Авторы
Мещеряков Ю.И., Коновалов Г.В., Жигачева Н.И., Нечунаев А.Ф., Диваков А.К.
Организации
Институт проблем машиноведения Российской академии наук (ИПМаш РАН)
Сессия
Теория и моделирование физических процессов
Подсекция
Мусор
Форма представления
Устный
Научный руководитель
Мещеряков Ю.И.
Место работы научного руководителя
Институт проблем машиноведения Российской академии наук ИПМаш РАН
Текст тезисов
В околоземном пространстве известно более 130 млн объектов размером 0,1—1 см на тех или иных орбитах в совокупности. Суда относят отработанные ступени ракет, осколки от столкновения спутников, частицы ракетного топлива, прочий мусор. При ударении такой частицы на высокой скорости в космический аппарат могут возникнуть необратимые разрушения обшивки, разгерметизация, повреждение дорогостоящих приборов. Для защиты космических аппаратов, как правило, применяют двойной экран – так называемый щит Уиппла. После столкновения опасной частицы с первым тонким экраном щита Уиппла, как рассматривалось в [1], образуется облако осколков сферо- или грушевидной формы, которое практически с такой же скоростью движется ко второму экрану. Воздействие облака осколков на второй экран гораздо менее опасно, чем воздействие компактного ударника. Но в отдельных случаях, при достаточно малом диаметре облака, может вызывать во втором экране откол. В то же время, детальное исследование ударного нагружения толстого алюминиевого экрана на более низких скоростях может дать понимание физики разрушения материала.
Было проведено вычислительное моделирование методом сглаженных частиц [2,3] эволюции процесса ударного нагружения в алюминиевую преграду толщиной 7 мм, внутри которой, на оси удара присутствовала мезомасштабная область из сглаженных частиц размером 1,5 х 1,5 мм. Эта область разбивалась на 60 частиц по каждой стороне. Диаметр ударника и мишени составлял 30 мм, толщина ударника составляла 2 мм. Материал ударника – Al2024. Начальная скорость ударника составляла 300 м/с.
В результате моделирования были сняты графики внутренней энергии по всем частям модели: ударнику, преграде, мезомасштабной области. Оказалось, что внутреннюю энергию эта область набирает неравномерно. Сначала внутренняя энергия почти линейно поднимается до уровня 0,018 Дж, держится на плато около 200 нс, затем падает до 0,012 Дж, затем вновь растет.
Таком образом, происходит непрерывный обмен энергией между указной область и остальной частью мишени. Это обстоятельство весьма важно для разработки теории разрушения, выяснения природы разрушения материалов на тех или иных масштабах. Кроме этого, было замечено, что к моменту времени 3,2 мкс после начала расчета ударная волна достигла мезомасштабной области, которая расположена точно посередине мишени, а к моменту времени 4,15 мкс наблюдается активный волнообмен внутри мезомаштабной области. Волны движутся в различных направлениях, отражаются от границ и сочетаются между собой. В реальных материалах, как известно, роль границ такой области будут выполнять границы зерна. Тогда такие же процессы должны наблюдаться внутри отдельного зерна, что необходимо исследовать дополнительно. Как численно, так и в натурном эксперименте.
Таким образом, была построена вычислительная модель ударного нагружения второго экрана щита Уиппла на мезоуровне, когда внутри одного масштаба присутствует другой. Такая модель показывает обмен энергией между областью на одном уровне и областью на более крупном уровне. С использованием и дальнейшим развитием полученной модели можно исследовать закономерности обмена энергией между соседними зернами материалов, между зернами и нанообъектами, понять зависимость скорости накопления внутренней энергии от размера мезомасштабной области.
Литература
[1] Silnikov, M.V., Guk, I.V., Mikhaylin, A.I., Nechunaev, A.F., Rumyantsev, B.V.
Numerical simulation of hypervelocity impacts of variously shaped projectiles
with thin bumpers. Materials Physics and Mechanics, 42(1), p. 20–29 (2019)
https://mpm.spbstu.ru/article/2019.69.3/
[2] M.B. Liu, G.R. Liu, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH): an Overview and Recent Developments, Arch. Comput. Methods Eng. 17 (2010) 25–76
[3] M.B. Liu, G.R. Liu, Smoothed Particle Hydrodynamics A Meshfree Particle Method, World Scientific Publishing, Singapore, 2003
Было проведено вычислительное моделирование методом сглаженных частиц [2,3] эволюции процесса ударного нагружения в алюминиевую преграду толщиной 7 мм, внутри которой, на оси удара присутствовала мезомасштабная область из сглаженных частиц размером 1,5 х 1,5 мм. Эта область разбивалась на 60 частиц по каждой стороне. Диаметр ударника и мишени составлял 30 мм, толщина ударника составляла 2 мм. Материал ударника – Al2024. Начальная скорость ударника составляла 300 м/с.
В результате моделирования были сняты графики внутренней энергии по всем частям модели: ударнику, преграде, мезомасштабной области. Оказалось, что внутреннюю энергию эта область набирает неравномерно. Сначала внутренняя энергия почти линейно поднимается до уровня 0,018 Дж, держится на плато около 200 нс, затем падает до 0,012 Дж, затем вновь растет.
Таком образом, происходит непрерывный обмен энергией между указной область и остальной частью мишени. Это обстоятельство весьма важно для разработки теории разрушения, выяснения природы разрушения материалов на тех или иных масштабах. Кроме этого, было замечено, что к моменту времени 3,2 мкс после начала расчета ударная волна достигла мезомасштабной области, которая расположена точно посередине мишени, а к моменту времени 4,15 мкс наблюдается активный волнообмен внутри мезомаштабной области. Волны движутся в различных направлениях, отражаются от границ и сочетаются между собой. В реальных материалах, как известно, роль границ такой области будут выполнять границы зерна. Тогда такие же процессы должны наблюдаться внутри отдельного зерна, что необходимо исследовать дополнительно. Как численно, так и в натурном эксперименте.
Таким образом, была построена вычислительная модель ударного нагружения второго экрана щита Уиппла на мезоуровне, когда внутри одного масштаба присутствует другой. Такая модель показывает обмен энергией между областью на одном уровне и областью на более крупном уровне. С использованием и дальнейшим развитием полученной модели можно исследовать закономерности обмена энергией между соседними зернами материалов, между зернами и нанообъектами, понять зависимость скорости накопления внутренней энергии от размера мезомасштабной области.
Литература
[1] Silnikov, M.V., Guk, I.V., Mikhaylin, A.I., Nechunaev, A.F., Rumyantsev, B.V.
Numerical simulation of hypervelocity impacts of variously shaped projectiles
with thin bumpers. Materials Physics and Mechanics, 42(1), p. 20–29 (2019)
https://mpm.spbstu.ru/article/2019.69.3/
[2] M.B. Liu, G.R. Liu, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH): an Overview and Recent Developments, Arch. Comput. Methods Eng. 17 (2010) 25–76
[3] M.B. Liu, G.R. Liu, Smoothed Particle Hydrodynamics A Meshfree Particle Method, World Scientific Publishing, Singapore, 2003