AUTODYN: новые рубежи обороны

Константин Басов, Денис Хитрых, ЗАО «EMT Р»

Традиционные методы борьбы с терро­ризмом, обеспечения индивидуальной безопасности и защиты промышленных объектов и территорий предполагают ис­пользование специальных инженерно- технических средств и аппаратуры, начи­ная от средств индивидуальной защиты и обнаружения (опознавания) взрывчатых веществ, металла, оружия и заканчивая специальным транспортом и вооружением (боеприпасы, стрелковое оружие и пр.).

Очевидно, что силовые (военные) методы про­тиводействия террористическим угрозам еще долго будут доминировать над организационны­ми и аналитическими.

Несмотря на тенденцию снижения оборон­ных бюджетов стран Европейского союза, исполь­зование передовых технологий имитационного моделирования является основой модернизации вооруженных сил этих стран. И здесь особое место занимают решения, которые предлагает компания ANSYS своим пользователям, в пер­вую очередь программный комплекс AUTODYN.

AUTODYN представляет собой универсаль­ную программу для анализа высоконелинейных быстротекущих процессов, связанных, напри­мер, с поведением конструкций при взрывах (разрушение) или с воздействием поражающих факторов (ударной волны, осколков) на средс­тва индивидуальной защиты (бронежилеты, кас­ки и пр.). Таким образом, AUTODYN обеспечи­вает быстрый и сравнительно недорогой способ оценки эффективности современных систем без­опасности и обороны.

При большом объеме компьютерного моде­лирования изделия-прототипа (в противополож­ность физическим испытаниям) может быть до­стигнуто лучшее понимание функционирования разрабатываемого изделия, выявлены дефекты конструкции и пр. на ранней стадии проекта.

В этой статье приведены примеры расче­тов, выполненных в AUTODYN, которые в той или иной мере затрагивают вопросы обеспече­ния безопасности: расчет подрыва бронетехни­ки (легкая гусеничная машина) на мине, взрыв

внутри здания, проникновение снаряда в желе­зобетонную конструкцию, внешняя (террористи­ческая) атака на высотное здание и др.

Хорошая корреляция результатов числен­ного моделирования и доступных эксперимен­тальных данных свидетельствует о высокой точ­ности используемых методов моделирования.

Введение

Для исследования поведения конструкций, под­вергающихся ударным нагрузкам или внедрению инородных деформируемых тел, наравне с пря­мыми испытаниями используются и технологии численного моделирования. Они обеспечивают сравнительно быстрый и дешевый способ оцен­ки новых конструктивных идей. Поэтому многие известные западные фирмы, работающие в ин­дустрии безопасности, широко применяют про­граммный комплекс AUTODYN.

AUTODYN является лидером в области решения задач нелинейной динамики деформи­руемых тел, жидкостей, газов и их взаимодей­ствия (связанные задачи). Он основан на мето­дах конечных разностей, конечных объемов и на конечно-элементных формулировках, которые используют как сеточные, так и бессеточные численные технологии.

Отметим, что в последние двадцать лет развитие этих методов стимулировалось по­требностью исследовать поведение жидкостей и конструкций в интегрированной постановке. Комплекс включает различные типы решате­лей, такие как КЭ, Эйлера и SPH.

Метод частиц (SPH) заключается в представлении сплошного тела совокупностью частиц (материальных точек), взаимо­действующих между собой по законам классической механики.

Каждый из этих методов имеет свои явные достоинства и ограничения, но ни один из них не обеспечива­ет необходимой точности и эффективности при решении комплексных задач. Например, чис­ленное моделирование динамического отклика конструкции при взрыве лучше рассматривать в эйлеровой постановке (для моделирования рас­пространения процессов взрывной волны), в то время как поведение собственно конструкции (деформируемого тела) исследуется с помощью МКЭ. Поэтому AUTODYN допускает сквозное и единовременное использование различных ре­шателей для реализации задачи в целом.

Комплекс включает обширную библиотеку материалов, объединяющую термодинамичес­кие и прочностные свойства (более 250 мате­риалов).

При необходимости пользователь может прервать расчет МКЭ и продолжить расчет в эй­леровой постановке (или наоборот).

В AUTODYN вы можете начать расчет в одномерной постановке (1D), продолжить в дву­мерной (2D) и закончить расчетом в 3D. Такой подход позволяет значительно сократить время выполнения расчета.

Многократный прирост скорости расчета можно получить и за счет использования техно­логий параллельных вычислений: расчет любой модели в AUTODYN может быть распаралле­лен — это касается большинства МКЭ-расчетов и гидродинамики Эйлера, смешанного лагран- жево-эйлерового описания и Лагранж-SPH, кон­такта типа Лагранж-Лагранж.

Параллельные вычисления могут выпол­няться на целом ряде платформ: Windows XP/ NT/2000, Linux и UNIX.

Примеры расчетов в AUTODYN

Косой удар бомбы по железобетонной конструкции

Проникновение в конструкцию и производимое бомбой/боеголовкой действие (разрушение) одинаково важны как для производителей бое­припасов, так и для проектировщиков зданий и сооружений.

Численное моделирование может исполь­зоваться для сравнения конкурирующих моде­лей боеприпасов (фугасных, бетонобойных сна­рядов и бомб) с учетом различий в весе и вы­боре материалов, расположении взрывателей, в условиях воздействия (в том числе косой удар и прецессия снаряда во время полета).

AUTODYN также может использоваться для подтверждения гарантии устойчивости по­строенных или модернизированных конструк­ций к внешним (боевым) воздействиям опреде­ленной интенсивности.

Рис. 1. Модель железобетонной мишени [1]

Использовался снаряд калибра 90 мм с оживальной формой головной части.

Железобетонная мишень представляла собой прямоугольный параллелепипед шири­ной 4,5 м и высотой 4 м, армированный сталь­ными прутьями диаметром 20 мм. Мишень была установлена под углом в 10° к плоскости траектории.

В работе использовался целый набор «свя­занных» решателей: лагранжевы сетки с пере­стройкой, метод гладких частиц (SPH), балоч­ный (Beam) решатель.

Для описания объема бетона, подвержен­ного большим деформациям, использовались метод Лагранжа и метод SPH. Части мишени, в которых деформации оставались достаточно низкими, для ускорения вычислений моделиро­вались методом Лагранжа.

Объем материала, представленный сово­купностью частиц (SPH), объединялся с сеткой Лагранжа. Армирующие элементы в явном виде представлялись балочными элементами, нало­женными на сетку элементов бетона, и присо­единялись к ней в узлах сеток Лагранжа и мате­риальных частиц SPH.

Окончательная модель снаряда и желе­зобетонной мишени, которая использовалась в расчете, показана на рис. 1.

На рис. 2 приведено сравнение поврежде­ний, полученных в эксперименте и при модели­ровании в комплексе AUTODYN. Предсказанное взаимодействие снаряда и арматуры демонстрирует достаточно точное совпадение с резуль­татами эксперимента в зоне между двумя вер­тикальными прутьями арматуры: верхний прут арматуры отогнут в направлении периферии отверстия от снаряда и сломан.

Взрыв и поглощение осколков песчаной преградой

Рис. 2. Сравнение повреждений [1]: a — экспериментальные данные, б — расчет, выполненный в AUTODYN

Рис. 3. Совокупное влияние взрыва и осколков на песчаную насыпь [2]

На рис. 3 показано влияние взрыва и фраг­ментов стальной стенки на песчаную насыпь трапецеидальной формы.

Кроме взрывной волны, на рисунке ясно различаются подземная ударная волна, кра­тер, разлетающиеся осколки и деформация барьера.

Библиотека материалов AUTODYN пос­тоянно развивается и содержит среди прочего взрывчатые материалы и грунты.

Подрыв бронетехники на мине

Мины и фугасы считаются главной опасностью для бронетехники и их экипажей. Для модели­рования сложного взаимодействия корпуса бро­нированной боевой машины, воздушной удар­ной волны, осколков мины и ускоренных частиц грунта в [3] использовался программный ком­плекс AUTODYN. Внешний вид расчетной моде­ли показан на рис. 4а.

Рис. 4. Влияние взрыва мины и разлета грунта на корпус бронированной боевой машины

Специальные исследования [3-4] про­демонстрировали весьма точное совпадение

результатов численного моделирования и измеренных нагрузок при взрыве как заглуб­ленной в грунт мины, так и мины, лежащей на поверхности.

Для учета дополнительных нагрузок от разлетающегося грунта был применен так называемый подход Эйлера-Лагранжа, когда движение несущей среды моделируется в координатах Эйлера, а перемещения час­тиц сплошной среды рассчитываются в коор­динатах Лагранжа. В результате получается набор траекторий движения отдельных час­тиц (рис. 4б).

Воздействие кумулятивной струи на военное снаряжение

За последние 15 лет в Германии, Австрии, Франции, США и Великобритании было про­ведено много исследований, направленных на изучение прямого воздействия (и отклика) ку­мулятивной струи (КС) на взрывчатые вещества и боезаряды.

Рис. 5. Взрыв боезаряда в контейнере при попадании кумулятивной струи

Для корректного прогнозирования по­следствий внешнего воздействия КС и опреде­ления условий транспортировки или хранения боезарядов (любых взрывоопасных веществ) необходимо четко представлять механизмы про­цесса детонации.

Численное моделирование позволяет ис­следовать параметры, которые управляют этим откликом, такие как размер (масса) заряда, тип взрывчатого вещества, отношение плотности материала облицовки заряда к плотности мате­риала преграды.

На рис. 5 показано воздействие кумулятив­ной струи снаряда на алюминиевый контейнер, в котором размещена минометная мина 120- миллиметрового калибра.

В этом примере результаты расчета струи (в эйлеровой постановке) были наложены на лагранжеву сетку для моделирования проникно­вения струи.

Неоднородность материала оболочки за­ряда учитывалась с помощью модели случайно­го разрушения (stochastic failure model).

Взрыв в каменном здании

Ввиду особого (асимметричного) характера современных войн, относительная простота разрушения внутренними взрывами каменных зданий (общественных или жилых) вызывает особый интерес со стороны служб, призван­ных противодействовать атакам террористов. AUTODYN широко используется [5] для выбо­ра рациональной схемы размещения зарядов внутри здания (для полного или частичного разрушения).

Рис. 6. Разрушение каменного здания при внутреннем взрыве [5]: a — характер повреждений в начальный момент времени, б — окончательная картина разрушений

Начальная взрывная волна была получе­на в двумерной постановке, а затем аппрок­симирована на трехмерную сетку Эйлера-FCT (перед отражением взрывной волны от конст­рукции).

Картина разрушений на рис. 6 однозначно свидетельствует о том, что взрыв носил внут­ренний характер: края двери загнуты наружу, фрагменты конструкции разбросаны по пери­метру фундамента здания и пр.

Разрушение и обвал Северной башни Всемирного торгового центра в Нью-Йорке

События 11 сентября 2001 года показали не­готовность (или неспособность) США противо­стоять террористическим угрозам такого рода. Сами американцы считают, что разрушение Всемирного торгового центра (ВТЦ) в Нью-Йор­ке является величайшей катастрофой в истории человечества.

Специфика высотных зданий и комплек­сов характеризуется наличием в них большо­го количества людей и фактическим отсутст­вием на данный момент эффективных систем для эвакуации персонала в чрезвычайных ситуациях. Это заставляет искать новые пути решения проблем безопасности высотных со­оружений.

Приведенный пример демонстрирует воз­можность моделирования в AUTODYN ситуации, сходной с разрушением ВТЦ.

Рис. 7. Сравнение различных этапов разрушения здания [6]: a — в начале процесса, б — через 5 с после попадания самолета

Сравнение результатов AUTODYN с отче­том FEMA (Федеральное агентство по чрезвы­чайным ситуациям) [7] показало почти полное их соответствие: например, число разрушившихся колонн, определенное AUTODYN, точно совпа­дало с фотографией из отчета FEMA.

Приведенные примеры наглядно демонс­трируют возможности AUTODYN в области раз­работки различных систем вооружения и без­опасности.