Численные и экспериментальные исследования динамического деформирования и разрушения при соударении прямоугольных пластин

Автор: Баженов В.Г., Рябов А.А., Куканов С.С., Птицын С.О.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 3, 2024 года.

Бесплатный доступ

В решении прикладных задач надежности и безопасности современных конструкций, особенно в экстремальных условиях, важным является вопрос достоверных критериев прочности. В ряде областей, таких как авиастроение, атомная энергетика и др., нормативными документами задаются требования сохранения прочности изделий в условиях повышенных локальных динамических нагрузок. При таких локальных воздействиях на основе численных расчетов удается подобрать модельные эксперименты, в которых история деформирования в наиболее нагруженной точке оказывается весьма близкой к реальной конструкции. В работе рассматривается динамическое деформирование и разрушение прямоугольной алюминиевой пластины постоянной толщины при ударе титановой пластины в диапазоне скоростей V 0= 160,8…195,0 м/с. Численное решение упругопластической задачи проводится методом конечных элементов в сочетании с явной схемой интегрирования по времени. Используются истинные диаграммы деформирования материалов пластин в диапазоне скоростей деформирования = 10-3…104 с-1, трение между пластинами моделируется с коэффициентом fтр = 0,1…0,2. Путем исследования сходимости численных решений определен необходимый размер конечного элемента Δ = 1 мм. На основе численных расчетов, согласованных с экспериментальными данными по глубине среза мишени со стороны удара, установлен предельный уровень интенсивности пластических деформаций ε р1 = 2,5δ (δ - относительное удлинение материала), при котором реализуется срез в условиях трехосного сжатия. Разрушение с тыльной стороны происходит в условиях, близких к двухосному растяжению, при достижении предельной интенсивности пластических деформаций ε р2 = 1,17δ. В рамках расчетно-экспериментального подхода установлено, что для сквозного пробития мишени необходимо достижение предельных уровней интенсивности пластических деформаций как со стороны удара, так и с тыльной стороны мишени.

Еще

Экспериментально-расчетный подход, численное моделирование, эксперимент, большие деформации, упругопластические материалы, критерий прочности, параметр трехосности

Короткий адрес: https://sciup.org/146282928

IDR: 146282928 | DOI: 10.15593/perm.mech/2024.3.07

Список литературы Численные и экспериментальные исследования динамического деформирования и разрушения при соударении прямоугольных пластин

Jet engine fan blade containment using two alternative geometries / K. Carney, M. Pereira, D. Revilock, P. Matheny // 4th European LS-DYNA Users Conference. - Ulm, Germany, 2003.
Hermosilla, U. Blade impact simulation against turbine casing / U. Hermosilla, J.L. Alcarac, A.M. Aja // ABAQUS User's conference. - 2004.
Numerical analysis of aircraft engine fan blade-out / Y.N. Shmotin [et al.] // 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit (Paper No. AIAA 2066-4620), 912 July 2006. - Sacramento, CA, 2006.
Jet engine fan blade containment using alternative geometry / K.S. Carney, J.M. Pereira, D.M. Revilock, P. Matheny // International Journal of Impact Engineering 36. - 2009. -P. 720-728.
Perforation of aero-engine fan casing by a single rotating blade / Q. He, H. Huan, L. Liu, W. Hong, R. Wu // Aerospace Science and Technology. - 2013. - Vol. 25. - P. 236-241.
Бузюркин, А.Е. Численное моделирование аварийного обрыва лопатки вентилятора газотурбинного двигателя / А.Е. Бузюркин, И.Л. Гладкий, Е.И. Краус // Обработка металлов. - 2014. - № 4 (65). - C. 52-65.
Расчетно-экспериментальный критерий динамической прочности корпуса газотурбинного двигателя при обрыве лопатки / А.А. Рябов, В.И. Романов, С.С. Куканов, Ю.Н. Шмо-тин, Д.В. Габов // Вестник Московского авиационного института. - 2015. - Т. 22, № 3. - С. 76-84.
Eryilmaz, I. Multi-blade shedding in turbines with different casing and blade tip architecture / I. Eryilmaz, B. Guenchi, V. Pachidis // Aerospace Science and Technology. - 2019. -Vol. 87. - P. 300-310. DOI: 10.1016/j.ast.2019.02.025
Numerical simulations of a flight recorder's case penetration resistance test / A.A. Ryabov, V.I. Romanov, S.S. Kukanov, D.V. Roschihmarov // The 4-th European LS-DYNA Conference, May 21-23. - Ulm, Germany, 2003. - P. G-II-23-31.
Computational analysis of compressed stiffened composite panel with impact damage / A.A. Ryabov, E.E. Maslov, D.Y. Strelec, V.G. Slobodchikov // Aerospace. - 2019. -Vol. 6(25). - P. 1-11. DOI: 10.3390/aerospace6030025
Numerical stress analysis of spent nuclear fuel transport package in normal and accident conditions / R.I. Il'kaev, V.P. Soloviyov [et al.] // PATRAM 2016. The 18th International Symposium on the Packaging and Transportation of Radioactive Materials. - Kobe, Japan, 2016.
Ammerman, D.J. Testing and analysis to determine the shell thickness required to prevent puncture / D.J. Ammerman, H.D. Radloff, E.J. Eifert // Proceedings of the 12th International Conference on the Packaging and Transportation of Radioactive Materials. PATRAM 98. - Paris, France, May 10-15. - 1998. -Vol. 3. - P. 1255-1262.
Perforation of aluminum plates with ogive-nose steel rods at normal and oblique impacts / A.J. Piekutowski, M.J. For-restal, K.L. Poormon, T.L. Warrant // International Journal of Impact Engineering. - 1996. - Vol. 18. - P. 877-887.
Численное исследование пробития алюминиевой плиты заостренным стальным ударником при скорости удара 0.3^0.86 км/с / А.А. Краюхин, А.Г. Иоилев, А.Л. Стадник, Ю.В. Янилкин // Прикладные задачи высокоскоростного удара / под ред. Ю.Н. Бухарева. - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2011ю - С. 261-265.
Писаренко, Г.С. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии / Г.С. Писаренко, А.А. Лебедев. - Киев: Наукова думка, 1976.
Казаков Д.А. Моделирование процессов деформирования и разрушения материалов и конструкций / Д.А. Казаков, С. А. Капустин, Ю. Г. Коротких. - Нижний Новгород: ННГУ, 1999. - 225 с.
Strain-based acceptance criteria for spent fuel storage and transportation containers / G.S. Bjorkman, D. Ammerman, S. Snow, D.K. Morton // PATRAM-2010. - London, 2010.
Hancock, J.W. On the role of strain and stress state in ductile fracture / J.W. Hancock, D.K. Brown // J. Mech. Phys. Solids. - 1983. - Vol. 31, no. 1. - P. 1-24.
Bao, Y. On fracture locus in the equivalent strain and stress triaxiality space / Y. Bao, T. Wierzbicki // International Journal of Mechanical Science. - 2004. - Vol. 46. - P. 81-98.
Dynamic deformation and failure criterion of cylindrical shells subjected to explosive loading / V.G. Bazhenov, A.A. Ryabov, V.I. Romanov, E.E. Maslov; H. Altenbach, V.A. Eremeyev, L.A. Igumnov (eds) // Multiscale Solid Mechanics. Advanced Structured Materials. - 2021. - Vol. 141. - P. 4755. DOI: 10.1007/978-3-030-54928-2_5
Dynamic deformation and rupture of fastening elements / A.A. Ryabov, S.S. Kukanov, D.Y. Strelets [et al.] // J Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. - 2022. - Vol. 44(88). DOI: 10.1007/s40430-022-03389-y
Johnson, G. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates temperatures and pressures / G. Johnson, W. Cook // Engineering Fracture Mechanics. - 1985. -Vol. 21. - P. 31-48. DOI: 10.1016/0013-7944(85)90052-9
The effect of target strength on the perforation of steel plates using three different projectile nose shapes / S. Dey, T. Bervik, O.S. Hopperstad, J.R. Leinum, M. Langseth // Int J Impact Eng. - 2004. - Vol. 30 (8). - P. 1005-1038.
Vershinin, V.V. Validation of metal plasticity and fracture models through numerical simulation of high velocity perforation / V.V. Vershinin // International Journal of Solids and Structures. -2015. - Vol. 67-68. - P. 127-138.
Predicting ballistic impact failure of aluminium 6061-T6 with the rate-independent Bao-Wierzbicki fracture model / A. Gili-oli, A. Manes, M. Giglio, T. Wierzbicki // Int. J. Impact Eng. -2015. - Vol. 76. - P. 207-220.
Tip failure and residual velocity in impact of hollow Al-6061 T6 projectiles on thin Al-6061 T6 plates / M. Vishal [et al.] // Procedia Engineering. - 2017. - Vol. 173. - P. 271-277.
Effect of the Lode parameter in predicting shear cracking of 2024-T351 aluminum alloy Taylor rods / X. Xiao [et al.] // International Journal of Impact Engineering. - 2018. - Vol. 120. -P. 185-201.
Experimental and numerical study on the ballistic impact behavior of 6061-T651 aluminum alloy thick plates against blunt nosed projectiles / Y. Deng [et al.] // International Journal of Impact Engineering. - 2020. - Vol. 144. - 103659. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2020.103659
Experimental and numerical investigation on the ballistic resistance of 2024-T351 aluminum alloy plates with various thicknesses struck by blunt projectiles / J. Han [et al.] // International Journal of Impact Engineering. - 2022. - Vol. 163. -P. 104182-104182.
Experimental and numerical study on the ballistic resistance of 6061-T651 aluminum alloy thin plates struck by different nose shapes of projectiles / Y. Deng [et al.] // Journal of Impact Engineering. - 2022. - Vol. 160. - P. 104083.
Effect of Lode angle and projectile diameter on the ballistic resistance of 6061-T651 aluminum alloy plates struck by hemispherical nosed projectile / Y. Deng [et al.] // European Journal of Mechanics A-solids. - 2023. - 01 May. - P. 105030-105030.
Effect of Lode angle incorporation into a fracture criterion in predicting the ballistic resistance of 2024-T351 aluminum alloy plates struck by cylindrical projectiles with different nose shapes / Y. Wang, X. Chen, X. Xiao, V. Vershinin, R. Ge, D. Li // Int J Impact Eng. - 2020. - Vol. 139. - Article 103498.
Zhang, Z. Effect of stress triaxiality cut-off value in the fracture criterion on predicting the ballistic behavior of Al2024-T351 plate impacted by blunt-hemisphereand ogival-nosed projectiles / Z. Zhang, Y. Wu, F. Huang // Journal of Materials Research and Technology. - Vol. 25. - P. 138-165.
Lou, Y. Modeling of shear ductile fracture considering a changeable cut-off value for stress triaxiality / Y. Lou, J.W. Yoon, H. Huh // Int. J. Plast. - 2014. - Vol. 54. - P. 56-80.
Papasidero, J. Ductile fracture of aluminum 2024-T351 under proportional and non-proportional multi-axial loading: Bao-Wierzbicki results revisited / J. Papasidero, V. Doquet, D. Mohr // International Journal of Solids and Structures. - 2015. -Vol. 69-70. - P. 459-474.
Zhang, Z. Extension of a shear-controlled ductile fracture criterion by considering the necking coalescence of voids / Z. Zhang, Y. Wu, F. Huang // Int. J Solid Struct. - 2021. - P. 236-237.
Lou, Y. Modeling of shear ductile fracture considering a changeable cut-off value for stress triaxiality / Y. Lou, J. Yoon, H. Huh // Int J Plast. - 2014. - Vol. 54.
Nahshon, K. Modification of the Gurson model for shear failure / K. Nahshon, J.W. Hutchinson // Eur. J. Mech. A/Solids. -2008. - Vol. 27. - P. 1-17.
Васидзу, К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности / К. Васидзу. - М.: Мир, 1987.
Пакет программ ЛОГОС. Модуль решения динамических задач прочности / В.Ф. Спиридонов, К.В. Циберев, Д.Ю. Дьянов [и др.] // Журнал ВАНТ. Сер. Математическое моделирование физических процессов. - 2018. - Вып. 1. -С. 3-13.
Давиденков, Н.Н. Анализ напряженного состояния в шейке растянутого образца / Н.Н. Давиденков, Н.И. Спиридонова // Заводская лабораторияю - 1945. - Т. XI, № 6. -С. 583-593.
Баженов, В.Г. Математическое моделирование и методы идентификации деформационных и прочностных характеристик материалов / В.Г. Баженов // Физическая мезомеха-ника. - 2007. - Т. 10, № 5. - С. 91-105.
Mirone, G. A new model for the elastoplastic characterization and the stress-strain determination on the necking section of a tensile specimen / G. Mirone // International Journal of Solids and Structures. - 2004. - Vol. 41. - P. 3545-3564.
Численное и экспериментальное исследование упру-гопластических процессов растяжения-кручения цилиндрических образцов из стали 09Г2С при больших деформациях / B.Г. Баженов, Д.А. Казаков, Е.В. Нагорных [и др.] // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. -2017. - № 4-2(324). - C. 76-82.
Xue, L. Ductile fracture initiation and propagation modeling using plasticity theory / L. Xue, T. Wierzbicki // Engineering Fracture Mechanics. - 2008. - Vol. 75, iss. 11. - P. 3276-3293.
An investigation of the constitutive behavior of Armox 500T steel and armor piercing incendiary projectile material / M.A. Iqbal, K. Senthil, P. Sharma, N.K. Gupa // International Journal of Impact Engineering. - 2016. - Vol. 96. - P. 146-164.
Effects of different heat treatments on the dynamic shear response and shear localization in Inconel 718 alloy / W. Song [et al.] // Mater Sci Eng, A. - 2018.
Poplawski, A. Identification of Armox 500T steel failure properties in the modeling of perforation problems / A. Poplawski, P. K^dzierski, A. Morka // Materials & Design. - 2020. -Vol. 190. - 108536.
Радченко, П.А. Влияние вращения ударника на разрушение при высокоскоростном ударе / П.А. Радченко, C.П. Батуев, А.В. Радченко // Физическая мезомеханика. -2021. - Т. 24(6). - С. 25-35.
Ballistic perforation and penetration of 6xxx-series aluminum alloys: A review / R. Dubey, R. Jayaganthan, D. Ruand, N.K. Gupta, N. Jones, R. Velmurugan // International Journal of Impact Engineering. - 2023. - Vol. 172. - 104426
Plasticity ductile fracture and ballistic impact behavior of Ti-6Al-4V Alloy / S. Wu, C. Zhou, Y. Shi, A. Hu, X. Xiao // International Journal of Impact Engineering. - 2023. - Vol. 174. -104493.
Mateos, D. Effect of stress on adiabatic shear banding in Al2024-T351 / D. Mateos, S. Boakye-Yiadom // International Journal of Impact Engineering. - 2023. - Vol. 178. - 104602
The damage characteristics and formation mechanism of ultrahigh strength 7055 aluminum alloy under hypervelocity impact / W. Zhang, X. Zhang, L. He, P. Li // International Journal of Impact Engineering. - 2023. - Vol. 180. - 104718.
Novel method in the modeling of adiabatic shear bands in ballistic impact: An application on Inconel 718 alloy / S. Dolci, K.S. Carney, P. Du Bois, D. Revilock, C. Ruggeri, C.D. Kan // International Journal of Impact Engineering. - 2023. - Vol. 182. -104763.
Orthogonal impact load in 6061-T651 and 7075-T651 aluminum alloy plates / J.A. Frutos, R.R. Ambriz, Ch.J. Garci'a, D. Jaramillo // Journal of Material Research and Technology. -2023. - Vol. 26. - P. 4245-4262.
High-velocity impact failure modeling of Armox 500T steel: Model validation and application to structural design / K. Mao, G. Toussaint, A. Komrakova, J.D. Hogan // International Journal of Impact Engineering. - 2024. - Vol. 183. - 104790.
Coupled effect of stress state and strain rate on ductile fracture of Ti6A14V alloy / W. Dou, Z. Xu, Y. Han, M. Su, F. Huang // International Journal of Impact Engineering. - 2024. -Vol. 187. - 104898.

Еще

Статья научная