Исследователи построили физико-математическую модель поведения льда при ударных нагрузках, чтобы спрогнозировать отклик элемента летального аппарата на удар частиц льда или града. Оказалось, что ледяные частицы пробивают миллиметровую металлическую пластину, если она движется со скоростью 3600 километров в час. Если же оболочка состоит из трех таких пластин, она не пробьется, а получит деформацию средней степени. Результаты моделирования могут использоваться в авиакосмической отрасли для разработки защиты летательных аппаратов от внешних ударов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Engineering Physics and Thermophysics.
Лед — старейший материал для исследований, который, тем не менее, изучен относительно плохо, потому что он не имеет аналогов с точки зрения разрушения. Поэтому для расчета взаимодействия разных объектов — например летательных аппаратов — с ледяными частицами требуются сложные физико-математические модели. При граде металлическая обшивка самолета, летящего на большой скорости, оказывается особенно уязвимой: даже небольшой предмет может пробить в ней дыру или образовать вмятину. Чтобы сделать конструкцию самолетов более безопасной и одновременно легкой, нужно рассчитать, как именно и при каких условиях металл разрушается.
Ученые из Томского государственного университета (Томск) создали численную модель, предсказывающую, что происходит при попадании ледяной сферы, подобной граду, в металлическую преграду из мягкой стали, которая движется со скоростью 3600 километров в час. Сталь исследователи выбрали потому, что именно этот металл используется в узлах летательных аппаратов, требующих высокой надежности. Авторы детально воспроизвели механизм взаимодействия тел в микросекундном диапазоне: определили время образования первых очагов разрушения и проанализировали, как растут трещины в материале.
Оказалось, что одну металлическую пластину толщиной в миллиметр ледяная сфера пролетает насквозь, а если пластины лежат в два слоя, то они уже не пробиваются, а сильно деформируются. Если взять три пластины, то деформация будет еще меньше.
Кроме того, исследователи определили, что, чем больше слоев в преграде, тем сильнее дробятся ледяные сферы при ударе: они рассыпаются на множество мелких фрагментов, которые причиняют минимальные повреждения металлу.
«Результаты помогут разработчикам современных летательных аппаратов точно рассчитать, какой урон может нанести удар ледяной частицы. В дальнейшем нам предстоит понять, насколько критичен случай, когда металл не пробивается льдом, а пластически деформируется. Совместно с разработчиками мы планируем оценить, будет ли аппарат функционировать после деформации оболочки разной степени и в каких случаях может произойти разгерметизация», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Максим Орлов, кандидат физико-математических наук, инженер кафедры прочности и проектирования физико-технического факультета Томского государственного университета.
Ранее ученые разработали компьютерную программу для моделирования поведения льда при динамических нагрузках и с ее помощью исследовали разрушение конструкций, состоящих из ледяного блока и металлических пластин. Авторы выяснили, что механизм разрушения зависит от пористости льда и параметров прилагаемой ударной нагрузки.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
