Создание нового продукта требует тщательной проверки свойств его конструктивных элементов. Сократить и удешевить этот долгий и трудоемкий процесс поможет компьютерное моделирование. Сегодня в блоге мы расскажем, как белорусские ученые разработали компьютерную модель разрушения неоднородного материала – в нашем случае бетона, который широко применяется при строительстве транспортно-инфраструктурных комплексов uST.
Железобетонная анкерная опора в Центре испытаний и сертификации uSky в Шардже (ОАЭ) / © Unitsky String Technologies Inc.
Моделирование динамического разрушения бетонных строительных конструкций относится к нелинейным задачам со сложными контактными взаимодействиями. Для их решения с использованием пакета конечно-элементного анализа ANSYS/LS-DYNA могут применяться следующие методы:
• Эйлера;
• сеточный Лагранжа;
• дискретных элементов (DEM);
• Галеркина (EFG);
• сглаженных частиц Галеркина (SPG);
• произвольная постановка Лагранжа – Эйлера (ALE);
• бессеточный метод сглаженных частиц (SPH).
Для проведения вычислительных экспериментов использовался комбинированный способ явного моделирования, включающий в себя два из перечисленных методов: сеточный Лагранжа и бессеточный метод сглаженных частиц. Метод Лагранжа является наиболее точным и эффективным. Метод сглаженных частиц более требователен к машинным ресурсам, имеет меньшую стабильность по сходимости при растяжении материала, но в то же время позволяет выполнять расчет с большими деформациями при сохранении преимуществ Лагранжевого подхода.
Перед разработчиками комплекса стояла задача создать бетонную строительную конструкцию, способную противостоять огню из стрелкового переносного оружия, в том числе бронебойным боеприпасом. Исходя из этого, для испытаний была выбрана снайперская винтовка Драгунова (СВД).
Огонь велся бронебойными патронами Б-32 со стальным термоупрочненным сердечником (дульная энергия около 4000 Дж). Выбор бронебойных боеприпасов был обусловлен их высокой пробивной способностью, а значит, и большей угрозой для строительных конструкций.
Для описания нелинейного поведения бетона в условиях больших скоростей деформации и давления была выбрана модель Karagozian&Case, так как она учитывает скорость деформации при динамическом нагружении и включает в себя механизм разрушения.
Для описания поведения пули и ее частей после столкновения с преградой использовалась модифицированная модель Джонсона – Кука.
Бетонные блоки для эксперимента с прочностью на сжатие 40 МПа были изготовлены из портландцемента ЦЕМ I 42,5Н, карьерного песка, воды и гранитного щебня с фракцией 15–20 мм. Чтобы бетонные блоки приобрели требуемую прочность, их выдерживали 28 дней.
Для уменьшения влияния краевых эффектов стрельба велась по области в форме равностороннего треугольника со сторонами 125 мм, а отступ от края образца составлял не менее 100 мм.
При каждом выстреле фиксировались состояние и характер разрушения образца, глубина проникновения пули в образец и размеры отколотых частей на его лицевой стороне.
Научная цель эксперимента состояла в том, чтобы разработать и внедрить методику компьютерного моделирования пулестойкой защиты строительных конструкций uST.
Практическая цель – разработать и использовать строительные конструкции uST, способные противостоять выстрелу из ручного переносного стрелкового оружия крупного калибра, и убедиться в их надежности экспериментальным путем.
Бетонный блок должен был выдержать выстрел из стрелкового оружия без сквозного пробития, сохранив свою целостность и основные конструктивные характеристики для дальнейшей эксплуатации, что и произошло.
Полученные в результате натурного эксперимента данные о разрушении бетонного блока были использованы для верификации разработанной расчетной модели.
Комментарии
Наверное многие пытались разглядеть на фотографиях треугольник, но в итоге плюнули и сказали, хрен с ним с этим прозаиком. А ведь наука стремится быть максимально точной и если махать рукой на ошибки далеко можно пойти
PotatOS, справедливости ради, речь тут идёт о том, что на квадратном блоке выбрали область в виде треугольника, по вершинам которого вели огонь. Но и тут есть недочёт - требующая точности наука не забыла бы указать дистанцию стрельбы, это важный момент. Судя по фото, стреляли на закрытом стрельбище на дистанции 10-20 метров.
/Практическая цель – разработать и использовать строительные конструкции uST, способные противостоять выстрелу из ручного переносного стрелкового оружия крупного калибра/
Когда речь идёт о крупном калибре, каким боком тут СВД? У неё армейский винтовочный патрон, и, при всём уважении к её истории и "родителю", сама она на сегодняшний день имеет статус посредственной марксманской винтовки для работы по живой силе, максимум - лёгкой технике, но уж точно не по укреплениям. Крупный калибр - ОСВ-96, Корд, и прочее с 12.7, где дульная энергия может достигать 18 тысяч (!) джоулей. Понимаете, что по сравнению с этим попадание из СВД - просто шлепок? )
Окей, факап с калибром проехали, дальше больше - а смысл испытывать бетон на прочности отдельно от всего остального, входящего в состав путевой структуры? У вас по технологии натянутый пучок тросов в оболочке из преднапряженного бетона с то ли сварной, то ли болчёной головкой рельса. Воссоздать "боевой" отрезок струнного рельса, и убедиться, что этот напряженный бутерброд не лопнет от точечного попадания хотя бы винтовочного бронебойного патрона, обеспечив релевантность и чистоту эксперимента - не, не слышали.
Ну и самое главное - а в какой реальности путевую структуру будут обстреливать стрелковым оружием? Предположим, нужно вывести из строя струнный путь снабжения. Если будет возможность подобраться вплотную - используют взрывпакет на опору, не будет - воспользуются ПТУРом или дроном.
Опять же, релевантнее было бы подвергнуть имитационный отрезок струнного пути хаотичному обстрелу из винтовочных калибров (5,45-7,62) с разных дистанций, имитировать воздействие осколков, шрапнели, взрывной волны минометных, артиллерийских калибров, попадание беспилотника в конце концов. Вот это уже будет похоже на испытания сопротивления реальной возможной угрозе. А боец с винтовкой на небезопасном рубеже около километра, перебивающий пулями струнный рельс - это в боевики категории Б )
В общем, эксперимент ради эксперимента.
Omar, не соглашусь с вами. Комплексы uST – это не фортификационные сооружения или укрепления, поэтому к ним не предъявляются требования защиты от мин, взрывчатки, дронов, шрапнели, ПТУР и т.п. А вот случайное попадание пули из стрелкового орудия – более вероятно. Поэтому винтовочный калибр вполне уместен для данных расчётов. Наверняка бы инженеры с удовольствием провели эксперимент с крупнокалиберным бронебойным орудием или кумулятивным зарядом, но в Беларуси такие возможности для гражданских организаций не предоставляются.
Что касается отдельных блоков бетона, а не целых конструкций, то здесь причина экономическая. Все расчёты выполняются на этапе разработки. А верификация выполняется для отдельных фрагментов модели: отдельно проводятся испытания пробития бетона, металла, стекла и прочих элементов конструкции. Разрушать целую конструкции очень и очень дорого.
Макс, во-первых - как раз-таки современные реалии демонстрируют, что поражение от ВУ с любого носителя гораздо вероятнее, чем случайное попадание пули стрелкового калибра. Кроме того, действующая путевая структура есть потенциальная линия снабжения, которая будет поражаться именно что взрывчаткой, причём прицельно.
во-вторых - не путайте гражданские строительные сооружения с фортификационными, для поражения которых применяется бетонобойная номенклатура.
в-третьих - плз, не надо затирать про "не предоставляется". Есть стрелковые организации и есть минобороны. Для организации, аккредитованной в НАН Беларуси, заключить договор на испытание любой доступной номенклатурой вооружения более чем возможно. А ещё UST вроде как международная компания, и может выбрать себе локацию для испытаний по душе/потребностям/карману.
в-пятых - ещё раз повторяю, провести испытания отдельно для каждого элемента путевой структуры и скомпилировать их результаты != результату для готового смонтированного изделия из композита этих элементов. И если такое удовольствие не по карману компании, то испытание на отдельном компоненте - выброшенные на ветер деньги. Так что на данный момент это больше похоже на испытания прочностных свойств бетона/создание матмодели для стороннего заказчика, чем для собственных нужд, ибо, снова повторюсь - релевантность изолированных испытаний сомнительна.
Omar, Маску можно стрелять по своим кибертрюкам из всякого-разного, а юнитские хуже что ли 😁 Понятно что там тоже MP5-SD взяли, а не АКС-74У или хотя бы ПП-2000 😉
https://auto.ru/mag/article/puleneprobivaemost-tesla-cybertruck-proverili-tremya-vidami-oruzhiya-vsyo-podtverdilos/?utm_referrer=https%3A%2F%2Fauto.ru%2F