Моделирование процессов динамического внедрения пространственных тел в сжимаемую упругопластическую среду
Автор: Линник Е.Ю., Котов В.Л., Константинов А.Ю.
Статья в выпуске: 4, 2017 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается задача о нормальном ударе и проникании жестких пространственных тел в полупространство, занимаемое упругопластической средой. Для среды проникания принимается модель линейно сжимаемой упругопластической среды при линейной зависимости предела текучести от давления (условие пластичности Мизеса-Шлейхера-Боткина). Решение задачи осуществляется численно в трехмерной постановке с применением пакета программ LS-Dyna. Упругопластическая среда проникания рассматривается на неподвижной эйлеровой сетке с выделением пустых ячеек, в которые материал перетекает в процессе деформирования. Ударники моделируются жестким недеформируемым телом в лагранжевой системе координат. Для сравнения, параметры процесса проникания - силы сопротивления внедрению и глубины проникания ударников получены также в рамках модели локального взаимодействия на основе аналитического решения задачи о расширении сферической полости. Ранее на основе данных обращенных экспериментов и численных расчетов в осесимметричной постановке показана применимость модели локального взаимодействия к определению силовых и кинематических характеристик острых конических тел. Проверка применимости модели для описания движения пространственных тел в полной трехмерной постановке ранее не проводилась. Исследуемые тела - круговой конус, трех- и четырехгранные пирамиды, тело с звездообразным поперечным сечением - обладают одинаковой площадью основания, нормаль к боковой поверхности тел составляет с направлением движения постоянный угол 60 градусов. Особенностью построения формы рассматриваемых пространственных тел является тот факт, что в рамках модели локального взаимодействия эти тела должны обладать одинаковым сопротивлением внедрению, совпадающим с сопротивлением внедрению кругового конуса. Все эти тела имеют высоту меньше высоты конуса. Приводятся результаты трехмерных численных расчетов проникания тел по нормали в упругопластическую среду с дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями, демонстрирующие увеличение сопротивления внедрению, пропорциональное уменьшению высоты тела. Для рассмотренных тел одинаковой высоты изменения в форме поперечного сечения не приводят к существенным отличиям в силе сопротивления и глубине проникания.
Проникание, упругопластическая грунтовая среда, конический ударник, пирамидальные тела, звездообразное тело, модель локального взаимодействия, задача о расширении сферической полости, трехмерное моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/146211709
IDR: 146211709 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2017.4.07
Modeling the dynamic penetration processes of dimensional bodies in a compressible elastoplastic medium
The paper considers the problem of the normal impact and penetration of rigid spatial bodies into the half-space of the elastoplastic medium. For the medium, a model of a linearly compressible elastoplastic medium is adopted with a linear dependence of the yield stress on the pressure (the Mises-Schleicher-Botkin plasticity condition). The solution of the problem is carried out numerically in a three-dimensional formulation using the software package LS-Dyna. The elastic-plastic penetration medium is considered using a fixed Euler grid with the allocation of empty cells into which the material flows during deformation. The strikers are modeled by a rigid undeformed body in the Lagrangian coordinate system. For comparison, the parameters of the penetration process, i.e. the resistance forces to penetration and the penetration depth of the strikers, were also obtained within the framework of the local interaction model on the basis of the analytical solution of the problem of expanding the spherical cavity. Earlier the applicability of the local interaction model to the determination of the force and kinematic characteristics of sharp conical bodies is shown based on the data of the inverted experiments and numerical calculations in an axisymmetric formulation. Verification of the model applicability aimed at describing the motion of three-dimensional bodies in the full three-dimensional formulation has not been carried out before. The investigated bodies, i.e. a circular cone, three- and tetrahedral pyramids, and a body with a star-shaped cross-section, have the same area of the base, the normal to the lateral surface of the bodies makes up a constant angle of 60 0 with the direction of motion. The peculiarity of constructing the shape of the three-dimensional bodies in question is the fact that within the framework of the local interaction model these bodies should have the same resistance to the introduction, which coincides with the resistance to the introduction of the circular cone. All these bodies have a height less than the height of the cone. The results of the three-dimensional numerical calculations of the bodies’ penetration along the normal into an elastoplastic medium with subsonic and supersonic velocities are presented, which demonstrate an increase in resistance to penetration proportional to a decrease in body height. For the bodies of the same height, the changes in the form of the cross section do not lead to significant differences in the strength of the resistance and penetration depth.
Список литературы Моделирование процессов динамического внедрения пространственных тел в сжимаемую упругопластическую среду
- Young C.W. Depth prediction for earth-penetrating projectiles//ASCE Journal of Soil Mechanics and Foundation Engineering. -1969. -Vol. 95(SM3). -P. 803-817.
- Young C.W. Penetration Equations//Contractor Report. SAND 97-2426. -Sandia National Laboratories, Albuquerque, N.Mexico, October 1997. -37 p.
- Григорян С.С. О приближенном решении некоторых задач динамики грунтов//ПММ. -1962. -Т. 26. -Вып. 5. -С. 944-946.
- Сагомонян А.Я. Проникание. -М.: Изд-во МГУ, 1974. -299 с.
- Kumano A., Goldsmith W. Projectile impact on soft, porous rock//Rock Mechanics. -1982. -Vol. 15/3. -P. 113-132.
- Колесников В.А. Об изменении траектории метеорита при входе в грунт//Изв. АН СССР. МТТ. -1981. -№ 4. -С. 99-104.
- Рахматулин Х.А., Сагомонян А.Я., Алексеев H.A. Вопросы динамики грунтов. -М.: Изд-во МГУ, 1964. -237 с.
- Forrestal M.J., Longcope D.B., Norwood F.R. А mоdel tо estimate forces on coniсаl pеnеtrаtions into pоrоus rock//Trans. АSМЕ. Ser. E. Journal of Applied Mechanics. -1981. -Vol. 48. -No. 3. -P. 25-29.
- Любин Л.Я., Повицкий А.С. Косой удар твердого тела о грунт//ПМТФ. -1966. -№ 1. -С. 83-92.
- Сагомонян А.Я., Филимонов В.А. К проблеме наклонного проникания осесимметричного тела в грунт//Вестник МГУ. Сер. 1. Математика. Механика. -1984. -№ 6. -С. 90-93.
- Звягин А.В., Сагомонян А.Я. Косой удар по пластине из идеально пластического материала//МТТ. -1985. -№ 1. -С. 159-163.
- Бабаков В.А., Шабунин Е.В Об одном методе расчета пневмопpобойника в дефоpмиpуемой среде//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -1987. -№ 1. -С. 105-110.
- Деменьшин Д.А., Крылов С.В. Численное моделирование процессов нормального проникания жестких тел в пористые грунты//Прикладные проблемы прочности и пластичности. Численное моделирование физико-механических процессов: межвуз. сб. -Н. Новгород: Изд-во Нижегород. гос. ун-та, 1991. -С. 103-106.
- Forrestal M.J., Longcope D.B., Norwood F.R. Penetration into targets described by locked hydrostats and shear strength//International Journal of Solids and Structures. -1981. -Vol. 17. -No. 9. -P. 915-924.
- Ben-Dor G., Dubinsky A., Elperin T. Ballistic Impact: Recent Advances in Analytical Modeling of Plate Penetration Dynamics-A Review//Applied Mechanics Reviews. -2005. -Vol. 58. -P. 355-371 DOI: 10.1115/1.2048626
- Ben-Dor G., Dubinsky A., Elperin T. Shape optimization of high-speed penetrators: a review//Central European Journal Engineering. -2012. -Vol. 2. -No 4. -P. 473-482 DOI: 10.2478/s13531-012-0022-4
- Omidvar M., Iskander M., Bless S. Response of granular media to rapid penetration//International Journal of Impact Engineering. -2014. -Vol. 66. -P. 60-82 DOI: org/10.1016/j.ijimpeng.2013.12.004
- Forrestal M.J, Luk V.K. Dynamic spherical cavity-expansion in a compressible elastic-plastic solid//ASME Journal of Applied Mechanics. -1988. -Vol. 55. -P. 275-279.
- Аптуков В.Н. Pасшиpение сфеpической полости в упpугопластической сжимаемой сpеде. Сообщ. 2. Влияние инеpционныx сил. Темпеpатуpные эффекты//Проблемы прочности. -1991. -№ 12. -С. 11-14.
- Аптуков В.Н., Хасанов А.Р. Расширение цилиндрической полости в сжимаемой упругопластической среде//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2017. -№ 1. -С. 5-23 DOI: 10.15593/perm.mech/2017.1.01
- Durban D., Masri R. Dynamic spherical cavity expansion in a pressure sensitive elastoplastic medium//International Journal of Solids and Structures. -2004. -Vol. 41. -P. 5697-5716 DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2004.03.009
- Решение задачи о расширении сферической полости в грунтовой среде в предположении несжимаемости за фронтом ударной волны/Е.Ю. Линник //Проблемы прочности и пластичности: межвуз. сб. -Н. Новгород, 2012. -Вып. 74. -С. 49-57.
- Анализ моделей расчета движения тел вращения минимального сопротивления в грунтовых средах/В.Г. Баженов //ПММ. -2014. -Т. 78. -Вып. 1. -С. 98-115 DOI: org/10.1016/j.jappmathmech.2014.05.008
- Forrestal M.J., Luk V.K. Penetration into soil targets//International Journal of Impact Engineering. -1992. -Vol. 12. -No. 3. -P. 427-444.
- Forrestal M.J. Tzou D.Y. A spherical cavity-expansion penetration model for concrete targets//International Journal of Solids and Structures. -1997. -Vol. 34 (31-32). -P. 4127-4146 DOI: org/10.1016/S0020-7683(97)00017-6
- Chen X.W., Li Q.M. Deep penetration of a non-deformable projectile with different geometrical characteristics//International Journal of Impact Engineering. -2002. -Vol. 27. -No. 6. -P. 619-637.
- Rosenberg Z., Dekel E. A numerical study of the cavity expansion process and its application to long-rod penetration mechanics//International Journal of Impact Engineering. -2008. -Vol. 35. -No. 3. -P. 147-154.
- Forrestal M.J., Warren T.L. Penetration equations for ogive-nose rods into aluminum targets//International Journal of Impact Engineering. -2008. -Vol. 35. -No. 8. -P. 727-730.
- Forrestal M.J., Warren T.L. Perforation equations for conical and ogival nose rigid projectiles into aluminum target plates//International Journal of Impact Engineering. -2009. -Vol. 36. -No. 2. -P. 220-225.
- Ben-Dor G., Dubinsky A., Elperin T. High-Speed Penetration Dynamics: engineering models and methods//World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, 2013. -680 p.
- Ben-Dor, G., Dubinsky, A., Elperin T. Engineering models of high speed penetration into geological shields//Central European Journal of Engineering. -2014. -Vol. 4. -No. 1. -P. 1-19 DOI: 10.2478/s13531-013-0135-4
- A model of depth calculation for projectile penetration into dry sand and comparison with experiments/Cuncheng Shi, Mingyang Wang, Jie Li, Mengshen Li//International Journal of Impact Engineering. -2014. -Vol. 73. -P. 112-122 DOI: org/10.1016/j.ijimpeng.2014.06.010
- Осипенко К.Ю. Проникание тела вращения в упругопластическую среду//Изв. РАН. Механика твердого тела. -2009. -№ 1. -С. 169-180 DOI: 10.3103/S0025654409020174
- Расчет проникания недеформируемых ударников в малопрочные преграды с использованием данных пьезоакселерометрии/В.А. Велданов //Журнал технической физики. -2011. -Т. 81, № 7. -С. 94-104 DOI: 10.1134/S1063784211070231
- Осипенко К.Ю. Об устойчивости пространственного движения тела вращения в упругопластической среде//Изв. РАН. МТТ. -2012. -№ 2. -С. 68-77 DOI: 10.3103/S0025654412020082
- Якунина Г.Е. Динамика пирамидальных тел в рамках модели локального взаимодействия//Прикладная математика и механика. -2003. -Т. 67, № 1. -С. 11-23.
- Якунина Г.Е. Особенности высокоскоростного движения тел в плотных средах//Прикладная математика и механика. -2012. -Т. 76, № 3. -С. 429-449.
- Баничук Н.В., Иванова С.Ю. Оптимизация формы жесткого тела, внедряющегося в сплошную среду//Проблемы прочности и пластичности: межвуз. сб. -Н. Новгород: Изд-во Нижегород. ун-та, 2007. -Вып. 69. -С. 47-57.
- Баничук Н.В., Иванова С.Ю., Макеев Е.В. О проникании неосесимметричных тел в твердую деформируемую среду и оптимизации формы//Изв. РАН. Механика твердого тела. -2008. -Т. 4. -С. 178-183.
- Баженов В.Г., Котов В.Л., Линник Е.Ю. О моделях расчета форм осесимметричных тел минимального сопротивления при движении в грунтовых средах//Докл. Акад. наук. -2013. -Т. 449, № 2. -С. 156-159 DOI: 10.1134/S102833581303004X
- Баженов В.Г., Котов В.Л., Линник Е.Ю. Методика численного расчета оптимальных форм тел вращения при движении в грунтовой среде//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2015. -№ 2. -С. 5-20 DOI: 10.15593/perm.mech/2015.2.01
- Котов В.Л., Линник Е.Ю., Тарасова А.А. Исследование оптимальных форм осесимметричных тел, проникающих в грунтовые среды//Прикладная механика и техническая физика. -2016. -Т. 57, № 5. -С. 66-75 DOI: 10.15372/PMTF20160508
- Применение модели локального взаимодействия для определения силы сопротивления внедрению ударников в песчаный грунт/В.Л. Котов //Прикладная механика и техническая физика. -2013. -Т. 54, № 4. -С. 114-125 DOI: 10.1134/S0021894413040123
- Котов В.Л., Константинов А.Ю. Численное моделирование плоскопараллельного движения конических ударников в грунтовой среде на основе модели локального взаимодействия//Вычислительная механика сплошных сред. -2014. -Т. 7, № 3. -С. 225-233 DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.2.15
- Сравнительный анализ методов моделирования проникания и плоскопараллельного движения конических ударников в грунтовой среде/В.Г. Баженов //Прикладная механика и техническая физика. -2015. -Т. 56, № 3. -С. 44-54 DOI: 10.15372/PMTF20150306
- Бивин Ю.К. Сравнительная оценка проникания звездообразных и конических тел//Изв. РАН. Механика твердого тела. -1999. -№ 4. -113 с.
- Бивин Ю.К., Симонов И.В. Механика динамического проникания в грунтовую среду//Изв. РАН. Механика твердого тела. -2010. -№ 6. -С. 157-191 DOI: 10.3103/S0025654410060130
- Линник Е.Ю., Котов В.Л., Константинов А.Ю. Сравнительный анализ сил сопротивления внедрению конических и пирамидальных тел в упругопластическую среду//Проблемы прочности и пластичности. -2017. -Т. 79, № 3. -С. 245-255.
- Пакет программ «Динамика-2» для решения плоских и осесимметричных нелинейных задач нестационарного взаимодействия конструкций со сжимаемыми средами/В.Г. Баженов //Мат. моделирование. -2000. -Т. 12, № 6. -С. 67-72.