Лаборатории - Отдел механики деформируемого твердого тела

Направление исследований:
Направление исследований – решение фундаментальной проблемы механики деформируемого твердого тела, связанной с деформированием, разрушением и фрагментацией широкого класса материалов и конструкций в условиях динамического нагружения  при высокоскоростном ударе. 
Целью исследований является проведение сравнительного анализа эффективности перспективных композиционных материалов, а именно наноматериалов, керамических и металлокерамических материалов комбинированного строения на основе тугоплавких соединений и сплавов со специальными свойствами, ориентированными на эффективное функционирование в условиях интенсивных динамических нагрузок в составе многофункциональных ударников и преград. Предусматривается проведение экспериментальных исследований, компьютерного моделирования, инженерных оценок и расчетов проникающего и пробивного действия ударников, деформирования, разрушения и дробления материалов комбинированных преград и конструкций при высокоскоростном соударении при скоростях до 6 км/с, а также усовершенствование физико-математических моделей и инженерных методов расчета в данном направлении.
Основная задача – проведения экспериментальных исследований, физического и компьютерного моделирования и  сравнительного анализа эффективности перспективных легких сплавов и композитных материалов, таких как керамики, металлокерамики и наноструктурные материалы, входящих в состав комбинированной защиты космической и военной техники, инженерных сооружений, что составляет важное направление исследований в рамках указанной проблемы и полностью совпадает с целями выполненных исследований.

Важнейщие результаты, полученные за все время:

Проведены экспериментальные исследования и выполнены инженерных оценки пробивной способности компактных (шарики) и цилиндрических стержневых ударников при ударе по преградам конечной толщины, слоистым, экранированным и разнесенным преградам. Получены экспериментальные данные, объясняющие характер разрушения преград в процессе высокоскоростного удара. Так, тыльное разрушение преград по типу «срезания пробки» или «прокол» характерно при пробитии преград недеформируемыми ударниками. В испытаниях установлено, что в случае пробития преград деформированными стержневыми ударниками изменяется характер тыльного разрушения: для тонких преград (толщина пластин меньше диаметра ударника) разрушение происходит по схеме «срезания пробки».  Существует средняя область по толщине преград, в которой возможно разрушение как по схеме  «срезания пробки», так и откольного разрушения. Для плит средней толщины характерно разрушение с образованием лицевого и тыльного откола, а для преград большой толщин реализуется пластическое течение материалов с деформированием (выпучиванием) тыльной поверхности в зоне контакта. Экспериментально исследовано поведение пористых композиционных материалов в составе ударников при высокоскоростном ударе, где использован обоснованный подход к проблеме создания общей теории разрушения твердых тел, который включает эксперимент и численное моделирование, что позволяет исследовать физические явления в различных аспектах, реализуюемых в широком диапазоне начальных условий.

Вопрос о разрушении высокопрочных керамических и наноструктурных материалов в условиях высокоскоростного удара представляет собой актуальную проблему. Пока слабо изучены и теоретически обоснованы особенности разрушения керамических материалов при ударных нагрузках, не созданы широкодиапазонные модели, способные адекватно отражать экспериментальные результаты в широком диапазоне скоростей удара. Особенно это касается керамических и наноструктурных материалов, подверженных ударно-волновому и интенсивному динамическому нагружению, что обусловлено как качественным отличием прочностных свойств таких материалов от металлов, так и существенной зависимостью их характеристик от микроструктуры вещества. Механические свойства керамик и наноструктурных материалов весьма чувствительны к размеру зерен, количеству и типу примесей и начальной пористости. Поведение разных керамик в этом отношении различно: так карбид бора проявляет все признаки хрупкого разрушения, включая рост среднего удельного объема в результате образования большого количества трещин, а карбид кремния в этих условиях определенно пластически деформируется, о чем свидетельствует тот факт, что его откольная прочность после ударного сжатия выше предела упругости и остается относительно высокой. Установлена зависимость эффективности керамик от скорости удара, которая свидетельствует о том, что максимальная эффективность керамики и металлокомпозитов соответствует скоростям удара до 1 км/с, а с увеличением скорости соударения выше 2 км/с она существенно снижается. Выявлены определяющие факторы, влияющие на процесс разрушения и дробления материала в зоне контакта и динамику его развития.

Математическое моделирование процессов ударного взаимодействия твердых тел, следуя наиболее обобщенному и оправданному подходу, рассматривается с позиций механики деформируемых твердых тел:  в расчетах ударного взаимодействия использована модель повреждаемой среды, характеризующаяся наличием микрополостей (пор, трещин). Система уравнений, описывающая как при упругом, так и при пластическом деформировании нестационарные адиабатические движения сжимаемой среды с учетом развития и накопления микроповреждений, состоит из уравнений неразрывности, движения, энергии и изменения удельного объема трещин. Моделирование разрушений проводится с помощью кинетической модели разрушения активного типа, определяющей рост микротрещин, непрерывно изменяющих свойства материала и вызывающих релаксацию напряжений с учетом температурных эффектов.. Давление в неповрежденном веществе является функцией удельного объема, удельной внутренней энергии, удельного объема трещин и во всем диапазоне условий нагружения определяется с помощью уравнения состояния типа Ми-Грюнайзена. При расчете учитываются отрывные и сдвиговые разрушения, причем в реализации предусмотрена их конкретизация, что позволяет описывать поведение хрупких и пластичных материалов.

С целью прогнозирования последствий процессов высокоскоростного взаимодействия тел разработан  комплекс инженерных методик и выявлены принципы физического моделирования на основе критериальных соотношений. Иимитационная модель проникания стержневых ударников в преграды основана на гидродинамической модели бронепробивания, развитой М.А. Лаврентьевым. Реализована программа инженерного моделирования ударноволновых процессов в преградах с учетом силовых механизмов разрушения тыльной поверхности преграды при высокоскоростном ударе, что позволяет рассчитать форму разрушения тыльной поверхности конечных и слоисто-разнесенных преград и описывать количественные характеристики осколочных полей за преградой. Это позволяет сократить либо уточнить объем экспериментальных работ при исследовании деформирования и разрушения конструкций и прогнозировать эффективность их функционирования в условиях высокоскоростного удара.В рамках проекта ставилась задача нахождения обобщенных  зависимостей, связывающих параметры  макроразрушения ударника и преграды с краевыми условиями задачи и физико-механическими свойствами соударяющихся тел.  Существование в механике высокоскоростного соударения обобщенных зависимостей в виде функциональных связей между критериями подобия содержит в своей основе объективную закономерность, которая связана с действием законов сохранения и законов подобием энергетического баланса либо проявлением некоторой стабилизации нестационарного процесса.

Структура критериальных соотношений для определения деформирования и разрушения материала при ударе по преградам конечной толщины основана на использовании энергетической модели, в которой эмпирическим путем учитываются энергопотери при скоростях соударения 3…6 км/с. Получены обобщенные зависимости параметров  глубины проникания и предельных условий пробития компактных и удлиненных ударников при соударении с керамикой на основе оксида алюминия, карбида кремния, карбида бора, диоксида циркония и металлокерамикой, а также предельной скорости пробития слойки «керамика – металл». Установлены корреляционные зависимости параметров высокоскоростного деформирования и макроразрушения с основными механическими характеристиками, определяющими реакцию материалов на ударные нагрузки – объемной упругостью, динамическим пределом текучести, динамической твердостью, работой вытеснения единицы объема. Пересчет результатов эксперимента с модели на оригинал сводится к установлению определяющих параметров и их связи с критериями подобия. Установлено, что в области скоростей удара 2…6 км/c полученные безразмерные моделирующие комплексы для глубины проникания и в рамках метода связующего параметра для глубины проплавления исследуемые параметры выходят на участок стабилизации и сохраняют постоянную величину.

Значимые награды, премии:

• Коняев А.А., Толкачев В.Ф. Диплом лауреата премии им. С.А. Бетехтина. От 7 мая 1998г.
• Коняев А.А., Толкачев В.Ф. Диплом лауреата премии им.А.Д. Колмакова. От 8 апреля 2005 г.