Experimental and theoretical research of the interaction between a high-velocity fragment and a distributed target.pdf Введение Разработка легких защитных конструкций повышенной баллистической стойкости является непростой задачей, поскольку часто возникают противоречивые требования с точки зрения стоимости, веса, толщины, доступности материалов, технологичности и т.д. Кроме того, при проектировании необходимо учитывать и спектры угроз, к которым относится, в частности, поражение преград при соударении с высокоскоростными осколками. В условиях высокоскоростного соударения однослойные защитные керамические преграды являются хрупкими и ненадежными. Высокотвердые керамики содержат большое число концентраторов напряжений (границ зерен, трещин, пор и т.д.), на которых активируется зарождение разрушений даже в области упругого деформирования материала. Микроразрушения в таких материалах могут появиться при сжатии под действием девиаторных напряжений. С увеличением интенсивности импульса нагрузки степень микроразрушений в фазе сжатия резко возрастает, что приводит впоследствии к падению сопротивления растяжению. В [1] представлены экспериментальные и теоретические результаты в области прочностных, кинетических и упруго пластических свойств материалов разных классов при ударно-волновом нагружении. В качестве перспективного решения для защитных систем отмечается использование многослойных конструкций. Лицевой слой преграды должен иметь твердость, существенно превышающую твердость материала ударника, а гюгоньевский предел упругости должен превосходить возникающее на начальной стадии ударно-волновое давление в преграде. Только в этом случае удается обеспечить жесткость преграды, достаточную для разрушения ударников без проникания в преграду. Цель данной работы - отработка методики для проведения исследований высокоскоростного взаимодействия стального сферического ударника с разнесенной мишенью, состоящей из двух слоев. В качестве каждого слоя мишени можно использовать различные материалы. В данной работе лицевой слой мишени выполнен из оргстекла (ПММА), а на расстоянии 60 мм от него расположен второй слой - это преграда-«свидетель» из алюминиевого сплава Д16. Отработка методики эксперимента проводилась в диапазоне скоростей 1500-2500 м/с. В методику также входит и математическое моделирование процессов высокоскоростного взаимодействия, реализованных в данной серии экспериментов, с целью более детального изучения возникающих при этом эффектов. Экспериментальные исследования Для отработки методики была проведена серия экспериментов по соударению стального сферического ударника (рис. 1, а) диаметром 5.85 мм с разнесенной мишенью. Разнесенная мишень состояла из оргстекла (ПММА) (рис. 1, б) толщиной 8 мм и преграды-«свидетеля» (рис. 1, в) из алюминиевого сплава Д16, располагающейся от него на расстоянии 60 мм. Рис. 1. Внешний вид: а - сферический ударник и метаемая сборка в разрезе; б - оргстекло (ПММА); в - преграда-«свидетель» из алюминиевого сплава Д16 На рис. 2, а показан внешний вид разнесенной мишени, расположенной в баллистической трассе [2] для проведения экспериментов. Весь процесс взаимодействия сферического ударника с разнесенной мишенью фиксировался с помощью высокоскоростной камеры «Fantom» (рис. 2, б). Рис. 2. Внешний вид: а - разнесенной мишени; б - высокоскоростной камеры «Fantom» Фоторегистограммы процесса высокоскоростного взаимодействия стального сферического ударника с разнесенной мишенью для трех экспериментов, представлены на рис. 3. Как можно заметить, стальной сферический ударник после пробития прозрачной преграды из оргстекла во всех экспериментах практически не деформируется. С преградой-«свидетелем» ударник взаимодействует в целом состоянии, после чего в ней образуется кратер. Глубина полученного кратера измерялась, данные представлены в таблице. Рис. 3. Фоторегистограммы процесса взаимодействия стального сферического ударника с оргстеклом при скорости: а - V = 1569 м/с; б - V = 1906 м/с; в - V = 2361 м/с Анализ представленных результатов показывает, что при скорости взаимодействия более 2300 м/с глубина кратера резко уменьшается и получается даже меньше, чем при скорости 1500 м/с. На рис. 4 показан внешний вид образовавшихся кратеров, а также остатки сферических ударников после эксперимента при скорости взаимодействия до 2000 м/с. При скорости выше 2300 м/с остатков ударника не наблюдалось. Экспериментальные данные № эксперимента Скорость взаимодействия V, м/с Глубина кратера h, мм 4082 1569 19.12 4081 1528 18.24 4088 1906 22.37 4087 1942 21.94 4077 2361 13.76 4080 2354 13.49 Рис. 4. Внешний вид кратеров и ударников при скорости: а - V = 1569 м/с; б - V = 1906 м/с; в - V = 2361 м/с Опираясь на результаты, можно предположить, что при скоростях выше 2300 м/с сферический ударник полностью разрушился и поэтому образование глубокого кратера не происходило. Более подробно и наглядно процесс взаимодействия был рассмотрен при математическом моделировании. Математическое моделирование Математическое моделирование взаимодействия стального сферического ударника с разнесенной мишенью проводилось в рамках математической модели [3] в осесимметричной постановке с применением программного комплекса [4]. В качестве модели разрушения материалов используется модель роста сферических пор [5]. Результаты расчетов трех экспериментов из проведенной серии, показанные на рис. 5-7, представлены в виде поля скоростей относительно максимальной скорости Umax (слева) и поля давлений (справа) в цилиндрической системе координат x, z, (см) в различные моменты времени t взаимодействия сферического ударника и разнесенной преграды. На рис. 5 представлены результаты математического моделирования взаимодействия ударника с разнесенной преградой при скорости V = 1569 м/с. В момент времени t = 0.9 мкс сферический ударник взаимодействует с первым слоем преграды из оргстекла. В правой части хронограммы процесса при данном времени можно заметить в области контакта ударника и преграды образование поля наибольшего давления. На протяжении всего времени процесса взаимодействия ударника с преградой из оргстекла давление на ударник снижается, и он не деформируется. При t = = 10.0 мкс преграда из оргстекла пробита насквозь, и стальной сферический ударник продолжает свое движение дальше. В момент времени t = 12.0 мкс сферический ударник взаимодействует с преградой-«свидетелем». Как и с оргстеклом в области контакта образуется поле высокого давления. К моменту времени взаимодействия t = 20.0 мкс ударник начинает деформироваться. Стальной сферический ударник останавливается при t = 44.0 мкс, он деформирован, но не разрушен. Как и в эксперименте, ударник не разрушился, а немного деформировался, оставшись целым. В расчете глубина кратера равна h = 18.79 мм, расхождение с экспериментом составило 1.7%. Результаты следующего расчета моделируют взаимодействие стального сферического ударника с разнесенной преградой при скорости V = 1906 м/с (рис. 6). Как и в предыдущем случае, стальной сферический ударник в момент времени t = 0.9 мкс взаимодействует с оргстеклом. В месте контакта ударника и оргстекла также образуется область повышенного давления, но она больше чем при меньшей скорости. К моменту времени t = 10.0 мкс стальной ударник пробивает оргстекло и, не изменившись, продолжает свое движение ко второй преграде. Когда ударник взаимодействует с преградой-«свидетелем», в момент времени t = 12.0 мкс он начинает деформироваться. При дальнейшем его углублении в преграду деформация незначительно увеличивается. Рис. 5. Хронограмма процесса взаимодействия ударника при скорости V = 1569 м/с: а - с преградой из ПММА; б - с преградой-«свидетелем» Рис. 6. Хронограмма процесса взаимодействия ударника при скорости V = 1906 м/с: а - с преградой из ПММА; б - с преградой-«свидетелем» На границе контакта ударника с преградой-«свидетелем» в нем появляются области разрушения, что видно при времени t = 20.0 мкс, в правой части хронограммы. В момент времени t = 49.0 мкс ударник останавливается. Область разрушения к моменту времени остановки увеличилась, что приводит к частичному разрушению ударника. Результаты расчета повторяют данные эксперимента. Ударник, как и в эксперименте, рассыпался на части. Глубина образовавшегося кратера в расчете равна h = 22.12 мм, расхождение с экспериментом составило 1.1%. Результаты третьего расчета получены при скорости удара V = 2361 м/с (рис. 7). Стальной сферический ударник в период взаимодействия с оргстеклом не деформируется и не обретает внутренних напряжений. Пробив насквозь первую преграду, продолжает движение к преграде-«свидетелю». В момент времени t = 9.0 мкс происходит контакт ударника с преградой-«свидете¬лем». Он начинает деформироваться и в нем сразу образуются внутренние напряжения. При дальнейшем его углублении в преграду-«свидетель» сферический ударник приобретает форму диска и начинает рассыпаться. К моменту времени t = 26.0 мкс происходит остановка ударника, так как он рассыпался на мелкие частицы, как и в эксперименте. Глубина образовавшегося кратера равна h = = 13.76 мм, расхождение с экспериментом составило 1.2%. Рис. 7. Хронограмма процесса взаимодействия ударника при скорости V = 2361 м/с: а - с преградой из ПММА; б - с преградой-«свидетелем» Таким образом, при взаимодействии ударника с разнесенной преградой типа оргстекло - сплав алюминия Д16 в диапазоне скоростей 1500-2000 м/с стальной сферический ударник деформируется, но не рассыпается на мелкие частицы. Образовавшийся кратер в преграде-«сви¬детеле» увеличивается с ростом скорости. При скоростях выше 2000 м/с стальной сферический ударник после взаимодействия с преградой-«свидетелем» рассыпается на мелкие частицы. Этот эффект детально прослеживается при математическом моделировании результатов проведенных экспериментов. Образование кратера по глубине меньше, чем при скорости V = 1569 м/с, можно объяснить тем, что энергия ударника, которая должна была пойти на образование кратера, пошла на его разрушение. Заключение Комплексная экспериментально-расчетная методика исследования высокоскоростного взаимодействия стального сферического ударника с разнесенной мишенью показала свою работоспособность в диапазоне скоростей 1500-2400 м/с. Все полученные в экспериментах данные удачно интерпретированы и подтверждены расчетами с помощью математической модели. Поэтому при замене оргстекла в разнесенной преграде на какой-либо другой защитный материал, включая керамику, комплексная методика может быть использована для изучения защитных свойств данного материала в широком диапазоне скоростей.

Скачать электронную версию публикации