2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.......................................................................4
Глава 1. Экспериментальные методы исследования процессов взаимодействия твердых тел с преградами........................................................9
1.1. Методы разгона...........................................................9
1.2. Методы измерения скорости полета ударников..............................11
1.3. Методы регистрации параметров взаимодействия ударников с преградами 14
1.3.1. Прямые методы регистрации процессов взаимодейст вия ударников с преградами...............................................................15
1.3.2. Методы измерения параметров взаимодействия в обращенных экспериментах............................................................24
1.4. Некоторые экспериментальные и теоретические результаты исследований проникания ударников в грунтовые среды.......................................27
1.5. Выводы по главе J.......................................................34
Глава 2. Экспериментально-измерительный комплекс для исследования процессов взаимодействия ударников с различными преградами...............................36
2.1.Методика высокоскоростной фоторегистрации процессов взаимодействия в прямых экспериментах.........................................................26
2.1.1 .Газовая пушка.-......................................................36
2.1.2. Методика регистрации процесса ударного взаимодействия с использованием высокоскоростной кинорегистрации..........................40
2.1.3 Обработка кинограмм процессов взаимодействия ударников с преградами. ..44
2.1.4 Погрешности обработки кинограмм.......................................46
2.1.5. Определения интегральных нагрузок, действующих на ударник при
нормальном ударе по зависимостям «время - глубина внедрения»................48
2.1.6 Диализ погрешностей определения коэффициента сопротивления............49
2.1.7.Численный анализ методики измерения интегральных нагрузок в прямых экспериментах............................................................52
2.2. Методика измерения интегральных нагрузок в обращенных экспериментах 62
2.2.1. Измерение интегральных нагрузок с помощью мерного стержня............62
2.2.2. Определение ошибок измерения интегральных сил в обращенных
экспериментах................................................................66
2.2.3.1 Остановка задачи вычислительного эксперимента........................68
2.3. Выводы по главе 2........................................................79
Глава 3. Основные закономерности проникания твердых тел в мягкие грунты.........80
3.1. Исследование процессов взаимодействия ударников с преградой из песка в прямых экспериментах..........................................................80
3.1.1. Условия проведения экспериментов......................................80
3.1.2. Некоторые особенности процесса проникания для различных ударников 83
3.1.3. Зависимости глубина проникания - время................................91
3.1.4. Определение коэффициента сопротивления Сх на квазистационарном участке внедрения.........................................................95
3.2. Результаты измерений интегральных нагрузок в обращенных экспериментах....98
3.2.1. Взаимодействие цилиндрических ударников с песчаной мишенью............98
3.2.2 Проникание в сухой песок полусферических ударников....................105
3.2.3. Влияние гранулометрического состава песка на сопротивление внедрению.! 10
3.2.4 Исследование процессов проникания полусферических ударников в водонасыщенные грунты.......................................................115
3.2.5. Проникание конических оголовков в сухой песок........................120
3.2.6. Анализ проникания в пластилин полусферических ударников..............128
3.2.7. Проникание конических оголовков в мишени из пластилина...............133
3.3.Сравнение результатов прямых и обращенных экспериментов..................136
3.4. Выводы по главе 3.......................................................140
Основные результаты и выводы по работе.........................................142
Список использованных источников...............................................!44
ВВЕДЕНИЕ
Важность изучения явлений соударения и проникания вполне очевидна. Традиционно изучение этих проблем является актуальным в связи с запросами военной техники. Однако в последние годы интерес к проблеме ударного взаимодействия твердых тел чрезвычайно возрос, в связи с участившимися террористическими актами и техногенными катастрофами, в результате которых население, обслуживающий персонал опасных производств, здания, сооружения и отдельные части оборудования подвергаются ударным воздействиям.
Ударное взаимодействие характеризуется сложными по своей физической природе процессами, сопровождающимися целым рядом различных явлений: образованием упругих, упруго-пластических, ударных волн, волн разгрузки, фазовыми превращениями, разрушением и сильным формоизменением соударяющихся тел и сред, крагерообразованием и т.д. Для решения этих проблем используются аналитические и численные методы прикладной математики и методы экспериментальной механики деформируемого твердого тела. Па сегодняшний день имеется достаточно хорошо изученный класс задач явлений удара, для которых получены основополагающие экспериментальные результаты, выполнены аналитические и численные решения.
Большой вклад в развитие современных методов и средств для исследования проблем динамики удара внесли такие известные ученые нашей страны, как Л.В.Альтшуллер, Н.Н.Давиденков, Ф.Ф.Витман, Н.А.Златин, А.А.Ильюшин, В.А.Степанов, Г.В.Степанов, С.А.Новиков и другие, а также зарубежные ученые
А.Браун, Дж.Дафи, Р.Дэвис, Ж.Дювал, Р.Грэхем, Д.Кларк, Г.Кольский, Дж.Кэмибелл, М.Форрестол, Г.Ховер и другие.
Однако, вследствие сложности физической природы явлений удара, а также ввиду большого разнообразия различных по своей физической природе материалов. которые участвуют в процессе соу дарения, отсутствуют единые представления
и модели, всесторонне описывающие ударные явления в широком диапазоне изменения скоростей удара.
Для грунтовых сред трудности исследования процессов ударного взаимодействия и проникания обусловлены многообразием их физико-механических свойств. Грунты являются многокомпонентными средами и различаются структурой, размерами твердых частиц скелета, содержанием воды и воздуха. В последние несколько десятилетий достигнуты значительные успехи в изучении поведения грунтовых сред при динамическом нагружении. Большой вклад в эго внесли Н.Л.Златии. В.А.Степанов, С.А.Новиков, Г.В. Рыков, Х.А. Рахматулин. А.М. Врагов, и др.
Однако проблема ударного взаимодействия твердых тел с грунтовыми средами исследована не полностью. Несмотря на очевидные успехи в решении задач проникания в грунтовые среды теоретическими методами, ощущается явная нехватка экспериментааьных результатов. Получены теоретические (аналитические и численные) и экспериментальные решения некоторых классов задач соударения. Основополагающие результаты в исследовании процессов проникания осесимметричных тел в грунтовые среды пол>чены в работах Ю.К.Бивина. 10.Н.Бухарева. В.В.Викторова, С.С.Григоряна, А.Я.Саго.моняпа, У .Аллена, М.Форрестола и других.
Однако анализ существующих работ показывает, что процессы проникания и соответствующие им. закономерности ударного взаимодействия деформируемых тел с грунтами экспериментально изучены недостаточно: основные результаты исследования проникания деформируемых твердых тел в грунты получены для относительно низких скоростей удара (10-100 м/с). В этом диапазоне, в основном, получены зависимости глубины проникания от времени, максимальной глубины проникания от скорости удара. К тому же эти результаты получены только для некоторых грунтов и модельных сред, для ударников простейших форм. Реже встречаются данные относительно зависимостей сил сопротивления внедрению от скорости удара, физико-механических свойств грунта, от формы проникающего тела.
В связи с этим задачи исследования закономерностей процесса проникания осесимметричных тел в фунтовые среды, устанавливающих связи интегральных
характеристик (глубина проникания, силы сопротивления внедрению и т.д.) с физико-механическими свойствами преград, с геометрией ударника, скоростями соударения, представляются актуальными и своевременными.
Цель работы
Целью диссертационной работы является создание обоснованных экспериментальных методик и установление на их основе закономерностей процессов проникания осесимметричных деформируемых тел в грунтовые среды.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи.
1. Разработаны и реализованы проекты тазовых пушек калибра 20 мм и 57 мм, позволяющих в лабораторных условиях решать задачи ударного взаимодействия при скоростях удара 10-500 м/с.
2. Развиты методики прямого и обращенного эксперимента для определения основных параметров взаимодействия ударников с мягкими грунтовыми средами. Выполнен теоретический анализ этих методик, обоснованы границы их применимости.
3. Проведены экспериментальные исследования, получены систематические данные, характеризующие основные зависимости проникания ударников различной формы в мягкие грунты в диапазоне скоростей удара от 45 до 460 м/с.
Научная новизна.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- Разработан комплекс экспериментальных методик, аппаратных и приборных средств для исследования процессов ударного взаимодействия твердых деформируемых тел и элементов конструкций с мягкими грунтами. Проведен теоретический анализ созданных методик, определены границы их применимости.
- В результате выполненных систематических экспериментальных исследований получены зависимости, связывающие основные характеристики ударного взаи-
”Т
У
модействия (глубина проникания, интегральные нагрузки) с формой ударяющего тела и скоростью удара.
Практическая ценность.
Разработанные и созданные комплексы методических и аппаратных средств регистрации опытных данных и экспериментальные результаты используются в ряде научно-исследовательских организаций: РФЯЦ-ВНИИЭФ, РФЯЦ-ВНИИТФ,
ЦНИИ Материалов, НПО «Специальные материалы» и др.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается тщательным выбором и анализом методов и средств экспериментальных исследований, совпадением полученных в работе результатов с данными зарубежных и отечественных авторов.
Основные положения, представляемые к защите:
1. Разработка оригинального комплекса методических и технических средств для
экспериментального изучения процессов ударного взаимодействия твердых деформируемых тел с мягкими грунтами в прямой и обращенной постановках при скоростях удара 10-500 м/с.
2. Экспериментально-теоретическое обоснование методик прямого и обращенно-
го эксперимента, позволяющих определять зависимости глубины проникания твердых тел в грунтовые среды от времени, интегральных нагрузок, коэффициента сопротивления.
3. Экспериментальные закономерности процесса проникания в мягкие грунты
ударников различной формы, таких как полусфера, конус, сфероконус. цилиндр в диапазоне скоростей 45-460 м/с.
Автор выражает искреннюю благодарность своим руководителям: профессору д.ф.-м.н. В. 1 .Баженову и д.т.н. А.М.Брагову за постоянное внимание и помощь в работе.
Также автор весьма признателен сотрудникам НИИ механики:
- кандидатам технических наук А.К.Ломунову и Е.Е.Русину, ведущему инженеру В.Б.Коробову, младшим научным сотрудникам П.В.Демспко и И.В.Сергеичеву за многолетнее сотрудничество и помощь в работе,
- кандидатам физико-математических наук С.В.Крылову и ВЛ.Котову за помощь в расчетном обосновании методик испытаний,
- другим сотрудникам НИИ механики.
Автор благодарен сотруднику федерального ядерною центра ВНИЭФ В.П.Ганду-рину за многолетнюю-поддержку, ценные советы и замечания.
9
ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ПРЕГРАДАМИ
Экспериментальные методы исследования взаимодействия различных тел с преградами можно разделить на две большие группы: прямые и обращенные. В прямых экспериментах разогнанный ударник или модель тела взаимодействуют с неподвижной преградой. В обращенных методах исследуемая модель неподвижна (по крайней мере, в начальный момент времени), а удар наносится разогнанной до нужной скорости преградой. Следует отметить, что в обращенных методах возникает необходимость метания значительно больших масс, чем в прямых.
При проведении -экспериментальных исследований процессов ударного взаимодействия тел с преградами различной физической природы обычно выделяют три наиболее важных этапа:
- создание надежных и эффективных методик разгона, которые в лабораторных условиях, позволяю! получать достаточно широкий диапазон скоростей удара;
- разработка и создание методик регистрации параметров ударного взаимодействия (глубина проникания, траектория, силы сопротивления внедрению и т.д.);
исследование основных закономерностей, характеризующих процессы соударения.
В соответствии с этим основное внимание в главе обращено на анализ известных работ, в которых уделяется должное внимание описанию этих этапов.
1.1. Методы разгона
Одним из важных параметров, определяющих процессы соударения, является скорость удара. Поскольку' диапазон исследуемых скоростей соударения достаточно широк: от нескольких метров в секунду до нескольких километров в секунду, то
(
для их получения требуется использование различных разгонных устройств.
10
При низких скоростях удара (менее 10 м/с) широкое распространение получили вертикальные копры со свободно падающим грузом [34.54,61,70]. Устройства копров достаточно просты и не накладывают ограничений на массу разгоняемого тела. Однако копровый метод имеет существенный недостаток, связанный с ограничением максимальной скорости удара величиной 10 м/с. так как разумная высота сбрасывания составляет обычно 5-10 м. Достоинством этого метода является возможность испытания моделей больших размеров [83,84].
Разгон достаточно больших масс может осуществляться с помощью маятниковых или ротационных копров [12,91]. Максимальная скорость удара для маятниковых копров не превышает 30 м/с, ротационные копры позволяют получать скорости до 300 м/с. Однако эти устройства чаще всего используются для определения механических свойств материалов. Основным их недостатком являются трудности создания соосности процесса удара, так как разгон тела осуществляется по дуге.
При проведении экспериментальных исследований в экспериментальной механике деформируемого твердого тела и физике быстропротекающих процессов широкое распространение получили устройства, использующие для разгона энергию предварительно сжатого до высокого давления газа, - газовые пушки различных конструкций [15-23, 28, 30-33, 37, 52, 55, 56, 60, 78, 85-87, 89, 93. 96, 101, 102].
Выбор газовых пушек в качестве разгонных устройств обусловлен несколькими причинами. Одноступенчатые газовые пушки позволяют разгонять снаряды и модели массой до нескольких килограмм (в зависимости от калибра ствола и рабочего давления в камере высокого давления) в диапазоне скоростей 50-1000 м/с. Причем при работе на гелии скорость метаемого тела возрастает до 1500 м/с [58]. Калибр ствола таких пушек может быть более 100 мм [86]. Газовые пушки позволяют получать хорошую повторяемость скоростей метаемых тел и могут использоваться в лабораторных условиях.
Еще большие скорости позволяют получать двухступенчатые газовые пушки [10,58]. Разогнанный в стволе первой ступени поршень сжимает легкий газ (обычно гелий или водород), находящийся перед ним, до нескольких тысяч атмосфер, что позволяет разогнать ударник в стволе второй ступени до скорости 10 км/с.
и
Однако предельные скорости \ioiyi быть получены для снарядов массой до нескольких грамм.
В качестве разгонных устройств широко используются пороховые пушки [2,4,10,58, 70, 89, 96]. Разгон снарядов в них осуществляется с помощью газообразных продуктов сгорания пороха. С использованием пороховых пушек можно получать скорость метания до 2800 м/с для снарядов массой до 10 кг [10]. Пороховые пушки имеют достаточно большой разброс скоростей метаемых тел от опыта к опыту, применение пороха требует соблюдения особых мер безопасности, что ограничивает их применение в лабораторных условиях. Пороховые пушки часто используются в качестве первых ступеней в многоступенчатых легкогазовых пушках 110).
Хотя одноступенчатые газовые пушки позволяют разгонять достаточно большие массы в широком диапазоне скоростей удара (50-2000 м/с), однако существует ограничение на размер метаемых тел калибром ствола. От этих ограничений свободны метательные системы, основанные на использовании энергии взрывчатых веществ. Обзоры подобных устройств приведены в [3,13] и здесь рассматриваться не будут.
1.2. Методы измерения скорости полета ударников.
Поскольку одним из существенных параметров процессов соударения, наряду с физико-механическими свойствами соударяемых тел и сред, их геометрическими размерами, траекторией движения, является скорость соударения, то требуются се тщательные и точные измерения. Существуют несколько широко распространенных методов измерения скорости: контактные датчики, электромагнитные и световые измерители скорости и т.д.
Электроконтактные датчики скорости [70,87,90,98] представляют собой две и более пары контактов, расположенных на пути пролета снаряда и включенных в соответствующую электрическую цепь. При пролете снаряда контакты могут либо замыкаться между собой или размыкаться, что порождает в измерительной цепи
12
скачки напряжений, запускающие и останавливающие соответствующее устройство измерения временных интервалов (чаще всего частотомер или осциллограф). По известному расстоянию между контактами и измеренному времени определяется скорость полета снаряда.
Если метание осуществляется газовой или пороховой пушкой, а мишень располагалась на небольшом расстоянии от дульного среза ствола, то чаще всего контакты датчиков размещаются в конечной части ствола пушки в специальных отверстиях. Контакты от ствола при этом электрически изолируются.
Для измерения скорости полета удара снаряда в полигонных условиях используют электроконтакгные датчики в виде рам-мишеней [10]. Рамы-мишени представляют собой находящиеся под напряжением сетки из топкой проволоки, натянутые на изоляторы. При пролете модели через раму-мишень проволочки разрываются. выдавая электрические сигналы на устройство, регистрирующее интервалы времени. Подобный метод измерения скорости применил У .Аллен [2] при исследовании проникания ударников в песок.
Достоинствами электроконтактных методов являются их простота и надежность. Однако их точность достаточно сильно зависит от скорости срабатывания датчиков, которая в свою очередь, зависит от надежности контакта снаряда с дат чиком. Надежней всего датчики срабатывают при плоской форме головном части ударника, для заостренных тел имеется большая неопределенность времени замыкания контактов.
Электромагнитные измерители скорости [10,53.68.95,105] чаще всего реализуются в виде насадки из немагнитного материала (например, нержавеющей стали), являющейся продолжением ствола газовой пушки. В насадке выполняются кольцевые проточки на определенном расстоянии друг от друга. В эти проточки наматываются катушки измерителя, а сверху надеваются кольцевые магниты. При пролете проводящего тела силовые линии магнитного постоянного поля деформируются и пересекают витки катушки. Электрические сигналы ЭДС возникающие при этом в катушке, подаются на входы частотомера или измерителя интервалов времени.
13
Зная расстояние между катушками и время, легко вычисляется скорость соударения.
Существуют варианты электромагнитного измерителя, в которых используется один магнит и, соответственно, одна катушка [531. В этом случае в ударнике делается несколько проточек, при прохождении которых через сечение катушки изменяется поток индукции в ней и, соответственно, возникает ЭДС. индукции в катушке.
Электромагнитный измеритель скорости обладает существенными достоинствами: отсутствие сменных элементов, высокая точность при
относительно малых базах измерения (0.5% при базе 100 мм) и отсутствие электропитания (ког да магнитное поле создают постоянные магниты). Этот метод прост в реализации в случае небольшого калибра метаемых снарядов (20-30 мм). При больших калибрах возникают трудности с подбором кольцевых магнитов соответствующего диаметра с сильным магнитным полем. В этом случае целесообразно применение электромагнитов. Для измерения скорости удара неметаллических материалов в снаряд закладывается небольшой кусочек магнита.
Широко распространенным типом измерителя скорости является световой измеритель [10,11,15,31*,37.78,82,85,94,96,101,103]. Световой измеритель состоит из источников света и фотоприемников. Принцип его действия заключается в последовательном пересечении летящим телом двух или более световых лучей, расположенных на известном расстоянии. Фотоприемник, реагируя на изменение светового потока, выдает электрические сигналы. В этих устройствах узкие пучки света формируются с помощью лазеров, светодиодов и т.д. Приемниками излучения служат либо фотодиоды, либо фотоэлектронные умножители, сигнал с которых поступает па регистрирующее устройство: частотомер или осциллограф.
Существуют варианты светового измерителя с одним источником и одним приемником света. В-частности, в работе [102| на боковой поверхности ударника были нанесены полосы с различной отражающей способностью. При пролете у дарника мимо источника света (полупроводникового лазера) в приемнике (фотодиоде)
- Київ+380960830922