Аннотация
Введение 4
1 Математическая модель и численный алгоритм расчета методом конечных элементов в пространственной постановке 5
1.1 Физико-математическая модель процесса деформирования и разрушения тел при динамическом нагружении, учитывающая
кинетику повреждения материалов и тепловые эффекты 5
1.2 Соотношения метода конечных элементов для численного
решения задач высокоскоростного соударения 11
1.3 Постановка задачи взаимодействия цилиндрического тела с
разнесенной преградой в двумерной постановке 20
2 Численное моделирование деформирования цилиндрического образца
из стали по методу Тейлора в двумерной постановке 24
2.1 Современный подход к использованию метода Тейлора 24
2.2 Тестирование численной методики.. 26
3 Оценка сеточной сходимости 30
4 Расчеты динамического взаимодействия цилиндрического ударника с
разнесенной преградой методом конечных элементов 36
4.1 Первый этап (конфигурация для нескольких моментов времени
для двух скоростей) . 36
4.2 Второй этап (поля параметров) 42
4.3 Третий этап (графики параметров) 48
Заключение 51
Список использованной литературы 53
Космические аппараты и спутники сталкиваются со значительными рисками, связанными с присутствием в космосе микрометеороидов и орбитального мусора. Эти крошечные частицы, часто движущиеся с высокой скоростью, могут нанести катастрофическое повреждение при ударе. Таким образом, крайне важно разработать эффективные механизмы для защиты космических аппаратов от этих потенциальных опасностей. Одним из таких подходов к экранированию является внедрение экранов Уиппла [1 ], названных в честь астронома Фреда Уиппла, которые предназначены для рассеивания энергии соударяющихся частиц и снижения риска повреждения конструкции.
Эффективность экранов Уиппла в смягчении воздействия микрометеороидов и космического мусора была широко продемонстрирована в ходе многочисленных космических полетов, включая Международную космическую станцию (МКС) и различные научные зонды. Однако понимание и оптимизация конструкции экранирования требуют точных методов численного моделирования, которые могут имитировать динамическое взаимодействие между ударником и разнесенной преградой.
Целью данной работы является исследование и совершенствование численного моделирования динамического взаимодействия между цилиндрическим ударником и разнесенной преградой с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Таким образом, в данной работы исследуется численное моделирование с конечной целью имитирования конструкции экранов Уиппла для защиты космических аппаратов. В следующих главах будут рассмотрены методология, результаты моделирования и анализа, что может быть учтено для будущих стратегий экранирования космических аппаратов.
В данном исследовании был проведен тест Тейлора для проверки численной методики и изучено динамическое взаимодействие цилиндрического ударника с разнесенной преградой с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Целью исследования было изучить поведение системы ударник - разнесенная преграда и оценить эффективность разнесенных преград для снижения повреждений, вызванных ударом.
Численное моделирование позволило проанализировать деформацию и разрушение разнесенной преграды при двух различных скоростях удара: 500 м/с и 800 м/с
При начальной скорости удара 500 м/с наблюдалось пробитие только первой пластины, что указывает на эффективность разнесенной преграды в поглощении и рассеивании энергии ударника. Однако при начальной скорости 800 м/с произошло пробитие обеих пластин, что указывает о более высоком уровне энергии удара и потенциальном запретрадном повреждении.
Полученные результаты подчеркивают важность тщательного проектирования и выбора разнесенных преградах для защиты космических аппаратов. При столкновении с более высокими скоростями удара может потребоваться введение дополнительных мер для повышения защитных возможностей разнесенных преград, таких как увеличение количества слоев или использование армирующих материалов.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на оптимизацию конструкции разнесенных преградах с учетом различных параметров, таких как свойства материала, толщина пластины и количество слоев. Кроме того, следует изучить реакцию на разные ударники и воздействие на различные конструктивные конфигурации для полного понимания защитных возможностей разнесенных конструкций.
В заключение, данное исследование демонстрирует применимость метода конечных элементов при моделировании динамического взаимодействия цилиндрического ударника с разнесенной преградой.
