Статья опубликована в №152 (апрель) 2026
Разделы: Физика, Техника
Размещена 16.04.2026. Последняя правка: 15.04.2026.
Просмотров - 227

НАГРУЖЕНИЕ МЕДНОЙ ПРЕГРАДЫ УДАРОМ АЛЮМИНИЕВОЙ ПЛАСТИНЫ

Голубев Владимир Константинович

Кандидат физико-математических наук, доцент

Нижний Новгород; Университет Людвига-Максимилиана, Мюнхен

Независимый эксперт; приглашенный ученый

УДК 620.178.7: 519.677

Введение

В предшествующих экспериментальных работах автора рассматривались случаи, когда медные преграды разного типа нагружались ударом алюминиевой пластины толщиной 4 мм. В частности такие преграды могут служить экранами, к которым крепятся изучаемые образцы других материалов при исследовании их ударно-волновых свойств. Экран в этом случае предохраняет нагружаемый образец от его деформации или даже разрушения при торможении на нем пластины-ударника бόльших продольных размеров. Для примера можно привести некоторые (не все) работы подобного плана [1-4], в которых к медным экранам толщиной 12 мм крепились образцы разных материалов толщиной 4 мм. В работе [1] к медным экранам крепились образцы нескольких полимерных материалов, а в работе [2] образцы свинца. В работах [3, 4] медные экраны являлись кроме того донными частями герметизирующих контейнеров, используемых для испытаний образцов радиоактивных металлов. В работах [5, 6] в качестве нагружаемых преград выступали образцы из меди разной толщины и в разных исходных состояниях. Можно также напомнить, что алюминиевые пластины-ударники (низколегированный сплав АМц) разгонялись путем подрыва на них листовых зарядов пластического взрывчатого вещества через слой технического сукна разной толщины.

В указанных экспериментальных работах условия нагружения образцов оценивались расчетно с использованием ударных адиабат рассматриваемых материалов. Это было обусловлено малой толщиной преград и невысоким пределом текучести меди, из чего следовал приближенный вывод о незначительном изменении формы нагружающего импульса при его прохождении по преграде. Последующее рассмотрение подобных систем потребовало уточнения полученных ранее предварительных оценочных результатов, для чего была проведена серия одномерных расчетов волновых процессов с использованием не только ударных адиабат, но и определяющих соотношений рассматриваемых материалов. В данной работе приведены результаты нескольких такого рода уточняющих расчетов, позволяющих учитывать влияние предела текучести меди на характер нагружения медных преград и систем, включающих такого рода преграды в качестве защитных экранов.

Результаты расчетов

Рассматривались несколько ситуаций, когда медные преграды нагружались ударом алюминиевой пластины толщиной 4 мм. Во-первых, это были относительно толстые преграды, в которых рассматривалось затухание ударно-волновых импульсов. В этом случае полные ударно-волновые импульсы рассматривались на толщинах преграды вплоть до 32 мм и при необходимости выше. Скорости удара алюминиевой пластины брались от 100 до 400 м/с. Во-вторых, в медных преградах, пластинах толщиной 12 мм, при тех же скоростях удара рассматривалось отражение ударно-волновых импульсов от свободных тыльных поверхностей. В-третьих, медные пластины толщиной 12 мм служили в качестве экранов при нагружении находящихся с ними в контакте образцов толщиной 4 мм из свинца, урана и плексигласа. Для скоростей удара алюминиевой пластины брались значения, близкие к образованию в образцах откольного повреждения. В-четвертых, преградами являлись медные образцы разного размера в двух различных исходных состояниях меди. Скорости удара алюминиевой пластины соответствовали здесь условиям зарождения в образцах откольных микроповреждений.

Расчеты проводились в одномерной постановке с использованием расчетной программы ANSYS Autodyn [7] и реализованного в ней метода конечных разностей. Размер счетной ячейки во всех случаях составлял 0.1 мм. Коэффициенты уравнения состояния (Shock) и определяющих соотношений, в качестве которых использовались модели пластичности Мизеса (von Mises) и Стейнберга-Гуинана (Steinberg-Guinan), приводились в базе данных используемой программы [8-10] и указаны в табл.1. Для приведенных в табл. 1 коэффициентов использованы следующие обозначения: ρ₀ – плотность, γ – параметр Грюнайзена, c₀, λ –  коэффициенты линейного D-u – соотношения между массовой и волновой скоростями, G – модуль сдвига, Y – предел текучести, Y_m – максимальный предел текучести. Для модели пластичности Steinberg-Guinan из ее 9 коэффициентов приведены только 3 основные. Для меди использованы две модели пластичности, а именно для пруткового материала в состоянии поставки модель SG, а для листового материала в отожженном состоянии модель vM.

Табл. 1. Коэффициенты уравнений состояния и определяющих соотношений для рассмотренных материалов

Результаты расчета затухания ударно-волновых импульсов в толстых медных преградах представлены на рис. 1 в виде диаграмм давления на координатах 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28 и 32 мм. Скорости удара на четырех отдельных графиках составляют здесь 100, 200, 300 и 400 м/с, и графики расположены на полном рисунке в позициях слева-направо, сверху-вниз. Это подтверждается рассмотрением осей давления на графиках, на которых максимальные давления на этих осях указаны  соответственно как 1*10⁶, 2*10⁶, 3*10⁶, и 4*10⁶ kPa. Диаграммы давления на приведенных координатах указаны соответственно черным, голубым, салатовым, красным, розовым, синим, желтым и зеленым цветом. Рассмотрение этих результатов указывает на тот факт, что максимальное амплитудное значение в нагружающем импульсе давления для всех скоростей удара практически сохраняется до координаты 16 мм, а далее упругая разгрузка начинает играть свою определяющую роль в его снижении. Эти максимальные значения давления на координате 4 мм составляют для увеличивающихся скоростей удара соответственно 1.048, 2.117, 3.236 и 4.374 ГПа.

  

  

Рис. 1. Диаграммы давления в медной преграде толщиной 40 мм на координатах 4-32 мм для скоростей удара 100-400 м/с (слева-направо, сверху-вниз).

Результаты расчета отражения ударно-волновых импульсов от свободных тыльных поверхностей медных пластин толщиной 12 мм для тех же скоростей удара 100, 200, 300 и 400 м/с представлены на рис. 2 в виде диаграмм давления на координатах 7, 8, 9, 10 и 11 мм. Диаграммы давления на приведенных координатах указаны соответственно черным, голубым, салатовым, красным и розовым цветом. Значения максимального (сжимающего) и минимального (растягивающего) давления на координате 9 мм составляют для увеличивающихся скоростей удара соответственно 1.048 и -0.916 ГПа, 2.113 и -1.933 ГПа, 3.216 и -2.959 ГПа, 4.356 и -4.003 ГПа.

  

  

Рис. 2. Диаграммы давления в медной пластине толщиной 12 мм на координатах 7-11 мм для скоростей удара 100-400 м/с (слева-направо, сверху-вниз).

Результаты расчета нагружения образцов свинца, плексигласа и урана толщиной 4 мм, находящихся в контакте с медными экранами толщиной 12 мм и нагружаемыми ударом алюминиевых пластин со скоростями 100 и 200 м/с представлены на рис. 3 в виде диаграмм давления на координатах 0, 1, 2 и 3 мм. Диаграммы давления на приведенных координатах указаны соответственно черным, голубым, салатовым и розовым цветом. Значения максимального (сжимающего) и минимального (растягивающего) давления на координате 2 мм составляют для свинца, плексигласа и урана соответственно 0.867 и -0.756 ГПа, 0.1701 и -0.1511 ГПа, 2.128 и -1.238 ГПа.

  

 

Рис. 3. Диаграммы давления в образцах свинца, плексигласа и урана толщиной 4 мм на координатах 0-3 мм  при нагружении через медный экран толщиной 12 мм для скоростей удара 100, 100 и 200 м/с (слева-направо, сверху-вниз).

Результаты расчета нагружения образца меди толщиной 20 мм, нагружаемого ударом алюминиевой пластины со скоростью 175 м/с, и двух образцов меди толщиной 10 мм, нагружаемых ударом алюминиевой пластины со скоростью 111 м/с представлены на рис. 4 в виде диаграмм давления на координатах 15, 16, 17, 18, 19 мм и 5, 6, 7, 8, 9 мм. Диаграммы давления на приведенных координатах указаны соответственно черным, голубым, салатовым, красным и розовым цветом. Образец меди толщиной 20 мм был изготовлен из прутковой меди в состоянии поставки, а образцы толщиной 10 мм изготавливали из листовой меди в состоянии отжига. Для определения влияния отжига на получаемые результаты в первом случае использовалась модель SG, а во втором случае модель vM. Значения максимального (сжимающего) и минимального (растягивающего) давления на координате 17 мм в случае первого образца составили 1.820 и -1.547 ГПа, а в случаях второго и третьего образцов соответственно 1.164 и -1.039 ГПа, 1.202 и -1.135 ГПа.

  

 

Рис. 4. Диаграммы давления в образцах меди толщиной 20 и 10 мм на координатах 15-19 и 5-9 мм при нагружении со скоростями удара 175 и 111 м/с (для двух моделей прочности) (слева-направо, сверху-вниз).

Заключение

Проведено расчетное изучение нагружения медных преград нескольких типов ударом алюминиевой пластины толщиной 4 мм. Используемые в предшествующих экспериментах преграды в большинстве своем изготавливались из прутковой меди в состоянии заводской поставки. В одном случае рассматривалась преграда из листовой меди в состоянии отжига. Пластины-ударники во всех случаях изготавливались из низколегированного алюминиевого сплава АМц. Расчеты условий нагружения образцов преград проводились в диапазоне скоростей удара 100-400 м/с с использованием вычислительной программы ANSYS Autodyn.

Характер затухания ударно-волновых импульсов рассматривался в относительно толстых медных преградах (40 см) для скоростей удара 100-400 м/с. При этом было отмечено, что во всех случаях для координат более 16 мм упругая разгрузка начинала приводить к ощутимому снижению амплитудного давления в нагружающем импульсе. На максимальной координате 32 мм уже было отмечено значительное снижение амплитудного давления от его начальной величины. Характер отражения ударно-волновых импульсов от тыльных свободных поверхностей пластин толщиной 12 мм рассматривался для тех же  скоростей удара. Условия максимальной интенсивности растяжения реализовывались здесь для всех скоростей удара примерно на расстоянии около 3 мм от свободной поверхности. В случае превышения отрицательным давлением значения откольной прочности меди на этой координате происходило бы образование и развитие откольного разрушения. Подобные медные пластины толщиной 12 мм служили в целом ряде экспериментальных работ в качестве экранов при нагружении находящихся с ними в контакте испытываемых на откольное разрушение образцов из разных материалов. Для примера подобные расчеты рассматривались в работе для таких материалов, как свинец, плексиглас и уран. Результаты по определению условий зарождения откольного разрушения были получены для образцов меди двух конкретных размеров и исходных состояний. Для образца толщиной 20 мм из прутковой меди в состоянии поставки эти условия соответствовали растягивающему отрицательному давлению 1.55 ГПа, а для образца толщиной 10 мм из листового отожженного материала отмечалось снижение до 1.13 ГПа.

1. Голубев В.К., Новиков С.А., Соболев Ю.С. О влиянии температуры на откольное разрушение полимерных материалов // Детонация: Материалы II Всесоюзного совещания по детонации. – Черноголовка: ОИХФ АН СССР, – 1981. – Вып. 2. – С. 123-130.
2. Голубев В.К., Новиков С.А., Соболев Ю.С., Юкина Н.А. Разрушение и вязкость свинца при отколе // ПМТФ. – 1982. – Т. 23, № 6. – С. 108-114.
3. Голубев В.К., Новиков С.А., Соболев Ю.С., Юкина Н.А. Влияние температуры и времени нагружения на прочность и разрушение урана и двух его сплавов с молибденом и цирконием при ударно-волновом нагружении // ВАНТ: Материаловедение и новые материалы. – 1989. – № 2(29). – С. 8-13.
4. Батьков Ю.В., Голубев В.К., Новиков С.А., Соболев Ю.С., Трунин И.Р. О разрушении плутония и его сплава с массовым содержанием галлия 1,6% при ударном нагружении // ВАНТ: Физика ядерных реакторов. – 1991. – Вып. 1. – С. 40-42.
5. Голубев В.К., Новиков С.А., Соболев Ю.С., Юкина Н.А. Влияние температуры на прочность и разрушение меди и никеля при отколе // Проблемы прочности. – 1985. – № 1. – С. 63-65.
6. Голубев В.К., Соболев Ю.С., Юкина Н.А. О влиянии исходного состояния на откольное разрушение меди // Проблемы прочности. – 1996. – № 2. – С. 73-75.
7. Ansys Autodyn User's Manual. Release 15.0. – Canonsburg, PA: ANSYS, Inc., 2013. – 492 p.
8. Equation of State and Strength Properties of Selected Materials. Steinberg D.J. LLNL. Feb 1991.
9. AFATL-TR-84-59. June 1984. Matuska D.A. HULL Users Manual.
10. LA-4167-MS. May 1 1969. Selected Hugoniots.

Рецензии:

21.05.2026, 8:35 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: В статье "НАГРУЖЕНИЕ МЕДНОЙ ПРЕГРАДЫ УДАРОМ АЛЮМИНИЕВОЙ ПЛАСТИНЫ" автором изложено расчетное изучение нагружения медных преград нескольких типов ударом алюминиевой пластины. Полученные данные помогают проверить теоретические физические модели относительно пластичности металлов, адиабатического нагрева и пределов разрушения конструкций. Статью рекомендую к публикации.

24.05.2026, 17:22 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Отношение рецензента к данному автору известно: оно очень уважительное и позитивное. Но почти по всем работам этого автора рецензент делал лишь одно замечание. Это журнал не узкоспециальный, а тем более по его уникальной специальности. Просьба: начните свою статью со слов... "Медные преграды используются в (ракетной, трубостроительной, ... и т.д. в качестве....). При этом их свойства тестируются методами... Интересным бывает параллельный комплекс исследований (измерений...) возникающих при тестировании акустико-гравитационных волн, что для... Электрические токи, гальванические аспекты, почему алюминиевые пластины?.. И пр. Если автор не захочет читателя запустить в свою "кухню" таких специфических исследований и своей деятельности, то рецензент отказывается от рецензирования данной работы.



Комментарии пользователей:

25.05.2026, 21:08 Мирмович Эдуард Григорьевич Отзыв: Рецензент может только полностью повторить то, что сказал выше. Здесь статья может быть опубликована лишь при получении положительной рецензии как минимум от двух рецензентов. По ряду специфических направлений рецензентов по усзкоспециальной тематике автора нет. "Бодаться" с рецензентом - последнее дело. Даже ИИ обозначает представленную автором задачу, мол: задача такого тестирования важна "при экстремальных нагрузках. Это позволяет прогнозировать, как материалы поведут себя при взрывах, ударах, падениях, воздействии лазеров или в авиационно-космической отрасли для предотвращения разрушения конструкций". По-видимому наш автор десятков статей здесь знакомит нас с различными сторонами своей научно-технической деятельности в одной из вышеперечисленных тем. И если автора удовлетворяют рецензии типа: название и рекомендация к печати, то это снижение уровня рецензирования в рецензируемом журнале. Автор достаочно профессионально знаком с научной публицистикой, чтобы требование включать в научные статьи практическую значимость, практические приложения результатов и пр., "мошеннически" (что для него, кажется, не характерно) подменять на научно-популярный и якобы развлекательный формат. Данная статья без указания, для каких практических целей тестируются то медные преграды или пластины, то свинцовые, то другие материалы, не вызовет интереса у широкой научной аудитории, для которой и публикуются научные статьи. И надо не забывать, что публикация научной статьи - это один из эффективных инструментов внедрения НИР. Рецензент удивлён!

Оставить комментарий