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.
Фрагмент льда после проведения исследований. Источник: Максим Орлов / Томский государственный университет.
Оказалось, что одну металлическую пластину толщиной в миллиметр ледяная сфера пролетает насквозь, а еслипластины 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.
