Исследование разрушения природных материалов при ударных и взрывных нагрузках

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-29-00187

НазваниеИсследование разрушения природных материалов при ударных и взрывных нагрузках

Руководитель Орлов Максим Юрьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова лед, карбонат, модель, метод, моделирование, эксперимент, разрушение

Код ГРНТИ30.19.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проектом запланированы комплексные теоретико-экспериментальные исследования поведения геологических материалов при ударных и взрывных нагрузках. Актуальность исследований обусловлена необходимостью развития северных территорий, увеличением добычи природных ископаемых в районах вечной мерзлоты и Крайнего Севера, борьбой с ледовыми заторами на сибирских реках, созданием защит от микрометеоритов, некоторыми военными приложениями и т.п. Основная сложность заключаться в том, что лед является малоизученным природным материалом, а основные концепции льда еще только разрабатываются. Экспериментальные исследования включают лабораторные эксперименты и полномасштабные (натурные) эксперименты. Объектом исследования выбраны речной лед средней толщины, кожеляционный/искусственный лед, известняк как часть карбонатного коллектора. Лабораторные эксперименты заключаются в исследовании процесса взаимодействия ударников разной геометрии с ледяными блоками, многослойными преградами (лед + металл + гранит). Полномасштабные (натурные) UNDEX-эксперименты будут проведены весной 2024 года совместно с ООО КузбасСпецВзрыв (Кемерово) и МЧС по ТО. Основное отличие от классических взрывных работ в том, что лед над зарядом ВВ является сплошным в радиусе до 10 метров. Эксперименты по взрывного нагружению известняка будут проведены на одном из карьеров Кемеровского области. В проекте будет развита физико-математическая модель деформирования и разрушения геологических материалов (льда, известняка) при ударных и взрывных нагрузках. Численные исследования направлены на выявление основных механизмов и закономерностей поведения материалов в труднодоступной для эксперимента области начальных условий, а именно: при внедрении в лед и лед на гранитной подложке крупногабаритных ударников с наполнителем, при подрыве ледяного покрова различными ВВ (включая взрывную смесь). Научная новизна заключается в следующем: - в адекватной физико-математической модели деформирования и разрушения геологических материалов (льда, гранита) при динамических (ударных и взрывных) нагрузках, - в численном методе расчета взрывного нагружения геологических материалов (улучшенный алгоритм расчета контактных поверхностей и т.п.), - в новых теоретических и экспериментальных результатах о поведение геологических материалов при динамическом нагружении и рекомендациях по их использованию для МЧС по ТО.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведена серия лабораторных экспериментов по соударению компактных ударников, а также ударника с закругленной головной частью с ледяными преградами. Преграды отличались количеством ледяных цилиндров, а также температурой заморозкой льда (использовался лед, полученный в климатической камере и естественных условиях). Процесс нормального соударения фиксировался на высокоскоростную камеру для последующего детального изучения процесса. Установлен доминирующий процесс разрушения льда, отсутствие укорочения ударника и пластической деформации его носовой части. Получено, что при действии высокоскоростного ударника с закругленной головной частью после пробития монолитной ледяной преграды его скорость падала на 20% и более. Экспериментальным путем установлено, что при низкоскоростном соударении компактного сферического ударника с ледяными блоками ударный кратер во льду имел V-образную форму. При этом во всех случаях, глубина внедрения была больше диаметра ударника. Установленные закономерности процесса соударения согласуются с экспериментальными и теоретическими результатами, полученными другими научными коллективами. Проведены полномасштабные эксперименты по подрыву речного льда (объект исследования-бесснежный ледяной покров) эмульсионной гражданской взрывчаткой Эмуласт-АС-ФМ массой 4 кг (в тротиловом эквиваленте 3.25 кг по теплоте взрыва). Толщина льда 75 см, приблизительный возраст 125 дней. Реализован классический эксперимент по подводному взрыву. Взрыв осуществлен в воде, а взрывчатка располагалась параллельно ледяному покрову в воде. Получен устойчивый научный результат, а именно: майна в ледяном покрове в форме окружности с центром в эпицентре взрыва, развитая кромка льда, отсутствие радиальных трещин вне майны. Морфологию разрушения льда детально изучить не удалось, осколки льда имели различные размеры и форму, в том числе около 50 см. На фоне большого количества появляющихся новых работ по данной теме был дополнен аналитический обзор. Выявленные работы китайских коллег не противоречат целям и задачам настоящего проекта, а делают некоторые уточнения в части проведения экспериментальных работ. Так, отталкиваясь от новых экспериментальных данных, были построены и модифицированы конечно-элементные модели объектов исследования, что позволило существенно сэкономить вычислительные ресурсы. Путем введения в расчетную часть дополнительных алгоритмов был модифицирован численный лагранжев метод расчетов. Согласно терминологии акад. Фомина В.М. (ИТПМ СО РАН), метод содержит новый способ выделения поверхностей разрыва сплошности материалов, который не накладывает серьезных ограничений на решение современных многоконтактных задач МДТТ. На данном этапе был предложен улучшенный алгоритм расчета контактных и свободных поверхностей, который более точно описывает поверхность разрушения между продуктами детонации и взаимодействующими материалами с различными физико-механическими свойствами. Развита физико-математическая модель разрушения льда. Согласно терминологии проф. В.В. Селиванова (МГТУ им. Н.Э.Баумана) были проведены внутренние и количественные тесты, направленные на верификацию самой модели и алгоритмов расчета. Расчетные данные сравнивались с аналитическим решением Ренкина - Гюгонио, а также с результатами лабораторных экспериментов, в том числе с экспериментальными данными из НАСА, Харбинского инженерного университета и Томского государственного университета. Получено хорошее согласие между аналитическими, экспериментальными и расчетными данными. Результаты экспериментальных исследований дебютировали в творческом конкурсе научных видеороликов и фотографий "Снимай науку" (https://naukatv.festivalnauki.ru/) в нескольких номинациях, однако, не попали в шорт-лист победителей на момент подписания отчета.

Публикации

1. Орлов М.Ю., Глазырин В.П., Орлова Ю.Н. IMPACT RESISTANCE OF DESIGN COMPOSED OF ICE BLOCK AND THIN METAL PLATE IMPACTED BY HIGH-VELOCITY OGIVAL PROJECTILE Proceedings of the XII All Russian Scientific Conference on Current Issues of Continuum Mechanics and Celestial Mechanics, Orlov, M.Y., Glazyrin, V.P., Orlova, Y.N. (2024). Impact Resistance of Design Composed of Ice Block and Thin Metal Plate Impacted by High-Velocity Ogival Projectile. In: Orlov, M.Y., Visakh, P.M. (eds) Proceedings of the XII All Russian Scientific Conference on Current Issues of Continuum Mechanics and Celestial Mechanics. CICMCM 2023. Springer Proceedings in Physics, vol 412. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-97-1872-6_32 (год публикации - 2024)
10.1007/978-981-97-1872-6_32

2. Орлов М.Ю., Глазырин В.П., Фазылов Т.В. КОМПЛЕКСНОЕ ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УДАРНО-ВЗРЫВНОГО НАГРУЖЕНИЯ ЛЬДА Арктика: прикладные и фундаментальные задачи ледотехники [Электронный ресурс] :сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. / Приамур. гос. ун-т им. Шолом-Алейхема. — Электрон.текст. дан. (1 файл: 6,00 Мб). — Биробиджан : ИЦ ПГУ им. Шолом-Алейхема, 2024. — 1 электрон., опт.диск (CD-ROM). Системные требования: IBMPC; AcrobatReader 3.0 или старше. — Загл. с этикетки диска, Арктика: прикладные и фундаментальные задачи ледотехники [Электронный ресурс] :сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. / Приамур. гос. ун-т им. Шолом-Алейхема. — Электрон.текст. дан. (1 файл: 6,00 Мб). — Биробиджан : ИЦ ПГУ им. Шолом-Алейхема, 2024. — 1 электрон., опт.диск (CD-ROM). Системные требования: IBMPC; AcrobatReader 3.0 или старше. — Загл. с этикетки диска (год публикации - 2024)

3. Орлов М.Ю., Глазырин В.П., Фазылов Т.В. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОБИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗО ЛЬДА, ЗАЩИЩЕННЫХ ТОНКИМИ СТАЛЬНЫМИ ПЛАСТИНАМИ Решетневские чтения [Электронный ресурс] : материалы XXVIII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию со Дня рождения генерального конструктора ракетно-космических систем академика Михаила Федоровича Решетнева (18–22 ноября 2024, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. – Электрон. текстовые дан. (1 файл: 30,6 МБ). – Систем. требования : Internet Explorer; Acrobat Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата .pdf) ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Красноярск, 2024. – Ч. 1. – Режим доступа: https://reshetnev.sibsau.ru/page/materialy-konferentsii. – Загл. с экрана., Орлов, М. Ю. Численное исследование процеса пробития конструкций изо льда, защищенными тонкими стальными пластинами / М. Ю. Орлов, В. П. Глазырин, Т. В. Фазылов // Решетневские чтения : Материалы XXVII Международной научно-практической конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева. В 2-х частях, Красноярск, 18–22 ноября 2024 года. – Красноярск: Сибирский государственный университет науки и технологий им. акад. М.Ф. Решетнева, 2024. – С. 712-714. (год публикации - 2024)

4. Орлов М.Ю., Глазырин В.П., Фазылов Т.В. Research of perforation of structures composing of ice block, thin and monolithic steel plates by a high-speed ogival striker Behavior of Materials under Impact, Explosion, High Pressures and Dynamic Strain Rates Electronic. Edition 2, Springer Nature, Berlin, Behavior of Materials under Impact, Explosion, High Pressures and Dynamic Strain Rates Electronic. Edition 2, Springer Nature, Berlin (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-031-92878-9_9

5. Орлов М.Ю., Глазырин В.П., Фазылов Т.В. Исследование процесса пробития конструкций изо льда и тонких металлических пластин Всероссийский научный журнал "Механика композиционных материалов и конструкций", Номер 1, Том 31 (год публикации - 2025)
10.33113/mkmk.ras.2025.31.01.10

6. ФАЗЫЛОВ Т.В., ОРЛОВ М.Ю., ГЛАЗЫРИН В.П. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ СОДЕРЖАЩИХ ЛЕД И СТАЛЬНЫЕ ПЛАСТИНЫ Наука Промышленность Оборона : Труды XXV Всероссийской научно- технической конференции. В 4-х томах, Новосибирск, 17–19 апреля 2024 года. – Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2024, Фазылов, Т. В. Численное моделирование процесса разрушения конструкций содержащих лед и стальные пластины / Т. В. Фазылов, М. Ю. Орлов, В. П. Глазырин // Наука Промышленность Оборона : Труды XXV Всероссийской научно- технической конференции. В 4-х томах, Новосибирск, 17–19 апреля 2024 года. – Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2024. – С. 98-104. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Проведены лабораторные эксперименты по соударению металлических ударников с однородными и многослойными металлическими преградами при низких скоростях. Установлено, что ударник с закругленной головной частью насквозь пробивает монолитные и двухслойные преграды (без воздушного зазора между пластинами). После пробития головная часть ударника деформируется, при этом диаметр пробоины приблизительно равен диаметру ударника. Из преграды выбивается пробка с загнутыми краями. Установлено, что в зависимости от количества слоев в преграде ударник теряет до 60% от своей начальной скорости. При пробитии монолитной, двухслойной и пятислойных ледяных преград пластической деформации носовой части ударника обнаружено не было. 2. Развита физико-математическая модель поведения природных материалов при ударно-волновых и взрывных нагрузках. За основу модели взята сложная модель механики сплошных сред, учитывающая прочность, сжимаемость, пористость, упруго-пластические свойства, а также образование отрывных и сдвиговых разрушений. Действие продуктов детонации описывается политропой Ландау - Станюковича. В расчетах рассмотрен лед без фазовых переходов с усредненными физико-механическими характеристиками из открытой литературы. С целью апробации модели и проведены внутренние и количественные тесты, а также сравнение с результатами других авторов. Решены тестовые задачи об ударе стального и ледяного цилиндров по жесткой стенке. Предметом сравнения было укорочение цилиндра и скорость волны разрушения во льду. Кроме того, сделан анализ чувствительности расчетной сетки на трех узловых и пяти узловых элементах для выбора наиболее эффективной конечно-элементной модели. 3. Проведены параметрические исследования высокоскоростного удара льда о стальные преграды различной толщины, рассчитана энергия поглощения и определена предельная толщина их пробития. Проведены параметрические исследования высокоскоростного соударения льда с многослойными пластинами под которыми находился ледяной блок. Выявлен доминирующий механизм разрушения льда и механизм пробития стальных преград, а также установлены особенности разрушения льда в результате действия ударника и движения тыльной поверхности. Установлено влияние двукратного увеличения прочностных характеристик алюминиевых преград на действие ледяного ударника в диапазоне от 460 до 1300 м/с. Получено, что увеличение откольной прочности придавало преградам наибольшую ударную стойкость. Установлено, что с увеличением глубины закладки ВВ уменьшалось пиковое давление в контрольных точках и объем разрушений ледяного покрова. 4. Результаты доложены и апробирован на профильных научных конференциях в РФ и за рубежом (ОАЭ). По результатам исследований опубликованы три статьи, в том числе в научных журналах "Проблемы прочности и пластичности" (ISSN 1814-9146), "Инженерно-физический журнал" (ISSN 0021-0285), "Транспортные системы" (ISSN 2782-5477), а также в Материалах и Сборниках конференций на русском и английском языках.

Публикации