УДК 539.3, 539.42

DOI 10.24411/1683-805X-2020-14008

 

Особенностью бетона является его низкая прочность на растяжение. Разница между значением прочности на сжатие и растяжение может достигать 15–20 раз. Поэтому важно прогнозировать поведение бетонных конструкций при различных режимах эксплуатационных и непредвиденных нагрузок. В работе представлены результаты численного исследования разрушения преграды из высокопрочного бетона при ударе по ней цилиндрического ударника с оживальной головной частью. Задача ударного взаимодействия решается численно методом конечных элементов, в трехмерной постановке, в рамках феноменологического подхода механики деформируемого твердого тела. Численное моделирование проводится с помощью авторского вычислительного комплекса EFES 2.0, обеспечивающего высокую степень распараллеливания численного алгоритма. Разрушение бетона описывается моделью Джонсона–Холмквиста, в которую включена зависимость пределов прочности бетона на сжатие и растяжение от скорости деформаций. Алгоритм расчета учитывает образование несплошностей в материале и фрагментацию тел с образованием новых контактных и свободных поверхностей. Поведение материала ударника описывается упругопластической средой. В качестве локального критерия разрушения для материала ударника принимается предельная величина интенсивности пластических деформаций. Для вычислительного эксперимента преграда была разбита на 19 × 10⁶ конечных элементов (тетраэдров). Проведен подробный численный анализ динамики напряженно-деформированного состояния бетонной преграды и влияния ударно-волновых процессов на разрушение преграды. Установлено, что определяющую роль в разрушении преграды при рассмотренных кинематических и геометрических параметрах взаимодействия играют волновые процессы. Разрушение в преграде происходит в волнах разгрузки, формирующихся на свободных поверхностях преграды. В результате в преграде последовательно возникают три области разрушения, распложенные перед внедряющимся ударником. Первая область формируется вблизи лицевой поверхности преграды, вторая область — откольное разрушение на тыльной поверхности преграды и третья область разрушения формируется в центральной части преграды в результате интерференции волн разгрузки, распространяющихся от боковой поверхности преграды. С течением времени наступает слияние этих зон разрушения и преграда практически не оказывает сопротивление внедрению ударника.

Ключевые слова: модель, разрушение, прочность, ударная волна, волна разгрузки, бетон, напряжение

 

Numerical analysis of concrete fracture under shock wave loading

Concrete is known for its low tensile strength. The difference between its compressive and tensile strengths can reach a factor of 15–20. Therefore, it is important to predict the behavior of concrete structures under various operating conditions and unexpected loads. This paper reports the numerical results on the fracture behavior of a high-strength concrete target struck by an ogival-nosed projectile. The problem of impact interaction is numerically solved by the finite element method in a three-dimensional formulation within a phenomenological framework of solid mechanics. Numerical simulation is carried out using an original EFES 2.0 software, which allows a straightforward parallelization of the numerical algorithm. Fracture of concrete is described by the Johnson–Holmquist model that includes the strain rate dependence of the compressive and tensile strengths of concrete. The computational algorithm takes into account the formation of discontinuities in the material and the fragmentation of bodies with the formation of new contact and free surfaces. The behavior of the projectile material is described by an elastoplastic medium. The limiting value of the plastic strain intensity is taken as a local fracture criterion for the projectile material. For the computational experiment, the target was divided into 19 × 10⁶ finite elements (tetrahedrons). A detailed numerical analysis was performed to study the stress and strain dynamics of the concrete target and the effect of shock-wave processes on its fracture. It was found that the decisive role in the fracture of the target, with the considered kinematic and geometric interaction parameters, is played by wave processes. Target fracture occurs in unloading waves generated on its free surfaces. As a result, three fracture zones are formed in the target in front of the penetrating projectile. The first zone is formed near the front surface of the target. The second one is a spall fracture on the rear surface. The third fracture zone is formed in the central part of the target due to the interference of unloading waves propagating from its lateral surface. These fracture zones merge with time, and the target shows almost no resistance to the projectile penetration.

Keywords: model, fracture, strength, shock wave, unloading wave, concrete, stress

П.А. Радченко, С.П. Батуев, А.В. Радченко  Численный анализ развития разрушения в бетоне при ударно-волновом нагружении // Физ. мезомех. - 2020. - Т. 23. - № 4. - С. 61-67