Разделы: Физика, Техника
Размещена 30.09.2025. Последняя правка: 22.10.2025.
Просмотров - 288

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ СТАЛЬНОГО СФЕРИЧЕСКОГО УДАРНИКА НА ПРОЦЕСС ЕГО ПРОНИКАНИЯ В НИЗКОПРОЧНУЮ ПРЕГРАДУ

Голубев Владимир Константинович

Кандидат физико-математических наук, доцент

Нижний Новгород; Университет Людвига-Максимилиана, Мюнхен

Независимый эксперт; приглашенный ученый

УДК 531.58

Введение

Применение метода нагружения преград сферическими ударниками при исследовании процессов проникания и пробивания преград, и в целом поражения объектов весьма обширно. В качестве подходящего примера можно указать работу [1], в которой приведены результаты капитального изучения удара сферических стеклянных ударников диаметром 3.175 мм по мишеням из чистого тефлона со скоростями от 1 до 7 км/с. Толщины мишеней варьировались в очень широких пределах, от очень толстых, практически полубесконечных в направлении удара пластин, до очень тонких пленок. Рассматривались эффекты кратерообразования, проникания, пробивания, образования отколов на передней и задней сторонах мишени. Фиксировались и анализировались результаты по диаметрам кратеров, каналов проникания в толстых мишенях и отверстий пробивания в тонких пластинах и пленках.

Автор в своей работе тоже был отчасти связан с решением задач нагружения преград сферическими ударниками. Здесь в качестве оригинального примера можно было бы указать на работу [2], где используемый сферический ударник из стали или алюминия имел комплексную структуру и содержал внутри либо инертный, либо энергетический материал. В качестве преград использовались пластины из металлов и полимерных композитов. Для разных случаев определялись диапазоны скоростей удара, в которых становилось явным влияние замены внутреннего инертного материала энергетическим, и определялась степень повреждения преград. Определенное внимание было уделено использованию стального сферического ударника диаметром 13.5 мм. Так, в работах [3, 4] определялись аэродинамические характеристики такого ударника, а также характер аэродинамического взаимодействия нескольких такого рода объектов при движении в воздухе в диапазоне скоростей 680-2040 м/с. Подобные результаты позволили проводить примерные аэробаллистические расчеты траекторного рассеяния нескольких близко расположенных и движущихся в одном направлении ударников. В работе [5] представлялись результаты предварительного рассмотрения одновременного удара двух таких ударников в тефлоновую преграду. Основной интерес был сфокусирован на характере их взаимодействия в процессе проникания при различных условиях удара.

Было обращено внимание на отмеченный в работах [6-8] эффект изменения скорости проникания стального ударника при определенных скоростях удара по менее прочной преграде. Эффект заключался в снижении глубины проникания при увеличении скорости удара до определенных значений и был обусловлен начинающимся процессом деформации и разрушения прочного ударника. Отметим, что в указанных работах рассматривались следующие ситуации: удар стального ударника по свинцовой преграде со скоростями от 0.1 до 4.5 км/с, удар ударников из стали и карбида вольфрама по преградам из алюминия и меди со скоростями до 6 км/с, проникание ударников из стали и карбида вольфрама в преграды из оргстекла при скоростях от 0.7 до 2.1 км/с. В данной работе поставлена задача разобраться в этом вопросе для конкретного случая удара стального сферического ударника диаметром 13.5 мм по низкопрочной тефлоновой преграде со скоростями от 400 до 2000 м/с.

Результаты расчетов

Рассматривалась ситуация, когда стальной сферический ударник диаметром 13.5 мм бил по плоской поверхности толстой тефлоновой преграды, подлетая к ней с заданной скоростью. Задача рассматривалась в двумерной осесимметричной постановке с использованием расчетной программы ANSYS Autodyn [9]. Общая картина подлета ударника к преграде показана на рис. 1. Преграда изображена здесь в виде цилиндра радиусом 60 мм и толщиной 175 мм. Такая преграда использовалась при скоростях удара 400, 800 и 1200 м/с. Конфигурация  расчетной схемы в этом случае показана на рис. 2 с нанесенной на ударник и преграду нерегулярной лагранжевой сеткой. На тыльную и боковую поверхностях преграды накладывались прозрачные граничные условия.

 

Рис. 1. Картина подлета стального сферического ударника к тефлоновой преграде.

 

Рис. 2. Расчетная схема системы ударник–преграда для толщины преграды 175 мм.

При скоростях удара 1600 и 2000 м/с преграды представляли собой цилиндры радиусом 67 мм и толщинами 202 и 243 мм. Конфигурация расчетной схемы для скорости удара 2000 м/с показана на рис. 3. Число ячеек сетки для указанных схем составляло по толщине преград соответственно 150 и 200 штук.

 

Рис. 3. Расчетная схема системы ударник-преграда для толщины преграды 243 мм.

Уравнения состояния тефлона и стали S-7 брались из библиотеки используемой программы. Некоторые основные параметры уравнений состояния материалов приведены для сравнения в табл. 1. Там же в библиотеке указаны соответствующие первоисточники для тефлона [10] и стали S-7 [11].

Таблица 1. Некоторые основные параметры уравнений состояния рассмотренных материалов

 

В качестве основных рассматривались ударники, обладающие реальными упруго-пластическими свойствами, а для сравнения те же расчеты проводились с пластически недеформируемыми ударниками, для которых допускались только их упругие деформации. Расчеты проводились для пяти скоростей удара: 400, 800, 1200, 1600 и 2000 м/с. Далее приводится основная часть полученных в расчетах результатов в виде наглядной картины характера и степени проникания ударника в преграду и его траектории при движении в преграде. В процессе проведения расчетов было отмечено, что при скоростях удара 400 и 800 м/с материал ударника сталь S-7 не переходил фактически в текучее состояние и ударники оставались практически недеформируемыми. Поэтому не было отмечено совершенно никаких различий в характере проникания ударников обоих типов. Результаты проникания ударников в преграды при этих скоростях показаны на рис. 4, 5, а их траектории движения приведены на рис. 6.

 

Рис. 4.  Проникание ударника в преграду при скорости удара 400 м/с.

 

Рис. 5. Проникание ударника в преграду при скорости удара 800 м/с.

  

Рис. 6. Глубина проникания ударника в преграду в зависимости от времени для скоростей удара 400 м/с (слева) и 800 м/с (справа).

Далее было отмечено, что при скорости удара 1200 м/с уже можно было наблюдать различие в результатах выполненных для двух типов ударника расчетных экспериментов. Для ударника, изготовленного из пластически деформируемого материала, уже даже визуально можно наблюдать незначительную степень деформации, а также не очень значительное снижение глубины его проникания по сравнению с ударником из недеформируемого пластически материала. Результаты проникания ударников из деформируемого и недеформируемого материалов в преграды при этой скорости показаны на рис. 7, 8, а их траектории движения приведены на рис. 9.

 

Рис. 7. Проникание деформируемого ударника в преграду при скорости удара 1200 м/с.

 

Рис. 8. Проникание недеформируемого ударника в преграду при скорости удара 1200 м/с.

  

Рис. 9. Глубина проникания деформируемого (слева) и недеформируемого (справа) ударников в преграду в зависимости от времени для скорости удара 1200 м/с.

При скорости удара 1600 м/с различие в результатах, полученных для двух типов ударников, было уже весьма значительным по глубине их проникания в преграду. Для ударника, изготовленного из пластически деформируемого материала, уже можно было наблюдать довольно значительную степень деформации. Результаты проникания ударников из деформируемого и недеформируемого материалов в преграды при этой скорости показаны на рис. 10, 11, а их траектории движения приведены на рис. 12.

 

Рис. 10. Проникание деформируемого ударника в преграду при скорости удара 1600 м/с.

 

Рис. 11. Проникание недеформируемого ударника в преграду при скорости удара 1600 м/с.

  

Рис. 12. Глубина проникания деформируемого (слева) и недеформируемого (справа) ударников в преграду в зависимости от времени для скорости удара 1600 м/с.

При скорости удара 2000 м/с различие в результатах, выполненных для двух типов ударников, было уже очень значительным по глубине их проникания в преграду и по характеру проникания. Ударник, изготовленный из пластически деформируемого материала, претерпел существенную деформацию в процессе начальной стадии проникания, что отчетливо сказалось на глубине и характере проникания. Результаты проникания ударников из деформируемого и недеформируемого материалов в преграды при этой скорости показаны на рис. 13, 14, а их траектории движения приведены на рис. 15.

 

Рис. 13. . Проникание деформируемого ударника в преграду при скорости удара 2000 м/с.

 

Рис. 14. . Проникание недеформируемого ударника в преграду при скорости удара 2000 м/с.

  

Рис. 15. Глубина проникания деформируемого (слева) и недеформируемого (справа) ударников в преграду в зависимости от времени для скорости удара 2000 м/с.

Общая картина влияния скорости стального сферического ударника на процесс его проникания в толстую тефлоновую преграду отчетливо просматривается на рис. 16. Здесь, как для деформируемого, так и для недеформируемого ударников приведены значения максимальной глубины проникания и соответствующего этому моменту времени для всех пяти рассмотренных скоростей удара. Подобные зависимости могут быть получены расчетным методом и для высокоскоростного удара прочного стального сферического ударника в низкопрочную преграду из любых полимерных и композитных материалов.

 

Рис. 16. Влияние скорости удара на глубину и время проникания деформируемого (х, крест) и недеформируемого (квадрат, ромб) ударников.

Заключение

Проведено расчетное исследование проникания прочного стального сферического ударника в толстую низкопрочную тефлоновую преграду. Ударник из стали S-7 имел диаметр 13.5 мм и разгонялся в диапазоне скоростей 400-2000 м/с с шагом 400 м/с. Уравнения состояния тефлона и стали S-7 брались из библиотеки используемой для расчетов программы ANSYS Autodyn. Двумерные осесимметричные расчеты проводились для ударников, обладающих реальными заданными упруго-пластическими свойствами, а также для пластически недеформируемых ударников с искусственно завышенным пределом текучести стали. Было получено, что при скорости удара 800 м/с исходное состояние ударников не оказывало никакого влияния на характер их проникания в преграду. Увеличение скорости удара до 1200 м/с приводило к незначительному снижению глубины проникания ударника, изготовленного из пластически деформируемого материала, по сравнению с ударником из недеформируемого материала. Последующее увеличение скорости удара до 1600 и 2000 м/с приводило к прогрессивному процессу увеличения глубины проникания недеформируемого ударника и относительного снижения глубины деформируемого ударника. Так, при скорости удара 2000 м/с ударник претерпевал существенную пластическую деформацию и проникал на глубину менее той, на которую он проникал при скорости удара 1200 м/с за время, менее того, за которое он заглублялся при скорости удара 800 м/с. Подобные особенности процесса проникания необходимо учитывать при прогнозировании защитных свойств преград из низкопрочных полимерных и композиционных материалов.

1. Hörz F., Cintala M., Bernhard R.P., Cardenas F., Davidson W., Haynes G., See T.H., Winkler J., Knight J. Cratering and Penetration Experiments in Teflon Targets at Velocities from 1 to 7 km/s. NASA Technical Memorandum 104797. – NASA, 1994. – 320 p.
2. Голубев В.К., Медведкин В.А., Погорелов А.П., Янилкин Ю.В. Воздействие на преграды высокоскоростных элементов сферической формы, заполненных инертным и энергетическим материалами // Тезисы докладов международной конференции "IX Забабахинские научные чтения". – Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 2007. – С. 20-21.
3. Голубев В.К. Расчетный анализ аэродинамического взаимодействия двух сферических объектов при сверхзвуковом обтекании // Тезисы докладов международной конференции "IX Забабахинские научные чтения". – Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 2007. – С. 226-227.
4. Голубев В.К. Аэродинамическое взаимодействие двух сферических объектов при сверхзвуковом обтекании [Электронный ресурс] // SCI-ARTICLE.RU. – 2020. URL: http://sci-article.ru/stat.php?i=1603531380 (дата обращения: 19.09.2025).
5. Golubev V.K. Effects of interaction of high-velocity spherical projectiles during their penetration into a low-strength barrier // Materials of X International Conference on New Models and Hydrocodes for Shock Processes in Condenced Matter. – Pardubice, Czech Republic, 2014. – P. 197.
6. Эйчельбергер Р., Кайнике Дж. Высокоскоростной удар // Физика быстропротекающих процессов. Т. 2 – М.: Мир, 1971. – С.204-246.
7. Свифт Х.Ф. Механика соударения со сверхвысокими скоростями // Динамика удара. – М.: Мир, 1985. – С. 173-197.
8. Пилюгин Н.Н., Ермолаев И.К., Виноградов Ю.А., Баулин Н.Н. Экспериментальное исследование проникания твердых тел в мишень из оргстекла при ударе со скоростями 0.7 – 2.1 км/с // Теплофизика высоких температур. – 2002.– Т. 40, № 5. – С. 732-738.
9. Ansys Autodyn User's Manual. Release 15.0. – Canonsburg, PA: ANSYS, Inc., 2013. – 492 p.
10. Matuska D.A. AFATL-TR-84-59. HULL Users Manual. – Orlando Technology, Inc., Shalimar, Florida, – 1984. – 105 p.
11. Johnson G.R., Cook W.H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures // Proceedings 7th International Symposium on Ballistics. – The Hague, 1983. – P. 541-547.

Рецензии:

21.10.2025, 11:25 Толымбекова Лязат Байгабыловна
Рецензия: Рецензия на статью «Влияние скорости стального сферического ударника на процесс его проникания в низкопрочную преграду». Работа представляет расчётное исследование проникания сферического стального ударника (d=13,5 мм) в толстую PTFE-преграду при V=400–2000 м/с с использованием ANSYS Autodyn в двумерной осесимметричной постановке. Сопоставляются два случая: ударник с реальными упруго-пластическими свойствами и «пластически недеформируемый». Показано, что начиная примерно с V≈1200 м/с пластическая деформация ударника заметно влияет на глубину и характер проникания. Сильные стороны - Чёткая и воспроизводимая постановка задачи (геометрия, диапазон скоростей, «полубесконечная» мишень, прозрачные ГУ). - Практически значимый вывод о пороговой скорости, начиная с которой пластичность ударника снижает глубину проникания. - Использование отраслевого ПО и библиотечных EOS; наличие сопоставления «деформируемый vs недеформируемый» ударник по единому протоколу. Желательно явно выписать используемые модели прочности/повреждаемости (например, Johnson–Cook для S-7, модель для PTFE), привести таблицу параметров и источники. Заключение: Рекомендую к публикации в журнал SCI-ARTICLE.RU. Для публикации в рейтинговых журналах (WoS/Scopus) нужна существенная доработка Экспериментальная валидация (или хотя бы строгая калибровка по данным из литературы) с количественной оценкой погрешности. Современная и прозрачная параметризация моделей: полный набор констант (J–C/анаморфные модели, повреждаемость, термочувствительность, скоростная зависимость) с ссылками на последние источники и обсуждением диапазонов валидности. Анализ неопределённости: сеточная и временная сходимость, «error bars» на итоговых графиках, чувствительность к материалам и граничным условиям. Расширение постановки (желательно): 3D-кейсы/наклонный удар или вращение, а также сценарии для иных полимеров/композитов, чтобы продемонстрировать переносимость выводов. Освежение библиографии: включить последние публикации по идентификации параметров S-7/полимеров и высокоскоростному прониканию (последние 5–10 лет). Желаю автору успехов в дальнейших исследованиях!

Комментарии пользователей:

24.10.2025, 20:43 Толымбекова Лязат Байгабыловна Отзыв: Благодарю за ответ, уважаемый Владимир Константинович! Также хотела бы подчеркнуть, что у Вас очень интересные работы! Желаю Вам успехов и талантливых учеников!

Оставить комментарий