CC BY
95
МЕХАНИКА
УДК 539.3
УНИВЕРСАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. I. ПЛОСКОВОЛНОВЫЕ УДАРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
© 2010 г. А.М. Брагов, А.К. Ломунов, А.Р. Филиппов
НИИ механики Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского
bragov@mech.unn.ru
Поступила в редакцию 24.03.2010
Приведено описание оригинальной экспериментальной установки на базе газовой пушки калибра 85 мм, предназначенной для проведения широкого спектра исследований динамических свойств материалов при скоростях нагружения от 10 до 500 м/с. Представлена методика исследования свойств материалов различной физической природы в условиях плоского ударно-волнового нагружения.
Ключевые слова: эксперимент, газовая пушка, плоские волны, ударная адиабата.
Введение
Изучение свойств материалов в условиях высокоскоростного нагружения, а также явлений соударения и проникания является актуальным направлением научных исследований в связи с запросами ряда современных отраслей гражданской промышленности и военной техники. Для создания новых технологий обработки материалов, проектирования различных конструкций, испытывающих в процессе эксплуатации интенсивные динамические нагрузки, моделирования процессов ударного взаимодействия твердых тел с материалами различной физической природы необходимы экспериментальные установки, позволяющие исследовать широкий спектр физико-механических свойств материалов при импульсном динамическом нагружении.
Известно [1], что ударное взаимодействие характеризуется сложными физическими процессами, сопровождающимися целым рядом различных явлений, основные из которых -образование упругих, упруго-пластических и ударных волн, фазовые и структурные превращения в материале, разрушение и т.д. При исследовании этих явлений используются аналитические и численные методы прикладной математики и методы экспериментальной механики деформируемого твердого тела [2].
Широкий диапазон скоростей соударения при исследовании процессов ударного взаимодействия предполагает использование в экспериментах различных взрывных и разгонных устройств. При проведении исследований в экспериментальной механике и физике быстропротекающих процессов широкое распространение получили газовые пушки [3], использующие для разгона энергию предварительно сжатого газа. Они позволяют разгонять снаряды и модели различной массы в широком диапазоне скоростей. Основными преимуществами газовых пушек по сравнению с другими разгонными устройствами являются хорошая повторяемость скоростей метаемых тел, безопасность, возможность использования в лабораторных условиях, простота эксплуатации. Большинство подобных устройств было разработано в соответствии с конкретными задачами исследований, что ограничивает возможность их применения для иных методик.
В лаборатории динамических испытаний НИИ механики ННГУ ранее были разработаны и изготовлены газовые пушки различного скоростного диапазона калибров от 10 мм до 57 мм. С помощью этих пушек проводится широкий спектр исследований материалов различной физической природы с достаточно гомогенной структурой. Однако для успешного исследования динамических свойств различных структурно-неоднородных сред (бетоны, горные породы, керамики, огнеупоры и т.д.) необ-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования процессов ударного взаимодействия
ходима газовая пушка большего калибра, позволяющая разгонять ударники массой до нескольких килограммов в диапазоне скоростей 10-500 м/с и проводить эксперименты по различным методикам (плосковолновое ударное нагружение, обращенный эксперимент, эксперименты на динамическое внедрение и т.д.).
Конструкция пушки
Принципиальная схема пушки приведена на рис. 1. Основными элементами установки являются: система создания давления (1), камера высокого давления с затвором (2), ствол (3) и вакуумная камера (4) для размещения различных устройств и приспособлений.
Система создания давления состоит из компрессора ЭК2-150 (7), трубопроводов, запорной арматуры и контрольных манометров. Для обеспечения безопасности при проведении испытаний запорная арматура и манометры смонтированы в виде пульта управления (9) в отдельном помещении. Сжатый воздух от компрессора подается на пульт управления и далее поступает в камеру высокого давления с затвором. Система рассчитана на максимальное давление 150 атмосфер.
Камера высокого давления (2) состоит из рабочей камеры (10) объемом 20 литров и двух-диафрагменного затвора (11), представляющего собой промежуточную камеру небольшого объема, ограниченную по торцам диафрагмами (мембранами) из различных разрушаемых материалов [3]. Камера высокого давления расположена на станине и имеет возможность горизонтального перемещения по ней, что позволяет осуществить отсоединение затвора от рабочей камеры и от ствола для монтажа диафрагм запорного устройства и размещения ударника (12) в полости ствола.
Предусмотрены две системы выпуска сжатого воздуха из камеры высокого давления в ствол: неуправляемый (самопрорыв диафрагмы) и управляемый пуск. В первом случае используется одна диафрагма, разрыв ее происходит самопроизвольно при достижении в рабочей камере давления, которое определяется прочностью (толщиной) установленной диафрагмы. В качестве материала для диафрагм используется отожженная медь или алюминий толщиной от 0.05 до 0.5 мм. Во втором случае происходит управляемый выпуск сжатого воздуха в ствол при требуемом давлении Р. Для этого с обеих сторон двухдиафрагменного затвора располагаются диафрагмы, способные выдержать давление чуть больше Р/2. Сжатый воздух одновременно поступает в рабочую камеру и в затвор. При достижении давления Р/2 доступ воздуха в затвор перекрывается, и сжатый воздух продолжает поступать только в рабочую камеру. Как только давление в рабочей камере достигает требуемой величины Р, подача воздуха прекращается. Затем воздух из затвора выпускается наружу, в результате чего между рабочей камерой и затвором образуется перепад давлений Р, что приводит к последовательному разрушению обеих диафрагм. Сжатый воздух поступает в ствол и разгоняет ударник. В пушке используется ствол калибра 85 мм и длиной 3 метра. Ствол жестко закреплен на станине и соединяется с камерой высокого давления при помощи резьбового соединения. Для определения скорости ударника при вылете из ствола используется электроконтактный измеритель скорости (6).
Вакуумная камера, смонтированная на конце ствола, служит для защиты помещения от осколков, а также для размещения различных приспособлений, необходимых для производства испытаний в соответствии с требуемой мето-
дикой. Кроме того, вакуумирование ствола пушки и приемной камеры позволяет исключить давление на образец истекающего из ствола газа. Камера представляет собой стальной сосуд диаметром 600 мм и длиной 1800 мм. В ней предусмотрены монтажные и смотровые окна, патрубки для создания вакуума и отсоса пыли, образующейся при испытаниях образцов грунта, бетона и горных пород. Объем камеры составляет около 0.5 м3. Для создания вакуума используется пластинчато-роторный вакуумный насос 2НВР-5ДМ, позволяющий создавать гарантируемый вакуум 5x10" ммрт.ст.
Методика плосковолновых ударных экспериментов
Созданная установка достаточно универсальна и позволяет реализовать различные методики исследования динамических свойств конструкционных материалов путем размещения в вакуумной камере необходимых устройств и приспособлений. Например, для исследования свойств материалов при плосковолновом нагружении используется оригинальное устройство крепления образцов с элементами юстировки (рис. 2). Одним из основных требований при проведении экспериментов данного типа является соблюдение параллельности со-ударяемых поверхностей ударника и образца. Это обеспечивается креплением образца (6) к опорной поверхности фиксатора (7), имеющего возможность юстировки.
Приемное устройство состоит из стакана (4) с отверстием в дне, фиксатора (7) и упора (5). Стакан наворачивается на дульный срез ствола (2) до упора. Фиксатор скрепляется со стака-
ном при помощи четырех шпилек. Регулировочные гайки (8) позволяют устанавливать опорную поверхность фиксатора параллельно торцевой поверхности ударника. После юстировки положения фиксатора к его опорной поверхности упором (5) прижимается испытуемый образец (6).
Для исключения влияния ударных воздействий на фиксатор система крепления упора (5) независима от системы крепления стакана (4) и фиксатора (7), а соединение вакуумной камеры (1) и ствола (2) обеспечивает их взаимное перемещение. При соударении ударника с образцом ударная нагрузка через образец передается на упор, а затем через шпильки крепления на вакуумную камеру (1). Ударного воздействия на фиксатор при этом не происходит, и тем самым сохраняется параллельность опорной поверхности фиксатора и торцевой поверхности ударника.
При проведении плосковолновых испытаний нагружение образца происходит за счет удара металлической метаемой пластины. При этом особое внимание должно уделяться созданию плоской волны, в которой деформация одномерна. Обычно для этого используются цельнометаллические ударники в виде тонкостенного стакана, выточенного из металлического прутка, однако они чрезвычайно неэкономичны. В работе был разработан композитный ударник, в котором метаемая металлическая пластина приклеивается к неметаллической направляющей, изготовленной из экструдированного пенополистирола (пенопласта) плотностью 95 кг/м3. Замеры глубины отпечатков ударников на поверхности образцов свидетельствуют о хорошей плоскостности соударения такого ударника с образцом.
Для изучения динамической сжимаемости материалов в плоских волнах нагрузки обычно применяется метод отражения [4], также называемый методом «сшивки импедансов». При этом удар метаемой пластиной-ударником производится не непосредственно по образцу, а через пластину-экран. Ударные адиабаты материалов ударника и экрана должны быть известны. Кроме того, должна быть заранее определена начальная плотность исследуемого материала. Для определения точки
ударной адиабаты исследуемого материала необходимо в процессе эксперимента измерить еще две величины: скорость соударения ударника с пластиной-экраном и скорость распространения фронта волны сжатия в материале образца. Скорость соударения измерялась с помощью электро-контактных датчиков с погрешностью, не превышающей 2%. Скорость распространения волны сжатия в образце определялась двумя диэлектрическими датчиками давления, расположенными на поверхностях образца. Толщины пластины-ударника, пластины-экрана и образца выбирались таким образом, чтобы волны разгрузки от свободных поверхностей не могли исказить картину одномерной деформации в волне сжатия. Проведение испытаний с различными скоростями соударения позволяет получить ряд точек ударной адиабаты материала. Анализ погрешностей измерений и обработки опытных данных при плосковолновых экспериментах показал, что параметры ударных адиабат определяются с погрешностью менее 7% [5].
Регистрация скорости ударника и скорости ударной волны производится с помощью высокоточной многоканальной компьютерной измерительной системы (крейтовый конструктив) фирмы National Instruments PXI-1042, где в сре-
де инженерного графического программирования ЬаЪУШШ организованы виртуальные приборы («Измеритель скорости» и «Осциллограф»), реализующие функции первичной обработки исходной информации и ее сохранения.
Схема сборки с исследуемым образцом представлена на рис. 3. Скорость распространения фронта волны сжатия в изучаемом материале регистрировалась двумя диэлектрическими датчиками давления. Используемый в
работе датчик представляет собой два токосъема из медной или алюминиевой фольги толщиной 0.05 мм и диаметром 20 мм, между которыми размещается чувствительный элемент из диэлектрика (лавсановая пленка) толщиной 0.05 мм. Общая толщина датчика составляет около 0.2 мм. При прохождении плоской волны через образец с датчиками на обкладках последних под воздействием импульса сжатия возникают электрические сигналы, которые регистрируются цифровым запоминающим осциллографом. По расстоянию между датчиками и времени смещения импульсов давления друг относительно друга можно определить скорость распространения волны сжатия в исследуемом образце.
Исследование ударной сжимаемости суглинка
Для иллюстрации возможностей установки ниже приводятся результаты плосковолновых исследований влажного суглинка нарушенной структуры.
Мягкие грунты представляют собой сложный неоднородный материал. Размер образцов для плосковолновых испытаний должен удовлетво-
Рис. З. Схема сборки для плосковолновых испытаний
3000
2500
2000
2 1500
сГ
1000
500
А*
А А А А, г'
-''"і ^ У = 3,0 д 154Х+ 1364,4
" А
100
200 300
и, м/с
400
500
Рис. 4. Ударная адиабата суглинка в осях В~и
рять ряду требований: толщина грунтовой пластинки должна быть не более 10-12 мм для плотных влажных грунтов и не более 6-8 мм для сухих и сыпучих. Такое ограничение связано с тем, что скорость волны разгрузки в грунтах превышает скорость волны сжатия в несколько раз [6]. Начиная с некоторых толщин образца волна разгрузки будет догонять передний фронт волны сжатия и срезать ее амплитуду. Особенно сильно это будет выражено для сухих и маловлажных грунтов, для которых в большей степени свойственно явление затухания амплитуды волн сжатия и размытие их передних фронтов. Поэтому при значениях толщин образцов мягких грунтов более указанных выше получаемые результаты не отражают истинных свойств материала, а являются следствием неустановившегося процесса. В то же время мягкие грунты представляют собой зернистые среды. Размер наибольшей частицы и размер образца по толщине должны соотноситься таким образом, чтобы объем образца был представительным. Следовательно, толщина грунтовой пластины должна быть примерно на порядок больше размера частиц. Испытания проводились с суглинком нарушенной структуры, размеры зерен которого не превышали 1.5 мм. Весовая влажность составила 19%.
Сборка с образцом грунта подготавливалась следующим образом. На ударяемой пластине-экране из сплава Д16Т толщиной 5 мм размещался диэлектрический датчик давления и привинчивалось винипластовое кольцо внутренним диаметром 100 мм, высотой 7 мм. Далее кольцо заполнялось грунтом, на вторую заднюю поверхность образца помещался второй датчик давления, и к винипластовому кольцу привинчи-
валась упорная пластина толщиной 10 мм. Готовая сборка помещалась в приемное устройство.
Необходимо отметить, что напряженно-деформированное состояние в ударной волне характеризуется одномерностью деформации:
е1 =ех; е2 = е3 =~0; > ст2 = ст3 =°г,
где а1=ах - главное напряжение по нормали к плоскости фронта ударной волны.
На описанной выше установке в стволе газовой пушки разгонялись композитные ударники с пластиной-ударником из сплава Д16Т толщиной 5 мм до скоростей 100-400 м/с. Вариация скорости удара позволила получить ряд точек ударной адиабаты грунта в осях Б~П (рис. 4). Как видно, результаты могут быть описаны линейным отношением В=Л+Би, где Л=1.36 км/с, Б=3.02.
Другие виды испытаний
На установке возможно проведение экспериментов по плосковолновому ударному нагружению как в прямой постановке (описана выше), так и в обращенной постановке, когда исследуемый материал метается в контейнере, а в металлической мишени располагается манганиновый датчик давления. По амплитуде сигнала с этого датчика на основании известной адиабаты материала мишени и скорости ударника можно определить точку ударной адиабаты.
Эксперименты по исследованию процессов проникания ударников различной формы в грунты, горные породы и бетоны также возможны как в прямой постановке (когда разгоняемый ударник с требуемым оголовком внедряется в мишень, а процесс внедрения фиксируется с помощью тене-
вой кинорегистрации), так и в обращенной постановке с использованием техники мерных стержней. В этом случае исследуемый материал в контейнере разгоняется в стволе газовой пушки и наносит удар по оснащенному тензодатчиками мерному стержню с требуемым оголовком.
Указанные методики предполагается опубликовать в дальнейшем.
Поисковая научно-исследовательская работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы и при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант 10-01-00585а).
Список литературы
1. Райнхарт Дж.С., Пирсон Дж. Поведение металлов при импульсных нагрузках. М.: Изд-во иностр. лит., 1958. 296 с.
2. Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках: Монография / Под общ. ред. М.В. Жерноклетова. Саров, 2003. 403 с.
3. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях / Под ред. Н.А. Златина, Г.И. Мишина. М.: Наука, 1974.
4. Альтшулер Л.В., Крупников К.К., Бражник М.И. Динамическая сжимаемость металлов при давлениях от четырехсот тысяч до четырех миллионов атмосфер // ЖЭТФ. 1958. Т. 34. Вып. 4. С. 886-893.
5. Грушевский Г.М. Экспериментальное и теоретическое изучение поведения грунтовых сред при ударном сжатии деформируемыми телами: Дисс... канд. техн. наук. Н. Новгород, 1993.
6. Брагов А.М., Гандурин В.П., Грушевский Г.М., Ломунов А.К. Методические особенности изучения динамической сжимаемости мягких грунтов в диапазоне давлений 0.05-1.5 ГПа // Химическая физика. 1995. Т. 14, № 2-3. С.126-135.
UNIVERSAL FACILITY FOR HIGH-SPEED STUDIES. I. PLANE-WAVE SHOCK EXPERIMENTS
A.M. Bragov, A.K. Lomunov, A.R. Filippov
The description is given of an original experimental facility developed on the basis of 85 mm caliber gas gun for carrying out a wide spectrum of studies of material dynamic properties at loading speeds from 10 to 500 m/s. A procedure has been presented to study material properties of various physical nature under conditions of plane shock-wave loading.
Keywords: experiment, gas gun, plane waves, shock adiabat.
