Испытания образцов специального ракетного вооружения

Содержание

Введение…………………………………………………………………….

1 Состояние вопроса исследования……………………………………..

1.1 Оперативно-тактическое обоснование………………………………..

1.2 Широкомасштабная система НПРО США…………………………..

1.3 Высокоточное оружие………………………………………………….

1.4 Диверсионно-разведывательные группы……………………………..

2 Конструктивно-компоновочная схема экспериментальной

установки…………….………………………………………………….

2.1 Анализ существующих экспериментальных установок……………..

2.2 Предмет экспериментальных исследований………………………….

2.3 Описание выбранной экспериментальной установки………………..

3 Расчёт прочности основных силовых элементов установки…………

3.1 Определения диаметра вала. Подбор подшипников………………….

3.2 Расчёт диаметра стержней крепления молота…………………………

3.3 Расчёт массы наковальни……………………………………………….

4 Разработка основных элементов системы измерения…………………

4.1 Требования к элементам системы измерения………………………….

4.2 Датчики для измерения импульсных ускорений……………………

4.3 Система измерения скорости движения молота……………………….

5 Обоснование основных параметров и характеристик

испытаний……………..…………………………………………………

5.1 Выбор и обоснование основных параметров и

^

O

@¶4

?

(

\

Ae

O

O

Ue

(>@¤?¶?A*

2

4

–

¦

?

-?

%……………….…………

5.2 Обоснование объема испытаний и оценка точности

измерений…………………………………………………………………

6 Описание принципа работы экспериментальной установки……………

7 Анализ результатов и сравнение с теорией……………………………..

8 Меры безопасности и рекомендации по эксплуатации

экспериментальной установки…………………………………………..

8.1 Общие требования………………………………………………………..

8.2 Требования безопасности перед началом работ……….……………….

8.3 Требования безопасности во время работ……………………………….

8.4 Требования безопасности по окончанию работ…………………………

8.5 Требования к поведению личного состава в аварийных

ситуациях…………………………………………………………………..

Заключение…………………………………………………………………

Введение

В настоящее время, в связи с активизацией террористических формирований и возможностью захвата стратегических ядерных объектов, в частности на территории Российской Федерации, не исключена возможность совершения попытки нападения и на стратегически важные объекты РВСН, как мобильного – СПУ, БЖРК, агрегаты для перевозки компонентов ракетного топлива, ядерных боевых блоков и т.п., так и стационарного базирования – монтажно-испытательные комплексы, штабы управления и другие спецсооружения, в которых могут располагаться оборудование и личный состав. В этой связи актуальной становится задача защиты объектов вооружения и военной техники Ракетных войск стратегического назначения (ВВТ РВСН) от воздействия средств ближнего боя – пуль стрелкового оружия и осколочных элементов боеприпасов, которыми оснащены террористические формирования и диверсионно-разведывательные группы противника.
Воздействие даже единичной пули по данным объектам, в частности по слабо защищенным пусковым установкам грунтового базирования, может привести к выводу их из строя, а в худшем случае к возгоранию или детонации ракетного топлива с возможным последующим взрывом и полной ликвидацией комплекса. При этом возможно поражение личного состава, соседних агрегатов и машин и, соответственно, плохо предсказуемы последствия для головной части ракеты. Необходимо отметить, что материальные затраты на производство выстрела для поражения подвижной пусковой установки ничтожны по сравнению с результатами его последствий. Проникновение на территорию, прилегающую к объектам, где могут проводиться восстановительные работы или работы по демонтажу технологического оборудования РК может повлечь за собой необратимые последствия, которые приведут к гибели боевого расчета и т.д. Наиболее уязвимыми местами зданий и сооружений, в которых могут располагаться агрегаты и оборудование являются оконные и дверные проемы, через которые возможны поражение личного состава с расстояния и проникновение противника внутрь помещений. Поэтому проблема повышения защищенности, как подвижных агрегатов, так зданий и сооружений с прилегающей к ним территории является весьма актуальной. Анализ состояния защиты объектов ВВТ РВСН при действии стрелкового вооружения и осколочных элементов боеприпасов показал, что в настоящее время не решена задача по достаточной защищенности мобильных агрегатов, не обладающих броневой защитой [191], а также наиболее уязвимых мест зданий и сооружений – оконных и дверных проемов, не имеющих устройств для их защиты. В связи с этим необходима разработка таких защитных устройств, которые бы не приводили к увеличению общей массы объекта и не изменяли его конфигурацию, что особенно не желательно (по техническим требованиям) для подвижных агрегатов, и при этом исключали бы проникновение противника внутрь охраняемой территории или объекта. Разработке и созданию средств защиты объектов ВВТ РВСН от воздействия средств ближнего боя предшествует проведение теоретических и экспериментальных исследований механизма локального, ударного воздействия пули (твердого тела) на элементы защитных конструкций (преград). Следует отметить, что до настоящего времени теоретические исследования по удару опережали соответствующие экспериментальные исследования. Причиной этого, скорее всего, является отставание в технических средствах эксперимента и, прежде всего, в средствах измерения. В настоящее время с помощью современных средств микропроцессорной техники высокого уровня стали доступны для экспериментальных исследований скоротечные взаимодействия порядка микросекунд. Это позволяет надеяться на то, что в ближайшее время более тщательно с экспериментальной точки зрения будут изучены основные характеристики контактного взаимодействия тел при ударе. Экспериментальные данные позволяют устанавливать основные закономерности между напряжениями (усилиями) и деформациями в зоне контакта ударника и мишени, изучать структурные изменения в материале мишени, изменения механических, геометрических и других параметров мишени. Это позволяет создать теоретические основы для современного математического описания процесса удара и приведения расчетов к практическим требованиям, сделать основополагающие выводы о локальном напряженно-деформированном состоянии преграды, о его основных характеристиках: распространении напряжений и деформаций в среде, о напряжениях и деформациях в зоне контакта, о характере внедрения ударника в деформирующую среду, о влиянии области контакта на процесс внедрения и т.п. Такие комплексные исследования позволяют сделать не только качественный, но и количественный анализ, как о поражающем факторе применяемого вооружения, так и о важнейших характеристиках защитных средств. Статистический анализ испытаний и теоретические проработки проблемы позволяют дать рекомендации, как для создания и совершенствования существующих средств поражения стрелкового оружия, так и для создания средств защиты от современного стрелкового оружия. В связи с вышеизложенными причинами объектом исследования являются конструкции средств защиты объектов ВВТ РВСН от воздействия средств ближнего боя. Предметом дипломного исследования является стойкость элементов конструкций средств защиты объектов ВВТ РВСН к воздействию средств ближнего боя. Целью работы является разработка новых конструктивно-технических решений и практических рекомендаций по повышению уровня защищенности объектов ВВТ РВСН, а также методики оценки стойкости средств защиты к воздействию средств ближнего боя. 1 Состояние вопроса исследования 1.1 Оперативно-тактическое обоснование В современном мире активно происходит преобразование системы международных отношений, сложившихся после Второй мировой войны. События последних лет свидетельствуют о существенном повышении активности ведущих стран НАТО во главе с США в достижении политического и экономического господства в различных регионах мира, объявленных зонами их национальных интересов. Под различными предлогами ими осуществляется игнорирование норм международного права, применение силы против суверенных государств без санкций Совета Безопасности ООН. Эти действия наносят существенный ущерб системе международной безопасности. Для придания правовой основы своим действиям в НАТО идет активный процесс разработки новой концепции “гуманитарной интервенции”. В случае ее принятия руководством блока один из важнейших принципов Устава ООН – невмешательство во внутренние дела суверенных государств – практически потеряет свое значение. Попытки США присвоить себе право применять свои Вооруженные Силы для “блага мира” не могут способствовать стабилизации обстановки в целом. Расширение зоны ответственности НАТО практически на весь мир ознаменовало новый этап конкурентной борьбы мировых центров силы – США, объединенной Европы и государств Азиатско – Тихоокеанского региона – за расширение сфер влияния и мировое господство. Этот процесс сопровождается целенаправленными усилиями по снижению международного статуса России, по вытеснению ее из зоны традиционных российских интересов. В этих условиях можно прогнозировать усиление нестабильности военно – политической обстановки в ряде регионов вблизи границ России, в том числе и на постсоветском пространстве. Реальные военные угрозы в складывающейся обстановке, по-видимому, будут заключаться не в прямой крупномасштабной агрессии против России (хотя при определенных условиях такого развития событий исключить нельзя), а в провоцировании вооруженных конфликтов на территории России, поддержки антироссийских действий со стороны других государств, в расширении масштабов конфликтов до уровня локальных войн.
Таким образом, в современных условиях военная опасность для России может исходить как от сопредельных с Россией государств с незначительной военной мощью и носить локальный (региональный) характер, так и от крупных военных держав или военных блоков и иметь глобальный масштаб.
Вооруженные силы основных зарубежных стран, в первую очередь членов блока НАТО, обладают современными средствами доставки обычных боеприпасов на большую дальность, совершенными системами навигации и управления авиацией, большим запасом высокоточного оружия (ВТО), способного поражать объекты различных типов, в том числе мобильные и высокозащищенные стационарные. Высокие боевые возможности средств воздушного нападения (СВН), ВТО и постоянное их совершенствование предопределяют потенциальную угрозу объектам РВСН в ходе различных войн и вооруженных конфликтов с применением обычных средств поражения. Анализ тактико-технических средств вооруженной борьбы противника и размещение позиционных районов соединений РВСН на территории страны показывает, что реальную угрозу объектам РВ могут представлять самолеты тактической и стратегической авиации (ТА и СА), а также крылатые ракеты (КР). 1.2 Широкомасштабная система НПРО США Создание этой системы пошло ускоренными темпами после издания администрацией США 2 января 1984 года директивы № 119, подписанной президентом. Этой директивой предписывается приступить к осуществлению программы научных исследований в области создания новых противоракетных систем, в том числе космического базирования. Она может включать три основных звена, базирующихся на Земле и в космосе. В этих звеньях, оснащенных средствами, основанными на новых физических принципах, содержатся: мощные лазерные установки (химические, газодинамические и рентгеновские), ускорители элементарных частиц, электромагнитные пушки, а также противоракеты. За счет массированного развертывания средств, в том числе и космического базирования, предполагается построение семи рубежей. Эти рубежи должны обеспечить надежное уничтожение ракет и головных частей противника. На приводимой схеме эти рубежи хорошо видны. На первом рубеже предполагается использование химического лазера, расположенного на космической станции, находящейся над территорией Российской Федерации. Поскольку таких станций планируется 18, то практически над возможными точками пуска ракет всегда будет находиться такая станция, держащая под прицелом район пуска и ожидающая команду на поражение стартующих ракет. Целевое назначение лазерного излучения – вывод из строя корпусов ракет и тем самым подрыв их над территорией противника, что является главным в концепции НПРО США (максимальное поражение территории противника всеми возможными средствами). На втором рубеже вводится в действие ускоритель элементарных частиц. Он также предназначен для поражения ракет и их электронного оборудования на начальном этапе полета ракеты до отделения головной части. Таким образом, оружие направленного действия (лазерное и пучковое) используется на активном участке полета – до 500 км. В этом случае остатки пораженного объекта падают далеко от территории США. На третьем рубеже должна вступить в действие электромагнитная пушка, а на пятом – спутник с самонаводящимися малогабаритными ракетами. Последние три рубежа имеют зону поражения головных частей и боеголовок на среднем участке баллистической траектории при высоте полета, равной 500…1200 км. Это – вторая зона. Третья зона включает два рубежа: шестой и седьмой. Эта зона поражения боеголовок на конечном участке полета с помощью противоракет (за атмосферой высота 100…800 км, и на малых высотах 9…15 км). Основным оружием на данных рубежах являются самонаводящиеся снаряды-перехватчики и ракеты типа “Спринт” и “Спартан”. Эти средства поражения располагаются на территории США, они- наземного базирования и предназначены для гарантированного поражения “остатков” прорвавшихся головных частей. Основные же МБР должны быть поражены в течение 2…5 мин после их запуска. Всей этой широкомасштабной системой ПРО будет управлять оперативный центр перехвата космических объектов, в ведении которого будут находиться ударные космические станции, быстродействующие системы слежения и опознания, способные вести всеобъемлющий контроль за земной поверхностью и космическим пространством. Они должны быть оснащены мощными специализированными ЭВМ, обеспечивающими автоматическую селекцию объектов пуска по заранее разработанным алгоритмам, расчет траектории объектов и распределение их между средствами поражения. Все эти работы ведутся по заказу военного ведомства США. Надо сказать, что приведенный вариант системы ПРО, безусловно, не окончательный, но суть остается прежней – усиление гонки вооружения, нажим и диктат при решении международных проблем. 1.3 Высокоточное оружие ВТО – оружие, которое позволяет с вероятностью не менее 0,5 поражать цели с первого выстрела в любое время суток, при любых метеорологических условиях и при сильном противодействии противника. Рисунок 1.3.1 – Классификация ВТО В таблицах 1.3.1 и 1.3.2 представлены основные ТТХ УАБ, УАР и КР. Таблица 1.3.1 – Основные ТТХ УАБ Тип УАБ Максимальная дальность планирования, км Масса, Кг Тип системы наведения КВО, м Масса ВВ, кг Тип снаряжения 1 2 3 4 5 6 7 GBU-8 24 1020 Тлв с самонаве дением 3…5 430 фугасная GBU-10-11 10 930 Лазерная п/активная 6…9 430 фугасная 1 2 3 4 5 6 7 GBU-11 8…10 1400 Лазерная п/активная 9 896 фугасная GBU-24 2,5…5 1020 Лазерная п/активная 1,5 430 фугасная BGL- 1000 4…8 990 Лазерная п/активная 1…2 495 фугасная Продолжение таблицы 1.1 Таблица 1.3.2 – Основные ТТХ УАР и КР Тип ракеты Масса, кг
Максимальная дальность пуска, км Тип системы наведения КВО,м Масса ВВ, кг Тип снаряжения 1 2 3 4 5 6 7 УР общего базирования AGM-65 A “Мейверик” 210 26 Тлв с самонаведением 60 кумулятивная AGM-65 B “Мейверик” 210 30 Тлв с самонаведением 60 кумулятивная AGM-65 E “Мейверик” 210 30 Тпв 60 проникающая AGM-65 D “Мейверик” 290 30 Лазерная п/активная 136 осколочно-фугасная Продолжение таблицы 1.3.2 1 2 3 4 5 6 7 AGM-130 A 1300 37…80 Тлв, Тпв ~3 870 фугасная AGM-84 E SLAM 628 120…130 Инерционная и Тлв ком. 2…5 227 проникающая AGM-142 “Хэв Нэп” 1500 80…160 Инерционная иТлв(Тпв) 830 фугасная AS-30 AL 520 11,5 Лазерная п/активная ~3 239 осколочно-фугасная КР морского базирования BGM-109C “Томагавк” 1560 1300… 1500 комбинированная ~10 442 полуброне-бойная BGM-109D “Томагавк” 1450 1300… 1500 комбинированная ~10 450 кассетная 1.4 Диверсионно-разведывательные группы В позиционном районе рп могут действовать 2-4 диверсионно-разведывательных группы (ДРГ) из состава сил специальных операций (ССО).Отряд специального назначения ССО, который и является ДРГ, может быть в составе двух вариантов: Первый вариант: предназначен для подрывных действий с использованием специальной тактики. Состав ДРГ-14 человек: – командир (капитан); – зам.командира (лейтенант); – помощник командира по боевым действиям и разведке; – специалист по боевым действиям; – специалист по разведке; – специалист по тяжелому вооружению; – специалист по легкому вооружению; – старший радист; – старший инженер; – старший медик; – радист; – инженер; – помощник медика; – специалист по снабжению. Второй вариант:предназначен для разведки и уничтожения противника. Состав ДРГ-12 человек: – командир (лейтенант); – старший радист – зам.командира; – командир отделения (2 чел.); – помощник командира отделения (2 чел.); – медик (2 чел.); – инженер (2чел.); – радист (2чел.). На вооружении ДРГ может быть: – стрелковое оружие (автоматические винтовки М-16, М-21, пистолеты пулеметы М-3, А-1, М-11, пулемет МК-23); – гранатометы (“Вайнор”, безоткатное орудие М-40, ПТУР “Дракон”); – комплекты для производства подрывных работ; – малогабаритные ядерные мины типа М129 и М150 (мощностью 0,02 и 0,05-0,1 кт, массой до 27 кг). В состав специальных технических средств входят: – КВ и УКВ (в т.ч. спутниковые) радиостанции; – приборы оптического наблюдения (для ведения разведки и слежения за объектами на значительном расстоянии в светлое время суток); – приборы обнаружения КЛС (для определения места и глубины до 2 м; – портативные телевизионные камеры (для детального изучения объектов, систем охраны, подъездных путей и т.п. на удалении 3-5 км; – приборы ночного видения, позволяющие обнаружить человека на дальности до 1800 м, технику – до 3000 м при освещении до 0,1 люкс;
– телевизионные приборы, позволяющие обнаружить человека на дальности 600 м, технику – до 3000 м; – лазерные целеуказатели и дальномеры; – радиомаяки (для определения истинного местоположения объекта на дальности до 100 м при пролете самолета на высоте 150 м); – переносная аппаратура РЭБ;
– легкие и сверхлегкие вертолеты и летательные аппараты “москитной авиации”; – летательные аппараты индивидуального пользования, позволяющие совершить прыжок на дальность 400 м и в высоту до 100 м; – парашюты; – приспособления для эвакуации диверсантов самолетами и вертолетами беспосадочным способом; – приборы и устройства, применяющие зажигательные, химические и биологические боеприпасы, яды и наркотики. Для ССО в США и странах блока НАТО готовится разнообразная экипировка, в том числе обмундирование военнослужащих, сотрудников органов контрразведки, милиции, одежда местных жителей. Они могут снабжаться набором различных документов и средств, позволяющих изготавливать фальшивые удостоверения, справки и т.п. Способы действийДРГ во многом определяются высокой степенью подготовки и оснащенностью их специальным вооружением и техническими средствами, действия ДРГ могут носить характер скрытых и открытых. К скрытым действиямотносятся: доразведка (разведка), враждебная пропаганда и распространение слухов, искажение и задержка приказов и докладов, похищение должностных лиц, применение химического и биологического оружия. Кроме того, ДРГ могут быть применены для обеспечения действий тактической авиации в качестве авианаводчиков, для оценки результатов налета и т.п. К открытым действиям относят наступление и оборону. К наступательным действиям относят налеты, засады, рейды, диверсионные и террористические акты. Налет – способ боя, предусматривающий внезапное нападение на объект (личный состав и технику) с целью его разрушения (уничтожения). При подготовке налета из состава ДРГ формируются группы: штурмовая – для проникновения на объект и его уничтожения специальными взрывными устройствами; огневой поддержки – для подавления обороны объекта или отвлечение боя (огня) на себя; разграждения – для проделывания проходов в системе инженерных заграждений и уничтожения часовых; боевого обеспечения – для воспрещения подхода резервов противника, прикрытия отхода ДРГ и решения внезапно возникающих задач. Предполагаемая продолжительность налета – 30 мин, после чего ДРГ осуществляет отход отдельными группами с последующим сосредоточением в опорном пункте (пункте сбора). Засады – организуются на маршрутах движения колонн со спецтехникой, вооружением или личным составом. Для засад выбираются места (участки дорог), где необходимо снижать скорость движения или делать остановку. При организации засад из состава ДРГ могут назначаться целевые группы: уничтожения охраны, уничтожения (разрушения) техники (спецтехники), воспрещения подхода резервов противника. Рейды – быстрое перемещение ДРГ по заранее намеченному маршруту с целью совершения налетов, засад и других диверсионно-террористических действий. При этом из состава ДРГ могут назначаться целевые группы. Диверсии проводятся с целью уничтожения (вывода из строя) важных объектов, СБУС, уничтожения личного состава и техники. Проводятся путем непосредственного проникновения на объекты или путем воздействия с определенного расстояния с использованием специальных взрывных устройств. Оборонительные действияДРГ вынуждены вести в случаях крайней необходимости, ввиду их малочисленности, отсутствия тяжелого вооружения, либо для отвлечения основных сил противника. Частный вывод: исходя из вышеперечисленной оценки возможностей противника можно сделать вывод, что существует реальная угроза вывода из строя или уничтожения РСН на этапе ее эксплуатации и боевого применения. Это приводит к необходимости оценки несущей способности РСН и ее прочностной надежности при выполнении задач боевого применения. Рассмотрим боевой состав СНС иностранных государств. Таблица 1.4.1- Боевой состав СНС иностранных государств страна вид тип носителя комплектация в боевом составе на боевом дежурстве 1 2 3 4 5 6 США МБР МБР МБР Всего БРПЛ БРПЛ Всего СБ СБ СБ Всего Всего MX M-3M M-3S МБР: Тр-1(24 ПУ) Тр-2(24 ПУ) БРПЛ: В-52Н(КР) В-1В(АБ) В-2А(АБ) СБ: США: 10 0,6 3 0,5 1 0,5 80,1(0,15) 8 0,5 8 0,2 120,34 120,34 50/500 300/900 110/110 550/1780 8/192/1152 10/240/1920 18/432/3072 84/632 84/1008 16/192 184/1872 1166/7108 48/480 285/855 105/105 524/1698 4/96/768 6/144/1152 10/240/1920 764/3618 Велико- британия БРПЛ Тр-2(16 ПУ) 8 0,5 4/64/450 1/16/128 Франция БРПЛ БРПЛ Всего М-4 (16 ПУ) М-45(16 ПУ) Франция: 6 0,5 6 0,1 2/32/192 2/32/192 64/384 2/32/192 2/32/192 64/384 Продолжение таблицы 1.3 1 2 3 4 5 6 Китай МБР БРСД БРСД СПУ БРПЛ СБ Всего Дун-5 Дун-4 Дун-3 Дун-21 Ся (12 ПУ) Хун (Ту-16) Китай: 1 2,0 1 2,0 1 0,7 1 0,35 1 0,35 1 2,0 18/18 16/16 24/24 27/27 1/12/12 120/120 217/217 Всего СНС: 1511/8159 812/3938 Далее мы рассмотрим основные ТТХ МБР США. Тип носителя М – 3 М – 3У
МХ Способ базирования, Тип ПУ ШПУ ОС ШПУ ОС ШПУ ОС Тип ракеты РДТТ РДТТ РДТТ Число ББ 3 3 10 Мощность ББ, Мт 0,33 0,5 0,6 КВО, км 0,25 0,25 0,15 Год принятия на вооружение 1970 1980 1988 Таблица 1.4.2 – Основные ТТХ МБР США Показатель эффективности выполнение боевой задачи (Рбз) определяется следующим выражением: Рбз = КгРдпРбрРбуРппРстРжРаутРпроРпцРбб , (1.4.1) где Кг – коэффициент технической готовности; Рдп – вероятность своевременного доведения приказа на пуск ракеты до БРП Рбр – вероятность своевременного доведения приказа на пуск ракеты до БРП и безошибочных действий при выполнении боевой задачи; Рбу – вероятность доведения приказа на пуск ракет по каналам БУ от КП до ПУ; Рпп – вероятность безотказной работы алгоритма подготовки и пуска; Рст – вероятность успешного запуска двигательной установки и старт ракеты; Рж – вероятность не поражения ракеты (ПУ) ОСП или ЯСП до пуска, при пуске и старте; Раут – вероятность безотказной работы ракеты на АУТ; Рпро – вероятность преодоления ракетой и ББ ПРО противника; Рпц – вероятность доставки ББ в район цели с заданной точностью; Рбб – вероятность нормального взрыва ББ в районе цели. Кг = =1 – , (1.4.2) где Тэ – время эксплуатации БРК; Тр – время регламента, устранения неисправностей, восстановления боевой готовности БРК. Ржив.=(1-Рпор.осп)(1-Рпор.ясп) , (1.4.3) где Рпор.осп –вероятность поражения РК обычным средствами поражения; Рпор.ясп – вероятность поражения РК ядерными средствами поражения. В соответствии с вышеизложенным, актуальное значение имеют вопросы повышения прочности в конструкциях ракет, при ударных воздействиях, а также определение путей ее повышения. Это позволит увеличить время эксплуатации БРК Тэ, что приведет к повышению коэффициента технической готовности Кг. А также уменьшить Рпор.осп и Рпор.ясп, тем самым увеличив вероятность непорожения ракеты (ПУ) ОСП или ЯСП до пуска, при пуске и старте Рж. Повышение прочности в конструкциях ракет также повлечет за собой увеличение вероятности преодоления ракетой и ББ ПРО противника Рпро. В соответствии с этим, целью дипломного проекта является разработка одной из составляющих учебно-материальной базы, а именно экспериментальной установки для исследования процессов, возникающих в конструкциях ракет при ударных воздействиях. 2 Конструктивно-компоновочная схема экспериментальной установки 2.1 Анализ существующих экспериментальных установок Анализ существующих отечественных и зарубежных ударных стендов свидетельствует о том, что эти стенды отличаются большим конструктивным разнообразием и могут быть основаны на различных принципах. Существующие лабораторные ударные установки в зависимости от характера проводимых испытаний могут быть разделены на четыре основные группы. 1 Ударные стенды как средство проведения испытаний на прочность, когда точно соблюдать уровни перегрузок и длительность их воздействия, характерные для условий эксплуатации, не обязательно, но необходимо выявить наиболее опасные условия соударения, при которых могут возникать остаточные деформации в элементах испытуемой конструкции или нарушения функциональной надежности. 2 Ударные стенды как средство воспроизведения заданных законов изменения контактных сил или ускорений; при этом необходимо установить взаимосвязь между параметрами заданного закона ударной перегрузки, с одной стороны, и характеристиками ударного стенда и деформируемого элемента (среды, тормозного устройства) – с другой. 3 Ударные стенды как средство проведения модельных испытаний с последующим использованием результатов для оценки параметров сил и ускорений, действующих на натуральные объекты в реальных условиях эксплуатации. 4 Ударные стенды как средство определения в лабораторных условиях частотных характеристик систем методом ударного возбуждения. Большинство из существующих отечественных и зарубежных стендов основано на принципе торможения, преимущества которого будут указаны ниже. Эти стенды отличаются друг от друга способами торможения испытуемых объектов при ударе и методами предварительного разгона до требуемой скорости u0. Следует иметь в виду, что в процессе предварительного разгона, когда скорость объекта возрастает до u0, на объект также действует перегрузка, являющаяся нежелательной, поскольку в зависимости от пути разгона и развиваемой скорости она (перегрузка) может быть значительной. К ударным стендам обычно предъявляют требование, заключающееся в том, чтобы в процессе разгона перегрузки были минимально возможными и не превышали примерно 10% от рабочих, т. е. тех, которые возникают при взаимодействии объекта с тормозным устройством. Именно по этому чаще всего разгон осуществляют вследствие свободного падения объекта с некоторой высоты Н, когда перегрузка равна 1. Для осуществления торможения на существующих стендах используют различные специальные устройства, которые в результате удара накапливают энергию, а затем частично (за исключением случая упругого удара) восстанавливают ее. При этом во многих случаях деформации в процессе удара ограничены в пределах малых объемов, вследствие чего их можно рассматривать как местные, что может упростить математическое исследование соударения на стенде. В ряде случаев влияние контактной силы является нежелательным (например, в пневматическом тормозном устройстве), и должны быть приняты меры к снижению этого влияния. В гидравлическом тормозном устройстве ударный импульс создают в результате применения жесткого профилированного бойка, и в этом случае местные деформации практически вообще отсутствуют.
В общем, виде принципиальная блок-схема ударной установки может состоять из следующих элементов (в соответствии с рисунком 1): испытуемого объекта, укрепленного на платформе или контейнере вместе с датчиком ударной перегрузки; средства разгона испытуемого объекта для сообщения ему необходимой скорости; разгон может осуществляться в результате свободного падения с определенной высоты или принудительно за счет энергии сжатого газа; тормозного устройства; регистрирующей аппаратуры для записи исследуемых параметров объекта и закона ударной перегрузки; датчика перегрузки; вспомогательных приборов для регулировки электрического режима испытуемого объекта, приспособления для измерения скорости в момент удара; источников питания, необходимых для работы испытуемого объекта и регистрирующей аппаратуры.
Рисунок 2.1.1 – Блок-схема ударного стенда В некоторых случаях, когда оценивается, например, ударная прочность, схема установки может упрощаться, так как в этом случае исключаются источник питания и приборы регулировки. Конструктивной основой ударного стенда является жесткая (обычно сварная) станина, снабженная направляющими. При разгоне объекта в результате свободного падения платформа (контейнер) фиксируется на определенной высоте Н и затем освобождается, приобретая к моменту соударения скорость. При принудительном разгоне путь движения объекта определяется длиной ствола установки; необходимая скорость создается за счет энергии сжатого газа, нагнетаемого в камеру до определенного начального давления. Специфические особенности ударных стендов в основном определяется возможностями тормозных устройств с точки зрения наибольших путей торможения объекта при ударе, а также наибольшей скоростью разгона (при заданной массе объекта). Эти технические характеристики стендов являются основными с точки зрения возможности воспроизведения заданных параметров ударных перегрузок. Очевидно, что стенды обладают ограниченными возможностями, и поэтому полученные в результате расчета требуемые условия испытаний необходимо сопоставить с эксплуатационными характеристиками имеющегося в наличии оборудования. При этом необходимо также принимать во внимание и требование обеспечения прочности платформы и тормозного устройства. Разнообразие нагружающих устройств и несоблюдение единого параметра испытания, отсутствие единой методики испытаний для всего диапазона изменения скорости деформирования затрудняют анализ и обобщение накопленных экспериментальных данных и снижают их научную и практическую ценность. В связи с этим представляет особый интерес разработка экспериментальных стендов и методики, единых для всего диапазона скоростей деформирования с единым параметром испытания. 2.2 Предмет экспериментальных исследований Поведение материала под нагрузкой характеризуется функциональной связью напряжений и деформаций в локальном объеме материала. Эта связь устанавливается по результатам экспериментальных исследований путем сопоставления мгновенных значений напряжений и деформаций, соответствующих определенному объему материала. При статических испытаниях такое сопоставление решается просто. Хотя непосредственное изменение напряжений и деформаций в одной и той же точке материала затруднено, медленное изменение нагрузки во времени, допускающее пренебрежение нестационарным распределением напряжений в цепи нагружения, связанным с волновыми процессами, позволяет измерить нагрузку на материал по ее величине в любой точке цепи нагружения. Повышение скорости деформации вызывает появление нестационарного поля напряжений в образце и цепи нагружения, отличного от поля, возникающего при медленном статическом нагружении. Это затрудняет сопоставление усилий и деформаций в локальном объеме материала. Такие испытания требуют разработки специальных методов исследований и анализа результатов. При высокоскоростных (динамических) испытаниях материалов чаще всего поддерживаются следующие так называемые параметры испытания: постоянная скорость деформации (), постоянный уровень нагрузки (), постоянная скорость нагружения () [1]. Это обусловлено методическими трудностями, связанными с волновыми эффектами в образцах, ограниченными возможностями экспериментальной техники, необходимостью обеспечить корректную трактовку и привязку к результатам статических испытаний. Каждый из этих параметров позволяет получить довольно специфическую информацию о механическом поведении материала под нагрузкой, которая не может с достаточной степенью точности быть отнесена на материалы, подвергающиеся импульсным нагрузкам в реальных условиях, в частности, на защитные преграды при воздействии кинетических ударников, где не может быть реализован ни один из вышеуказанных параметров нагружения, т.к. это воздействие является нестационарным. В настоящее время определяющих уравнений состояния, позволяющих описать реологическое поведение материалов с учетом нестационарного режима нагружения – удара, нет, поэтому для выполнения расчетов используются упрощенные модели материала [2], не отражающие всей сложности поведения материала в процессе деформации и, следовательно, применимые для ограниченного диапазона условий нагружения. Успехи в построении уравнений состояния на основе физических механизмов пластической деформации, например на основе дислокационной модели пластического течения [3], имеют ограниченное значение. Зависимость сопротивления деформации от мгновенных условий нагружения (температура, скорость деформации и др.) и всей истории предшествующего нагружения, которая определяет изменение в процессе деформирования большого числа параметров, характеризующих микро- и макроструктуру материала, за исключением некоторых частных случаев, не позволяет в настоящее время дать количественную оценку инженерных характеристик сопротивления материала. Таким образом, надежной основой для определения механических характеристик материалов при импульсном режиме нагружения и для построения уравнений состояния, пригодных для инженерных расчетов, являются результаты испытания образцов из исследуемого материала при режимах нагружения, близких к эксплуатационным. Обобщающие результаты таких экспериментальных исследований и построенные по ним эмпирические уравнения состояния, как правило, не учитывают в полной мере закономерности конкретных физических процессов пластической деформации, особенности ее развития вблизи поверхности, распределение по микрообъемам и т. д. [1]. Однако они имеют несомненную практическую ценность, поскольку с достаточной степенью точности устанавливают связь напряжений и деформаций в исследованном диапазоне режимов нагружения. В связи с указанными недостатками существующих экспериментальных методик по исследованию процесса удара, предметом настоящего экспериментального исследования является:
– изучение поведения материала конструкции при нестационарном (динамическом) воздействии с изменяющимися во времени, в процессе удара, параметрами испытаний: скоростью деформирования и скоростью нагружения для диапазона скоростей , что соответствует большинству случаев эксплуатационных ударных нагрузок на элементы ракетной техники;
– на основе полученных результатов построение эмпирических моделей поведения конструкционных материалов при ударе – уравнений состояния, а также других зависимостей физико-механических характеристик. 2.3 Описание выбранной экспериментальной установки Для испытаний конструкционных материалов при нестационарном ударном нагружении была выбрана и сконструирована принципиально более выгодная с экономической точки зрения экспериментальная установка – маятниковый копер. Одним из основных преимуществ разработанного типа установки является расчет ее элементов таким образом, чтобы вследствие использования для деформирования образца кинетической энергии движения ударника, сравнимой с потерей энергии на упругопластическое деформирование образца, скорость деформирования уменьшается в процессе испытания от максимальной в начале удара до нуля в конце «активного» этапа удара (что соответствует максимальному внедрению) и затем до скорости отскока ударника от образца в конце «пассивного» этапа удара, обеспечивая при этом изменение во времени скорости деформирования – , что соответствует нестационарности процесса. Принципиальная схема и фотографии: вид спереди и с боку такой установки приведены на рисунках 2.3.1, 2.3.2, 2.3.3. Конструкция копра представляет собой: П- образную раму, состоящую из двух стоек и основания, вала на котором подвешен ударник, фиксирующего устройства для фиксации ударника на необходимой высоте, наковальни, светодиода, фотодиода, ЭВМ, аналого-цифрового преобразователя. 1- вал, 2- рама, 3- подвеска молота, 4- жесткозакрепленная плита (мишень), 5- испытуемый образец, 6- наконечник ударника, 7- пьезоэлектрический акселерометр, 8- молот копра, 9- основание, 10- фиксирующее устройство, 11- фотодиод, 12- ЭВМ, 13- аналогово-цифровой преобразователь (осциллограф), 14- светодиод. Рисунок 2.3.1 – Принципиальная схема маятникового копра Рисунок 2.3.2 – Маятниковый копр, вид спереди Рисунок 2.3.3 – Маятниковый копр, вид сбоку 3 Расчёт прочности основных силовых элементов установки Расчет узла подвески маятника состоит из: определения диаметра вала, на котором вращается маятник, а также расчёта диаметра стержней крепления молота с испытуемым образцом. 3.1 Определения диаметра вала. Подбор подшипников Необходимо определить диаметр вала, d, на котором подвешен маятник. Данный диаметр будем определять из условия прочности , (3.1.1) Здесь – допускаемое напряжение для материала, из которого изготовлен вал копра. , (3.1.2) где Mmax- максимальный изгибающий момент; W- момент сопротивления сечения, для круглого сечения диаметром d. , (3.1.3) откуда: , (3.1.4) , (3.1.5) Необходимо определить максимальный изгибающий момент Мизг. Рассмотрим расчетную схему вала маятника копровой установки, изображенную на рисунке 3.1.1 На вал, закреплённый на шарнирных опорах, действует сила F в месте подвески маятника. Определим её. Рисунок 3.1.1 – Расчетная схема балки и эпюры действующих сил и моментов Рассмотрим силы, действующие на вал. В месте крепления маятника на вал действует сила тяжести от веса маятника mg, m- масса маятника вместе с молотом и испытуемым образцом, которая равна 35 кг. Также вал изгибает сила R, обусловленная движением маятника по окружности радиуса r. Максимальное значение действующей силы F будет достигаться при угле отклонения маятника от вертикали на 1800. Следовательно , (3.1.6) где υ – скорость движения закрепленного на маятнике молота, υ = υmax= 10 м/с; r- радиус окружности движения молота 0.9 м. Н, (3.1.7) Кроме того, на балку действуют силы реакции опор RA RB. Составим уравнения сил действующих на балку и запищим уравнения равновесия в проекциях на оси координат , (3.1.8) , (3.1.9) , (3.1.10) , (3.1.11) , (3.1.12) Составим уравнения для поперечной силы Q и изгибающего момента , (3.1.13) , (3.1.14) , (3.1.15) при x= 0 М= 0, (3.1.16) при x= а , (3.1.17) , (3.1.18) , (3.1.19) , (3.1.20) при х= в , (3.1.21) при х= а , (3.1.22) Построим эпюры этих сил (рисунок 3.1.1). Наибольший изгибающий момент , возникает в сечении под точкой приложения силы F. Вычислим искомый диаметр вала копра, изготовленного из материала Сталь 3, подставив исходные значения в формулу (3.1.5) с учетом (3.1.22).
м Таким образом, диаметр вала крепления маятника копра должен быть более 2.7 см. Выбор подшипников. При выборе типа и размеров шарико- и роликоподшипников учитывают следующие факторы: – величину и направление нагрузки (радиальная, осевая, комбинированная);
– характер нагрузки (постоянная, переменная, ударная); – число оборотов вращающегося кольца подшипника; – необходимую долговечность (желаемый срок службы, выраженный в часах); – окружающую среду (температура, влажность, кислотность); – требования к подшипнику, предъявляемые конструкцией узла машины или механизма (необходимость самоустанавливаемости подшипника в опоре с целью компенсации перекосов вала в осевом направлении, целесообразность монтажа подшипника непосредственно на вал, на закрепительную или закрепительно –стяжную втулку, необходимость регулирования радиальной и осевой игры подшипника и т.д). Подшипник выбирают по следующей схеме: – намечают тип подшипника, исходя из условий эксплуатации и конструкции конкретного подшипникового узла в соответствии с указаниями; – определяют размеры подшипника в зависимости от действующих нагрузок, числа оборотов и требуемого срока службы; – назначают класс точности подшипника с учётом требований к точности вращения узла. Подшипники требуемого типоразмера выбирают по его коэффициенту работоспособности С, который зависит от конструкции подшипника, его материала и ряда других параметров. С учётом сказанного наиболее полно удовлетворяющий всем требованиям, подшипник № 7512. 3.2 Расчёт диаметра стержней крепления молота Поскольку стержни работают на растяжения, то их диаметры необходимо искать исходя из условия , (3.2.1) где – допустимое напряжение для материала стержней, допускаемое напряжение берётся из справочника и например для материала Сталь 3 составляет = 16 Н/м2 Nmax- максимальная растягивающая сила, действующая вдоль оси стержня. Площадь поперечного сечения F= πR2, (3.2.2) Определим Nmax. Рассмотрим силы, действующие на стержень, со стороны молота на стержень действует сила тяжести mg, m- масса молота, равная 35 кг. Также стержень растягивает сила R, обусловленная движением молота по окружности радиуса r. На рисунке 3.2.1 схематично изображены силы, действующие на стержень маятника. Рисунок 3.2.1- Силы, действующие на стержень маятника Максимальное значение равнодействующей Nmax будет достигаться при угле отклонения маятника от вертикали равном 1800. Следовательно , (3.2.3) где υ – скорость молота, υ = υmax = 10 м/с, r- радиус окружности движения молота 0.9 м Н, (3.2.4) Поскольку молот, подвешен на четырёх стержнях, то можно считать, что нагрузка равномерно распределена между ними. Тогда, сила, действующая на один стержень, будет равна , (3.2.5) Определим из формулы допустимого напряжения искомый диаметр , (3.2.6) , (3.2.7) , (3.2.8) , (3.2.9) Подставим исходные значения в формулу (3.2.9) м. Таким образом, диаметр стержня крепления молота копра должен быть более 3 мм. 3.3 Расчёт массы наковальни Работа ударной установки копрового типа связана с существенными нагрузками, передающимися на основание и его составные части. При этом, как правило, основание установки такого типа крепят к специальному фундаменту, развязанному относительно фундамента помещения. В целях разработки мобильной установки необходимо предусмотреть возможность ее эксплуатацию без выполнения специального фундамента. Для этого необходимо определить параметры наковальни, которая способна обеспечить полную остановку молота с испытуемым образцом. Необходимо рассчитать массу наковальни, которая обеспечит полную остановку молота, движущегося со скоростью Vmax=10 м/с. Рисунок 3.3.1 – Силы, действующие на наковальню Поскольку молот действует на наковальню с определённой силой F, то, определив её, можно рассчитать массу наковальни из следующих соображений. Сила трения в данном случае будет прямолинейна силе нормального давления N Fтр =, (3.3.1) а поскольку наковальня находится на горизонтальной поверхности, то , (3.3.2) где М – искомая масса; f – коэффициент трения скольжения при покое. Для соприкасающихся металлов с шероховатостью соответствующей черновой обработки f = 159, [ТМ, авторы Никитин, Карлин]. Определим силу, действующую на наковальню со стороны молота. Согласно второго закона Ньютона , где m – масса маятника с молотом и испытуемым образцом; а – замедления маятника при ударе о наковальню. , (3.3.3) где υ – начальная скорость молота, в случае максимальной скорости движения молота υ= 10 м/с; υ – конечная скорость молота, при остановки молота она равна 0; t – время взаимодействия молота и наковальни, за которое происходит полная остановка молота. Определяется из опытов, различно для разных скоростей взаимодействия и материалов. В нашем случае при Vmax=10 м/с, t = 10-3 с. Подставим все в формулу получаем: , (3.3.4) откуда: , (3.3.5) Тогда при подстановке исходных данных получи кг Следовательно, для полной остановки молота, необходима наковальня с массой более 225 кг. 4 Разработка основных элементов системы измерения
4.1 Требования к элементам системы измерения Наибольшее распространение при измерении импульсных сил и ускорений находят электрические методы. В блок-схему измерительного тракта входят датчики, являющиеся преобразователями механических параметров удара в электрические сигналы, и измерительная аппаратура, позволяющая регистрировать эти сигналы.
Измерение импульсных нагрузок представляет собой сложную техническую задачу, поскольку к датчикам и измерительной аппаратуре предъявляются жесткие требования по частотным характеристикам. Соотношение длительности импульса и собственной частоты датчика и полоса пропускания регистрирующей аппаратуры имеют первостепенное значение для обеспечения достоверности результатов измерения. При измерении кратковременных импульсных процессов желательно иметь датчики с высокой частотой собственных колебаний. Но поскольку, как правило, при повышении этой частоты снижается чувствительность прибора, при выборе его характеристик необходимо принимать компромиссное решение. К датчикам предъявляются и ряд других требований. Желательно иметь датчики с малой поперечной чувствительностью, нечувствительные к внешним факторам: температуре и влажности. К датчикам должно предъявляться требование линейности характеристики. Важным параметром является также максимальное значение измеряемого ускорения. К датчикам может предъявляться требование по габаритам и массе. При измерениях необходимо учитывать, что масса датчика, если она соизмерима с массой элемента конструкции испытуемого изделия, будет влиять на динамические свойства исследуемого объекта. Как правило, сигнал, вырабатываемый датчиком, требуется усилить и зарегистрировать. Поэтому в комплект измерительной аппаратуры обычно входят усилители и записывающие устройства. К усилителям и регистрирующей аппаратуре также предъявляются требования, которые зависят от частотной характеристики измеряемого процесса. 4.2 Датчики для измерения импульсных ускорений Для измерения ударных ускорений широкое применение находят пьезоэлектрические датчики. Это обусловлено возможностью создания пьезодатчиков с хорошими техническими характеристиками. В частности, пьезодатчики могут иметь широкую полосу рабочих частот, малые габариты и малую массу, высокую вибрационную и ударную прочность и устойчивость. К недостаткам пьезодатчиков следует отнести необходимость использования согласующего устройства с большим входным сопротивлением. На рисунке 4.2.1 сфотографированы датчики, предназначенные для измерения импульсных ускорений, используемые на разрабатываемой установке. Рисунок 4.2.1 – Пьезоэлектрические датчики являются преобразователями генераторного типа, т. е. не требуют источников питания. При нагружении пьезоэлемента усилием F = ma на электродах пьезоэлемента появляется электрический заряд, пропорциональный мгновенному значению ускорения а. Пьезоэффектом обладают кварц, турмалин, сегнетовая соль, соединения титаната бария, соединения цирконата свинца и др. Эквивалентная схема пьезоэлектрического датчика представлена на рисунке 4.2.2. Емкость Сн представляет собой сумму емкостей датчика, соединительного кабеля, масштабной емкости и емкости входа согласующего устройства; сопротивление Rн представляет собой общее электрическое сопротивление параллельно соединенных резисторов (сопротивление утечки датчика, сопротивление изоляции кабеля, сопротивление изоляции обкладок конденсатора масштабной емкости и входное сопротивление согласующего устройства). Рисунок 4.2.2 – Эквивалентная схема пьезодатчика Напряжение на входе согласующего устройства , (4.2.1) где Q — заряд на электродах пьезоэлемента. Заряд Q можно выразить через коэффициент преобразования (постоянную чувствительности) датчика по заряду: Q = ahq, (4.2.2) Коэффициент преобразования датчика по заряду выражается в пК/мс2 и является постоянной величиной, независящей от емко­сти нагрузки. Пьезоэлектрические датчики также характеризу­ются коэффициентом преобразования по напряжению, который связан с коэффициентом преобразования по заряду соотношением , (4.2.3) причем зависит от емкости нагрузки. Пьезодатчики в той или иной степени воспринимают поперечные составляющие ударного возбуждения, что связано с наличием электрической и механической асимметрии пьезоэлемента или с асимметрией крепления датчика. Степень чувствительности к поперечной составляющей выражается в % от его максимальной чувствительности. Важным параметром датчика является его резонансная частота. Как было показано, датчик для измерения ускорений можно представить как колебательную систему с одной степенью свободы, которая, очевидно, имеет резонанс. Кроме того, датчик обладает резонансом как элемент электрической цепи. Однако верхний предел рабочей частоты датчика определяется в большинстве случаев частотой резонанса крепления, которая зависит от массы датчика, метода и жесткости крепления и, как правило, ниже резонансных частот пьезодатчика. Нижняя граница диапазона рабочих частот пьезодатчика определяется величиной его емкости, емкостью соединительного кабеля и входным сопротивлением измерительного прибора. Поэтому для расширения диапазона рабочих частот нужно использовать пьезодатчики с большой емкостью и измерительную аппаратуру с высоким входным сопротивлением. Необходимо помнить, что увеличение емкости понижает чувствительность датчика. Пьезоэлектрические датчики чувствительны к температуре и влажности. Более высокой температурной стабильностью облада­ют кварц и некоторые виды титаната цирконата свинца, которые могут работать при температуре до +200° С. Коэффициент влияния температур определяет погрешность измерения, отнесенную к 1° С, на крайних точках температурного диапазона. Влажность уменьшает сопротивление изоляции всех пьезоэлектрических материалов, внутренних соединений, зажимов, разъемов. Таким образом, основными характеристиками пьезодатчиков для измерения ускорений, определяющими их область применения, являются рабочий диапазон частот; максимальное измеряемое ускорение; коэффициент преобразования; относительная поперечная чувствительность; диапазон рабочих температур; габариты и масса датчика. Основными элементами пьезоэлектрического датчика являются чувствительный элемент (цилиндрический или кольцевой) из поляризованной пьезокерамики, инерционный груз и контактное устройство, соединяющее пьезоэлемент с регистрирующей аппаратурой. На рисунке 4.2.3 показана одна из конструкций пьезоэлектри­ческого датчика. Чувствительный элемент из титаната бария 1 опирается на стальную самоустанавливающуюся пяту 2 со сферической опорной поверхностью. На пьезоэлементе установлен инерционный груз 3, поджимаемый пружиной 4. Груз помещен в корпус 5 и изолирован от него втулкой 6. Заряд с пьезоэлемента снимается через груз 3, контактный винт 7 при помощи стан­дартного штекерного разъема 8 и коаксиального кабеля.
Рисунок 4.2.3 – Датчик с цилиндрическим пьезоэлементом Для обеспечения лучшего электрического контакта между элементами датчика и более равномерного распределения механи­ческих напряжений на поверхности пьезоэлемента используются прокладки 9 из свинцовой фольги (толщина 0,05 мм). Уплотнительная прокладка 10 компенсирует зазоры, образующиеся после сборки датчика, и обеспечивает надежную герметичность конструк­ции датчика в целом.
Описываемый пьезоэлектрический датчик предназначен для измерения ударных ускорений, имеющих одностороннюю направленность. Собственная частота датчика равна 40 кГц. Для того чтобы при ударе ре нарушался контакт между отдельными деталями датчика, необходимо обеспечить достаточно сильное их поджатие к опорной поверхности корпуса снизу, так как в этом случае исключается влияние элементов крепления деталей датчика в корпусе. На рисунке 4.2.4 представлен датчик для регистрации ударных и вибрационных ускорений. В нем использованы кольцевые пьезоэлементы, которые работают не на сжатие, а на сдвиг. Металлизированные обкладки этих пьезоэлементов нанесены не на торцовые, а на цилиндрические поверхности. Боковая чувствительность датчиков такой конструкции незначительна по сравнению с осевой. Соединяется инерционный груз с пьезоэлементом и закрепляется вся сборка в корпусе при помощи эпоксидной смолы. Рисунок 4.2.4 – Датчик с кольцевым пьезоэлементом В предлагаемой установке в комплексе измерения и обработки замедления испытуемого образца при ударе о наковальню применяются пьезодатчики промышленного изготовления. Применяемая в экспериментальной установке система измерения замедления испытуемого образца состоит из двух пьезоэлектрических акселерометров – Kb 11 b, соединенных с двухканальным осциллографом С1-137/2 (с частотой пропускания 20 MHz), который через разъем RS-232 передает информацию на ЭВМ (Intel Pentium III, 1200 MHz), оснащенную специальным программным пакетом обработки данных в автоматизированном режиме, а также другого вспомогательного оборудования различного назначения. Функциональное назначение комплекса – запись экспериментальной информации поступающей с датчиков, ее обработка и представление в виде различных зависимостей: силы скорости внедрения , внедрения ударника и других характеристик от времени в процессе удара. 4.3 Система измерения скорости движения молота Одним из важных измерительных устройств в разрабатываемой экспериментальной установке является устройство измерения скорости ударника на маятниковом копре в период испытаний. Оно включает в себя две пары «светодиод – фотодиод» 11, 14 (рисунок 2.3.1), аналого-цифровой преобразователь 13 и ЭВМ 12. Для обработки зарегистрированной информации с датчиков измерения скорости движения ударника используется Windows-приложение COOL32, позволяющее графически отображать зарегистрированные аналого-цифровым преобразователем сигналы с датчиков (фотодиодов) D1-D2, что позволяет с точностью до с определять моменты их срабатывания. Определив временные интервалы между срабатываниями датчиков D1() и D2() и зная базовое расстояние между ними по формуле находится скорость ударника в момент соударения, где . На рисунке 4.3.1 представлена фотография измерительной аппаратуры. Рисунок 4.3.1 – Измерительная аппаратура 5 Обоснование основных параметров и характеристик испытаний 5.1 Выбор и обоснование основных параметров и характеристик испытуемых образцов Выбор образца для нестационарных динамических испытаний на удар диктуется требованием достоверной регистрации усилий (напряжений) и смещений (деформаций) для зоны местного упругопластического воздействия. В испытаниях с постоянной скоростью деформирования () [1] установление квазистатического однородного напряженного и деформационного состояния в образце достигается в результате интерференции упруго-пластических волн, и при этом время и степень выравнивания напряженного состояния по длине образца определяются частотой их взаимодействия, обратно пропорциональной длине образца. В случае создания нестационарного напряженного состояния в зоне контакта необходимо выбирать длину образца таковой, чтобы интерференции волн в этой зоне в течение процесса удара не происходило. Неодноосность напряженного состояния в образце вследствие эффектов радиальной инерции определяется соответствующим выбором диаметра образца. Отсюда накладываются определенные требования на размеры образца в виде условий [1]: по длине , (5.1.1) по диаметру , (5.1.2) где – предел текучести материала образца, – плотность материала образца, с0 – скорость звука в материале, – начальная скорость удара, Е – модуль Юнга материала образца. Прежде всего, вышеуказанные требования обоснованы сравнением экспериментальных результатов с условиями эксплуатации элементов ракетно-космической техники и, соответственно, поведением конструкционных материалов при импульсных нагрузках. Для корректного моделирования поведения материала при импульсных нагрузках необходимо чтобы образец был такой длины, чтобы отраженная от заднего торца испытуемого образца упругая волна пришла бы в зону контакта ударника и мишени после того, как закончится их взаимодействие, а, следовательно, и запись экспериментальных данных. При таких требованиях к образцу наиболее удобной его формой, удовлетворяющей указанным требованиям, является – круговой цилиндр длины и диаметра (смотри рисунок 5.1.1). Рисунок 5.1.1 – Фотографии образцов На характеристики образцов накладываются и такие дополнительные требования как:
– соответствие материала образцов материалу, используемому при изготовлении натурных объектов исследования; – наличие сравнительно недорогого технологического процесса их изготовления; – специальная конструкция для крепления образцов, учитывающая возможности регулирования их расположения в трех направлениях в пространстве, обеспечивая тем самым соосность удара соударяющихся тел;
– оборудование, обеспечивающее безопасность испытаний. К другим не менее важным характеристикам относится поддержание постоянной температуры образцов, влажности и т.п. Основываясь на вышеперечисленных требованиях, испытуемые образцы представляли собой цилиндрические сплошные стержни диаметром м и длиной м из двух материалов: Сталь 45 и алюминиевый сплав Д16Т, механические характеристики, которых приведены в таблице 5.1.1 При этом во избежание потери устойчивости стержня-образца при ударе диаметр внутреннего отверстия в оснастке, охватывающей образец, выполнен таким образом, чтобы обеспечивался плотный контакт с располагаемым в нем образцом. Таблица 5.1.1 – Механические характеристики материалов Материал Е, Гпа r, кг/ , Мпа , Мпа n Д16Т 70 2687 340 450 0.35 Сталь 45 210 7874 370 480 0.30 5.2 Обоснование объема испытаний и оценка точности измерений Для обеспечения достоверности результатов эксперимента при статистическом подходе к его анализу, весьма важным и сложным является вопрос обоснования объема испытаний. Известно, что объем выборки n является одним из основных факторов, определяющих точность получения статистических оценок случайных величин [4]. Однако повышение точности вычисления статистических оценок по мере увеличения объема выборки происходит довольно медленно. Поэтому при планировании эксперимента объем испытаний обычно устанавливают, исходя из оптимального соотношения стоимости, трудоемкости и точности исследований. Наиболее распространенным методом уменьшения необходимого числа испытаний является проведение предварительных испытаний, необходимых для получения характеристик изменяемости результатов измерений, полученных выбранным методом исследований. В планируемом эксперименте необходимо провести большую серию однотипных испытаний с использованием одного и того же испытательного стенда и измерительной аппаратуры, при неизменной методике испытаний. В таких случаях предварительные опыты позволяют увеличить точность определения необходимого числа основных испытаний и тем самым уменьшить их количество. Выражение для определения необходимого числа опытов имеет вид [4]: (5.2.1) где – среднее квадратичное отклонение измеряемой величины в предварительном эксперименте ; (5.2.2) – значение коэффициента Стьюдента для вероятности при числе измерений n; – задаваемое с вероятностью максимально допустимое отклонение среднего значения от истинного, определяющее границы доверительного интервала или точность определения среднего значения; – число испытаний в предварительном эксперименте, проводимом для оценки точности метода исследований. Используя зависимость (5.2.1), определим необходимое для эксперимента число испытаний образцов по результатам предварительного эксперимента. Основным измеряемым параметром в эксперименте выберем амплитуду сигнала датчика ускорения в период ударного нагружения. В предварительном эксперименте было проведено 5 испытаний. Оценка S по (5.2.2) составила 11.5 делений осциллографа. Значение коэффициента Стьюдента по таблицам [4] при m=5 и = 0.9 равно . Среднее значение определяемой величины не должно отличаться от истинного более чем на 7% c вероятностью 0.9. Тогда можно принять , где делений – среднее значение измеряемой величины амплитуды. Следовательно, . Подставляя значения всех величин в формулу (4.3), получим =21. Таким образом, для достижения требуемой точности необходимо повторять эксперимент при каждой комбинации условий раза, то есть каждая экспериментальная точка требует испытания образцов. Проведем оценку погрешности определения основных результатов эксперимента на основании состава и точности измерительной аппаратуры экспериментального стенда и методики проведения эксперимента. Относительная погрешность измерения амплитуды ускорения (замедления) ударника будет определяться по формуле: , (5.2.3) где: – погрешность аналого-цифрового преобразования по документации для максимально рабочих частот равна 3%; – относительная погрешность пьезоэлектрического акселерометра [5] , (5.2.4) где – рабочая частота датчика; и – значение максимальной перегрузки и
максимальное значение ее производной. Для типичной формы импульса ударного процесса относительная погрешность вычисляется по расчетной формуле: , (5.2.5) где t – полное время контакта. В итоге получим максимальную относительную погрешность акселерометра при самом минимальном времени контакта: ;
– – относительная погрешность сглаживания осциллограммы по – методу скользящего среднего составила не более 2%. В этом случае относительная погрешность измерения амплитуды ускорения (замедления) ударника составит . 6 Описание принципа работы экспериментальной установки Согласно принятой схеме нагружения установка сконструирована таким образом, чтобы можно было получить в результате испытаний образцов значение ускорения (замедления) или перегрузки ударника в период удара в виде функции времени. Испытуемый образец устанавливался в молоте маятника с помощью регулировочных винтов таким образом, чтобы обеспечить параллельность и соосность поверхностей соударения ударника и образца (рисунок 6.1). Рисунок 6.1 – Установка образца в молоте Для задания необходимой скорости удара маятник отводится на определенный угол и отпускается с заданной высоты. Сигнал, определяющий замедление (перегрузку) ударника, регистрируемый пьезоэлектрическим акселерометром (рисунок 6.2) поступает на 2-х канальный осциллограф (рисунок 6.3), позволяющий записать сигнал с частотой дискретизации 1 мкс и полученную информацию отправить на ЭВМ через разъем RS-232. Полученная осциллограмма, выведенная на экран монитора, является удобной для обработки с помощью специального программного пакета в среде MathCad. Для сглаживания осциллограммы удара применялся метод скользящего среднего, который специально предназначен для обработки сигналов нестационарных процессов и в данной области применен впервые, что позволило повысить точность сглаживания на 5% в отличие от ранее применявшихся методов. Рисунок 6.2 – Пьезоэлектрический акселерометр Рисунок 6.3 – 2-х канальный осциллограф Так как сигнал, записываемый осциллографом, представляет собой зависимость электрического напряжения от времени U=U(t), то переход от него к ускорению производится по формуле [5]: , (6.1) где: – коэффициент чувствительности пьезоэлектрического акселерометра по напряжению, имеющий размерность []. Затем полученная сглаженная кривая ускорения апроксимировалась полиномиальной зависимостью третьего порядка точности (в среде MathCad), которая подвергалась одно- и двукратному интегрированию для получения скорости внедрения и внедрения ударника соответственно по формулам [5]: (6.2) , (6.3) где: k(t)=a(t)/g – величина перегрузки. Полученные зависимости являются функциями времени, поэтому для построения искомых зависимостей поведения материала при ударе: силы от глубины внедрения P=P(u) – для конического наконечника и напряжений от деформаций s=s(e) – для плоского, необходимо для одного и того же момента времени построить соответствующие точки в координатах P-u или s-e. Переход от силы и перемещений к напряжениям и деформациям для плоского наконечника не составляет труда и соответствующие величины будут определяться по простым соотношениям: s(t) = P(t)/S, (6.4) , (6.5) , (6.6) , (6.7) где S – площадь торца плоского наконечника. Также можно определить и другие физико-механические параметры процесса удара: время контакта, скорость отрыва (коэффициент восстановления), величина остаточной деформации и др. Следует отметить, что при таком подходе величина деформации включает в себя и упругую и пластическую части общей деформации образца в зоне контакта. На основе закона, полученного Герстнером о том, что упругие и пластические деформации при нагружении (ударе) развиваются независимо друг от друга, следует, что общая деформация может быть получена в виде суперпозиции e = eуп + eпл, (5.8) где eуп – величина упругой деформации, eпл – величина пластической деформации. Это дает возможность в дальнейшем при анализе экспериментальных результатов получить представление о вкладе упругих eуп и пластических eпл деформаций в общую деформацию образца при ударе, в том числе в зависимости от основных параметров удара. Контроль скорости ударника в каждом испытании осуществляется устройством измерения скорости. При этом заранее экспериментально определялось среднее значение скорости удара для каждого угла отклонения маятника и сравнивалось с расчетной теоретической скоростью из формулы [5]: , (6.9) где L – длина подвески молота – расстояние от оси вращения молота до точки удара. С этой целью предварительно для каждого угла производились по 10 пусков маятника. Математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение начальной скорости удара определяются с помощью формул , (6.10) , (6.11) где – начальная скорость ударника в -том опыте, – количество опытов (пусков). В таблице 6.1, в качестве примера, представлены результаты для угла подъема маятника q=300. Таблица 6.1 – Результаты эксперимента для угла подъёма q=300 № опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 , м/с 1.57 1.62 1.48 1.50 1.51 1.63 1.46 1.55 1.50 10-3 (м/с)2 0.9 6.4 3.6 1.6 0.9 8.1 6.4 0.1 1.6 Так по формулам (6.11) получаем при отклонении маятника на угол q = 300, что . Средняя экспериментально определенная скорость удара оказалась на 2-3% меньше теоретической (6.10), что можно объяснить трением в подшипниках вала установки.
Конечная глубина кратера, которая сравнивалась с величиной, вычисленной из соотношений между силой и глубиной внедрения, измерялась профилометром с точностью +- 1%, а остаточная деформация образца определялась с помощью прецизионного микрометра. 7 Анализ результатов и сравнение с теорией Для установления экспериментальных зависимостей была проведена серия экспериментов по методике, разработанной в дипломной работе курсанта Цапкина Я.А. В результате проведенных исследований были получены следующие основные параметры процесса удара и их зависимости для материалов образцов из Стали 45 и Д16Т [6, 7]: u(t), v(t), a(t) и, а также диаграммы P=P(u,v) и для конического и плоского наконечников соответственно. Это позволило дать качественный и количественный анализ процесса удара, установить некоторые характерные закономерности между основными параметрами процесса удара, дать их механическое истолкование и сравнить с ранее полученными экспериментальными данными [1, 8, 9, 10, 11, 12]. В качестве примера на рисунке 7.1 представлены экспериментальные данные ускорения (замедления) ударника с углом при вершине наконечника b=1200, полученные в результате удара по образцу из алюминиевого сплава Д16Т со скоростью v0 = 1.62 м/с, что соответствует отклонению маятника на угол q=300. Выведенные в таком виде на монитор компьютера они представляют некоторую кривую изменения ускорения (замедления) ударника во времени с модулированным по амплитуде сигналом. На рассматриваемой кривой нанесена сглаженная (усредненная) по времени характеристика этого сигнала, полученная по методу скользящего среднего. Рисунок 7.1 – Результаты экспериментального исследования внедрения ударника в образец из материала Д16Т Вслед за этим, оцифрованная физическая информация усредненной сглаженной амплитуды сигнала аппроксимировалась полиномиальной регрессионной зависимостью четвертого порядка вида (7.1) и в графическом виде представлена на рисунке 7.2 (1- сглаживающая кривая, 2- полиномиальная зависимость). , (7.1) Рисунок 7.2 – Физическая информация усредненной сглаженной амплитуды сигнала Оцифрованная физическая информация с датчика, обработанная с помощью специального программного пакета в среде MathCad, позволяющего интегрировать полученную информацию, представляется в виде графиков основных параметров процесса удара: ускорения (замедления) ударника, скорости ударника и величины его внедрения в деформируемую преграду в зависимости от времени. Первая характеристика, производимая датчиком – ускорение (замедление) ударника в процессе внедрения или контакта с деформируемой преградой представлена на рисунке 7.3. Прежде всего, обращает на себя внимание отсутствие у полученного графика оси симметрии, вследствие чего ускорение (замедление) ударника при деформировании преграды на «активном» этапе по времени занимает 70-80% от всей длительности удара (от нуля до максимальной точки на графике). Этот промежуток времени называется нагрузкой. Выход ударника – уменьшение абсолютной величины ускорения занимает по времени 20 – 30% от времени удара. Этот интервал времени называется разгрузкой. Различие в этих этапах заключается в том, что в первом случае деформация образца состоит из упругой и пластической составляющей, а на втором происходит восстановление упругих деформаций. Скорость внедрения ударника представлена на рисунке 7.4. График показывает начальную скорость 1.62 м/с и скорость, при которой происходит отрыв – 0.75 м/с. График скорости плавно изменяется и пересекает ось абсцисс (в этой точке скорость обращается в нуль, а ударник достигает максимального заглубления), затем скорость меняет направление – начинается процесс отскока. Снижение скорости ударника при внедрении в преграду составляет до 70-80% от всего времени удара, тогда как выход – всего 20-30%. Следует также отметить и тот факт, что скорость выхода (отрыва) меньше на 70-80% по модулю начальной скорости удара, что обусловлено поглощением энергии удара за счет пластических свойств материала. Рисунок 7.3 – Характеристика, ударника в процессе внедрения или контакта с деформируемой преградой На рисунке 7.5 представлена величина глубины внедрения ударника в материал мишени, являющаяся интегральной характеристикой скорости внедрения. График величины заглубления ударника также носит несимметричный характер, как и приведенные выше графики ускорения ударника и его скорости , что обусловлено возникновением на «активном» этапе удара как упругой, так и пластической составляющей величины деформации, а на этапе разгрузки – восстановлением только упругой составляющей. Рисунок 7.4 – Скорость внедрения ударника Рисунок 7.5 – Величина глубины внедрения ударника в материал мишени Целью всех вышеприведенных характеристик процесса удара являлась задача установления связи между силой сопротивления (напряжением) и глубиной внедрения ударника (деформацией преграды) возникающими в момент удара. Так как для конического наконечника затруднительно экспериментальное определение изменяющейся во времени площади контакта и соответственно напряжений, действующих на этой площадке, приведем зависимость силы сопротивления P от глубины внедрения u рисунок 7.6. Рисунок 7.6 – Зависимость силы сопротивления P от глубины внедрения По вышеизложенной схеме произведены эксперименты для различных начальных скоростей при фиксированной массе ударника. Для углов отклонения начального положения маятника и соответствующих им начальных скоростей внедрения , были получены графики – для конического наконечника при b=1200 данные графики представлены на рисунках 7.8, 7.9, соответственно для алюминиевого сплава Д16Т и Сталь 45.
Так как для плоского наконечника площадь контакта является постоянной величиной, это позволяет без затруднений представить зависимость в виде диаграммы напряжение-деформация рисунки 7.11, 7.12, соответственно для алюминиевого сплава Д16Т и Сталь 45.
Результаты опытов по соударению при одной и той же скорости v0=1.62м/с инденторов из инструментальной стали, имеющих одну и ту же массу и головную часть в виде конуса, но с различными углами при вершине с образцами из Стали 45, показаны на рисунке 7.10 Рисунок 7.8 – Зависимость силы сопротивления от глубины внедрения в образец Д16Т для разных скоростей соударений Рисунок 7.9 – Зависимость силы сопротивления от глубины внедрения в образец Сталь 45 для разных скоростей соударений Рисунок 7.10 – Зависимость силы сопротивления от глубины внедрения в образец для разных ударников Рисунок 7.11 – Зависимость напряжений от деформаций в материале ударника для разных скоростей соударения Рисунок 7.12 – Зависимость напряжений от деформаций в материале ударника для разных скоростей соударения Кривые 1, 2, 3, 4 (рисунки 7.8, 7.9, 7.11, 7.13) соответствуют нагружению испытуемых образцов из Стали 45 и алюминиевого сплава Д16Т при скоростях удара v0 = 1.62, 3.14, 4.44, 5.44 м/с или скорости деформации = 27.14, 54.14, 77.86, 96.07 с-1 соответственно. Кривые 1-7 на рисунке 7.10 соответствуют углам при вершине конуса b=20, 40, 60, 80, 90, 120, 160 град соответственно. Из анализа графиков видно, что восходящий участок деформирования для конического индентора обращен вогнутостью к оси абсцисс, в то время как для плоского наконечника он представляет собой выпуклую кривую при одной и той же начальной скорости деформирования. Перемена кривизны восходящих участков деформирования обусловлена изменением формы головной части. Как будет показано ниже существует так называемый критический угол, при котором происходит перемена в форме кривой (от выпуклости к вогнутости в сторону оси ординат) Расхождение в степени возрастания силы для ударников разной формы может быть обусловлено высоким инерционным сопротивлением преграды, которое возрастает быстрее на вершине конического ударника, чем в месте максимального внедрения плоского наконечника, радиус которого велик по сравнению с глубиной внедрения. Из рисунков 7.8 7.9 можно сделать вывод, что расхождение восходящих участков кривых сила-глубина внедрения в зависимости от начальной скорости удара при использовании конических инденторов наиболее сильно проявляется у алюминиевого сплава Д16Т, чем у Стали 45, что можно объяснить заметным изменением механических свойств у хрупких материалов при увеличении скорости удара и слабым их проявлением у вязких. Данные, представленные на рисунке 7.10, показывают, что увеличение угла при вершине конуса при прочих равных условиях приводит к возрастанию максимальной силы и уменьшению остаточного конического кратера. Этот результат представляется естественным, т.к. индентор с небольшим углом при вершине конуса взаимодействует с преградой на меньшей площади и, следовательно, при меньшем сопротивлении, чем индентор с большим углом раствора. Из графика видно, что изменение кривизны восходящего участка сила-глубина внедрения, т.е. переход от вогнутости кривой в сторону оси ординат к выпуклости, происходит в тот момент, когда угол при вершине конуса становится равным = 1600, в этом случае восходящий участок является прямым. Здесь стоит сделать замечание, что этот результат получен для определенной скорости удара и массе ударника, и будет варьироваться с их изменением. Следует отметить, что характер кривых нагружения и разгрузки сила-глубина внедрения (рисунки 7.8, 7.9, 7.10) подтверждается результатами ранних работ [5, 11]. Возрастающая кривая зависимости сила-глубина внедрения может быть описана простой эмпирической формулой, устанавливающей количественную связь между результатами испытаний и учитывающей не только начальную скорость удара, но и угол при вершине конуса. Так для зависимостей, изображенных на рисунке 7.10 получим: , (7.2) где: u – глубина внедрения; b – угол раствора конуса. Предположив, что мишень полубесконечна и неподвижна, а ударник массы m движется со скоростью v, получаем уравнение для баланса энергии (7.3) Подставив теперь (7.2) в (7.3), взяв интеграл и разрешив относительно umax получаем соотношение , (7.4) где ; . Подстановка (7.4) в (7.2) дает следующее окончательное соотношение. . (7.5) Используя выражения (7.4) и (7.5) можно получить огибающую максимальных значений кривых рисунок 7.10. Графики (рисунки 7.11, 7.12) имеют вид наклонной параболы, и состоят из двух частей: верхняя часть параболы соответствует промежутку внедрения ударника в материал мишени (так называемая кривая нагрузки), нижняя часть параболы соответствует отскоку (отрыву) ударника от материала мишени и называется кривой разгрузки. Следует отметить, что параболический характер внедрения ударника в деформируемую преграду (мишень) является классическим результатом, как отмечено в [12]. Полученный график по характеру совпадает с результатами [1, 12]. При анализе данных графиков, которые как показано ниже, являются характерными на указанных интервалах изменения параметров эксперимента, следует отметить, что нагрузочная их часть легко аппроксимируется линейной функцией, и устанавливает при нагрузке (т.е. при внедрении ударника в деформируемую преграду) линейную зависимость между – контактными напряжениями в зоне контакта ударника с мишенью и деформациями преграды (мишени). При этом довольно просто вычисляется коэффициент пропорциональности между ними Ед – аналог модуля Юнга для линейной теории упругости – динамический модуль упругости. Однако здесь Ед является именно аналогом и как ниже будет установлено, существенно зависит от начальной скорости удара и скорости деформации , т.е. .
Анализ вышеуказанных зависимостей показал, что при увеличении увеличивается предел пропорциональности (текучести) sт.д. материала, а также возрастает угол наклона начального участка на диаграмме s-e, т.е. имеет место увеличение динамического модуля упругости Ед и соответственно увеличивается угол наклона спадающего участка, т.е. кривой разгрузки. Это говорит о том, что после нарушения контакта ударника с образцом изменяются упругие свойства материала образца (материал упрочняется).
Эмпирическое уравнение состояния, т.е. зависимость вида , описывающее активный этап удара для плоского наконечника можно представить в виде: s = exp(b) e g , (7.6) где: для Стали 45:, , для Д16Т: , . Уравнение (7.6) хорошо описывает напряженно – деформированное состояние материала в зоне пластического упрочнения, а в упругой зоне наблюдается некоторое несоответствие с экспериментом (погрешность около 10%), поэтому его целесообразно использовать при расчете элементов конструкций, работающих в зоне значительных пластических деформаций. Наилучшее соответствие с экспериментом (погрешность до 2%) в упругой зоне и в пластической дает нижеприведенная формула (7.7), которую можно использовать как при малых, так и при больших значениях деформации: , (7.7) где: для Стали 45: , , для Д16Т: , . На основе полученных результатов были определены и другие физико-механические характеристики материала в процессе удара. С увеличением скорости деформирования увеличивается остаточная деформация eост материала образца (рисунок 7.13). Рисунок 7.13 – Зависимость остаточной деформации от скорости деформации Причем у алюминиевого сплава Д16Т она возрастает значительно больше с увеличением скорости деформирования, чем у Стали 45. С увеличением скорости соударения, время контакта ударника с образцом уменьшается (рисунок 7.14). Уменьшение времени контакта обусловлено упрочнением (наклепом) материала в контактирующей зоне, что соответствует так называемой «жесткой» силовой характеристике материала [5]. Для алюминиевого сплава время контакта уменьшается на 50% с увеличением скорости деформации до =100 с-1 по сравнению со Сталью 45, у которой уменьшение t на указанном интервале составляет 30%. Скорость отскока ударника vотс в момент нарушения его контакта с образцом зависит от податливости материала и соответственно от способности поглощения им энергии удара. На рисунке 7.15 приведены зависимости коэффициента восстановления b от скорости деформирования для двух материалов: b=vотс/v0, (7.8) где vотс- скорость отскока, v0- начальная скорость соударения. Рисунок 7.14 – Зависимость времени контакта от скорости соударения Рисунок 7.15 – Зависимость коэффициента восстановления от скорости соударения Из анализа графиков видно, что коэффициент поглощения с увеличением скорости удара уменьшается, причем у алюминиевого сплава Д16Т он меньше, чем у Cтали 45, что объясняется большей податливостью алюминиевого сплава и соответственно большей поглощающей способностью энергии удара. В заключение анализа экспериментальных данных укажем, что приведенные данные позволяют проанализировать изменение силы (напряжения) на диаграммах P=P(u,v) и в зависимости от скорости начального внедрения ударника в мишень, которые можно использовать в дальнейшем при теоретических расчетах материалов, подверженных ударному воздействию. Полученные экспериментальные данные процесса удара твердого тела в деформируемую преграду позволяют провести сравнительный анализ с соответствующими теоретическими данными [5]. Теоретические кривые силы-глубины внедрения показывают хорошее совпадение результатов с экспериментальными результатами на первой фазе удара – внедрения ударника в деформируемую преграду. Во второй фазе – при выходе ударника из упругой среды и его отрыве от поверхности упругой среды расхождение с ростом начальной скорости внедрения увеличивается. Это в первую очередь связано с возникновением в деформируемой среде пластических деформаций, приводящих, в конце процесса деформирования (удара) преграды, к возникновению остаточных деформаций, что невозможно учесть с помощью упругой модели деформируемой среды. В заключение следует отметить, что не только первая фаза удара внедрения твердого тела, описываемая упругой моделью, дает удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными, но и некоторые важные характеристики второй фазы удара – фазы отрыва твердого тела от деформируемой среды удовлетворительно коррелируют с экспериментальными результатами. К ним относятся: время отрыва ударника от деформируемой преграды, скорость отрыва ударника, длительность контакта и другие. Дальнейшие экспериментальные исследования в области ударных процессов следует направить на разработку методов и средств для определения изменяющейся во времени величины площади (зоны) контакта ударника с преградой (для ударников с неплоской формой головной части), что необходимо для определения достоверных параметров ударного процесса. 8 Меры безопасности и рекомендации по эксплуатации экспериментальной установки 8.1 Общие требования а) к проведению работ допускаются курсанты, изучившие установку и правила её эксплуатации, а также прошедшие проверку знаний по мерам и правилам безопасности; б) выполнять все действия согласно инструкции по эксплуатации и командам руководителя занятий; в) запрещается находиться менее чем один метр от установки, пытаться останавливать маятник во время его движения; г) выполняющие работу обязаны: 1) строго выполнять требования руководящих документов, указания руководителя занятий; 2) не допускать на рабочее место посторонних лиц, не имеющих отношения к выполнению донной работы; 3) докладывать руководителю работ о любых неисправностях и нарушениях требований безопасности. 8.2 Требования безопасности перед началом работ – получить инструктаж по мерам и правилам безопасности у руководителя работ;
– проверить надёжность закрепления ударяющихся элементов; – проверить, чтобы в зоне удара маятника не находились посторонние предметы; – проверить надёжность крепления узлов установки к силовому каркасу. 8.3 Требования безопасности во время работ – быть внимательным самому и не отвлекать других от выполнения работы;
– любые переключения на контрольно-измерительных приборах производить только по команде руководителя работ; – при обнаружении ослабления креплений, узлов установки и других неисправностях, подать команду «СТОЙ» и немедленно доложить руководителя работ; – не допускать отступлений от установленного порядка проведения эксперимента; – извлечение образцов производить при опущенном маятнике и не ранее чем через три минуты, после совершения удара. 8.4 Требования безопасности по окончанию работ – привести установку в исходное состояние; – привести рабочее место в порядок, уложить инструменты и принадлежности в ящики; – привести в исходное измерительную аппаратуру; – доложить руководителю работ об окончании работы на установке и представить свои замечания по работе установки. 8.5 Требования к поведению личного состава в аварийных ситуациях При обнаружении неисправностей, которые могут привести к возникновению аварийной ситуации или при её возникновении личный состав обязан: – прекратить работу и предупредить работающих об опасности; – немедленно доложить руководителю работ и по его команде принять меры по устранению аварийной ситуации; – производить устранение неисправностей в строгом соответствии с правилами и мерами безопасности, изложенными в эксплуатационной документации. Литература 1. Степанов Г.В. Упруго-пластическое деформирование материалов под действием импульсных нагрузок. – Киев: Наук. Думка, 1979. – 268 с. 2. Ленский А.Н., Лобода В.М. Использование аналоговых моделей для исследования закономерностей распространения одномерных волн в не линейных средах.— В кн.: Волны в неупругнх средах. Кишинев: Изд-во АН МССР, 1970, с. 136—145. 3. Гилман Дж.Дж. Микродинамическая теория пластичности.— В кн.: Микропластичность. М.: Металлургия, 1972, с. 18-36. 4. Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука. 1983. 5. Батуев Г.С., Голубков Ю.В. и др. Инженерные методы исследования ударных процессов. М., Машиностроение. 1977. 240 с. 6. Сахабудинов Р.В., Чукарин А.В. Зависимость динамических характеристик металлов от скорости деформирования. Техника машиностроения, 2003. №2. С. 73-77. 7. Сахабудинов Р.В., Чукарин А.В. К вопросу об определении уравнении состояния конструкционных сталей и сплавов при ударных нагрузках. Вестник машиностроения. 2003. № 4. С.36-39. 8. Tayloz Dn. I. The plastic ware in a wire extended by an impact load. British Ministry of Home Security, civil Defense Research Committee Report. R. C. 329. 9.Karman T. On the propagation of plastic deformation in solids. USA National Defense Research Counerl. Report A-29. 10. Campbell J.D., Ferguson W.G. The temperature and strain rate dependeme of the shear strength of mid steel. Phitos., Mag., 1970. 21. P. 169. 11. Гольдсмит В. Удар и контактные явления при средних скоростях. – В кн.: Физика быстропротекающих процессов. М.: Мир, 1971, с. 153-203. 12. Белл. Дж. Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. М., Наука.1784. Т.2. 431с.

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter