Определение динамического предела текучести гетерогенных преград с заданной пористостью
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2026.19.3.19Ключевые слова:
аддитивные материалы, слоистые преграды, динамический предел текучести, высокоскоростное взаимодействие, ударные волны, интенсивность пластических деформаций, модель Джонсона–КукаАннотация
Эффективность современных защитных структур на основе высокотвердых материалов и легких сплавов определяется динамическим откликом системы при высокоскоростном нагружении. Понимание механизмов диссипации энергии в таких преградах требует разработки точных методов экспериментальной регистрации и верификации моделей внедрения и разрушения материалов в реальном времени. Работа направлена на исследование динамического взаимодействия стального сферического тела с монолитными и комбинированными преградами. Найдены значения динамического предела текучести материалов, входящих в состав керамических и металлокерамических слоистых систем, и описаны механизмы разрушения последних. Результаты численного моделирования, реализованного в российском программном комплексе «Reactor3D», сопоставлены с профилограммами кратеров, полученными в высокоскоростных натурных экспериментах. Анализ скорости внедрения выявил ступенчатый характер торможения сферического ударника, что согласуется с волновым характером динамического сопротивления материала. Установлено, что динамический предел текучести алюминиевой подложки существенно возрастает в фазе интенсивного деформирования. У комбинированных преград обнаружен двухступенчатый механизм формирования кратера: высокотвердый лицевой слой (керамика или металлокерамика) поглощает основной импульс и фрагментируется, после чего под воздействием потока высокоскоростных частиц разрушенного слоя в подложке образуется каверна. Показано, что предложенный подход позволяет оценить динамический предел текучести алюминиевого сплава Д16Т с расхождением не более 10% относительно экспериментального значения, а также вычислить эффективный динамический предел текучести комбинированной слоистой преграды.
Скачивания
Библиографические ссылки
Руктуев А.А., Лазуренко Д.В., Колубаев Е.А., Огнева Т.С., Малютина Ю.Н. Технологии аддитивного производства. Новосибирск: НГТУ, 2023. 99 с.
Фомин В.М., Маликов А.Г., Голышев А.А., Булина Н.В., Гулов М.А., Витошкин И.Е., Брусенцева Т.А., Филиппов А.А., Мишин А.В. Структурно-фазовое состояние и механические свойства титаноматричного композита на основе сплава Ti64 и керамики TiB2, полученного при лазерной наплавке // Физическая мезомеханика. 2023. Т. 26, № 5. C. 17–32. DOI: 10.55652/1683-805X_2023_26_5_17
Никитин И.С., Голубев В.И., Никитин А.Д., Стратула Б.А. Численное моделирование усталостного разрушения легких сплавов, полученных по аддитивной технологии // Вычислительная механика сплошных сред. 2025. Т. 18, № 2. C. 173–189. DOI: 10.7242/1999-6691/2025.18.2.13
Крохалев А.В., Харламов В.О., Кузьмин С.В., Лысак В.И. Основы технологии получения износостойких покрытий из смесей порошков карбида хрома с металлической связкой взрывным прессованием // Известия вузов. Цветная металлургия. 2018. № 3. C. 68–83. DOI: 10.17073/0021-3438-2018-3-68-83
Бузюркин А.Е., Краус Е.И., Лукьянов Я.Л. Ударно-волновое компактирование гетерогенных материалов // Инженерно-физический журнал. 2025. Т. 98, № 7. C. 1762–1775.
Савиных A.С., Mandel K., Разоренов С.В., Kruger L. Влияние содержания кобальта на прочностные свойства керамики на основе карбида вольфрама при динамических нагрузках // Журнал технической физики. 2018. Т. 88, № 3. C. 368–373. DOI: 10.21883/JTF.2018.03.45592.2267
Колубаев Е.А., Рубцов В.Е., Чумаевский А.В., Астафурова Е.Г. Научные подходы к микро-, мезо- и макроструктурному дизайну объемных металлических и полиметаллических материалов с использованием метода электронно-лучевого аддитивного производства // Физическая мезомеханика. 2022. Т. 25, № 4. C. 5–18. DOI: 10.55652/1683-805X_2022_25_4_5
Зыкова А.П., Николаева А.В., Воронцов А.В., Чумаевский А.В., Никонов С.Ю., Москвичев Е.Н., Гурьянов Д.А., Савченко Н.Л., Колубаев Е.А., Тарасов С.Ю. Влияние концентрации меди на эволюцию зеренной структуры сплава Ti-6Al-4V при электронно-лучевом аддитивном производстве // Физическая мезомеханика. 2022. Т. 25, № 6. C. 5–25. DOI: 10.55652/1683-805X_2022_25_6_5
Плехов О.А., Костина А.А., Изюмов Р.И., Изюмова А.Ю. Конечно-элементный анализ остаточных напряжений, возникающих в результате лазерной ударной проковки титанового сплава ВТ6 // Вычислительная механика сплошных сред. 2022. Т. 15, № 2. C. 171–184. DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.2.13
Бартоломей М.Л., Изюмова А.Ю., Гачегова Е.А., Вшивков А.Н., Плехов О.А., Swaroop S. Численный анализ остаточных напряжений при двухстороннем симметричном лазерном ударном упрочнении тонких пластин из титанового сплава ВТ6 // Вычислительная механика сплошных сред. 2024. Т. 17, № 4. C. 411–421. DOI: 10.7242/1999-6691/2024.17.4.33
Poole L.L., Gonzales M., French M.R., Yarberry W.A., Moustafa A.R., Cordero Z.C. Hypervelocity impact of PrintCast 316L/A356 composites // International Journal of Impact Engineering. 2020. Vol. 136. 103407. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2019.103407
Kraus A., Buzyurkin A., Shabalin I., Kraus E. Numerical Modelling of High-Speed Loading of Periodic Interpenetrating Heterogeneous Media with Adapted Mesostructure // Applied Sciences. 2023. Vol. 13, no. 12. 7187. DOI: 10.3390/app13127187
Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. Т. 1, 2: в 2 т. / под ред. В.Е. Панин. Новосибирск: Наука, 1995. 298+320
Mikushina V.A., Smolin I.Y., Sidorenko Y.N. Numerical modeling and prediction of mechanical properties of ceramic composite // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Vol. 919, no. 1. 012013. DOI: 10.1088/1742-6596/919/1/012013
Romanova V., Balokhonov R. A method of step-by-step packing and its application in generating 3D microstructures of polycrystalline and composite materials // Engineering with Computers. 2021. Vol. 37, no. 1. P. 241–250. DOI: 10.1007/s00366-019-00820-2
Wriggers P., Moftah S.O. Mesoscale models for concrete: Homogenisation and damage behaviour // Finite Elements in Analysis and Design. 2006. Vol. 42, no. 7. P. 623–636. DOI: 10.1016/j.finel.2005.11.008
Shilko E.V., Smolin A.Y., Dimaki A.V., Eremina G.M. Particle-Based Approach for Simulation of Nonlinear Material Behavior in Contact Zones // Multiscale Biomechanics and Tribology of Inorganic and Organic Systems. Springer Science, Business Media Deutschland GmbH, 2021. P. 67–89. DOI: 10.1007/978-3-030-60124-9_4
Skripnyak V.A., Skripnyak E.G., Kozulin A.A., Skripnyak V.V., Korobenkov M.V. Computer simulation of the relation between mechanical behavior and structural evolution of oxide ceramics under dynamic loading // Russian Physics Journal. 2009. Vol. 52, no. 12. P. 1300–1308. DOI: 10.1007/s11182-010-9371-8
Radchenko A.V., Batuev S.P., Radchenko P.A., Melnikov A.Y. Modeling of the Interaction of a Composite Orthotropic Plate with Ice Particles // Russian Physics Journal. 2023. Vol. 66, no. 7. P. 763–770. DOI: 10.1007/s11182-023-03003-1
Кобылкин И.Ф., Селиванов В.В. Материалы и структуры легкой бронезащиты. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. 192 с.
Bannikova I.A., Saveleva N.V., Bannikov M.V., Uvarov S.V., Naimark O.B. Dynamic Fragmentation of Ceramics Based on Carbon and Silicon Carbide // Russian Physics Journal. 2024. Vol. 67, no. 9. P. 1442–1448. DOI: 10.1007/s11182-024-03266-2
Фомин В.М., Голышев А.А., Косарев В.Ф., Маликов А.Г., Оришич А.М., Ряшин Н.С., Филиппов А.А., Шикалов В.С. Создание гетерогенных материалов на основе порошков B4C и Ni методом холодного газодинамического напыления с последующим послойным лазерным воздействием // Прикладная механика и техническая физика. 2017. Т. 58, № 5. C. 218–227. DOI: 10.15372/PMTF20170522
Фомин В.М., Голышев А.А., Косарев В.Ф., Маликов А.Г., Оришич А.М., Филиппов А.А. Создание металлокерамических структур на основе Ti, Ni, WC и B4C с применением технологии лазерной наплавки и холодного газодинамического напыления // Физическая мезомеханика. 2019. Т. 22, № 4. C. 5–15. DOI: 10.24411/1683-805X-2019-14001
Lee M., Park S., Jo I., Lee S. Analysis of metal matrix composite (MMC) applied armor system // Procedia Engineering. 2017. Vol. 204. P. 100–107. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.09.761
Фомин В.М., Краус Е.И., Шабалин И.И., Краус А.Е., Бузюркин А.Е. Высокоскоростное взаимодействие гетерогенных материалов. Новосибирск: Сибирское отделение РАН, 2025. 437 с. DOI: 10.53954/9785605099697
York Duran J.L., Kuhn C., Müller R. Modeling of the Effective Properties of Metal Matrix Composites Using Computational Homogenization // Applied Mechanics and Materials. 2017. Vol. 869. P. 94–111. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.869.94
Радченко П.А., Батуев С.П., Радченко А.В. Влияние биметаллической оболочки и вращения на взаимодействие ударника с металлокерамической полубесконечной преградой // Вычислительная механика сплошных сред. 2025. Т. 18, № 1. C. 32–44. DOI: 10.7242/1999-6691/2025.18.1.3
Батуев С.П., Радченко П.А., Радченко А.В. Моделирование разрушения пластины из градиентного материала на основе стали и титана при ударно-волновом нагружении // Прикладная механика и техническая физика. 2025. Т. 66, № 5. C. 178–187. DOI: 10.15372/PMTF202515665
Кристенсен Р.М. Введение в механику композитов. М.: Мир, 1982. 384 с.
Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука, 1977. 400 с.
Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. М.: Изд-во МГУ, 1984. 336 с.
Болотин В.В., Новичков Ю.Н. Механика многослойных конструкций. М.: Машиностроение, 1980. 376 с.
Бахвалов Н.С., Панасенко Г.П. Осреднение процессов в периодических средах. М.: Наука, 1984. 352 с.
Saucedo-Mora L., Marrow T.J. FEMME: A multi-scale Finite Element Microstructure MEshfree fracture model for quasi-brittle materials with complex microstructures // Engineering Fracture Mechanics. 2015. Vol. 147. P. 355–372. DOI: 10.1016/J.ENGFRACMECH.2015.05.059
Краус А.Е., Краус Е.И., Шабалин И.И. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2024684051. Программный комплекс моделирования процесса динамического взаимодействия гомогенных и гетерогенных деформируемых твердых тел "Reactor3D". Российская Федерация, ИТПМ СО РАН, 2024
Wilkins M.L. Computer Simulation of Dynamic Phenomena. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1999. 246 p. Scientific Computation. DOI: 10.1007/978-3-662-03885-7
Краус А.Е., Бузюркин А.Е., Шабалин И.И., Краус Е.И. Идентификация свойств и величины предельного откольного разрушения гетерогенных материалов в динамических процессах // Физическая мезомеханика. 2024. Т. 27, № 1. C. 64–80. DOI: 10.55652/1683-805X_2024_27_1_64-80
Бузюркин А.Е., Краус А.Е., Краус Е.И., Шабалин И.И. Определение эффективного динамического предела текучести гетерогенных материалов // Прикладная механика и техническая физика. 2024. Т. 65, № 3. C. 142–151. DOI: 10.15372/PMTF202315399
Tuler F.R., Butcher B.M. A criterion for the time dependence of dynamic fracture // International Journal of Fracture Mechanics. 1968. Vol. 4, no. 4. P. 431–437. DOI: 10.1007/BF00186808
Johnson G.R., Cook W.H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures // Engineering Fracture Mechanics. 1985. Vol. 21, no. 1. P. 31–48. DOI: 10.1016/0013-7944(85)90052-9
Филиппов А.А., Краус А.Е., Дик Д.В. Моделирование процессов ударного нагружения гетерогенных материалов на основе карбида бора с добавлением диборида хрома (CrB2) // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математическое моделирование и программирование. 2026. Т. 19, № 1. C. 42–53. DOI: 10.14529/mmp260105
Lesuer D.R. Experimental Investigations of Material Models for Ti-6Al-4V Titanium and 2024-T3 Aluminum: Technical report / Lawrence Livermore National Laboratory. 2000. P. 41. DOT/FAA/AR–00/25
Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е. Экспериментальные профили ударных волн в конденсированных веществах. М.: Физматлит, 2008. 246 с.
Экспериментальные данные по ударно-волновому сжатию и адиабатическому расширению конденсированных веществ / под ред. Р.Ф. Трунина. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2006. C. 531.
Краус А.Е., Бузюркин А.Е., Девушкин М.П., Кашкаров А.О., Краус Е.И., Прууэл Э.Р., Тен К.А., Фомин В.М., Шабалин И.И. Моделирование скоростной рентгенографии с источником синхротронного излучения для задач динамического взаимодействия твердых гетерогенных тел // Физика горения и взрыва. 2026. DOI: 10.15372/FGV2026.9653
Медведев А.Е., Краус Е.И., Шабалин И.И. Решения задач о внедрении компактных и удлиненных тел в полупространство // Инженерно-физический журнал. 2025. Т. 98, № 7. C. 1776–1786.
Алексеевский В.П. К вопросу о проникании стержня в преграду с большой скоростью // Физика горения и взрыва. 1966. Т. 2, № 2. C. 99–106.
Tate A. Further results in the theory of long rod penetration* // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1969. Vol. 17, no. 3. P. 141–150. DOI: 10.1016/0022-5096(69)90028-3
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2026 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
