Воздействие подводного взрыва на систему стальных преград

В работе представлено описание математической модели, а также результаты математического моделирования процесса воздействие подводного взрыва на систему стальных преград.

Математическое моделирование выполнено с использованием программы LS-DYNA версии 970.

Рассматривался процесс воздействия подводного взрыва на систему стальных преград.

Система преград состояла из четырех параллельно расположенных пластин.

Считалось, что каждая пластина жестко закреплена в опорной конструкции, которая образует замкнутое пространство. Конструкция погружена в воду. Внутри конструкция разделена пластинами на три объема (камеры).

Вторая камера частично заполнена водой. Общий вид рассматриваемой конструкции показан на рис. 1a. Геометрические размеры приведены на рис. 1б и считаются известными.

Цилиндрический заряд известной массы и размеров установлен в центре первой пластины.

Заряд инициируется из середины. Физико-механические и энергетические характеристики взрывчатого вещества считались известными.

Пластины изготовлены из углеродистой стали. Характеристики физико-механических свойств материала преград, в том числе и характеристики механических свойств, определяемые в результате испытаний лабораторных образцов на растяжение по ГОСТ 1497, считались также известными.

Целью математического моделирования являлось определение следующих качественных и количественных характеристик процессов деформирования и разрушения преград при воздействии на них взрыва:

- характер разрушения первой и второй пластин;

- динамика распространения продуктов взрыва;

- параметры ударной волны во второй (частично заполненной водой) камере;

- динамика деформирования и конечный прогиб третьей пластины;

- динамика деформирования и конечный прогиб четвертой пластины.

1а	1б

При моделировании рассматриваемого процесса использован многокомпонентный эйлеровый подход к описа-нию движения воды и продуктов детонации и лагранжевый подход к описанию движения пластин.

При создании конечно-элементной модели для моделирования пластин были использованы оболочечные эле-менты Белычко-Тая (второй тип оболочечных элементов программы LS-DYNA), для моделирования воды и продуктов детонации были использованы ALE-элементы (одиннадцатый тип объемных элементов программы LS-DYNA).

Конечно-элементная модель включала 260703 элемента и 264191 узел.

Связывание движения частей рассматриваемой механической системы с различным типом механического поведения осуществлялось с помощью ключевого слова *CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID.

Для описания поведения материалов преград была использована упругопластическая модель материала с изотропным упрочнением (третья модель материала программы LS-DYNA) с деформационным критерием разруше-ния. Для моделирования поведения взрывчатого вещества использовалась модель Джонса-Уилкинса-Ли-Бакера (JWLB).

Для моделирования поведения воды использовалось уравнение состояния Ми-Грюнайзена (четвертое уравнение состояния программы LS-DYNA).

Для воздушной области использовалась модель вакуума *MAT_VACUUM (сто сороковая модель материала про-граммы LS-DYNA).

Некоторые результаты математического моделирования процесса воздействия взрыва на систему стальных преград представлены на рис. 2...4.

На рис. 2 показаны распределения плотности материала в расчетной области в различные моменты времени. Данные распределения позволяют выявить закономерности формирования заполненной продуктами детонации полости, разрушения первой преграды, появления полости за первой преградой, распространения возмущения до второй преграды, слияния полости, заполненной продуктами детонации, с воздушной полостью, расположенной над конструкцией.

Отраженная на рис. 2 динамика распространения продуктов детонации соответствует представлениям о рас-сматриваемом процессе.

a	б	в
Рис. 2. Распределения плотности материала в расчетной области в различные моменты времени (кг/м3): а - t = 50 мкс; б - t = 250 мкс; в - t = 1650 мкс
a	б	в
Рис. 3. Распределения интенсивности напряжений в пластинах в различные моменты времени (Па): а - t = 50 мкс; б - t = 250 мкс; в - t = 1650 мкс

На рис. 3 представлены распределения интенсивности напряжений в пластинах в различные моменты времени. Данные распределения позволяют выявить следующие закономерности разрушения первой и второй преграды, а так-же распространения возмущения до третьей и четвертой преграды:

- детонация заряда взрывчатого вещества, размещенного в центре первой преграды, на начальной стадии про-цесса вызывает быстрое ускорение прилегающей к заряду круглой области преграды, интенсивность этого воздействия на преграду при увеличении расстояния от заряда быстро уменьшается;

- возмущение распространяется к закрепленным сторонам преграды и, отражаясь от них, движется к центру преграды, вызывая в центре пластины разрушение характерной формы;

- разрушение первой преграды вызывает расширение полости, заполненной продуктами детонации, во вторую камеру, возмущение передается на вторую преграду.

Рис. 4. Графики зависимостей продольного перемещения
центров пластин (м) от времени (с)

Следует заметить, что в рассматриваемой задаче есть, по крайней мере, два процесса, которые имеют различные масштабы времени - «быстрый» - процесс взрывного превращения и распространения прямой ударной волны, «медленный» - инерционного расширения полости, заполненной продуктами дето-нации, и ее взаимодействия с воздушной областью.

На рис. 4 представлены графики зависимостей продольного перемещения центров всех четырех пластин от времени, которые свидетельствуют о ко-лебательном характере движения первой пластины и позволяют сделать количественные оценки динамики деформирования и величин конечного прогиба пла-стин