Simulation of the interaction of conical impactors having an angle of attack with underwater barriers.pdf Введение Для реализации устойчивого высокоскоростного движения в воде [1-6] применяются ударники в виде усеченного конуса (рис. 1) [7]. При входе в воду такой ударник образует суперкаверну [8-11], охватывающую его, тем самым минимизируется трение о воду. Кормовая часть ударника во время его движения кратковременно периодически контактирует со стенками суперкаверны, поддерживая устойчивый режим его движения. Отметим, что центр масс рассматриваемого ударника находится ближе к его корме, что может спровоцировать возникновение угла атаки при его движении. Если вектор скорости центра масс ударника совпадает с направлением траектории его движения, то в зависимости от угла встречи с преградой (при одной и той же скорости) происходит либо прокалывании преграды, либо рикошет [12, 13]. Если отмеченные условия взаимодействия дополняются наличием угла атаки у ударника, что обусловлено смещенным к его корме центром масс, то условия безрикошетного взаимодействия существенно усложняются. В этом случае применение математического моделирования для исследования рассматриваемых процессов является практически единственным методом корректной интерпретации и прогнозирования экспериментальных результатов. Рис. 1. Внешний вид ударника в виде усеченного конуса Fig. 1. Design of a truncated cone-shaped impactor В данной работе с использованием авторского конечно-элементного программного комплекса EFES [14] и привлечением экспериментальных данных для верификации математической модели выполнены оценки величин углов атаки ударника, при которых обеспечивается безрикошетное взаимодействие суперка-витирующих ударников с преградами. Результаты исследований Экспериментальные исследования проводились на гидробаллистическом комплексе [15]. С помощью высокоскоростной видеосъемки фиксировался процесс взаимодействия ударника с преградой и измерялась его скорость до и после взаимодействия с преградой. Диапазон скоростей взаимодействия составил 250-350 м/с. Численное моделирование проводилось в трехмерной постановке с использованием программного комплекса EFES. Поведение материалов ударника и преграды описывалось упругопластической моделью, в качестве критерия разрушения использовалась предельная величина интенсивности пластических деформаций [16]: ЧT , (1) где Ti, T2 - первый и второй инварианты тензора деформаций. Верификация программного комплекса EFES проводилась при решении динамических задач различного уровня [16]. Применительно к исследуемым процессам также выполнено сравнение расчетных и экспериментальных данных. 41 Механика / Mechanics На рис. 2, а ударник из ВНЖ-95 взаимодействует с преградой в воздухе со скоростью встречи 333 м/с в нормаль. После пробития преграды ударник продолжает движение, а его скорость составляет 301 м/с. а Рис. 2. Взаимодействие ударника из ВНЖ-95 с преградой на воздухе в нормаль (а); расчетная хронограмма взаимодействия ударника с преградой (b) Fig. 2. Interaction of the impactor made of BHZh-95 with a barrier in the normal direction in the air (a); calculated chronogram of the impactor interaction with the barrier (b) 0 мкс 150 мкс 250 мкс b Сравнение расчетных данных с результатами эксперимента показало, что, как и в эксперименте, произошло пробитие преграды. При этом расчетная скорость ударника после пробития практически совпадает с измеренной экспериментально и составляет 292 м/с. Верифицированная математическая модель в дальнейшем использовалась для определения условий, при которых происходит рикошет ударника от преграды. В таблице приведены результаты численных экспериментов по взаимодействию ударников с преградами при различных углах а и скоростях встречи. Результаты численного моделирования № расчета Скорость встречи U0, м/с Угол встречи а Расчетная скорость после взаимодействия иг, м/с, результат Экспериментальная скорость после взаимодействия иэ, м/с, результат 1 333 0° 292, пробитие 301, пробитие 2 330 30" 236, пробитие 239, пробитие 3 250 30° 182, пробитие - 4 250 45° 163, пробитие - 6 250 50° 88, пробитие - 7 250 55° 115, рикошет - 8 250 60° 187, рикошет - 42 Батуев С.П., Дьячковский А.С., Радченко П.А. и др. Моделирование взаимодействия Выполненные расчеты показали, что рикошет ударника происходит при а > 55°. Рисунки 3-5 иллюстрируют процесс взаимодействия ударников с преградой при встрече под углом. В рассматриваемом случае напряженно-деформированное состояние в ударнике несимметрично относительно продольной оси, что приводит к возникновению изгибных моментов. Наличие при этом смещенного к кормовой части ударника центра тяжести дополнительно увеличивает тенденцию к изгибу ударника. При взаимодействии ударника с преградой под углом увеличивается эффективная толщина преграды hef, определяемая соотношением: hef = h/cos а, (2) где h - толщина преграды. Увеличение эффективной толщины преграды приводит к увеличению времени контакта ударника с преградой и интенсифицирует деформирование и срабатывание ударника. При а = 50° эффективная толщина преграды увеличивается в 1.5 раза, при этом наблюдается существенное увеличение срабатывания ударника за счет эрозии и пластического деформирования по сравнению с взаимодействием под углом а = 30°. В представленных численных экспериментах рассмотрены случаи, когда в момент начала взаимодействия ударника с преградой угол атаки в = 0°. Под углом атаки будем понимать угол Р = аи-а, (3) где аи - угол между вектором скорости ударника и нормалью к преграде, а - введенный ранее угол встречи (взаимодействия). 150 мкс 300 мкс 450 мкс Рис. 3. Хронограмма процесса взаимодействия (сечение ZX, ио = 251 м/с, а = 30°) Fig. 3. Chronogram of the interaction process (section ZX, ио = 251 m/s, а = 30°) 120 мкс 400 мкс 800 мкс Рис. 4. Хронограмма процесса взаимодействия (сечение ZX, U0 = 250 м/с, а = 50°) Fig. 4. Chronogram of the interaction process (section ZX, U0 = 250 m/s, а = 50°) 43 а b 250 мкс 500 мкс 750 мкс Рис. 6. Хронограмма процесса взаимодействия: а - в объеме, b - в сечении ZX (U0 = 250 м/с, а = 50°, Оо = 60°, or = 93 м/с) Fig. 6. Chronogram of the interaction process: (a) in the volume, (b) in section ZX (U0 = 250 m/s, а = 50°, Ои = 60°, Ur = 93 m/s) Механика / Mechanics а b 300 мкс 600 мкс 900 мкс Рис. 5. Хронограмма процесса взаимодействия: а - в объеме, b - в сечении ZX (ио = 250 м/с, а = 55°) Fig. 5. Chronogram of the interaction process: (a) in the volume and (b) in section ZX (uo = 250 m/s, а = 55°) На рис. 6 представлена расчетная хронограмма проникания ударника для условий, когда вектор скорости не совпадает с продольной осью ударника: а = 50°, а0 = 60°. Угол атаки при этом будет положительным: в = 10°. В этом случае процесс взаимодействия ударника с преградой будет существенно отличаться от случая с в = 0° (см. рис. 4). При в = 10° наблюдается процесс нормализации ударника - угол а в процессе проникания уменьшается, что приводит к уменьшению эффективной толщины преграды, уменьшению объма разрушений в ударнике 44 Батуев С.П., Дьячковский А.С., Радченко П.А. и др. Моделирование взаимодействия и увеличению остаточной скорости ударника щ. Следует отметить, что кормовая часть ударника из-за смещенного к ней центра тяжести является более «тяжелой» и будет обладать большей инерцией, что усиливает тенденцию к нормализации ударника. Заключение Таким образом, проведенные исследования позволили определить условия возникновения рикошета удлиненного ударника в форме усеченного конуса из тяжелого сплава ВНЖ-95 при высокоскоростном взаимодействии с преградой из алюминиевого сплава. При этом установлено, что при рассмотренных кинематических и геометрических параметрах ударника и преграды положительный угол атаки в < 10° приводит к нормализации ударника, уменьшению эффективной толщины преграды и ее перфорации, отрицательный угол атаки, напротив, способствует рикошету ударника от преграды.

Скачать электронную версию публикации