CC BY
35
УДК 539.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ МОДЕЛЕЙ КОМПОЗИТНЫХ ОБОЛОЧЕК ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ И ВНУТРЕННЕГО ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ
В.В. БЕНДЮКОВ, А.В. ОСТАПЕНКО, О.Г. ОСЯЕВ Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
Проведены экспериментальные исследования по определению температуры моделей композитных оболочек в области воздействия высокоэнергетичного объемного источника тепла и условий разрушения модельных оболочек при комбинированном действии внутреннего статического давления и теплового источника.
Ключевые слова: моноимпульс, тепловизор, концентрированные потоки энергии, длительность импульса, композитная оболочка, внутреннее избыточное давление, объемный источник тепла, плотность энергии.
Задача экспериментальных исследований состояла в определении особенностей поведения и условий разрушения моделей композитных оболочек при комбинированном действии внутреннего статического давления и объемного источника тепла. В качестве объемного источника тепла использовался линейный ускоритель электронов (ЛУЭ-10) с энергией частиц пучка Е=10МэВ, работающий в квазинепрерывном режиме. Длительность моноимпульса составляла tu = 2-10 -6 с.
Работа осуществлялась в двух основных режимах. Средняя мощность источника в каждом из режимов составляла '^=10Вт и W2=3,5-10 Вт для частот V1=100^ и ^=150Гц соответственно.
Объектами испытаний были модельные многослойные композитные оболочки из СВМ со следующими характеристиками:
R+=0,9-10-V h=2-10-3м, Ь=25-10-2м, Е11=2,1-1010 Н/м2, Е22=3,10-1010 Н/м2,
E12=0,8-1010 Н/м2 , [оп]=5,4-107 Н/м2, [о22]=6.5-107Н/м2 , где R+, h, l - соответственно радиус наружной поверхности, толщина и длина оболочки Е11, Е22, Е12, [оп], [022], [о12] - модули упругости и пределы прочности в продольном окружном направлениях и на сдвиг соответственно.
Для измерения температуры на поверхности оболочки использовался тепловизор "Факел", осциллограф С1-65 А и самопишущий переносной микроампермилливольтметр Н-399.
Для выявления особенностей поведения моделей многослойных композитных оболочек при действии внутреннего давления и объемного источника тепла использовалась следующая методика.
Испытываемые образцы нагружаются внутренним давлением до разрушения. Нагружение колец осуществляется с помощью полудисков
(рис. 1) на разрывной машине.
тт Рис. 1. Приспособление для разрыва кольцевых
Для нагружения внутренним давлением мо-
образцов моделей композитных оболочек
дельных оболочек используется гидропресс (рис. 2).
Рис. 2. Г идропресс для нагружения оболочек внутренним избыточным давлением
Определяются величины предельных параметров нагружения, при которых происходит разрушение образцов.
1. Ускоритель выводится на заданный режим работы. Измеряются его основные параметры по приборам на пульте управления.
2. Определяется закон распределения плотности концентрированных потоков энергии (КПЭ) на поверхности объекта в области воздействия с использованием дозиметрических стекол и микрофотометра ИФО-451.
3. Испытываемые объекты закрепляются на установке. Модельные оболочки герметизируются с помощью металлических торцевых фланцев (рис. 3), нагружаются внутренним давлением, выдерживаются под давлением 5-10 мин., после чего нагрузочная магистраль дистанционно отстыковывается от оболочки.
Установка позволяет вращать образцы с частотой до п=5 об/с. Устойчивость режима вращения обеспечивается за счет точной центровки оболочки с помощью соединительного штуцера (рис. 3), выполняющего одновременно функцию осевого шарнира. Контроль скорости вращения осуществляется по приборам с дистанционного пульта управления.
4. В процессе воздействия КПЭ на неподвижный или подвижный вращающийся образец осуществляется дистанционное наблюдение за поведением исследуемого объекта с помощью телекамеры, а также измерение температуры на его поверхности в центре области нагрева с использованием тепловизора.
Длительность воздействия соответствует времени начала разрушения образца либо времени начала других качественных изменений состояния объектов.
5. Осуществляются прочностные испытания образцов, подвергнутых воздействию объемного источника тепла. Кольцевые элементы доводятся до разрушения на разрывной машине с помощью полудисков. Цилиндрические оболочки нагружаются до разрушения давлением с помощью гидропресса.
6. Проводится анализ выявленных эффектов поведения материалов и конструкций исследуемых образцов в процессе нагружения, особенностей их деформирования и разрушения, в зависимости от длительности нагружения, скорости вращения и параметров источника излучения.
Рис. 3. Установка для комплексного нагружения модельных образцов
Для определения доли поглощенной в образцах энергии используется методика, изложенная в работе [1] и заключающаяся в измерении с помощью калибровочных пластинок из термолюминесцентного стекла ИС-7 на входе в образец и на выходе из него величины поглощенной пластинками энергии Бо и Б1.
Доза поглощенной энергии ф определяется из соотношения
ф=( Бо - 01>/ Бо. (1)
В экспериментальном исследовании на ускорителе с энергией частиц Ео=10 Мэв профиль энерговыделения в образцах из СВМ толщиной Ь=(2^4) мм является равномерным, что подтверждает результаты расчетов с использованием метода Монте-Карло. Величина энерговыделения на единицу толщины определяется выражением
Эхз=( Бо- Б1)/ Ь. (2)
Работа ускорителя осуществляется в двух режимах, отличающихся параметрами генерируемого пучка. Средний ток пучка в каждом из режимов составляет 1ср1=100мкА, 1ср2=350мкА соответственно. Распределение плотности тока по поверхности мишени в области воздействия представлено на рис. 4, 5 для первого и второго режимов соответственно.
I
I
/ \
N /1 /2
\ \ > <
У \ \ ; ►
7 Хх 102,м
Рис. 4. Распределение плотности тока по поверхности мишени в области воздействия для первого режима облучения при 1ср1=100мкА
Рис. 5. Распределение плотности тока по поверхности мишени в области воздействия для первого режима облучения при 1ср2=350мкА
Испытания кольцевых элементов моделей композитных оболочек проводится с помощью приспособления, показанного на рис. 6. Воздействие на кольцевые элементы осуществляется при первом режиме работы ускорителя.
Время нагрева неподвижным источником тепла составляет (15-30)с и соответствует началу качественных изменений материала колец.
Время нагрева подвижным источником тепла остается в каждом опыте постоянным 1=420с.
При этом частота вращения образцов меняется от п=0,3 об/с до п=1,5 об/с. На следующем этапе кольцевые элементы испытываются на разрыв.
Определяется зависимость разрывного усилия от длительности воздействия и скорости движения источника тепла.
Испытания моделей оболочек проводится при первом и втором режимах работы ускорителя.
На первом этапе определяется температура нагрева поверхности оболочек источником тепла при отсутствии внутреннего давления при различных значениях длительности воздействия КПЭ и скорости вращения образцов.
Рис. 6. Приспособление для нагрева кольцевых элементов КПЭ
0.5
Рис. 7. Критические соотношения параметров внутреннего давления и плотности КПЭ для модельных оболочек
На втором этапе определяются условия разрушения моделей оболочек, предварительно нагруженных внутренним избыточным давлением при различных значениях скорости, мощности, размеров источника тепла и длительности воздействия КПЭ, выявляются особенности поведения материалов и конструкций образцов.
В соответствии с задачами исследования были определены соотношения параметров на-
2 2
гружения ^, Дж/см ; Рвн, н/м ; Т, °С; 1;в, °С; п, об/с), при которых происходит разрушение оболочек, а также качественные особенности поведения композитных моделей корпусов при комбинированном нагружении внутренним статическим давлением и объемным источником тепла.
Соотношение критических параметров нагружения неподвижной оболочки представлено на рис. 7.
При нагружении внутренним давлением оболочки разрушались при давлении Рвн = (150±10)105 Н/м2 . Во всех случаях отмечалось хрупкое разрушение с разрывом волокон армирующего материала оболочек.
При комбинированном нагружении внутренним давлением и объемным источником тепла наблюдалось выпучивание оболочек в области воздействия сопровождавшееся спадом давления во внутренней полости вследствие увеличения объема полости без потери герметичности (потеря герметичности в результате сквозного прожига без образования области выпучивания является характерной формой разрушения коротких оболочек Ш<2, а также оболочек с упругим заполнителем).
Результаты измерения температуры на поверхности облучаемых объектов, в зависимости от времени воздействия, при различных скоростях вращения моделей, представлены на рис. 8.
Как показывают полученные результаты, скорость роста температуры в области воздействия существенно зависит от скорости вращения оболочки.
Следует учесть, что для равномерного энерговыделения при сквозном пробеге электронов в корпусе (как в данном случае) температура по толщине распределяется также равномерно и равна температуре наружной поверхности.
При нагреве оболочки до Т=800°С наблюдалось дымление материала, при Т=930°С - воспламенение в области воздействия.
Сквозной прожиг оболочки, не нагруженной внутренним давлением, происходил при плотности энергии q = 1200 Дж/см .
В результате исследования установлено, что характерными формами разрушения оболочек, в зависимости от соотношения параметров нагружения, являются:
Рис. 8. Результаты измерения температуры на поверхности облучаемых объектов, в зависимости от времени воздействия, при различных скоростях вращения моделей
- сквозной прожиг корпуса оболочек 1/ё=2 при отсутствии предварительного нагружения внутренним давлением и плотность энергии q=1200Дж/см2 , а также оболочек 1/ё=2 с заполнителем, нагруженных предварительным внутренним давлением, при плотности энергии q (Рвн=100 атм) =460 Дж/см2 ; оболочек без заполнителя 1/ё=2, нагруженных внутренним давлением, при q (Рвн=100 атм)=630Дж/см2;
- выпучивание корпуса оболочек 1/ё=2 в области воздействия при нагружении внутренним давлением и обработке неподвижным источником тепла (п=0) при q(Рвн=100атм)=800 Дж/см2, q(Рвн=125атм)=620 Дж/см2, q(Рвн=140атм)=450 Дж/см2;
- выпучивание оболочки Ш=2 по окружной области воздействия при нагружении внутренним давлением (Рвн=100атм) и подвижным (окружным) источником тепла (п>0) q(n=0,3 об/с) = 8,4 кДж/см2, q(n = 0,5 об/с) =11,76 кДж/см2, q(n=1об/с) =16,6 кДж/см2, q(n=1,51 об/с) =16,7 кДж/см2;
- хрупкое разрушение с проломом корпуса оболочки при нагружении внутренним давлением 150 атм.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие заключения:
1. Вращение модельных многослойных цилиндрических оболочек, нагруженных внутренним избыточным давлением, при действии объемного источника тепла приводит к увеличению плотностей энергии, необходимой для разрушения оболочек, по сравнению с неподвижным источником, при прочих равных условиях.
2. Скорость вращения влияет на величину критических параметров нагружения объемным источником тепла. При возрастании скорости вращения И ^ ю подвижный тепловой источник вырождается в кольцевой. Увеличение критического значения плотности мощности, при котором происходит разрушение оболочки, прямо пропорционально размеру области воздействия. Вращение оболочек с малыми скоростями, когда за время теплового воздействия объект совершает 1,5 оборота, поле температуры области воздействия отличается существенной неравномерностью и источник не может считаться кольцевым.
3. Повышение скорости движения источника тепла приводит к более равномерному распределению поля температур на обрабатываемой поверхности и соответственно к увеличению критических параметров нагружения.
4. Характерной формой разрушения модельных композитных оболочек при комбинированном нагружении внутренним давлением объемным источником тепла является выпучивание области воздействия, сопровождающееся падением давления в полости оболочки. Причем для неподвижных оболочек наблюдается одностороннее выпучивание (со стороны источника тепла); для вращаемых оболочек симметричное.
5. Разрушение модельных оболочек с заполнителем, а также коротких оболочек ( 1/ё<2) без заполнителя происходит в результате сквозного прожига (потери герметичности), сопровождающегося образованием отверстия, с расщепленными наружу краями. В оболочках с заполнителем наблюдается выброс материала заполнителя через отверстие в корпусе.
6. Нагрев материала оболочек (СВМ) объемным источником тепла приводит к газовыделению в межслойном пространстве, расслоению, коксованию и возгоранию материала в области воздействия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Радиационная дозиметрия: Электронные пучки с энергиями от 1 до 50 Мэв. Доклад МК РЕ. - М.: Энерго-атомиздат, 1988.
2. Кармишин А.В., Лясковец В.А., Мяченков В.И., Фролов А.Н. Статистика и динамика тонкостенных оболочечных конструкций. - М.: Машиностроение, 1975.
3. Новожилов В.В. Основы нелинейной теории упругости. - М.: - Л.: Гостехиздат, 1984.
4. Шаповалов Л.А. Моделирование в задачах механики элементов конструкций. - М.: Машиностроение, 1990.
EXPERIMENTAL STUDY OF THE BEHAVIOUR OF THE MODELS KOMPOZITNYH SHELL AT INFLUENCE VYSOKOKONCENTRIROVANNYH FLOW TO ENERGY AND INTERNAL SURPLUS PRESSURE
Bendyukov V.V., Ostapenko A.V., Osyaev O.G.
The experimental studies are organized on determination of the temperature of the models composites shell in the field of influences high energy three-dementional source of the heat and conditions of the destruction model shell under multifunction action of the internal steady-state pressure and heat source.
Key words: a monopulse, thermovisor, concentrated flows of energy, duration of a pulse, composites shel, internal superfluous pressure, volumetric source of heat, density of energy.
Сведения об авторах
Бендюков Вячеслав Валентинович, 1960 г.р., окончил Ростовское высшее военное командноинженерное училище ракетных войск (1982), кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник кафедры ВС и АД Ростовского филиала МГТУ ГА, автор более 110 научных работ, область научных интересов - конструкция и прочность летательных аппаратов.
Остапенко Александр Владимирович, 1982 г.р., окончил Ростовский военный институт ракетных войск (2004), преподаватель кафедры наземного оборудования РК РВИРВ им. М.И. Неделина, автор более 45 научных работ, область научных интересов - численные и экспериментальные методы исследования прочностной надежности несущих конструкций летательных аппаратов.
Осяев Олег Геннадьевич, 1963 г.р., окончил Ростовское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск (1985), кандидат технических наук, доцент, старший преподаватель кафедры материаловедения и ремонта РВО РВИРВ, автор более 100 научных работ, область научных интересов -численные и экспериментальные методы исследования прочностной надежности несущих конструкций летательных аппаратов.
