Аннотация результатов, полученных в 2024 году
I. Обоснование возможности и необходимости использования Лагранжева подхода для задач гиперскоростного взаимодействия. В качестве пассивной защиты космических аппаратов широко применяются разнесенные конструкции, состоящие из одного или двух тонких экранов. При высокоскоростном взаимодействии с тонким экраном происходит фрагментация космической частицы и перераспределение ее кинетической энергии, что приводит к уменьшению ее поражающей способности и сохранению защищаемой конструкцию. Исследования взаимодействия осколков космического мусора с элементами пассивной защиты весьма актуальны, т.к. позволяют прогнозировать результат взаимодействия и оптимизировать массогабаритные параметры космических аппаратов исходя из используемых материалов и конструктивных решений. Основным методом исследования гиперскоростного удара (Hyper Velocity Impact, HVI) является численный эксперимент. Несмотря на сложности, возникающие при моделировании HVI Лагранжевым методом конечных элементов, его возможности, на наш взгляд, до конца не исчерпаны. Внедрение в методику расчета алгоритмов разделения узлов и эрозионного разрушения позволяет сохранять энергию и массу системы на приемлемом уровне. У FEM есть достаточно много достоинств: возможность моделировать конструкции сложной геометрии; точность описания границ (свободных, контактных, границ раздела материалов), что существенно для описания ударно-волновых процессов и моделирования поведения слоистых и разнесенных защитных экранов для оценки эффективности пассивной защиты. Важным аспектом при моделировании HVI является корректный учет фазового состава образующихся осколков. Наибольшей поражающей способностью обладают частицы, находящиеся в твердой фазе, меньшую опасность представляют расплавленные частицы. С увеличением скорости взаимодействия доля твердой фазы в осколочном потоке уменьшается. При увеличении скорости удара с 5 до 10 км/с доля твердой фазы уменьшается с 99.34 до 11.72%. При этом суммарная доля частиц в твердой, твердожидкой и жидкой фазе при скорости удара 10 км/с составляет 94.88%, на газовую фазу приходится 5.12%. Следует отметить, что данные оценки получены в рамках численного моделирования. Экспериментально определить точно фазовый состав осколочного потока при скоростях взаимодействия более 8 км/с весьма проблематично. Для оценки поражающего воздействия осколочного потока достаточно при моделировании учесть частицы, находящиеся в твердой, твердожидкой и жидкой фазах. В рамках реализованного подхода для описания разрушения используется критерий предельной интенсивности пластических деформаций и критерий по максимальным нормальным растягивающим напряжениям. При нарушении одного из критериев материал полагается разрушенным. Поведение материалов описывается упругопластической средой. При таком подходе материал образующихся осколков будет находится в конденсированном состоянии – в твердой фазе или состоянии текучести, т.е. оценка поражающей способности осколочного потока проводится по верхней границе. Для расчета шаровой части тензора напряжений (давления) используется уравнение, полученное аппроксимацией экспериментальных данных полиномом третей степени. Для валидации модели и алгоритма было проведено сравнение по глубине кратера в преграде из алюминиевого сплава 2024-T3 Al при взаимодействии с алюминиевой частицей диаметром 3.2 мм со скоростью 7.4 км/с полученное в эксперименте (6.61 мм) и расчете (6.38 мм). Расхождение составило 3.5%. II. Численная методика адаптирована для расчета на видеоускорителях с учетом особенностей распараллеливания на графических процессорах. Использование параллельных вычислений для решения задач механики деформируемого твердого тела позволяет существенно повысить масштаб и точность решения задач. При моделировании гиперскоростного взаимодействия тел возникают большие пластические деформации и, как следствие, большие искажения расчетной сетки. С учетом применения условий устойчивости численного решения это ведет к падению шага по времени и многократному увеличению объема требуемых вычислений. Переход от центральных процессоров к графическим ускорителям позволяет сохранить скорость решения задач на приемлемом уровне даже для скоростей взаимодействия свыше 10 км/с. III. Исследование гиперскоростного взаимодействия частицы с монолитными и слоисто-разнесенными преградами. Было проведено численное моделирование взаимодействия алюминиевой частицы диаметром 5 мм с монолитной преградой из алюминиевого сплава 2024-T3 Al толщиной 4 мм и слоисто-разнесенной преградой эквивалентной толщины, состоящей из экрана толщиной 1 мм и второй преграды толщиной 3 мм. Расстояние между экраном и второй преградой составляло 10 мм. Рассмотрен диапазон скоростей взаимодействия 3–15 км/с. Выводы по результатам работы: 1. Предложенные модель и алгоритмы разрушения и разделения элементов расчетной сетки описывают образование новых контактных и свободных границ, и позволяют проводить расчеты в рамках Лагранжева подхода при скоростях взаимодействия до 15 км/с. 2. Программный комплекс адаптирован для расчетов на графических процессорах. 3. Тестовые расчеты показали хорошее согласие с экспериментом по конечному результату взаимодействия – глубине кратера. 4. Проведены расчеты по оценке эффективности модельных монолитных и разнесенных защитных экранов. Результаты расчетов подтвердили увеличение эффективности защитных свойств разнесенных конструкций по сравнению с монолитными эквивалентной толщины, с увеличением скорости взаимодействия. 5. В рамках предложенного подхода можно проводить расчеты по оценке эффективности защитных свойств элементов пассивной защиты космических аппаратов.