Движение и разрушение элементов конструкций из деформируемых материалов в условиях импульсного нагружения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Конструктивные варианты головных частей реактивных снарядов РСЗО.

Основные факторы, влияющие на эффективность действия осколочно-фугасных боевых частей.

Влияние конструктивных характеристик и свойств врывчатого вещества.

Влияние конструкци оболочки.

Влияние способа инициирования разрывного заряда.

Современные методы моделирования разрушения и определения кинематических параметров оболочек.

Цель работы и задачи исследования.

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ИНИЦИИРУЮЩЕГО ИМПУЛЬСА ПРИ ВЗРЫВНОМ МЕТАНИИ ОБОЛОЧЕК.

Моделирование процесса формирования начальных кинематических параметров оболочек.

Влияние схемы непрерывного инициирования на кинематические параметры оболочки.

Новая схема инициирования разрывного заряда.

ВАРИАНТ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Модель разрушения.

Экспериментально-теоретическое определение констант, входящих в структуру модели разрушения.

Кинетика разрушения оболочки под действием внутреннего импульсного нагружения.

1. Моделирование динамических свойств материала оболочки.

2. Движение и разрушение оболочек под действием давления продуктов детонации.

3. Результаты численных расчетов и их сравнительный анализ.

Особенностью эксплуатации боеприпасов осколочного, осколочно-фугасного, бронебойного и кумулятивного действия, отличающей идеологию их проектирования и отработки от соответствующей идеологии проектирования и отработки большинства инженерных машин и сооружений, является планируемое заранее разрушение элементов их конструкций. Причем характер разрушения, хронологическая последовательность разрушения в процессе функционирования зачастую определют эффективность и боевое могущество изделия б целом.

Так, одним из основных требований, предъявляемых к калиберным бронебойным снарядам каморного типа, является недопущение вскрытия каморы в процессе пробития брони, хотя головная часть разрушается детерминированно. Управление характером разрушения головной части осуществляется с помощью специально создаваемых концентраторов напряжений - так называемых подрезов-локализаторов, наличие которых обеспечивает запреградное осколочное действие [ 6, 13, 14, 76 ] .

Результатом разрушения оболочки осколочного или осколочно-фугасного боеприпаса продуктами детонации разрывного заряда должно являться формирование поля осколков заданного массово-геометрического и кинематического состава [21, 22, 30, 55,., 59, 69, 76, 83 ] .

В случае пробития преграды подкалиберными бронебойными боеприпасами процесс пробития должен сопровождаться мощным тыльным откольным разрушением преграды, носящим множественный характер и формирующим вторичное осколочное запреградное действие наряду с первичным из-за разрушения корпуса боеприпаса [ 2, 4, 5, 9, 12, 13, 14, 16 ] .

И, наконец, самыми "капризными", то есть чувствительными к хронологической последовательности разрушения их отдельных элементов на протяжении цикла функционирования, являются кумулятивные 5 боеприпасы различных схем исполнения [ 8, 10, И, 23, 28, 31, 37 ] . Так, процесс обжатия кумулятивной облицовки продуктами' детонации взрывчатого вещества и формирования кумулятивной струи сопровождается радильным расширением и разрушением корпуса боеприпаса, причем в момент разрушения корпуса изменяются силовые параметры воздействия продуктов детонации на облицовку и, как следствие, время разрушения корпуса влияет на геометрические и кинематические характеристики струи и, через них, - на эффективность боеприпаса в целом. Особенно важно знать время и место разрушения кумулятивной струи под действием инерционных сил при движении ее на траектории от момента схлопывания облицовки до момента встречи вершины струи с преградой, так как это определяет величину так называемого " фокусного расстояния" боеприпаса и, как следствие, - его габариты в целом. В случаях поражения техники, оснащенной навесной или встроенной динамической защитой [ 23, 25 ] , возможна сутуация, когда кумулятивную струю необходимо разрушать на траектории на несколько дискретных подструй.

Сказанное позволяет сделать вывод о необходимости разработки приемлемых на инженерном уровне анализа методов прогнозирования поведения элементов конструций из деформируемых материалов под воздействием динамического и ударного внешнего нагружения вплоть до их разрушения. Актуальность исследований в данном направлении подтверждается множеством выполненных и опубликованных в последние десятилетия на различных уровнях анализа экспериментальных и теоретических работ.

Структурно диссертация состоит из введения, трех разделов и заключения, содержащего основные результаты, выводы и рекомендации.

И ВЫВОДЫ

В результате выполнения работы были получены следующие результаты и выводы:

1. Показано, что угол подхода фронта детонационной волны к внутренней поверхности оболочки существенно влияет на кинематические параметры ее импульсного расширения.

2. Установлено, что существует диапазон изменения указанного угла ( 7,., 15 0 ) , который обеспечивает экстремальное значение скорости радиального расширения оболочки. При этом абсолютное значение скорости может быть повышено на 30 ,.,40%.

3. Предложен новый способ инициирования заряда взрывчатого вещества, позволяющий обеспечивать оптимальный угол подхода фронта волны детонации. Способ защищен патентом Республики Болгария.

4. Экспериментально на примере модернизации осколочной боевой части PC " Град " продемонстрирована работоспособность способа и зарегистрирован экспериментально обоснованный теоретически эффект увеличения скорости разлета фрагментов оболочки.

5. Построена модель сопряженного движения соосных оболочек с активным наполнением в условиях их импульсного нагружения, включающая в себя вариант феноменологической схемы разрушения внешней оболочки.

6. Разработан новый экспериментально-теоретический способ определения численных значений физических констант материалов, входящих в структуру модели разрушения. Разработана экспериментальная установка и проведена серия экспериментов, позволившая определить численные значения констант для ряда конструкционных материалов. Способ защищен патентом Республики Болгария.

7. Численная реализация модели сопряженного движения и разрушения оболочек и анализ результатов расчетов позволили установить ряд эффектов, имеющих важное значение для практики проектирования и отработки оболочечных узлов с активным наполнением. В частности, установлено, что учет разрушения наружной оболочки в процессе ее радиального расширения изменяет время и скорость схлопывания внутренней оболочки на 15 ,., 17 % для узлов реального практического применения, а разрушение наружной оболочки происходит существенно неодновременно, что уточняет кинематику поля разлета фрагментов и качественно соответствует результатам экспериментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Андианкин Э.И., Кононенко М.М. О затухании плоской ударной волны при высокоскоростном ударе // "Физика горения и взрыва".- 1973.-№4.

2. Анисимов Н.И. Удар цилиндром о плиту / Дисс. канд. физ.-мат. наук. Тула: 1973. - 138 с.

3. Афанасьев Г.Т., Боболев В.К. Инициирование твердых ВВ ударом /- М.: "Наука". 1968.- 167 с.

4. Баранов B.JI. Вариант моделирования волновых процессов в элементах конструкций из разрушающегося упруго-вязкопластического материала // В кн. "Машины и процессы обработки металлов давлением". Тула: ТулПИ. - 1988. - с. 100,.,106.

5. Баранов В.Л., Беликов К.Р., Дунаева И.В., Моржов О.В. Отклик элементов конструкций из неупругого материала на импульсное воздействие / Тула: 2001. 217 с.

6. Баранов В.Л., Зубачев В.И., Лопа И.В., Щитов В.Н. Некоторые вопросы проектирования пуль стрелкового оружия / Тула: 1996. -119 с.

7. Баранов В.Л., Иванов В.Н., Лопа И.В., Турыгин Ю.В., Щитов В.Н Некоторые вопросы проектирования боеприпасов проникающего типа / Тула: 2002. 238 с.

8. Баранов В.Л., Кавалов С.Г., Гецов И.Й., Петков С.П., Полезен модел / Експериментален способ за определяне на динамическите характеристики на материала/ №102391U. 20.05.1999. в кн. "Официален бюлетин Патентно ведомство на РБ". - 2001. - №2. -Стр.27.

9. Баранов В.Л., Лопа И.В., Чивиков З.Ч., Симеонов П.Р. Устойчивость ударно нагруженных стержней / Тула Русе: 1997. -128 с.

10. Баранов В.Л., Петков С.П., Гецов И.Й. Оптимизация параметров осколочного поля// В кн. "Известия Тульского Гос. Ун-та". Серия "Проблемы специального машиностроения". - Вып. 2 -Тула:

11. ТулГУ. 2001. - с. 172,.,174."

12. Баранов В.Л., Петков С.П., Христов Х.И., Бояджиев К.А. Некоторые вопросы проектирования кумулятивных узлов / Тула-Сопот: 1996. 116 с.

13. Baranov V., Christov Ch., Gecow I. Radial Wave Expansion of the Thick Wall Homogeneous Cilindrical Shell // Jourunal of Materials Science and Technology. Sofia: Bulgarian Academy of Science. -2002.-Vol.10.-№ l. -p. 17,.,24.

14. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений / М.: "Физматгиз". 1962.-Т.2.-620 с.

15. Бояджиев К.А. Оценка эффективности и проектирование малогабаритных кумулятивных узлов / Дисс.канд. техн. наук. -Тула-Сопот: 1997. 143 с.

16. Владимиров В. С. Уравнения математической физики / М.: "Наука". 1971.-512 с.

17. Воротилин М.С., Дорофеев С.В., Князева Л.Н., Чуков А.Н. Вопросы моделирования и конструирования кумулятивных зарядов / Тула: 1999. 165 с.

18. Гецов И.Й. Комплексный анализ напряженно-деформированного и теплового состояния кумулятивной струи // В кн. "Хемус-2000". -Пловдив: 2002.-с.175,.,180.

19. Гогин В.И., Федосеев А.А. Перспективы развития реактивных систем залпового огня // "Зарубеж. воен. Обозрение". 1995. - №1.-с. 26,.,32.

20. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов / М.: "Машиностроение ". 1968. - 373 с.

21. Ионов В.Н., Селиванов В.В. Динамика разрушения деформируемого тела / М.: "Машиностроение". 1987. - 272с. Качанов JT.M. Основы механики разрушения /М.: "Наука". - 1974. -311с.

22. Каширский А.В. Численное решение двумерной задачи о движении оболочки под действием продуктов осевой детонации // ПМТФ. 1974. - №2.

23. Каширский А.В., Коровин Ю.В., Чудов JI.A. Движение продуктовдетонации и цилиндрической оболочки при точечноминициировании заряда // ПМТФ. 1974. - №2.

24. Каширский А.В., Одинцов В.А. Численный расчет процессамагнитной кумуляции // ПМТФ. 1972. - №4.

25. Кестенбойм Х.С., Росляков Г.С., Чудов J1.H. Точечный взрыв.

26. Методы расчета. Таблицы. /М.: "Наука". 1974.

27. Колобанова А.Е., Одинцов В.А., Чудов JI.A. Распространениетрещины в цилиндре, нагруженном взрывом // "Изв. АН СССР" /

28. Сер. "Механика твердого тела". 1982. - №1.

29. Колобанова А.Е., Селиванов В.В. Основы динамики разрушения оболочек / М: МВТУ. - 1996. - 96с.

30. Колобанова А.Е., Тимофеева Т.Е., Мачнева И.П. Распространение трещин изнутри стенки цилиндра при динамическом нагружении // "Механика импульсных процессов". "Труды МВТУ". - М.: 1983. -№399.

31. Кукуджанов В.Н. Распространение упруго-пластических волн встержне с учетом влияния скорости дефирмации // М.: ВЦ АН • СССР. 1967. - 48 с. Курран Д.Р. Динамика разрушения // В кн. "Динамика удара". -М.: "Мир". - 1985. -293с.

32. Майборода В.П., Кравчук А.С., Холин Н.Н. Скоростное деформирование конструкционных материалов / М.: "Машиностроение". 1986. - 262 с.

33. Марочник сталей и сплавов / Под. ред. Г. В. Сорокина.— М.^'Машиностроение". 1989. - 640с.

34. Мейдер Ч.А. Численное моделирование детонации / М.: "Мир". -1985.-384 с.

35. Новые методы оценки сопротивления материалов хрупкому разрушению / М.: "Мир". 1972. - 463с.

36. О разрушении цилиндрических оболочек на волновой стадии.

37. Одинцов В.А. Расширение цилиндра с доньями под действием продуктов детонации // "Физика горения и взрыва". 1991. - №1. -с. 100,. .ДОЗ.

38. Одинцов В.А., Селиванов В.В., Чудов JI.A. Движение упруго -пластической оболочки с фазовым переходом под действием продуктов взрыва // "Изв. АН СССР". Сер. "Механика твердого тела". - 1974.-№3.

39. Одинцов В.А., Стаценко Т.Г. Разрушение цилиндров на волновой стадии // "Изв. АН СССР". Сер. "Механика твердого тела". - 1980. - №2.

40. Одинцов В. А., Чудов JI.A., Селиванов В.В. Расширение толстостенной цилиндрической оболочки под действием взрывной нагрузки // "Изв. АН СССР". Сер. "Механика твердого тела". -1975. - №5.

41. Пат. №0138640 США, МКИ F42 В13/18. Боевой заряд взрывчатого вещества. Заявл. 16.07.1987. Опубл. 20.01.1978. Пат. №2018779 РФ, F42 В13/48. Осколочно-фугасный снаряд. Заявл. 27.02.1992. Опубл. 30.08.1994.

42. Пат. №2618217 Франция, МКИ F42 В1/00. Генератордетонационной волны. Заявл. 16.07.1987. Опубл. 20.01.1978.

43. Пат. №349656 Швеция, МКИ F42 В13/48. Артиллерийский снарядосевого действия. Заявл. 02.09.1975. Опубл. 15.08.1978.

44. Пат. №3960085 США, МКИ F42 В13/48. Боевая частьнаправленного поражающего действия. Заявл. 25.02.1967. Опубл.0106.1976.

45. Пат. №4524696 США, МКИ F42 В13/48. Осколочно-фугасный снаряд с блоком ГПЭ, расположенным в корпусе взрывателя. Заявл. 02.09.1975. Опубл. 15.08.1978.

46. Петков С.П. Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности создания малогабаритных низкоградиентных кумулятивных узлов / Дисс.канд. техн. наук. Тула-Сопот: 1997. -167 с.

47. Покровский Г.И., Федоров И.С. Действие удара и взрыва в деформируемых средах / М.: "Госстройиздат". 1957. Полухин Н.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов / М.: "Металлургия". - 1976. -488с.

48. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработканаблюдений / М.: "Наука". Г968. - 288 с.

49. Пэжина П. Основные вопросы вязкопластичности / М.: "Мир". -1968.- 176 с.

50. Райзер Ю.П. Движение газа под действием сосредоточенного удара по его поверхности // ПТМФ. 1963. - №1. Райнхарт Дж., Пирсон Дж. Деформация и разрушение толстостенных стальных цилиндров при взрывной нагрузке // "Механика. Сб. Переводов" - 1958. - №3(19).

51. Рахматулин Х.А., Демьянов Ю.А. Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках / М/. "Физматгиз". 1961. - 399 с. Регентов М.К. Реактивные системы залпового огня // "Зарубеж. воен. Обозрение". - 1987. - №5. - с. 33,.,36.

52. Рехт Р.Ф. Разрушающий термопластический сдвиг // В кн. "Труды американского общества инженеров механиков". Сер.Е "Прикладная механика". - 1964. - №2. - с.34,.,39. Сагомонян А .Я. Динамика пробивания преград / М.: МГУ. - 1988. -221 с.

53. Сагомонян А.Я. Проникание / М.: МГУ. 1974. - 234 с. Станюкович К.П. Неустановившееся движение сплошной среды / М.: "Наука". - 1971.

54. Степанов Г.В., Баруцкий А.И. Экспериментальное изучение дробления цилиндрических колец // "Проблемы прочности". -1984. -№8.-с.108,.,110.

55. Стресо Р., Кеннеди Дж. Критические условия ударно-волнового инициирования / Под ред. А.А. Борисова. // В кн. "Детонация и ВВ".-М.: 1984,-с.169,.,174.

56. Суров О.В. Реактивные системы залпового огня // "Зарубеж. воен. Обозрение". 1980. - №4 - с. 39,.,42.

57. Тамуж В.П., Лагадинып А.Ж. Вариант построения феноменологической теории разрушения // В кн. "Механика полимеров". М.: 1968. - №4. - с.32,.,37.

58. Тейлор Д. Испытания металлов при высоких скоростях // В кн. "Механика. Сб. Переводов". 1950. - №1. - с. 78,.86. Тимошенко С.П., Гере Дж. Механика материалов / М.: "Мир". -1976.-632 с.

59. Уилкинс M.J1. Расчет упругопластических течений // В кн. "Вычислительные методы в гидродинамике". М.: 1971. -с.125,.,286.

60. Физика взрыва / Ф.А. Баум, Л.П. Орленко, К.П. Станюкович и др. -М.: "Наука". 1975.- 704 с.

61. Хоув П., Фрей Р., Тейлор Б. Ударно-волновое инициирование и понятие критической энергии / Под ред. А.А. Борисова. // В кн. "Детонация и ВВ". М.: 1984. - с.153,.,165.

62. Христов Х.И. Оптимальное проектирование кумулятивных узлов / Дисс.докт. техн. наук. Тула: 2000. - 433 с.

63. Численное решение двумерной нестационарной задачи о движении оболочки под действием продуктов детонации / А.В. Каширский, Ю.В. Коровин, В.А Одинцов, JI.H. Чудов // В кн. "Вычислит, методы и программирование". Вып. XIX. - М.:МГУ. - 1972. -с.232,.,241.

64. Held М. Initiating of Explosives a Multiple of the Phusigs of Detonation// "Explosivsstoffe". 1968. - №5. - p. 98 ,.,113.