула ЛФМИ.

1.2.2.9. Формула К.А. Березина.

1.2.2.10. Формула Ламберта и Джонаса.

1.2.2.11. Другие формулы расчета глубины проникания.

1.2.3. Численные методы математического моделирования.

1.3. Постановка задач исследования.

1.3.1. Задачи исследования.

1.3.2. Типовая расчетная система задачи.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Методы решения задачи высокоскоростного взаимодействия

2.1. Поведение материалов при динамическом и импульсном нагружении

2.1.1. Уравнения, описывающие поведение материалов среды.

2.1.2. Механические свойства материалов при динамическом и импульсивном нагружении.

2.1.3. Уравнение состояния.

2.1.4. Критерии разрушения материалов при динамическом нагружении

2.2. Математическое моделирование задачи, компьютерные технологии применения сеток.

2.2.1. Математическая модель в сетке Лагранжа.

2.2.1.1. Дискретизация пространства.

2.2.1.2. Временная дискретизация.

2.2.1.3. Вычислительная устойчивость - размер шага времени.

2.2.1.4. Условие окончания решения.

2.2.2. Эйлерова сетка элементов.

2.2.3. Лагранжево-эйлерова сетка элементов.

2.3. Выбор типа элементов для трехмерной задачи взаимодействия.

2.4. Алгоритм контакта.

2.5. Решения задачи в разных постановках.

Выводы по второй главе.

Глава 3. Моделирование высокоскоростного взаимодействия металлических ударника и плиты.

3.1. Экспериментальные методы определения механических свойства материалов при динамическом нагружении.

3.1.1. Динамические испытания материалов с помощью составного стержня Гопкинсона.:.

3.1.2. Динамические испытания при постоянной скорости нагружении

3.2. Аппроксимация экспериментальных данных математической моделью материалов.

3.3. Напряженно-деформированное состояние ударника и плита при высокоскоростном соударении.

3.4. Взаимодействие ударника с тонкой плитой — выбивание пробки.

3.5. Взаимодействие длинного ударника с плитой под углом.

3.6. Оценка влияния предела текучести материала ударника на процесс 112 его соударения с плитой.

3.7. Оценка влияния удлинения ударника на предельную скорость 115 сквозного пробития плиты.

Выводы по третьей главе.:.

Глава 4. Соударение стального ударника с железобетонной плитой

4.1. Основные физико-механические свойства бетона, стальной арматуры и железобетона.

4.1.1 Бетон.

4.1.1.1. Особенности конструкции бетона и допущения.

4.1.1.2. Свойства бетона при типичных испытаниях.

4.1.2. Арматура.

4.1.3. Сцепления арматуры с бетоном.

4.2. Математическая модель, описывающая свойства бетона.

4.2.1. Краткий обзор, критериев прочности

4.2.2. Модель поврежденного бетона.

4.3. Реализация решения задачи соударения.

4.3.1. Основные допущения

4.3.2. Геометрическая модель.

4.3.3. Описание решения.

4.3.4. Результаты численного моделирования.

4.3.5. Сравнение результатов моделирования с эмпирическим решением.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование высокоскоростного взаимодействия деформируемых твердых тел»

Актуальность работы. Высокоскоростное взаимодействие тел вызывает непреходящий интерес ученых и исследователей. Изучение в этой области представляет фундаментальное направление многих областей науки и жизнедеятельности человека: геофизики, планетологии, астрофизики, строительства, машиностроения и т.д. Его примерами являются: взаимодействие деталей машин и двигателей; столкновение транспортных средств при аварии; соударение капель воды и пыли с объектами, двигающимися с высокой скоростью (самолетом, космическим аппаратом); воздействие продуктов промышленных взрывов и образующихся взрывных волн на окружающую среду, здания и человека; в большем масштабе - это удар метеорита о землю.

Высокоскоростное взаимодействие также встречается в современных технологических процессах, основанных на применении высокоскоростного удара или взрыва (при ударно-волновом прессовании порошковых материалов, сварке, резании взрывом и т.д.). Материалы и тела при этом испытывают интенсивное импульсное нагружение, большие необратимые деформации, локальные разрушения. Для создания надежных, экономичных конструкций и технологий, необходимо хорошо понимать как поведение материалов, так и изделий в подобных условиях работы.

При сверхвысоких скоростях деформаций материалы рассматриваются, как жидкости и их поведение достаточно хорошо изучено, как и при статическом нагружении. Сегодня наименее-проработанной областью является диапазон скоростей деформации, соответствующий высокоскоростному взаимодействию деформируемых твердых тел со средней начальной скоростью соударения до 1500 м/с. В этом диапазоне проявляются упруговязкопластиче-ские свойства, которые сильно зависят от скорости деформаций, а пределы текучести и прочности большинства металлов и сплавов увеличиваются с повышением скорости деформаций. Если методы и оборудование по определению динамических свойств материалов достаточно развиты, то исследование процессов динамического деформирования твердых тел, изменение их геомет8 рии, характер разрушений в, составе конструкций требует серьёзного анализа. При высокоскоростном взаимодействии тел возникают разнообразные физические явления, исследование которых всегда является актуальными, так как на них влияют свойства материалов, геометрия и вид конструкций соударяющихся тел, условия их встречи. Несмотря на значительное число работ отечественных и зарубежных исследователей в этой области, оказывается,.что достаточно полная теория высокоскоростного взаимодействия деформируемых твердых тел отсутствует. Это и требует дальнейших усилий по её усовершенствованию.

Традиционными методами исследования высокоскоростного взаимодействия являются, экспериментальные методы. Однако они требуют дорогостоящего и сложного оборудования. Эмпирические и полуэмпирические методы, построенные по результатам испытаний, хотя и выполняют важную роль в изучении высокоскоростного взаимодействия, но они применимы в узком диапазоне, дают мало информации о процессе, содержат коэффициенты, которые также нужно находить по результатам испытаний.

Наиболее распространенным примером взаимодействия' двух деформируемых твердых тел при высокоскоростном соударении, достаточно объективно описанном во множестве работ является система "ударник-плита" [24, 43, 56, 68].

Развитие математических вычислительных методов и ЭВМ- способствует возможности моделирования сложных физических явлений, так. как. они используют фундаментальные законы, и, фактически являются эффективными современными инструментами исследований, сопровождающие опытные йзыскания.

Поэтому изучение процессов высокоскоростного деформирования и разрушения деформируемых твердых тел с применением компьютерного моделирования системы ударник-плита является актуальной- задачей исследований.

Предметами исследования диссертации являются процессы деформирования и разрушения деформируемых твердых тел при высокоскоростном взаимодействии на основе рассмотрения системы «ударник-плита».

Цель работы. Целью работы является исследование процессов деформирования и разрушения деформируемых твердых тел при высокоскоростном взаимодействии на основе применения современных компьютерных технологий численного моделирования.

Методы и.средства исследований. Методами и средствами исследований являются современные компьютерные технологии математического моделирования задач механики сплошных сред и результаты эмпирических, полуэмпирических'методов и данных по натурным испытаниям системы "ударник-плита".

Научная новизна. В процессе проведения исследований получены следующие новые результаты:

Выполнен сравнительный анализ существующих математических моделей материалов при динамическом нагружении для диапазонов деформации 8 =0,02-^-0,78 и скорости деформирования до 106 с-1. Показано, что наиболее подходящими для поставленной задачи являются упругопластические модели Криэда-Кия и Джонсона-Кука, пределы текучести по которым повышаются с увеличением пластической деформации и скорости деформации.

Разработана методика аппроксимации экспериментальных данных материалов кривыми зависимости коэффициента динамического предела текучести от скорости деформации при скоростном нагружении по упругопла-стической модели Криэда-Кия.

Рассмотрен характер поведения распространения ударной волны, напряжено-деформированного состояния, динамики компонент полной энергии системы «ударник-плита», на основе анализа которых определены критерии разрушения и зоны разрушения, соответствующие экспериментам.

Численно решены задачи соударения тупого ударника с тонкой плитой, длинного ударника с плитой под углом по предложенной методике аппроксимации материалов упругопластической моделью Криэда-Кия, резуль

10 таты которых соответствуют экспериментальным и полуэмпирическим данным.

- Исследовано влияние предела текучести материала и удлинения ударника, начальной скорости соударения, толщины плиты на напряженно-деформированное состояние материала, и параметры процесса взаимодействия (предел сквозного пробития, остаточную скорость и массу ударника и т.д.).

- Получены, новые зависимости ускорения ударника и изменения сил сопротивления плиты внедрению ударника с учетом его разрушения, от-ствующие в полуэмпирических методах исследований.

Практическое значение: Построенные компьютерные технологии численного исследования позволяют решать различные задачи, описывающие динамику деформирования и разрушения деформируемых твердых тел в диапазоне высокоскоростного-взаимодействия. Результаты дают качественную и количественную информацию о процессе, позволяют прогнозировать уровни полей напряжений и деформаций и критерии разрушения'. Это-создаёт возможности для выполнения качественной оценки процессов; характера изменения свойств материалов, выбора критериев разрушения подобных конструкций. Предложенные компьютерные технологии могут быть использованы при создании образцов новой'техники, а также для исследования высокоскоростных технологических процессов, происходящих в деформируемых твердых телах. Они позволяют выбрать оптимальные параметры при проектировании ударника для разрушения плиты, или, наоборот, при проектировании плиты, для сопротивления воздействию.ударника.

Материалы диссертационного исследования используются в БГТУ "Военмех" при проведении лабораторного1 практикума по курсу "Основы численной технологической механики"!.

Результаты работы внедрены, и использованы при выполнении следующих НИР:

- Исследование динамических процессов функционирования сложных

11 технических систем специального назначения и разработка математического обеспечения по их созданию изготовлению и испытаниям. Код НИР: 78.25. 23,81.13.13., Программа Минобразования и науки РФ* 2003-2007г.

Диссертационная работа выполнялась при частичном финансировании по программе Минобразования РФ «Развитие научного потенциала высшей школы, 2006-2008г. Код проекта РНП 2.1.2.7062. Наименование проекта "Фундаментальное обоснование перспективных наукоёмких технологий на основе плазмогазо-динамических, ударно-волновых и аэроакустических процессов".

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается применением строгих математических методов и современных программных вычислительных средств; сравнением результатов численных расчетов и полуэмпирических решений; сопоставлением теоретических решений с экспериментальными данными, и также публичным обсуждением на семинарах и конференциях.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование и выбор математических моделей; применяемых для описания поведения материалов-при динамическом нагружении (скоростном деформировании) заданного диапазона.

2. Методика аппроксимации экспериментальных данных и математическая модель, предназначенная для численного моделирования.

3. Компьютерные технологии применения* схем МКЭ в решениях задач высокоскоростного взаимодействия' деформируемых твердых тел в различных постановках (на основе лагранжевой, эйлеровой и произвольной, ла-гранжево-эйлеровой сеток конечных элементов).

4. Комплекс результатов по численному моделированию процесса высокоскоростного взаимодействия- металлического ударника и металлической, железобетоннойплит.

5. Результаты сопоставления решений с апробированными данными (результатами экспериментальных, эмпирических, полуэмпирических методов из литературных источников).

6. Оценка влияния различных факторов на явления, происходящие в процессе высокоскоростного взаимодействия системы "ударник-плита" и параметры, характеризующие этот процесс.

Апробация научных положений, основных результатов выполненного исследования произведена в виде докладов на научно-технических конференциях и семинарах: научно-технической конференции молодых ученых кафедр ЕЗ и Е6 БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова, СПб, 23 ноября 2006 г.; международной конференции «Пятые Окуневские чтения», Россия, СПб, 26-30 июня 2006 г.; X международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», ПРУ, Пенза, декабрь 2006 г.; XXXVI Уральском семинаре «Механика и процессы управления», г. Миасс, 26 декабря 2006 г.

По теме диссертации опубликовано 12 научных статей:

1. Чан Д. Т. Моделирование разрушения материалов плиты и ударника при разных критериях в условиях высокоскоростного нагружения// Международная конференция "Пятые Окуневские чтения": тезисы докладов. - СПб, БГТУ, 2006. С. 142-143.

2. Чан Д.Т. Моделирование явления выбивания пробки при соударении ударника с плитой// Актуальные вопросы ракетно-космической техники и технологий: Сб. трудов студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых БГТУ, вып. 4. - СПб., БГТУ, 2006. С. 158-159.

3. Чан Д.Т. Влияние предела текучести материала ударника на процесс его соударения с плитой// Современные технологии в машиностроении: Сб. статей X международной НПК. - Пенза, ПТУ, С. 133-136.

4. Чан Д.Т. Влияние скорости нагружения на механические свойства материалов// Механика и процессы управления. Том 1. Труды XXXVI Уральского семинара. - Екатеринбург: УрО РАН, 2006: С. 236-238.

5. Санников В.А., Чан Д.Т. Вычислительное моделирование высокоскоростного соударения в программе ЬЗ-ОУТМА// Зимняя школа по механике сплошных сред: Сб. статей. В 3-х частях. Часть 3. -Екатеринбург: УрО РАН,

13

2006. С. 163-166.

6. Буткарева H.F., Санников В.А., Ху С.Я., Чан Д.Т. Механическое состояние электроразрядной камеры при ударноволновом нагружении жидкостью// Современные технологии в машиностроении: Сб. статей X международной НПК. - Пенза, ПТУ, С.16-19.

7. Буткарева Н.Г., Санников В.А., Ху С.Я., Чан Д.Т. Модели взаимодействия системы твердое тело-жидкость для учета эрозии// Современные технологии в машиностроении: Сб. статей X международной НПК. - Пенза, ПТУ, С. 19-22.

8. Чан Динь Тхань. Влияние удлинения ударника на предельную, скорость пробития плиты// Динамика машин и рабочих процессов: сб. статей Всероссийской научно-технической конференции. Челябинск, изд. ЮУрГУ,

2007, С. 183-187.

9. Чан Динь Тхань. Моделирование высокоскоростного соударения стального ударника с железобетонной стенкой/ 7-я Конференция' пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH: сб. статей./ Под ред. А. С. Шадского. -М., Полигон-пресс, 2007. С. 321-326.

10: Чан Динь Тхань, Ху Сяоян. Численное моделирование высокоскоростного соударения деформируемых твердых тел// Научно-технические ведомости СПбГТУ. -СПб. 2007. № 4. том 1. С. 157-161.

11. Чан Динь Тхань, Ху Сяоян. Численное моделирование высокоскоростного соударения стального ударника с железобетонной стенкой// Архитектура и строительство России. 2007. № 11. С. 28—33.

12. Фомин М.Г., Ху Сяо Ян, Чан Динь Тхань. Моделирование кавитаци-онной эрозии в двигателях внутреннего сгорания// Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб: 2007. № 1. С.37-42.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списки используемой литературы и трех приложений.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Чан Динь Тхань

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Определена система исходных уравнений и составлены требования к начальным и граничным условиям для описания движения и состояния ударника и плиты при взаимодействии.

2. На основе анализа физических явлений процесса высокоскоростного взаимодействия системы «ударник-плита» и существующих математических моделей материалов выбраны две упругопластические модели Криэда-Кия и Джонсона-Кука для скоростей соударения до 1500 м/с.

3. Разработана и апробирована методика расчета коэффициентов упру-гопластической модели Криэда-Кия по экспериментальным кривым зависимости коэффициента динамического предела текучести от скорости деформации.

4. Приведены и обоснованы диапазоны применения лагранжевой, эйлеровой, смешанных сеток и командные файлы, позволяющие решать задачи соударения системы ударник-плита конечной толщины для-разных материалов и диапазонов скоростей.

5. Подтверждено использование разных критериев разрушения: при отколе — минимального давления; при образовании пробки — максимальной сдвиговой деформации; при хрупком разрушении — максимального главного напряжения или критериев линейной и сдвиговой деформаций одновременно на основе анализа распространения ударной волны и напряжено-деформированного поля сопоставлением с опытными и эмпирическими данными.

6. Решены практические задачи соударения тупого ударника с тонкой плитой, длинного ударника с плитой под углом, стального ударника с железобетонной плитой, динамика которых контролировалась условием сохранения суммы компонент полной энергии.

7. Численное исследование процесса взаимодействия показало, что: а) с увеличением предела текучести материала ударника от 200 до 1500

137

МПа предел сквозного пробития снижается на 17%; б) при начальных скоростях более 1200 м/с остаточная скорость практически не зависит от предела текучести; в) с ростом предела текучести и начальной скорости остаточная масса ударника увеличивается; г) с увеличением удлинения ударника от 5 до 10 предел сквозного пробития уменьшается на 8 4-10%.

8. Совокупность представленных положений позволяет эффективно решать практические задачи по оценке эффективности существующих средств поражения или защиты и проектированию конструкций подобных систем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чан Динь Тхань, 2008 год

1. ANSYS release 9.0 documentation. ANSYS Inc., 2004.

2. Gingold R. A. and Monaghan J. J. Smoothed particle hydrodynamics: Theory and application to non Spherical stars. Mon. Not. Roy.Astron. Soc. 181, 1977. C. 375-399.

3. Gray III G. Т., Shuh Rong Chen, Wright W., Lopez M. F. Constitutive Equations for Annealed Metals Under Compression at High Strain Rates and High Temperatures. LA-12669-MS, 1994

4. Hallquist, John O. LS-DYNA theoretical manual. Livermore Software Technology Corporation, 1988.

5. Hallquist, John O. LS-DYNA theoretical manual. Livermore Software Technology Corporation, 2006.

6. Leonard E Schwer, Javier Malvar L. Simplified concrete modeling with *MatconcretedamageRel3/LS-DYNA. Bamberg, 2005, c. 49-60.

7. LS-DYNA keyword user's manual, Version 970. Livermore Software Technology Corporation, 2003

8. Lycy L. A numerical approach to testing the fission. Astron J., 82, 1977. -c. 1013-1024.

9. Mattias Unosson. Numerical simulation of penetration and perforation of high performance concrete with 75mm steel projectile. Defence Reseach Establishment Weapons and Protection Division, SE-147 25 TUMBA, Sweden, 2000.

10. Monaghan J. J. An introduction to SPH. Comput. Phys. Comm. 48, 1988. C. 89-96.

11. Monaghan J. J. and Gingold R. A. Shock Simulation by the particle method SPH. J. Comput. Phys. 52, 1983. C. 374-389.

12. Monaghan J. J. Particle methods for hydrodynamics. Сотр. Phy. Rep. 3, 1985.-c. 71-124.

13. Nguyen Van Thuy. Tinh toan tac dung va xuyen. Ha Noi, 1995.

14. Алимов О. Д., Манжосов В. Н, Еремьянц В. Э. Удар. Распространение волн деформаций в ударных системах. -М., Наука, 1985.

15. Альтшулер Л. В., Комер С. Б., Баканова А. А., Трунин Р. Ф. Уравнение состояние алюминия, меди, свинца, в области высоких давлений. В журн. "Экспериментальная и теоретическая физика", 1960, т. 38, вып. 3.

16. Альтшулер Л: В., Крупников К. К., Бражник М. И. Динамическая сжимаемость металлов при давлениях от четырехсот до четырех миллионов атмосфер. В журн. "Экспериментальная и теоретическая физика", 1958, т. 34, вып. 4.

17. Альтшулер Л. В., Крупников К. К., Леднев Б. Н., Журчихин В. И., Бражник М. И. Динамическая сжимаемость и уравнение состояние железа при высоких давлениях. В журн. "Экспериментальная ^ теоретическая физика", 1958, т. 34, вып. 4.

18. Аптуков В. Н., Мурзакаев Р. Т., Фонарев А. В. Прикладная теория проникания. -М., Наука, 1992.

19. Аркулис Г. Э. Теория пластичности. -М., Металлургия, 1987.

20. Ахвердов И. Н. Основы физики бетона. -М., Стройиздат, 1981.

21. Бабкин А. В., Колпаков В. И., Охитин В. Н., Селиванов В. В. Прикладная механика сплошных сред в 3-х т. Том 3 Численные методы в задачах физики взрыва и удара. -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.

22. Бабкин А. В., Селиванов В. В. Прикладная механика сплошных сред, в 3-х т. Том 1 Основы механики сплошных сред. -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998.

23. Байков В. Н., Сигалов Э. Е, Железобетонные конструкции. -М'.: Стройиздат, 1984.

24. Барановский Г. К. Упругопластический удар массивного тела по прямоугольной пластине, лежащей на основании: автореф. дис. на соиск. учен. степ, к.т.н. -Ростов на Дону, 2002.

25. Батуев Г. С. и др. Испытательная техника: Справочник: В 2-х кн., кн. Г. -М;, Машиностроение, 1982.

26. Батуев Г. С. и др. Испытательная техника: Справочник: В .2-х кн., кн. 2. —М:, Машиностроение, 1982.

27. Батуев Р. С., Голубков Ю. В., Ефремов А. К., Федосов А. А. Инженерные методы исследования ударных процессов. —М:, Машиностроение,

28. Бекренев А. Н., Эпштейн К Н: Последеформационные процессы высокоскоростного нагружения.-М., Металлургия, 1992.

29. Беляев В. И., Ковалевский В. Н., Смирнов Г. В., Чекан В. А. Высокоскоростная деформация металлов. -Минск, Наука и техника* 1976;30: Бенерджи П., Баттерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках: пер. с англ. -М., Мир, 1984.

30. Берг О. Я. Некоторые физические обоснования теории прочности бе-тона//Теория расчета и конструирования железобетонных конструкций: -М!, Транжелдоориздат, 1960.

31. Броек Д. Основы механики разрушений: пер. с англ. Лейден, 1974

32. Бухарев Ю; Н., Моровов В1 А., Хаймович М. И., Шутова И. I I. Критерии моделирования проникающего действия, длинных стержней: препринт. -М., ЦНИИатоминформ, 1992.

33. Влияние высоких давлений на свойства материалов: сб. науч. тр. -Киев, Ин-т пробл. Материаловедения им; И. II. Францевича, 1990.

34. Водопьянов М. Я., Пермяков Г. Н. Динамические испытания материалов. -СПб., БГТУ, 1998.

35. Волошенко-Климовицкий Ю. Я. Динамический предел текучести. -М:, Наука, 1965.

36. Высокоскоростные ударные явления: пер. с англ. -М., Мир, 1973;

37. Гвоздев А. А. Расчет несущей способности конструкций^ по методу предельногофавновесия.-М., Госстройиздат, 1949.39.