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 с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».