Исследование ударного взаимодействия осесимметричных оголовков с преградой из пресноводного льда

Введение 1
1. Современное состояние изучения динамического поведения льда и методов исследования ударного взаимодействия 3
1.1. Исследование пресноводного льда 3
1.2. Методы регистрации параметров проникания тел в ледяные среды в обращённых экспериментах 9
2. Проведение экспериментальных исследований 11
2.1. Методика обращенного эксперимента 11
2.2. Методика изготовления образцов 14
2.3. Измерение силы сопротивления внедрению 16
3. Экспериментальные результаты 20
3.1. Исследование проникания полусферических оголовков в лёд в обращённой постановке 21
3.2. Исследование проникания плоского торца в лёд в обращённой постановке 24
3.3. Исследование проникания конических оголовков в лёд в обращённой постановке 26
3.4. Максимальная сила сопротивления 28
4. Численное моделирование нагружения льда 29
4.1. Определение параметров математической модели динамического поведения льда 29
4.2. Численное моделирование обращённого эксперимента 32
Заключение 34
Литература 35

Весь текст будет доступен после покупки

Воздействие льда и создаваемая им динамическая нагрузка являются серьезной проблемой во многих областях, таких как судостроение, арктические исследования, авиация и космонавтика. Воздействие града и льда всегда представляло интерес для коммерческой авиации, но в последнее десятилетие его значение приобрело большее значение из-за значительного использования композитных материалов, таких как э углепластики, в основных компонентах конструкции.
Точного моделирования градины и его при ударе трудно добиться из-за сложности поведения льда. Поскольку в новых самолетах используются сложные композитные ламинаты, численное моделирование может предоставить информацию о состояниях внутреннего напряжения, возникновении и росте повреждений, которые может быть трудно измерить напрямую (то есть экспериментально) за пределами компьютерного моделирования.
Удары градины могут нанести ущерб легким конструкциям аэродинамических профилей, от лопастей наземных ветряных турбин до крыльев сверхзвуковых самолетов. Воздействие градины изучалось и моделировалось в последние годы, но работа еще не достигла режима более высоких скоростей, который имеет отношение ко многим текущим приложениям.
Исследование динамического деформирования и разрушения льда является важной проблемой в различных областях науки и техники. Прежде всего в области самолетостроения и ракетостроения, а также в области разработки авиационных двигателей. В данных областях необходимо предпринимать меры для защиты от воздействия атмосферного льда (града) и льда, образующегося на поверхности летательных аппаратов, который может поражать летательные аппараты в полете. Изучение динамических свойств льда также важно в области совершенствования военной техники и защитных сооружений. Это также имеет ключевое значение для совершенствования ледокольной технологии для разработки ресурсов в Арктике, Антарктике и других холодных регионах.
Двигатели и конструкции летательных аппаратов могут подвергаться нескольким видам воздействий, в основном во время взлета и посадки, например, от птиц, обломков шин, града или песка. Подобные удары могут привести к повреждению некоторых частей конструкции самолета и в конечном итоге привести к его катастрофе. Кроме того, частицы удара могут попасть в авиационные двигатели и вызвать потерю мощности двигателя.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Современное состояние изучения динамического поведения льда и методов исследования ударного взаимодействия
1.1. Исследование пресноводного льда
Механические свойства льда широко исследовались, как правило, посредством испытаний на сжатие и растяжение. Предыдущие исследования показали, что сжимающее напряжение льда зависит от различных параметров, таких как температура [1,2], скорость деформации [3,4] и кристаллическая структура льда [5]. Согласно предыдущим исследованиям, максимальное сжимающее напряжение льда, которое в первую очередь указывает на напряжение разрушения, увеличивается вместе со скоростью деформации до ~ 10-3 с-1, а испытания на одноосное сжатие при -10 °С показали, что пластично-хрупкий переход происходит при скоростях деформации порядка 10–3 с–1 [6]. В работе [7] обнаружено, что в хрупкой области максимальное сжимающее напряжение уменьшается с 10 до 6 МПа при увеличении скорости деформации с 10–3 до 10–1 с–1, а в работе [8] предполагается, что максимальное сжимающее напряжение составляет независимо от скорости деформации в диапазоне 10–2–10–1 с–1. Кроме того, в работе [9] наблюдалось увеличение максимального сжимающего напряжения при увеличении скорости деформации от 10–1 до 101 с–1. Хотя исследований влияния скорости динамической деформации относительно мало, были проведены недавно эксперименты с использованием метода Кольского. В работах [10,11] показано, что при высоких скоростях деформации от 102 до 103 с-1, при -10°С и -40°С максимальное сжимающее напряжение льда практически такое же, как и в режиме квазистатического деформирования. В работе [12] сообщается о почти постоянном максимальном сжимающем напряжении в диапазоне скоростей деформации 400–2600 с-1 со средним значением 19,7 МПа при 0 °C. В работах [13, 14] наблюдалась положительная скоростная зависимость максимального сжимающего напряжения льда в диапазоне скоростей деформации 60–1400 с-1 при – 10 °С и – 30 °С. Кроме того, там же сообщается, что на прочность льда сильно влияет температура испытания, в то время как влияние трения образца по поверхности мерных стержней незначительно. Кроме того в [13,14], ссылаясь на результаты квазистатических испытаний, приведенных в работе [5], показано, что прочность льда монотонно возрастает при увеличении скорости деформации от 0,01 до 1400 с-1. Авторы [15] сообщили об увеличении прочности на сжатие вместе со скоростью деформации в диапазоне 500–1200 с-1. В работе [16] было установлено, что прочность льда на сжатие составляет от 5 до 25 МПа в диапазоне температур от -10°С до -20°С.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Higashi A, Koinuma S, Mae S Plastic yielding in ice single crystals. Jpn J Appl Phys (1964) 3(10):610–616
2. Schulson EM The brittle compressive fracture of ice. Acta Metall Mater (1990) 38(10):1963–1976. https:// doi. org/ 10. 1016/ 0956- 7151(90) 90308-4
3. Sinha NK (1982) Constant strain-and stress-rate compressive strength of columnar-grained ice. J Mater Sci 17:785–802. https://doi.org/10.1007/BF00540376
4. Mellor M, Cole DM (1982) Deformation and failure of ice under constant stress or constant strain-rate. Cold Reg Sci Technol 5(3):201– 219. https://doi. org/ 10. 1016/ 0165- 232X(82) 90015-5
5. Schulson EM, Iliescu D, Fortt A (2005) Characterization of ice for return-to-flight of the space shuttle: Part 1 - hard ice. Tech Pep NASA CR-2005–213643-Part 1
6. Hawkes I, Mellor M (1972) Deformation and fracture of ice under uniaxial stress. J Glaciol 11(61):103–131. https:// doi. org/ 10. 3189/ S0022 14300 00225 3X
7. Schulson EM (2001) Brittle failure of ice. Eng Fract Mech 68:1839–
8. Cole DM (2001) The microstructure of ice and its influence on mechanical properties. Eng Fract Mech 68(17–18):1797–1822. https:// doi. org/ 10. 1016/ S0013- 7944(01) 00031-5
9. Jones SJ (1997) High strain-rate compression test on ice. J Phys Chem B 101(32):6099–6101. https:// doi. org/ 10. 1021/ jp963 162j
10. Dutta PK (1993) Compressive failure of polycrystalline ice under impact. Proc of the Third Intren Offshore Polar Eng Conf 573–580
11. Dutta PK, Cole DM, Schulson EM, Sodhi DS (2004) A fracture study of ice under high strain rate loading. Int J Offshore Polar 14:182–188
12. Kim H, Keune JN (2007) Compressive strength of ice at impact strain rates. J Mater Sci 42:2802–2806. https:// doi. org/ 10. 1007/ s10853- 006- 1376-x
13. Shazly M, Prakash V, Lerch BA (2006) High-strain-rate compression testing of ice. Tech Pep NASA TM-2006–213966
14. Shazly M, Prakash V, Lerch BA (2009) High strain-rate behavior of ice under uniaxial compression. Int J Solids Struct 46:1499–1515. https:// doi. org/ 10. 1016/j. ijsol str. 2008. 11. 020
15. Song Z, Wang Z, Kim H, Ma H (2016) Pulse shaper and dynamic compressive property investigation on ice using a large-sized modified split Hopkinson pressure bar. Lat Am J Solids Struct 13(3):391–

Весь текст будет доступен после покупки