Численное моделирование искусственного откола
, ,
ФБГУН Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
г. Томск, Россия
ФГБОУ ВПО Нижневартовский государственный гуманитарный университет
г. Нижневартовск, Россия
Исследование деформирования преград при искусственном отколе позволяет выявить особенности разрушения преград с имеющимися откольными трещинами с толщинами порядка нескольких микрометров, возникшими вследствие предыдущего ударного нагружения преграды. Показано влияние ширины зазора между пластинами преграды на время и последовательность возникновения откола и отскока ударника.
Динамическое нагружение двуслойной преграды моделировалось численно, в рамках уравнений механики сплошной среды [1]. Деформирование материала ударника и преграды проведено в рамках модели Прандтля-Рейсса [2]. Результаты численного моделирования сравнивались с экспериментальными данными из работы [3]. Численно моделировалось ударное нагружение двухслойной стальной преграды толщиной 10мм и диаметром 90мм стальным диском толщиной 5мм и диаметром 76мм с начальной скоростью u0=260м/с. На границе ударника и преграды, а также между верхней и нижней пластинами преграды реализовано условие скольжения без трения. Материал ударника и преград был выбран в соответствии с условиями натурного эксперимента – сталь ЭИ712. Исходная конфигурация «ударник-преграда» представлена на рис. 1.
Рис. 1. Исходная конфигурация стальных ударника и составной преграды при искусственном отколе.
Численно моделировался искусственный откол в двуслойных преградах для трех случаев: в первой задаче преграда состояла из двух пластин по 5мм каждая, зазор между пластинами отсутствовал. Во второй и третьей – из двух пластин с толщинами по 4,94мм, что соответствовало условиям эксперимента, зазоры составляли в начальный момент времени 0,06мм и 0,12мм, соответственно.
На рис. 2а показано изменение скорости во времени на контактной поверхности между верхней и нижней пластинами преграды без зазора. До момента времени 3,14мкс значения координат и скоростей обеих пластин преграды совпадают, т. е. волны сжатия проходят через двуслойную преграду без отражения, прохождение же волн растяжения приводит к искусственному отколу. Отскок ударника происходит в 3,87мкс, когда волна сжатия, отразившись от свободной поверхности второй пластины преграды, дойдет до материала ударника в виде волны растяжения (рис. 3б).
а) б)
Рис. 2 Изменение скорости 
при искусственном отколе без зазора: а) на поверхностях между верхней (сплошная линия) и нижней (штриховая линия) пластинами преграды; б) в зоне контакта: ударника – (сплошная линия) и верхней пластины преграды – (штриховая линия); u0=260м/с
На рис. 3а показано изменение скорости с течением времени в области контакта верхней и нижних пластин преграды при начальном зазоре 0,06мм. Показан выход упругого предвестника на свободную поверхность верхней пластины преграды. В результате деформирования верхней пластины преграды в 1,23мкс происходит слипание до 3,27мкс внутренних поверхностей преграды и их координаты и скорости совпадают. Наличие свободной поверхности верхней пластины преграды до 1,23мкс от начала ударного нагружения приводит к отражению части волны сжатия, и она распространяется в виде волны растяжения в направлении контакта ударника и преграды. Первое отделение ударника от преграды происходит в 2,05мкс, затем возникает контакт ударника и преграды и полный отскок ударника происходит в 5,32мкс (рис. 3б).
а) б)
Рис. 3 Изменение скорости 
при искусственном отколе с зазором 0,06мм: а) на поверхностях между верхней (сплошная линия) и нижней (штриховая линия) пластинами преграды, б) в зоне контакта: ударника – (сплошная линия) и верхней пластины преграды – (штриховая линия), u0=260м/с
Увеличение зазора между пластинами преграды вдвое приводит к увеличению времени выхода волны сжатия на свободную поверхность верхней пластины преграды на 0,24мкс (рис. 3а-4а). На рис. 4а показано, что контакт между верхней и нижней пластинами преграды возникает 1,47мкс. В 3,52мкс вновь возникает зазор между пластинами преграды из-за распространения волны растяжения от тыльной поверхности преграды. Отраженной волны растяжения в течение 0,5мкс достаточно, чтобы при встрече ее с волной растяжения, распространяющейся от свободной поверхности ударника, произошло отделение ударника в 2,04мкс (рис.4б). После возникшего контакта обеих пластин преграды большая часть волны сжатия продолжила распространение в нижнюю пластину преграды, наличие нижней пластины преграды не повлияло на время отскока ударника (рис. 4б). В результате, наличие зазора величиной 0,12мм оказывается достаточным, чтобы вторая пластина преграды не влияла на время отделения ударника от преграды.
а) б)
Рис. 4 Изменение скорости при искусственном отколе с зазором 0,12мм: а) на поверхностях между верхней (сплошная линия) и нижней (штриховая линия) пластинами преграды; б) в зоне контакта: ударника – (сплошная линия) и верхней пластины преграды – (штриховая линия); u0=260м/с
В составной преграде с отсутствием зазора между двумя пластинами преграды время отскока ударника от преграды соответствует случаю сплошной преграды, т. к. первая волна сжатия распространяется через контактную поверхность двух пластин преграды как через сплошную среду без отражения. Наличие зазора величиной 0,06мм приводит к тому, что увеличивается время взаимодействия ударника и преграды по сравнению с преградой без зазора и сплошной преградой и время возникновения искусственного откола.
Таким образом, изменение величины начального зазора между пластинами преграды существенным образом влияет на время откола в двуслойной преграде и отскока ударника.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Механика сплошных сред. - М.: Наука, 1976. Т. 2. – 574 С.
2. Расчет упругопластических течений // В кн.: Вычислительные методы в гидродинамике. М.: Мир, 1967.- с. 212-263.
3. , , Откол в стали //ФГВ.-1981.- с. 82-89.
