Газовая и волновая динамика - часть 39

 

  Главная      Учебники - Производство     Газовая и волновая динамика - учебное пособие

 

поиск по сайту            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  37  38  39  40   ..

 

 

Газовая и волновая динамика - часть 39

 

 

D

. Для их определения использовался метод, основанный на численном и физиче-

ском моделировании процесса плоского соударения пластин с откольным разруше-
нием [9, 12, 23]. Для модели пористой среды [12], предназначенной для описания
динамики твердых топлив и ВВ, привлекалась также задача об ударном сжатии
газонаполненной микропоры [24].

В модели с двумя параметрами поврежденности, представленной выше, таких

констант уже семь: B, Λ, σ

, A, C, S

u

, D

. Для их определения разработан метод, ос-

нованный на численном и физическом моделировании процессов квазидинамического
кручения и растяжения тонкостенных трубчатых образцов с разрушением и последу-
ющей математической обработке результатов численных и физических эксперимен-
тов [25]. Однако, нам не известно опубликованных результатов таких экспериментов,
которые позволили бы рассчитать константы для реальных материалов. Поэтому
основным путем получения необходимых данных остаются уже отмеченные выше
эксперименты по соударению пластин с отколом, проведенные в широком диапа-
зоне скоростей соударения (многочисленные работы ученых ИВТАН, ВНИИЭФ
и др.) [26]. В частности, эти эксперименты были использованы в работе [27] для
определения всех семи констант модели [19, 20].

4. Численное моделирование макроразрушения

Разработанные методы численного расчета динамического деформирования тел в
одномерном, двумерном и трехмерном случаях с разрушением вплоть до разделе-
ния тел на отдельные фрагменты основаны на процедуре перестройки расчетных
лагранжевых сеток с явным выделением поверхностей разрушения [28] – [33]. По-
лучены численные решения задач откольного разрушения при взрывном и ударном
воздействиях [9, 16, 23, 43, 44], пробивания тонких преград, в том числе наклон-
ного пробивания [30] – [35]. Численно исследован в двумерной плоской постановке
процесс распространения криволинейных трещин в нефтеносном пласте, который мо-
делировался повреждаемой (микропористой) термоупруговязкопластической средой,
в процессе гидроразрыва пласта [36].

Особо отметим задачу нормального пробивания тонкой преграды деформируемым

телом вращения сложной конструкции, решенную еще в 1980 г. под руководством
академика Рахматулина Х. А. [34, 35]. Преграда представляет собой круглую пласти-
ну, а ударник является оболочкой вращения переменной толщины с заполнителем.
Типичная оболочка ударника состоит из головной части оживальной формы, пере-
ходящей вблизи носика в сферическую оболочку, и донной части, также оживаль-
ной формы, но малой кривизны, заканчивающейся жестким дном. Задача динамики
оболочки рассматривается как геометрически нелинейная в приближении Тимошен-
ко С. П. Поведение материала оболочки описывается уравнениями теории малых
упругопластических деформаций Ильюшина А. А. При этом учитывается разгрузка
материала, возможность появления областей вторичных пластических деформаций.
Заполнитель считается линейно упругим телом. Учитывается возможность сколь-
жения заполнителя вдоль внутренней поверхности оболочки, в том числе с трени-

160

ем, отрыва его от оболочки и восстановления контакта [37, 38, 39]. Пластина, по
которой производится удар, моделируется, как и корпус ударника, упругопластиче-
ской оболочкой вращения. На контактной поверхности ударник — преграда ставятся
граничные условия скольжения ударника вдоль преграды с трением. Учитывается
возможность разрушения тонкой преграды всех экспериментально наблюдаемых ти-
пов: прокол, выбивание пробки, лепестковое разрушение, отрыв лепестков. Задача
пробивания решается численно по явной конечно-разностной схеме типа Уилкинса.
Из результатов решения задачи пробивания отметим один. Абсолютный максимум
интенсивности деформаций в оболочке ударника (ε

u

)

max

достигается вблизи носика

и с уменьшением скорости удара V

0

приближается к нему. При этом зависимость

(ε

u

)

max

от V

0

не носит мотононно возрастающего характера. В частности, имеет ме-

сто заметный всплеск функции (ε

u

)

max

= (ε

u

)

max

(V

0

) в области малых скоростей V

0

(порядка 200

− 250м/с для рассмотренной конструкции). Объясняется это тем, что

при этих скоростях происходит значительное увеличение площади области контакта
ударника с преградой и продолжительности взаимодействия, хотя интегральная сила
взаимодействия и уменьшается. Поскольку в качестве критерия разрушения оболоч-
ки ударника можно принять интенсивность деформаций, отсюда следует следующий
вывод. При малых скоростях пробивания V

0

порядка 200

− 250м/с должно произойти

разрушение конструкции ударника, которое при дальнейшем увеличении V

0

до ве-

личины порядка 450

− 500м/с не будет наблюдаться. При дальнейшем увеличении V

0

разрушение неизбежно. Такой теоретический результат нашел и экспериментальное
подтверждение.

Идеи метода перестройки лагранжевых сеток были также успешно использова-

ны при построении расчетных сеток в двумерных областях сложной геометрии с
выделением внутренних контактных границраздела различных сред [40, 41, 42].

Дано обоснование корректности известной процедуры «приведения напряжений

на поверхность текучести», используемой в численном методе Уилкинса, для упроч-
няющейся упругопластической среды в самом общем случае, когда предел текучести
является функцией давления, плотности, температуры, интенсивности пластических
деформаций и, возможно, некоторых других параметров, как в модели Штейнберга
– Гуинана [45]. Этим методом было получено решение большинства задач, затро-
нутых в настоящем обзоре. Метод Уилкинса для двумерного и трехмерного случаев
получил дальнейшее развитие и в направлении учета сложных граничных усло-
вий на контактных поверхностях взаимодействующих тел (отрыв тел друг от друга,
восстановление контакта, скольжение с трением), были введены специальные искус-
ственные вязкости (тензорная, угловая, контурная) [46, 47]. Кроме того, получены
корректные граничные условия для задач с центральной и осевой симметрией при
= 0, где уравнения механики деформируемых сред имеют устранимую особенность
типа 0/0, и предложены численные схемы для их реализации [48, 49].

161

5. Моделирование фрагментации тонкостенныхконструкций и

компактныхэлементов

Предложены математические модели для расчета взрывного разрушения тонких
упруговязкопластических оболочек, в том числе композитных, типа контейнеров,
разгонных блоков космических ракет, топливных баков при взрыве в замкнутом
объеме конструкций, а также модель фрагментации частиц при столкновении [50]
– [58]. Фрагментация наступает при выполнении критерия разрушения предельной
удельной диссипац ии, как и в представленных выше моделях повреждаемых сред, и
принимается, что на разрушение оболочки (или частицы) затрачивается накоплен-
ная в ней упругая энергия, а распределение осколков по массе описывается распре-
делением Вейбулла, в том числе двумодальным. Распределение Вейбулла является
частным случаем общих вероятностных представлений и используется в механике
деформируемого твердого тела также для описания усталостных испытаний материа-
лов. Модели позволяют рассчитать число фрагментов, их распределение по массам и
типам разрушения, скорости разлета. Результаты этих исследований нашли практи-
ческое применение при построении математических моделей образования и эволюции
техногенного «космического мусора» на околоземных орбитах [59] – [68].

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 02-01-00127), INTAS (грант

№ 00-0706) и гранта поддержки ведущих научных школ России НШ – 19.2003.1.

Литература

[1]

Качанов Л. М. О времени разрушения в условиях ползучести. — Изв. АН
СССР, ОТН, Механика и машиностроение, 1958. № 8.

[2]

Работнов Ю. Н. Механизм длительного разрушения. — Вопросы прочности
материалов и конструкций.М.: Изд-во АН СССР, 1959.

[3]

Ильюшин А. А. Об одной теории длительной прочности. — Инж. журн. Ме-
ханика твердого тела, 1967, № 3.

[4]

Астафьев В. И., Радаев Ю. Н., Степанова Л. В. Нелинейная механика раз-
рушения. — Самара: Изд-во «Самарский университет», 2001.

[5]

Coleman B. D., Gurtin H. E. Thermodynamics with internal state variables. — J.
Chem. Phys, 1967, Vol. 47, № 2.

[6]

Кондауров В. И., Мухамедиев Ш. А., Никитин Л. В., Рыжак Е. И. Механика
разрушения горных пород. — М.: ИФЗ АН СССР, 1987.

[7]

Кондауров В. И., Никитин Л. В. Теоретические основы реологии геоматери-
алов. — М.: Наука, 1990.

[8]

Киселев А. Б., Юмашев М. В. Математическое моделирование деформирова-
ния и разрушения упруговязкопластической сплошной среды в нестационар-
ных термомеханических условиях. Численное решение задач волновой дина-
мики. — Математические исследования, вып. 117, Кишинев: Штиинца, 1990.

162

[9]

Киселев А. Б., Юмашев М. В. Деформирование и разрушение при ударном на-
гружении. Модель повреждаемой термоупругопластической среды. — ПМТФ,
1990, № 5.

[10]

Киселев А. Б., Юмашев М. В. Математическая модель деформирования и
разрушения твердого ракетного топлива при ударном нагружении. — YII Всес.
съезд по теор. и прикл. механике, Аннот. докл., М., 1991.

[11]

Киселев А. Б., Юмашев М. В. Уравнения состояния металлов при интенсивном
динамическом нагружении. Модель повреждаемой термоупругопластической
среды. Экстремальные уравнения состояния. — Сб. научн. трудов под ред.
Фортова В. Е. и Кузьменкова Е. А., М.: ИВТАН, 1991.

[12]

Киселев А. Б., Юмашев М. В. Математическая модель деформирования и
разрушения твердого топлива при ударном нагружении. — ПМТФ, 1992, № 6.

[13]

Киселев А. Б., Юмашев М. В. О модели динамического деформирования и
разрушения твердого топлива. Вопросы механики сплошных сред. — М.: Изд-
во МГУ, 1993.

[14]

Kiselev A. B., Yumashev M. V. Mathematical modelling of dynamic processes of
deformation and microfracture of metals and solid fuels. — Proc. of the IMACS
Symp. on Mathematical Modelling (Febr. 2-4, 1994, Tech. Univ. Vienna, Austria),
Vol. 5, Vienna: TUV, 1994.

[15]

Kiselev A. B. Thermomechanical model of dynamic deformation and combined
fracture of solids. — Proc. of Int. Conf. on Structure and Properties of the
Brittle and Quaziplastic Materials (June 14-16, 1994, Riga, Latvia), Riga: Inst. of
Inorganic Chemistry of the Latvia Academy of Sciences.

[16]

Киселев А. Б., Юмашев М. В. Численное исследование динамических процес-
сов деформирования и микроразрушения повреждаемой термоупругопластиче-
ской среды. — Вестн. МГУ, Матем. Механ., 1994, № 1.

[17]

Kiselev A. B. The model of thermoelastoplastic deformation and fracture of
materials under multiaxial loading. — Fourth Int. Conf. on Biaxial/Multiaxial
Fatigue (St. Germain en Laye, France, May 31 - June 3, 1994), Vol. 2.

[18]

Kiselev A. B., Yumashev M. V., Zelensky A. S. Mathematical modelling of
dynamic processes of deformation and microfracture of thermoelastoplastic media.
— Advances in Fracture Resistance in Materials (Proc. of Eighth Int. Congress
of Fracture), Vol. 2, New Delhi: McGraw Hill, 1996.

[19]

Kiselev A. B. Mathematical modelling of dynamical deforming and combined
microfracture of damageable thermoelastoviscoplastic medium. — Studies in
Applied Mechanics 45: Advanced Methods in Materials Processing Defects,
Amsterdam: Elsevier, 1997.

[20]

Киселев А. Б. Математическое моделирование динамического деформиро-
вания и комбинированного микроразрушения термоупруговязкопластической
среды. — Вестн. МГУ, Матем. Механ., 1998, № 6.

163

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  37  38  39  40   ..