Особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении
Рассмотрены особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении. Представлены результаты численного моделирования ударного взаимодействия бойка с многослойными пластинами, содержащими хрупкий слой. Развиты методики испытаний хрупких материалов на сжатие и...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Datum: | 2002 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2002
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46797 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении / В.В. Харченко, А.Л. Майстренко, А.И. Бабуцкий, Е.А. Кондряков // Проблемы прочности. — 2002. — № 3. — С. 86-91. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859680075350278144 |
|---|---|
| author | Харченко, В.В. Майстренко, А.Л. Бабуцкий, А.И. Кондряков, Е.А. |
| author_facet | Харченко, В.В. Майстренко, А.Л. Бабуцкий, А.И. Кондряков, Е.А. |
| citation_txt | Особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении / В.В. Харченко, А.Л. Майстренко, А.И. Бабуцкий, Е.А. Кондряков // Проблемы прочности. — 2002. — № 3. — С. 86-91. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Рассмотрены особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов
при ударном нагружении. Представлены результаты численного моделирования ударного
взаимодействия бойка с многослойными пластинами, содержащими хрупкий слой. Развиты
методики испытаний хрупких материалов на сжатие и пробой. Проведено сопоставление
результатов экспериментальных и численных исследований.
Розглянуто особливості деформування і руйнування пластин із крихких матеріалів під дією ударного навантаження. Представлено результати числового
моделювання ударної взаємодії бойка з багатошаровими пластинами,
до складу яких входить крихкий шар. Розвинуто методики досліджень
крихких матеріалів на стиск і пробій. Проведено зіставлення результатів
експериментальних і числових досліджень.
We investigated the peculiarities of deformation and fracture of plates made from brittle materials under impact loading conditions. Numerical simulation results of impact interaction of a striker with multiple plates containing a brittle layer are presented. Procedures for compressive and impact perforation tests of brittle materials have been developed. Experimental data have been compared with available numerical results.
|
| first_indexed | 2025-11-30T17:19:26Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.3
Особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких
материалов при ударном нагружении
В. В. Харченкоа, А. Л. Майстренко6, А. И. Бабуцкийа, Е. А. Кондряков3
а Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
6 Институт сверхтвердых материалов НАН Украины, Киев, Украина
Рассмотрены особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов
при ударном нагружении. Представлены результаты численного моделирования ударного
взаимодействия бойка с многослойными пластинами, содержащими хрупкий слой. Развиты
методики испытаний хрупких материалов на сжатие и пробой. Проведено сопоставление
результатов экспериментальных и численных исследований.
Ключевые слова: деформирование, разрушение, хрупкие материалы, кера
мика, оргстекло, ударное нагружение.
Эффективность разрабатываемых защитных конструкций зависит от
степени понимания механизмов деформирования и разрушения материалов
бойка и преграды при их ударном взаимодействии. С точки зрения повы
шения энергопоглощающей способности преград перспективными конст
рукциями являются многослойные пластины, каждый слой которых выпол
няет определенную функцию, а среди материалов, обеспечивающих высокое
энергопоглощение преграды, рассматривают различные виды конструкцион
ной керамики.
Оптимизация защиты обычно проводится на основе результатов баллис
тических испытаний либо путем численного моделирования. В последнем
случае важную роль играют используемые модели деформирования матери
алов и критерии разрушения. Сложность определения параметров таких
моделей и критериев сдерживает расширение практического применения
численных расчетов процессов ударного взаимодействия. Наиболее эффек
тивен комплексный подход, сочетающий достоинства экспериментального,
численного и аналитического моделирования и натурных испытаний [1, 2].
Процессы, сопровождающие ударное нагружение пластин, имеют слож
ную природу и зависят от многих факторов: скорости и направления удара,
размеров и формы проникающего тела, физических и механических свойств
материалов и др. Исследования влияния ряда этих факторов на процессы
деформирования и разрушения пластин из таких хрупких материалов, как
керамика (карбид кремния) и ПММА (оргстекло), при ударе являются целью
данной работы.
При ударных испытаниях керамики со скоростями порядка 500...1000 м/с
следует различать несколько стадий процесса: пластическое деформирова
ние бойка, образование конуса в керамическом слое, множественное разру
шение керамического слоя и деформирование тыльного слоя пластины. На
рис. 1 показан внешний вид керамической пластины из горячепрессованного
БЮ (поперечное сечение) после ударного воздействия, на рис. 2 - разру
© В. В. ХАРЧЕНКО, А. Л. МАЙСТРЕНКО, А. И. БАБУЦКИЙ, Е. А. КОНДРЯКОВ, 2002
86 Й'ОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, N 3
Особенности деформирования и разрушения
шение пластин из ПММА. Как видно, область разрушения ограничена
поверхностью, близкой к конической, с вершиной в области контакта, при
этом область материала внутри коноида может быть фрагментирована. До
момента образования конуса в хрупком слое, т.е. пока слой сохраняет свою
целостность, боек вызывает в лицевом слое преграды только незначитель
ные деформации, сам же претерпевает существенное формоизменение в
головной части - происходит образование так называемой грибообразной
формы головной части (рис. 3).
Рис. 1. П оперечное сечение керамической преграды из горячепрессованного карбида кремния
после ударного нагруж ения (стрелкой указано место воздействия).
Рис. 2. Разруш ение пластин из П М М А толщ иной 10 мм при ударе со скоростью 6 м/с.
Проведенные исследования включали определение механических ха
рактеристик материала по данным механических испытаний, эксперимен
тальное моделирование процессов пробивания, численное моделирование и
анализ результатов.
Авторами была разработана методика и изготовлено устройство для
динамических испытаний хрупких материалов. Экспериментальная установ
ка представляет собой вертикальную трубу, жестко прикрепленную к непо
движной матче. Труба служит в качестве направляющей для ударника мас
сой 4,5 кг, имеющего цилиндрическую форму. С обеих сторон к грузу
прикреплены алюминиевые стаканы, позволяющие ему свободно передви
гаться по трубе. В верхнем торце цилиндра есть отверстие с резьбой,
которое служит либо для закрепления рым-болта для подъема груза, либо
для дополнительного наращивания массы ударника. В качестве модельного
материала использовалось оргстекло как наиболее дешевое и доступное.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3 87
В. В. Харченко, А. Л. Майстренко, А. И. Бабуцкий, Е. А. Кондряков
в
Рис. 3. К инетика форм оизм енения соударяю щ ихся тел: а - г = 2,5 мкс; б - г = 8 мкс; в -
г = 18 мкс.
Кроме того, благодаря его хорошим оптическим свойствам можно было
визуально наблюдать повреждения внутри образца. Были проведены испы
тания двух видов: на динамическое сжатие и на пробивание.
Для испытаний на динамическое сжатие использовались цилиндричес
кие и кубические образцы размерами 10x10 мм. Образец помещался между
жесткими цилиндрами. При ударном нагружении конический индентор на
нижнем цилиндре оставлял отпечаток на алюминиевом образце-свидетеле.
По размеру отпечатка определялась величина действующей на образец на
грузки. При испытаниях варьировались скорость удара, масса ударника и
форма образца. Для кубических образцов проведено по четыре испытания
при массе бойка 5 кг, скорости удара 6,24 м/с и при массе бойка 10 кг,
скорости удара 2,08 м/с, для цилиндрических образцов - по шесть испы
таний при массе бойка 5 кг, скорости удара 6,24 м/с и при массе бойка 10 кг,
скорости удара 2,08 м/с.
88 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3
Особенности деформирования и разрушения
В качестве образцов при испытаниях на пробивание использовались
круглые пластины диаметром 60 и 90 мм и толщиной от 5 до 25 мм. Образец
вклеивался с помощью эпоксидной смолы в стальное кольцо, которое жест
ко фиксировалось двумя металлическими стаканами и устанавливалось на
массивное основание. При ударных испытаниях со скоростью 4...7 м/с
характер разрушения зависел от толщины пластины. В случае относительно
тонких пластин (5-8 мм) разрушение происходило путем образования кру
говой конической трещины. Кроме того, на тыльной поверхности пластин
имели место и радиальные трещины. Пластины толщиной 10-15 мм раз
рушились в результате образования круговой конической трещины, но выби
тая пробка в виде коноида дополнительно не фрагментировалась. На рис. 2
показана фотография разрушившейся пластины из ПММА толщиной 10 мм
при ударе со скоростью 6 м/с. Пробивания толстых пластин (толщиной 20 мм
и более) при данных скоростях удара не происходило, хотя в зоне контакта
отмечалось интенсивное выкрашивание, а в объеме материала наблюдались
трещины в виде фрагмента поверхности коноида, которые распространились
примерно на половину толщины пластин.
Выполнено численное моделирование приведенных выше испытаний
образцов из керамики и оргстекла при ударном нагружении. Для численных
расчетов использовался оригинальный компьютерный код “ИМПРО”, осно
ванный на методе конечных элементов [2]. При этом в качестве характе
ристик материала использовались данные, полученные из экспериментов на
ударное сжатие.
Рассматривался случай соударения по нормали стального бойка в виде
цилиндрического тела с головной частью в виде усеченного конуса или
сферы с пластиной из хрупкого материала, закрепленной в стальной обойме
и опирающейся на стальное кольцо. При расчетах варьировались толщина
преграды, длина бойка и форма его головной части, характеристики мате
риалов, скорость удара.
На рис. 4, 5 представлена кинетика интенсивности деформации в бойке
и двухслойной преграде (лицевой слой - из керамики, тыльный - из компо
зиционного материала) - изменение во времени общей кинетической энер
гии и скорости различных точек соударяющихся тел. В центральной части
преграды скорость перемещений составляет около 50 м/с в течение 5...10 мкс
после соударения, а скорость тыльной поверхности бойка практически не
отличается от начальной (падение до 8%). К 8-й мкс интенсивность дефор
мации в головной части бойка и потеря последним кинетической энергии
превышают 50%, а преграда приобрела около 10% начальной кинетической
энергии бойка, т.е. общие потери кинетической энергии к рассматриваемому
моменту составили примерно 40%. Увеличение прочности керамической
преграды в 1,5 раза незначительно изменяет потерю кинетической энергии
бойком на начальном этапе деформирования (больше примерно на 10%).
В верхнем слое нагружаемых ударом пластин сдвиговые деформации
являются самыми “опасными”, что видно из распределений деформаций в
момент времени г = 50 мкс (рис. 6). Максимальные значения сдвиговой
деформации у ху и интенсивности деформации £ 1 наблюдаются в области
преграды, расположенной на расстоянии радиуса бойка от оси симметрии.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3 89
В. В. Харченко, А. Л. Майстренко, А. И. Бабуцкий, Е. А. Кондряков
Значения сдвиговой деформации достигают 2%. Деформации £ в лицевом
слое преграды в области контакта являются сжимающими, а на расстояниях
от оси симметрии, больших радиуса бойка, - растягивающими (~ 0,5%).
Другие компоненты тензора деформации в лицевом слое - сжимающие.
V , см/с
Рис. 4. И зм енение общ ей кинетической энергии во времени при ударном взаимодействии
бойка с многослойной преградой.
Рис. 5. И зм енение скорости во времени при ударном взаимодействии бойка с многослойной
преградой: 1 - тыльная поверхность бойка; 2 - контактная поверхность бойка с лицевы м
слоем преграды; 3 - контактная поверхность м еж ду лицевы м и ты льны м слоем преграды.
£, у
Рис. 6. Распределение деф орм аций в верхнем слое пластины из оргстекла (толщ ина 15 мм,
диам етр 60 мм) в момент времени £ = 50 мкс при скорости удара 10 м/с: 1 - £х ; 2 - £у ; 3 - у ху;
4 - £в; 5 - £ ,
Анализ результатов расчетов показал, что для относительно тонких
пластин у их тыльной поверхности преобладают растягивающие окружные
деформации, которые по достижении критической величины вызывают по
явление радиальных трещин. Для толстых пластин наибольшими будут
сдвиговые деформации, достигающие максимума у лицевой поверхности в
области, расположенной непосредственно в зоне контакта. Изучение кине-
90 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3
Особенности деформирования и разрушения
тики напряженно-деформированного состояния в пластинах свидетельствует
о том, что трещины сдвига, возникшие в этой области, при распространении
должны преобразовываться в трещины отрыва, что согласуется с получен
ными экспериментальными результатами и известными данными фракто-
графических исследований.
Р е з ю м е
Розглянуто особливості деформування і руйнування пластин із крихких
матеріалів під дією ударного навантаження. Представлено результати чис
лового моделювання ударної взаємодії бойка з багатошаровими пластинами,
до складу яких входить крихкий шар. Розвинуто методики досліджень
крихких матеріалів на стиск і пробій. Проведено зіставлення результатів
експериментальних і числових досліджень.
1. Степанов Г. В. Упругопластическое деформирование и разрушение
материалов при импульсном нагружении. - Киев: Наук. думка, 1991. -
288 с.
2. Харченко В. В. Моделирование процессов высокоскоростного деформи
рования материалов с учетом вязкопластических эффектов. - Киев:
ЛОГОС, 1999. - 280 с.
П оступила 06. 11. 2001
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3 91
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46797 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T17:19:26Z |
| publishDate | 2002 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Харченко, В.В. Майстренко, А.Л. Бабуцкий, А.И. Кондряков, Е.А. 2013-07-06T18:36:24Z 2013-07-06T18:36:24Z 2002 Особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении / В.В. Харченко, А.Л. Майстренко, А.И. Бабуцкий, Е.А. Кондряков // Проблемы прочности. — 2002. — № 3. — С. 86-91. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46797 539.3 Рассмотрены особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении. Представлены результаты численного моделирования ударного взаимодействия бойка с многослойными пластинами, содержащими хрупкий слой. Развиты методики испытаний хрупких материалов на сжатие и пробой. Проведено сопоставление результатов экспериментальных и численных исследований. Розглянуто особливості деформування і руйнування пластин із крихких матеріалів під дією ударного навантаження. Представлено результати числового моделювання ударної взаємодії бойка з багатошаровими пластинами, до складу яких входить крихкий шар. Розвинуто методики досліджень крихких матеріалів на стиск і пробій. Проведено зіставлення результатів експериментальних і числових досліджень. We investigated the peculiarities of deformation and fracture of plates made from brittle materials under impact loading conditions. Numerical simulation results of impact interaction of a striker with multiple plates containing a brittle layer are presented. Procedures for compressive and impact perforation tests of brittle materials have been developed. Experimental data have been compared with available numerical results. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении Peculiarities of Deformation and Fracture of Plates from Brittle Materials under Impact Loading Article published earlier |
| spellingShingle | Особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении Харченко, В.В. Майстренко, А.Л. Бабуцкий, А.И. Кондряков, Е.А. Научно-технический раздел |
| title | Особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении |
| title_alt | Peculiarities of Deformation and Fracture of Plates from Brittle Materials under Impact Loading |
| title_full | Особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении |
| title_fullStr | Особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении |
| title_full_unstemmed | Особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении |
| title_short | Особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении |
| title_sort | особенности деформирования и разрушения пластин из хрупких материалов при ударном нагружении |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46797 |
| work_keys_str_mv | AT harčenkovv osobennostideformirovaniâirazrušeniâplastinizhrupkihmaterialovpriudarnomnagruženii AT maistrenkoal osobennostideformirovaniâirazrušeniâplastinizhrupkihmaterialovpriudarnomnagruženii AT babuckiiai osobennostideformirovaniâirazrušeniâplastinizhrupkihmaterialovpriudarnomnagruženii AT kondrâkovea osobennostideformirovaniâirazrušeniâplastinizhrupkihmaterialovpriudarnomnagruženii AT harčenkovv peculiaritiesofdeformationandfractureofplatesfrombrittlematerialsunderimpactloading AT maistrenkoal peculiaritiesofdeformationandfractureofplatesfrombrittlematerialsunderimpactloading AT babuckiiai peculiaritiesofdeformationandfractureofplatesfrombrittlematerialsunderimpactloading AT kondrâkovea peculiaritiesofdeformationandfractureofplatesfrombrittlematerialsunderimpactloading |