Ударное взаимодействие гранулированной среды и стержня с оголовком конусной формы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Выполнено численное моделирование ударного взаимодействия недеформируемого конического тела с пористым слоем. Пористый слой представлен в виде совокупности отдельных элементов, движение и деформация которых описаны в рамках бессеточного численного метода дискретных элементов. Данный метод интерпретирует элементы как частицы с заданными упругими характеристиками, что обеспечивает эффективное моделирование процессов, сопровождающихся значительными перемещениями и нарушением сплошности среды, в отличие от классических сеточных методов. Изложены основные принципы метода дискретных элементов, получившего широкое распространение благодаря развитию вычислительных технологий. Приведены описание численной модели и методики расчета. Представлены результаты моделирования нормального высокоскоростного взаимодействия деформируемой пористой среды, состоящей из частиц, с упругим стержнем, имеющим коническую форму в области контакта. Учтено кулоновское трение на границе раздела пористой среды и конуса. Проведена оценка контактных сил, действующих со стороны дискретной среды на упругое коническое тело. Результаты численного моделирования сопоставлены с экспериментальными данными, полученными в ходе обращенного эксперимента, в котором упаковка с пористым слоем металась навстречу неподвижному стержню при различных начальных скоростях.

Об авторах

Анатолий Васильевич Кочетков

Научно-исследовательский институт механики Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского

Email: kochetkov@mech.unn.ru
ORCID iD: 0000-0001-7939-8207
Scopus Author ID: 23004869700
https://www.mathnet.ru/rus/person32889

доктор физико-математических наук; заведующий лабораторией; лаб. динамики многокомпонентных сред

Россия, 603022, Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 23

Иван Александрович Модин

Научно-исследовательский институт механики Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского

Автор, ответственный за переписку.
Email: mianet@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3561-4606
Scopus Author ID: 57192279101
ResearcherId: E-9088-2019
https://www.mathnet.ru/rus/person138504

кандидат технических наук; старший научный сотрудник; лаб. физико-механических испытаний материалов

Россия, 603022, Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 23

Владимир Васильевич Баландин

Научно-исследовательский институт механики Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского

Email: vbalandin99@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3907-3480
https://www.mathnet.ru/rus/person189695

кандидат физико-математических наук; ведущий научный сотрудник; лаб. динамических испытаний материалов

Россия, 603022, Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 23

Владимир Владимирович Баландин

Научно-исследовательский институт механики Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского

Email: rustydog2007@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3061-8875
https://www.mathnet.ru/rus/person189694

кандидат технических наук; ведущий научный сотрудник; лаб. динамических испытаний материалов

Россия, 603022, Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 23

Кирилл Дмитриевич Бессмертный

Научно-исследовательский институт механики Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского

Email: besskirill@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-0515-4375
https://www.mathnet.ru/rus/person231443

младший научный сотрудник; лаб. динамики многокомпонентных сред

Россия, 603022, Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 23

Список литературы

  1. Гельфанд Б. Е., Сильников М. В. Фугасные эффекты взрывов. СПб.: Полигон, 2002. 272 с.
  2. Гельфанд Б. Е., Губанов А. В., Тимофеев Е. И. Взаимодействие воздушных ударных волн с пористым экраном // Изв. АН СССР. МЖГ, 1983. №4. С. 79–84. https://mzg.ipmnet.ru/ru/Issues/1983/4/79.
  3. Гельфанд Б. Е., Медведев С. П., Поленов А. Н., Фролов С. М. Передача ударно-волновой нагрузки насыпными средами // Прикл. мех. техн. физ., 1988. Т. 29, №2. С. 115–121.
  4. Glam B., Igra O., Britan A., Ben-Dor G. Dynamics of stress wave propagation in a chain of photoelastic discs impacted by a planar shock wave; Part I, experimental investigation // Shock Waves, 2007. vol. 17, no. 1. pp. 1–14. DOI: https://doi.org/10.1007/s00193-007-0094-x.
  5. Ben-Dor G., Britan A., Elperin T., et al. Mechanism of compressive stress formation during weak shock waves impact with granular materials // Exp. Fluids, 1997. vol. 22. pp. 507–518. DOI: https://doi.org/10.1007/s003480050078.
  6. Britan A., Ben-Dor G., Igra O., Shapiro H. Shock waves attenuation by granular filters // Int. J. Multiph. Flow, 2001. vol. 27, no. 4. pp. 617–634. DOI: https://doi.org/10.1016/S0301-9322(00)00048-3.
  7. Britan A., Ben-Dor G. Shock tube study of the dynamical behavior of granular materials // Int. J. Multiph. Flow, 2006. vol. 32, no. 5. pp. 623–642. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2006.01.007.
  8. Britan A., Ben-Dor G., Igra O., Shapiro H. Development of a general approach for predicting the pressure fields of unsteady gas flows through granular media // J. Appl. Phys., 2006. vol. 99, 093519. DOI: https://doi.org/10.1063/1.2197028.
  9. Britan A., Elperin T., Igra O., Jiang J. P. Head-on collision of a planar shock wave with a granular layer // AIP Conf. Proc., 1996. vol. 370. pp. 971–974. DOI: https://doi.org/10.1063/1.50571.
  10. Милявский В. В., Фортов В. Е., Фролова А. А. [и др.] О механизме усиления давления при увеличении пористости сред, ударно сжимаемых в конических и цилиндрических мишенях // Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 2010. Т. 50, №12. С. 2195–2207.
  11. Ruan H. H., Gao Z. Y., Yu T. X. Crushing of thin-walled spheres and sphere arrays // Int. J. Mech. Sci., 2006. vol. 48, no. 2. pp. 117–133. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2005.08.006.
  12. Clift R., Grace J. R., Weber M. E. Particles, Bubbles and Drops. New York: Academic Press, 1978. 394 pp.
  13. Cundall P. A., Strack O. D. L. A discrete numerical model for granular assemblies // Géotechnique, 1979. no. 1. pp. 47–65. DOI: https://doi.org/10.1680/geot.1979.29.1.47.
  14. Sommerfeld M. Theoretical and Experimental Modelling of Particulate Flow: Overview and Fundamentals: Lecture Series No. 2000-6. Rhode-Saint-Genése, Belgium: Von Karman Institute for Fluid Mechanics, 2000. 62 pp.
  15. Johnson K. L. Contact Mechanics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1987. xii+452 pp. DOI: https://doi.org/10.1017/CBO9781139171731.
  16. Walton O. R. Numerical simulation of inelastic frictional particle-particle-interactions / Particulate Two-Phase Flow; ed. M.C. Roco. Stoneham, MA: Butterworth–Heinemann, 1993. pp. 884–911.
  17. Di Renzo A., Di Maio F. P. Comparison of contact-force models for the simulation of collisions in DEM-based granular flow codes // Chem. Eng. Sci., 2004. no. 3. pp. 525–541. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2003.09.037.
  18. Pöschel T., Schwager T. Computational Granular Dynamics. Models and Algorithms. Berlin: Springer, 2005. x+322 pp. DOI: https://doi.org/10.1007/3-540-27720-X.
  19. Walton O. R., Braun R. L. Viscosity, granular-temperature, and stress calculations for shearing assemblies of inelastic, frictional disks // J. Rheol., 1986. vol. 30, no. 5. pp. 949–980. DOI: https://doi.org/10.1122/1.549893.
  20. Kloss C., Goniva C., Hager A., et al. Models, algorithms and validation for opensource DEM and CFD-DEM // Prog. Comput. Fluid Dyn., 2012. vol. 12, no. 2–3. pp. 140–152. DOI: https://doi.org/10.1504/pcfd.2012.047457.
  21. Schwager T., Poschel T. Coefficient of restitution and linear–dashpot model revisited // Granul. Matter, 2007. vol. 9, no. 6. pp. 465–469. DOI: https://doi.org/10.1007/s10035-007-0065-z.
  22. Zhu H. P., Zhou Z. Y., Yang R. Y., Yu A. B. Discrete particle simulation of particulate systems: A review of major applications and findings // Chem. Eng. Sci., 2008. vol. 63, no. 23. pp. 5728–5770. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2008.08.006.
  23. Ai J., Chen J.-F., Rotter J. M., Ooi J. Y. Assessment of rolling resistance models in discrete element simulations // Powder Technol., 2011. vol. 206, no. 3. pp. 269–282. DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2010.09.030.
  24. Модин И. А., Баландин Вл. Вл. Экспериментальные исследования взаимодействия ударников с гранулированными слоями из металлических шариков // Пробл. прочн. пластичн., 2023. Т. 85, №4. С. 539–550. EDN: MRZLIY. DOI: https://doi.org/10.32326/1814-9146-2023-85-4-539-550.
  25. Tsuji T., Yabumoto K., Tanaka T. Spontaneous structures in three-dimensional bubbling gas-fluidized bed by parallel DEM–CFD coupling simulation // Powder Technol., 2008. vol. 184, no. 2. pp. 132–140. DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2007.11.042.
  26. Zhou Z., Zhu H., Yu A., et al. Discrete particle simulation of gas–solid flow in a blast furnace // Comput. Model. Eng. Sci., 2008. vol. 32, no. 8. pp. 1760–1772. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2007.08.018.
  27. Kochetkov A. V., Leontev N. V., Modin I. A. Numerical simulation of quasistatic and dynamic compression of a granular layer // AIP Conf. Proc., 2019. vol. 2116, 270003. EDN: LYDUXA. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5114277.
  28. Zhu H. P., Zhou Z. Y., Yang R. Y., Yu A. B. Discrete particle simulation of particulate systems: Theoretical developments // Chem. Eng. Sci., 2007. vol. 62, no. 13. pp. 3378–3396. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2006.12.089.
  29. Модин И. А., Кочетков А. В., Глазова Е. Г. Численное исследование взаимодействия ударной волны с проницаемым деформируемым гранулированным слоем // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2022. Т. 26, №1. С. 79–92. EDN: FUXBZE. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1879.
  30. Глазова Е. Г., Кочетков А. В., Лисицын А. А., Модин И. А. Численное моделирование взаимодействия деформируемого газопроницаемого фрагмента гранулированного слоя с ударной волной в трехмерной постановке // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2023. Т. 27, №4. С. 645–658. EDN: CFAYCE. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu2007.
  31. Kochetkov A. V., Modin I. A. Numerical simulation of the interaction of a shock wave with a permeable granulated layer / Behav. Mater. Impact Explos. High Press. Dyn. Strain Rates / Advanced Structured Materials, 176; eds. M. Yu. Orlov, P. M. Visakh. Cham: Springer, 2023. pp. 129–143. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-17073-7_9.
  32. Abuziarov M. H., Glazova E. G., Kochetkov A. V., et al. Simulation of the interaction of waves with granulated layers in shock tubes / Proc. XII All Russ. Sci. Conf. Curr. Issues Contin. Mech. Celest. Mech. / Springer Proceedings in Physics, 412; eds. M. Yu. Orlov, P. M. Visakh. Singapore: Springer, 2024. pp. 122–127. DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-97-1872-6_18.
  33. Кочетков А. В., Леонтьев Н. В., Модин И. А., Савихин А. О. Исследование деформационных и прочностных свойств металлических плетеных сеток // Вестн. Томск. гос. ун-та. Матем. мех., 2018. №52. С. 53–62. EDN: XNHSEX. DOI: https://doi.org/10.17223/19988621/52/6.
  34. Брагов А. М., Константинов А. Ю., Кочетков А. В. [и др.] Экспериментальное исследование деформационных свойств насыпного слоя из свинцовых шариков при динамическом и квазистатическом нагружении // Вестн. Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. Мехaника, 2017. Т. 4. С. 16–27. EDN: YLDACI. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2017.4.02.
  35. Sukhanov M. V., Velmuzhov A. P., Stepanov B. S., et al. The Ga$_{20}$Ge$_{20}$Se$_{60}$ glass-ceramics as a promising long-wave IR optical material // J. Non-Cryst. Solids, 2022. vol. 590, 121700. EDN: KBTUAI. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2022.121700.
  36. Telegin S. V., Kirillova N. I., Modin I. A., Suleimanov E. V. Effect of particle size distribution on functional properties of Ce$_{0.9}$Y$_{0.1}$O$_{2-d}$ ceramics // Ceram. Int., 2021. vol. 47, no. 12. pp. 17316–17321. EDN: RLZNQO. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.03.043.
  37. Laoucine A., Bachene M., Rechak S., et al. Perforation analysis by punching of metal sheets // Ann. Chim. Sci. Matér., 2022. vol. 46, no. 1. pp. 1–8. DOI: https://doi.org/10.18280/ACSM.460101.
  38. Wang D., Liu E., Zhang D., et al. An elasto-plastic constitutive model for frozen soil subjected to cyclic loading // Cold Reg. Sci. Technol., 2021. vol. 189, 103341. DOI: https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2021.103341.
  39. Модин И. А., Кочетков А. В., Повереннов Е. Ю. Численно-экспериментальное исследование нелинейного сжатия пакетов металлических плетеных сеток // Пробл. прочн. пластичн., 2022. Т. 84, №2. С. 236–246. EDN: FTNGAQ. DOI: https://doi.org/10.32326/1814-9146-2022-84-2-236-246.
  40. Balandin V. V., Kochetkov A. V., Krylov S. V., Modin I. A. Numerical and experimental study of the penetration of a package of woven metal grid by a steel ball // J. Phys.: Conf. Ser, 2019. vol. 1214, 012004. EDN: SLQSSR. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1214/1/012004.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема контактного взаимодействия двух частиц в модели дискретных элементов; показаны нормальная ($\boldsymbol{F}_n$) и тангенциальная ($\boldsymbol{F}_t$) составляющие контактной силы

Скачать (29KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Фиксируемая сила в эксперименте (кривые 1, 3) и при численном расчете (кривые 2, 4) на боковой поверхности мерного стержня на расстоянии трех диаметров

Скачать (176KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Расчетная схема обращенного эксперимента: взаимодействие конического индентора с гранулированной средой

Скачать (152KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Расчетные силы нагрузки со стороны пористой среды в сравнении с экспериментом для скорости 159 м/с: 1 — сила воздействия DEM-частиц на конический индентор; 2 — усредненная сила с шагом 100 временных интервалов; 3 — экспериментальные данные

Скачать (278KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Расчетные силы нагрузки со стороны пористой среды в сравнении с экспериментом для скорости 179 м/с: 1 — сила воздействия DEM-частиц на конический индентор; 2 — усредненная сила с шагом 100 временных интервалов; 3 — экспериментальные данные

Скачать (294KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Состояние упаковки частиц и их скорости (м/с), метаемой среды со скоростью 159 м/с, в моменты времени 40, 80 и 100 мкс соответственно

Скачать (666KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Состояние упаковки частиц и их скорости (м/с), метаемой среды со скоростью 179 м/с, в моменты времени 40, 80 и 100 мкс соответственно

Скачать (733KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Состояние упаковки пористого слоя, соответствующее моменту времени 250 мкс для случая начальной скорости 159 м/с

Скачать (143KB)
Метаданные

© Авторский коллектив; Самарский государственный технический университет (составление, дизайн, макет), 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).