CC BY
29
УДК 539.3:623.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ УДАРНИКОВ С ПРЕГРАДАМИ
В.П. ГЛАЗЫРИН, Ю.Н. ОРЛОВ, М.Ю. ОРЛОВ
НИИ прикладной математики и механики при Томском государственном университете, Томск, Россия E-mail: [email protected]
АННОТАЦИЯ. Разработана методика компьютерного моделирования взаимодействия ударников с преградами из различных конструкционных материалов. Спрогнозированы результаты взаимодействия, а также выявлено влияние материалов сердечников на пробивное действие ударников. Установлено, что за счет изменения компоновки и формы ударника для дозвуковой скорости взаимодействия можно существенно увеличить его пробивное действие.
В настоящей работе при помощи методов математического моделирования [1,2] исследуется процесс пробития преград осесимметричными комбинированными ударниками по нормали. Рассматриваются ударники оживальной и затупленной формы, оболочеч-ные и полуоболочечные. Конструктивно ударники являются телами вращения и состоят из трех элементов: стальной оболочки, свинцовой рубашкой и сердечника. Диаметры всех составных частей ударников равны. Внешний диаметр оболочки равен 9,25 мм, толщина - 0,5 мм, масса - 3,53 г, материал - мягкая сталь. Диаметр сердечника равен 7,4 мм. Масса рубашки - 1,6 г. Материал сердечников: сталь У10А, сталь 10, свинец, вольфрамовый сплав (ВНЖ), уран, золото. Материал преград: сплав Д16, сталь 3, высокопрочная сталь (ВПС), титан. Скорость удара - 290 м/с.
Экспериментальные исследования проведены на баллистическом стенде с использованием пороховой метательной установки [3]. Начальные и запреградные скорости ударников регистрировались с помощью индукционного измерителя и рам-мишеней. Ошибка измерителя скорости не превышала 1%. В экспериментах использованы ударники с сердечниками из стали У10А, преграды из сплава Д16 толщиной 4 мм и 8 мм и преграды из стали 3 толщиной 4 мм. На рисЛа приведены обозначения и схемы ударников в разрезе. Здесь 1- сердечник, 2 - оболочка, 3 - рубашка. Ударники оживальной формы обозначены как В1, В2, ВЗ. Затупленной формы - В4. Ударник В2 -полуоболочечный, а ударник ВЗ - оживальный с затупленным сердечником. Массы составных элементов всех ударников, использованных в эксперименте равны. Результаты
240 мкс
200 мкс 200 мкс
в)
О
160 мкс
Рис. 1
ю
400 мкс 240 мкс 500 мкс 225 мкс
270 мкс 240 мкс 300 мкс 230 мкс
измерений запреградной скорости, пересчитанные для начальной скорости удара 290 м/с приведены в таблице 1
Детальный анализ процесса пробития преград проведен при помощи методики компьютерного моделирования, базирующейся на основных положениях механики сплошных сред в рамках двумерной постановки для осевой симметрии в лагранжевых независимых переменных [1,2]. Разработанный программный комплекс позволяет прогнозировать действие ударного и взрывного нагружения материала с учетом волновых эффектов и фрагментарного разрушения при реализации отрывного или сдвигового механизмов, что дает возможность избежать нефизических деформаций и адекватно описать таким образом изучаемые процессы и явления. Необходимые физико-механические характеристики рассматриваемых материалов взяты из работ [4,5].
Результаты вычислений в виде текущих конфигураций ударник-мишень представлены на рис. 16 для преград из сплава Д16 толщиной 8 мм, на рис.1 в для сплава Д16 толщиной 4 мм и на рис.1 г для стали 3 толщиной 4 мм. Видно, что во всех случаях, как и в эксперименте [3] пробитие преград для ударников В1 и В2 происходит по механизму «прокола», а для ударников ВЗ и В4 по механизму срезания «пробки». Форма и остаточные размеры оболочки, сердечника и пробоины, полученные расчетным и экспериментальным путем, соответствуют друг другу. На рис. 16 видно, что для данного варианта имеет место отскок оболочки от лицевой поверхности преграды, обусловленный упругой реакцией материала.
В таблице 1 приведены рассчитанные значения запреградных скоростей центров масс ударников. Хорошее совпадение с экспериментом получено в случае стальной преграды, расхождение не превышает 2,7%. Для преград из сплава Д16 наибольшее расхождение расчетных и экспериментальных данных достигает 4,6% (толщина 4 мм, ударник ВЗ) и 3,4% (толщина 8 мм, ударник ВЗ).
На рис.2а представлены рассчитанные зависимости скорости центра масс сердечников от времени при пробитии преграды из сплава Д16 толщиной 4 мм. Вид этих зависимостей отражает характерные для каждого типа ударников способы пробития преграды. Так для ударников В1 и В2 кривые скорости центра масс вначале более пологи, чем аналогичные участки кривых для типов ВЗ и В4. Это вызвано тем, что сила сопротивления внедрению ударников с оживальной головной частью возрастает плавно вслед за плавным увеличением поперечного сечения сердечника в отличие от ударников с затупленной головной частью. При внедрении ударников с оживальной головной частью деформируется и уплотняется объем материала преграды вокруг оживала по всей его длине, а при внедрении ударников с затупленной головной частью происходит сдвиг материала преграды, приводящий к образованию пробки по диаметру сердечника.
Таблица 1.
Преграда Д16 (4 мм) Д16 (8мм) Ст.З (4 мм)
Ударник
В1 (м/с) Расчет 196 98 167
Эксп - т 190 95 166
В2 (м/с) Расчет 232 131 182
Эксп-т 241 135 186
ВЗ (м/с) Расчет 226 90 149
Эксп-т 216 87 147
В4 (м/с) Расчет 253 174 183
Эксп - т 258 173 188
m
пв -
пя-
□.7
ав
1 Л -
□ JS
>
□ £
□ л -
□ ^ -
□ Л -
ZE
а)
В 2
1 ПО 2 □□ зпп
Т, МКС
4- □□
б)
Рис. 2.
Далее с целью прогноза смоделирован процесс взаимодействия показанных на рис.la ударников с 4-х мм преградами из ВПС (динамический предел текучести равен 0,9 Гпа) и титана. Рассчитанные конфигурации ударник-мишень для преград из ВПС приведены на рис. За. Видно, что в этом случае для ударников В2 и В4 имеет место отскок оболочки от преграды, а для ударников В1 и ВЗ оболочки деформируясь сминаются на лицевой поверхности преграды. Ударник В1 пробивает преграду и движется дальше со скоростью 52 м/с. Снижение скорости ударника В2 заканчивается через 160 мкс от начала процесса, ударника ВЗ - через 180 мкс, ударника В4 - через 60 мкс (рис.26).
Рассчитанные конфигурации ударник-мишень для варианта с титановой преградой приведены на рис.Зб. Видно, что динамика пробития и картины разрушения преград и ударников мало отличаются от вариантов расчетов, представленных на рис.1 в и рис. 1г. Снижение скорости ударника В1 в этом случае заканчивается через 270 мкс от начала процесса, ударника В2 - через 110 мкс, ударника ВЗ - через 200 мкс и ударника В4 - через 60 мкс.
Вычисленные значения запреградных скоростей центров масс ударников приведены в табл.2. Видно, что также как и для преград из сплава Д16 наибольшим пробивным действием обладает ударник В4, а наименьшим - В1. Причем в вариантах с титановой преградой для ударников В1 и В2 запреградные скорости отличаются на 46%, а для ударников ВЗ и В4 - на 5,4%.
Рис.3.
Таблица 2.
250 мкс 580 мкс 340 мкс
а)
200 мкс
245 мкс
♦ *
265 мкс 220 мкс б)
о
205 мкс
Уд - ник Д16 Ст.З ВПС Титан
(м/с) (м/с) (м/с) (м/с)
В1 196 167 52 89
В2 232 182 83 130
ВЗ 226 149 129 185
В4 253 183 151 195
Для выявления влияния материала сердечника на пробивное действие ударника смоделирован процесс взаимодействия ударников В1 и В4 с 4-х мм преградой из стали 3. В качестве материалов сердечников рассмотрены сталь 10, свинец, уран, ВНЖ и золото. Выбор последних трех материалов продиктован соображением целесообразности сравнения механизмов действия ударников с тяжелыми прочными (ВНЖ) и слабопрочными (Аи) сердечниками. Рассчитанные текущие конфигурации ударник-мишень для ударников с сердечниками из ВНЖ, урана и золота представлены на рис.4.
В табл.3 приведены рассчитанные значения запреградных скоростей ударников с сердечниками из шести различных материалов. Во второй строке таблицы приведены массы ударников. Получено, что запреградная скорость ударника с сердечником из стали 10 в несколько раз меньше, чем для аналогичного ударника с сердечником из
о мкс
О мкс
40 мкс
80 мкс
В1)
чп
Т
0 мкс
215 мкс
4*7
ВНЖ - ( а )
40 мкс
80 мкс
В4)
О
X /
160 мкс
40 мкс
80 мкс
160 мкс
В4)
80 мкс
.2 40м кс
В1 ) 220 мкс
Au-(В )
Рис.4.
40 мкс
80 мкс
150 мкс
80 мкс
150 мкс
40 мкс
Таблица 3.
Сердеч-к У10А Ст. 10 РЬ ВНЖ и Au
Уд-ник
Масса (г) 14,96 14,96 19,3 26,73 28,46 29,33
В1 (м/с) 167 24 0 233 241 163
В4 (м/с) 185 50 0 249 253 197
У10А. Ударник со свинцовым сердечником растекается в радиальном направлении по преграде, образуя в ней вмятину, но, не пробивая ее. Значение запреградных скоростей для ударников с золотыми сердечниками получились близкими к значениям для ударников с сердечниками из стали У10А, несмотря на то, что к концу процесса золотые сердечники были сильно деформированными и имели грушевидную форму (рис.4в). Ударники с сердечниками из ВНЖ (рис.4а) имели запреградную скорость на 39% и 32% выше, чем ударники с сердечниками из стали У10А, хотя масса последних в 1,8 раза меньше. Самое высокое значение запреградной скорости равное 253 м/с получено для ударников с сердечниками из урана (рис.4б). В этом случае для ударника В1 наблюдается отскок оболочки от преграды, пробитие проходило по механизму "прокола", снижение скорости закончилось к 180 мкс. Для ударника В4 пробитие проходило по механизму срезания "пробки", а снижение скорости закончилось к 40-й мкс.
Таким образом, установлено, что за счет изменения компоновки и формы ударника для дозвуковой скорости взаимодействия можно существенно увеличить его пробивное действие. Кроме этого, при помощи разработанной методики компьютерного моделирования спрогнозированы результаты взаимодействия рассмотренных ударников с преградами из различных конструкционных материалов, а также выявлено влияние материалов сердечников на пробивное действие ударников.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глазырин В.П., Орлов Ю.Н., Ольшанская Г.Г. Моделирование процесса пробития преград комбинированными ударниками // Вычислительные технологии. 2002. Т. 7, ч. 2. Спец. выпуск. С. 144-153.
2. Глазырин В.П., Орлов М.Ю., Орлов Ю.Н. Анализ взаимодействия компактных ударников со скрепленными преградами // Сборник материалов III научной конференции Волжского регионального центра PAP АН «Современные методы проектирования и
отработки ракетно-артиллерийского вооружения». В двух томах.- Саров, РФЯЦ ВНИИЭФ, 2004.-Т.2. С. 538-543.
3. Глазырин В.П., Орлов Ю.Н., Фролов Ю.З. Влияние компоновки ударника на его пробивное действие.// Вестник Томского ун-та. Изд-во Том. ун-та, №2, 2005 г.
4. Высокоскоростные ударные явления / Под ред. Николаевского В.Н., М.: Изд-во Мир, 1973. С.533.
5. Канель Г.И., Разоренов C.B., Уткин A.B., Фортов В.Е. Ударноволновые явления в конденсированных средах, М.: Изд-во Янус-К, 1996. С.407.
SUMMARY. The method of numerical simulation of the interaction of projectiles with the plates of different materials is developed. The results of its interaction and influence of projectile material on penetrating action are defined. The influence of composition and form of projectile on penetrating action at subsonic speed is shown.
