СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ НА УДАРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
METHOD FOR IMPACT ACTION TESTS

Данное изобретение относится к методам испытаний на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях на высокоинтенсивные ударные воздействия различных приборов и оборудования, а также различных сложных систем (например, космических аппаратов).
Для создания ударных воздействий средней и низкой интенсивности существует достаточно разнообразный набор средств: всевозможные гидравлические, механические, электродинамические стенды (Вибрации в технике, справочник в 6 томах. Том 5. Измерения и испытания, под редакцией М.Д.Генкина, М.: Машиностроение, 1981 г., стр.476-477). Существует, в тоже время большой класс устройств, применяющих для создания ударного воздействия высокой интенсивности метаемый снаряд (это легкогазовые пушки, взрывное метание и т.д.).
При необходимости создания высокоинтенсивных воздействий набор средств резко ограничивается. Во-первых, необходимо создание воздействий того же типа, что действуют на изделия при эксплуатации. Например, стандарт NASA-STD-7003 требует проведение ударных испытаний оборудования, находящегося в области расположения пиросредств, используя только пиротехнические устройства. Как правило, пиросредства, применяемые на космическом аппарате (КА) и ракете - носителе (РН), входят в достаточно сложные устройства однократного действия. После срабатывания таких устройств требуется полная замена узла. Использование взрывных способов для разгона бойка влечет за собой большое число проблем. Оборудование дорого, громоздко и узко специализировано, требует привлечения для обслуживания высококвалифицированных специалистов, не всегда может создавать адекватное воздействие по физическим свойствам пиротехническим воздействиям (боек создает все-таки механический удар) и используется в основном для научных исследований в различных областях физики взрыва и высокоскоростных деформаций.
Применение типовых штатных пиросредств разделения, выпускаемых достаточно давно и большими сериями (например, пироболтов) для создания ударных воздействий, существенно упрощает проведение испытаний. Эти устройства достаточно безопасны, герметичны, миниатюрны, имеют большие сроки хранения, образцы одной партии имеют стабильные характеристики при подрыве. Недостатком этих устройств является отсутствие возможности регулировки ударных характеристик и ограниченные возможности контроля нагружений в момент срабатывания. Как известно, при проведении любых испытаний необходимо объект испытаний нагружать заранее заданным нормативным воздействием. Это могут быть: импульс силы, импульс ускорений, амплитудные или ударные спектры ускорений (Вибрации в технике, справочник в 6 томах. Том 5. Измерения и испытания, под редакцией М.Д.Генкина, М.: Машиностроение, 1981 г., cтp.477-481).
Часть отмеченных недостатков решается в патентах РФ №2085889, 2262679, 2234690, 2289801 и др.
Наиболее близким решением, принятым за прототип, является патент РФ 2244909 «Способ испытаний на ударные воздействия», заключающийся в нагружении объекта испытаний пиротехническим устройством, определении ускорений, деформаций в волноводе специализированного ударного стенда, получении импульса силы пиротехнического устройства, а также амплитудных и ударных спектров ускорений в точке приложения ударного воздействия, сравнивают полученные значения с заранее заданными и при несовпадении проводят корректировку ударного воздействия.
Недостатками этого решения для формирования ударного воздействия является, в первую очередь, небольшой диапазон изменения нагрузок на объект испытаний (что затрудняет его применение в диапазонах ускорений в 500-1000 g). Существенными недостатками являются достаточно большие габариты акустического фильтра, используемого для изменения ударного воздействия, и необходимость его крепления непосредственно к объекту испытаний, что не всегда является допустимым.
Задачей настоящего изобретения является расширение диапазона ударных воздействий, воспроизводимых при испытаниях, и упрощение схемы проведения испытаний.
Эта задача достигается тем, что ударное воздействие осуществляют с помощью не разделяемого пиротехнического устройства с регулируемыми параметрами удара, содержащего подвижный элемент с бойком, причем предварительно для используемого пиротехнического устройства определяют необходимый вид импульса, после чего выбирают тип и форму бойка, и скорость соударения бойка с объектом испытаний, далее определяют необходимое давление в пиротехническом устройстве и необходимую энергию пиропатронов, затем выбирают тип пиропатронов, создающих давление в свободной полости пироустройства, их количество и размер свободной полости внутри пиротехнического устройства, после чего формируют последовательность срабатывания пиропатронов, далее на специализированном ударном стенде проводят срабатывание выбранного пиротехнического устройства, получают импульс силы, импульс ускорений, а также амплитудные и ударные спектры, сравнивают с требуемыми значениями по формуле
где
m
L -m комбинация параметров пиротехнического устройства, при которой величина Δ минимальна;
Δ - различие между нормируемыми и экспериментальными значениями;
ω - круговая частота;
J - количество испытаний;
j - номер испытаний;
Т - количество точек отсчета по времени;
Н - количество частотных диапазонов;
η - номер частотных диапазонов;
- экспериментальные значения амплитудного спектра в η частотном диапазоне при J испытании в точке контроля;
- нормируемые значения амплитудного спектра в η частотном диапазоне при J испытании в точке контроля;
- норма по амплитудному спектру;
jη
Ξ - весовой коэффициент по амплитудному спектру;
- экспериментальные значения ударного спектра ускорений в η частотном диапазоне при J испытании в точке контроля;
- нормируемые значения ударного спектра ускорений в η частотном диапазоне при J испытании в точке контроля;
- норма по ударному спектру ускорений;
jη
Ω - весовой коэффициент по ударному спектру ускорений;
jk
n
I(t) - экспериментальные значения импульса ускорений в n временном диапазоне при J испытании в точке контроля;
j
n
Ĩ(t) - нормируемые значения импульса ускорений в n временном диапазоне при J испытании в точке контроля;
- норма по импульсу ускорений;
jn
Θ - весовой коэффициент по импульсу ускорений,
и при отличии на величину, большую допустимой погрешности, корректируют параметры пиротехнического устройства по изложенному выше алгоритму до обеспечения требуемой погрешности, после чего полученным пиротехническим устройством проводят ударное нагружение объекта испытаний.
Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид пиротехнического устройства с одним пиропатроном (устройством, обеспечивающим за счет сгорания различного вида пиросоставов, например порохов, получение газов определенного давления); на фиг.2 - с сепаратором для установки пиропатронов. На фиг.3 показан стенд для ударных испытаний с рассматриваемым пирустройством, а на фиг.4 показан вид А стенда.
На фиг.5 показаны графики зависимости давлений от объемов полости для различных пиропатронов (графики I-V), а на фиг.6 - ударные спектры в точке приложения ударного воздействия (а - требуемый, b - полученный).
Устройство (фиг.1) состоит из корпуса 1 с резьбой 2, профилированного поршня 3 с уплотнительным кольцом 4, контрящего элемента 5 с резьбой 6. Поршень 3 заканчивается наконечником 7 с резьбой 8 для установки сменного бойка 9. В поршне 3 имеется полость 10, а в корпусе 1 полость 11 между поршнем 3 и пиропатроном 12. К пиропатрону стыкуется кабель 13 для электрозапала. На фиг.2 показан вариант устройства, в котором вместо одного пиропатрона установлена кассета-сепаратор 14 с пиропатронами 12, каналы 15 от которых соединены с полостью 11. На фиг.3 показан ударный стенд СПИ 6.3480-0, состоящий из волновода 16, тросов 17, тензодатчиков 18 баллистического маятника 19 с исследуемым пироустройством 20, датчиками ускорений 21. На фиг.4 показан вид А стенда, где 22 - это стенка баллистического маятника 19, пороховые газы 23, образующиеся при срабатывании пиропатрона 12, торец 24 волновода 16.
Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим образом. При подаче напряжения на пиропатрон 12 происходит его срабатывание, образуются пороховые газы 23 и растет давление внутри полостей 10, 11. При достижении критического давления срезается контрящий элемент 5 (наличие резьбы 6 исключает выпадение контрящего элемента) происходит движение поршня 3 до соударения сменного бойка 9 с объектом испытаний (например, торцом 24 волновода 16). В объект испытаний передается ударная волна. Наличие кассеты-сепаратора 14 с пиропатронами 12, замена контрящего элемента более прочным элементом, позволяет регулировать начальное давление внутри полостей 10, 11 и соответственно изменять максимальную скорость соударения бойка с преградой (объектом испытаний). При этом срабатывание пиропатронов можно производить как одновременно, так и в любой последовательности. Замена бойков (меняя материалы, форму, массу бойка) позволяет изменять форму импульса ударного воздействия. Например, для получения ударных импульсов синусоидальной формы используют шаровой боек из упругопластического материала, а при необходимости увеличить длительность ударного импульса применяют бойки цилиндрической формы и т.д.
Теория и практика использования бойков в различных устройствах хорошо проработана (см., например, Алимов Д.Д. Удар. Распространение волн деформаций в ударных системах. / Д.Д.Алимов, В.К.Манжосов и др. - М.: Наука, 1985. - 360 с. или Батуев Г.Б. Инженерные методы исследования ударных процессов / Г.Б.Батуев, Ю.В.Голубков и др. - М.: Машиностроение, 1977. - 240 с.). Все это расширяет функциональные возможности применяемого пиротехнического устройства и позволяет получать ударные воздействия в широком амплитудно-частотном диапазоне.
Рассмотрим процедуру выбора параметров пироустройства для создания ударного спектра ускорений, приведенного в таблице (требование технического задания на один из приборов, применяемых в составе космического аппарата)
Таблица
Поддиапазон частот, Гц
Зона
35-50
50-100
100-200
200-500
500-1000
1000-2000
Значение спектра удара, g
S4
3-5
5-15
15-40
40-175
175-500
500
2
3
3
Для получения требуемого ударного спектра ускорений наиболее подходящим является импульс трапецеидальной формы. Расчет скорости соударения и необходимого давления выполним с помощью пакета конечно-элементного моделирования (КЭМ) DYTRAN. В процессе численного моделирования решалась обратная задача (по величине требуемого импульса подбирались параметры давления, материал и форма бойка). Выбор пиропатронов и объем полостей 10, 11 проводился по графикам, приведенным на фиг.5. Для создания необходимого давления используется конкретный пиропатрон, который создает необходимое давление в зависимости от объема полости (например, давлению 1100 кг/см соответствуют объемы от 1,1 см при использовании пиропатрона типа V и 5 см при использовании пиропатрона типа I).
Была разработана модель пиротехнического устройства и стенда. Конечно-элементная модель стенда (включая модель пиротехнического устройства), показанного на фиг.4, состоит из 61127 элементов типа СНЕХА, CSPR1 и 12123 узлов. В процессе вычислений при подборе параметров пиротехнического устройства использовалась формула (*), где за экспериментальные данные принимались результаты вычислений.
Отечественные ГОСТы допускают следующую погрешность при ударных испытаниях: по амплитуде ускорений (и по импульсу) ~20%, по ударному и амплитудному спектрам ~40%. Этим требованием отвечает устройство (с одним пиропатроном типа ДП4), показанное на фиг.4. Внутренний диаметр ~30 мм, длина 120 мм, масса устройства ~100 г (без пиропатрона и бойка). Боек латунный, полусферический (на полусфере выполнено ”пятно” диаметром 5.6 мм), массой ~35 г. Масса пиропатрона ~90 г.
Построение КЭМ и процедуры вычислений относится к «ноу-хау» изобретения и в данной заявке не рассматривается.
Контрящий элемент выбираем следующим образом. Как видно из фиг.1, 4, расчет диаметра контрящего элемента нужно проводить на чистый срез. При этом сила давления пороховых газов на поршень распределяется на две точки среза.
2
Пусть р - необходимое давление газов в полости пиротехнического устройства, возникающее при срабатывании пиропатрона, D - внутренний диаметр пиротехнического устройства, a d - диаметр контрящего элемента, Si - площадь поперечного сечения пироустройства, а S - площадь поперечного сечения контрящего элемента.
Тогда сила, действующая на каждую из двух точек среза, равна
1
2
Р=Sp/2=(πD/4)p/2,
а площадь поперечного сечения контрящего элемента
При срезе расчет ведется по допустимым касательным напряжениям [τ]
2
2
2
2
2
[τ]=P/S=(πD/4)p/2/πd/4=pD/2d,
отсюда диаметр контрящего элемента равен
Таким образом, зная необходимое давление в полости р и выбрав материал по значению [τ], получают необходимый диаметр контрящего элемента.
Т.к. допустимые напряжения в корпусе и поршне больше допустимых напряжений в контрящем элементе, то при разрушении контрящего элемента разрушение корпуса и поршня не произойдет. Это дает возможность многократного использования пиротехнического устройства.
После срабатывания пироустройства 20 происходит постепенное снижение давления внутри полостей 10, 11 (одно уплотняющее кольцо не обеспечивает абсолютную герметичность устройства). После замены пиропатрона 12, уплотнительного кольца 4 и контрящего элемента 5, пироустройство готово к повторному использованию.
Пример практического исполнения
5
На предприятии в настоящее время для проведения ударных испытаний приборов используется ударный стенд СПИ 6.3480-0. Источником ударного воздействия в этом стенде служат разрывные болты типа 8Х54, обладающие повышенной величиной ударного воздействия (до 2·10 н) и длительностью порядка ~0.1 мс, что не перекрывает необходимый диапазон ударных воздействий. Создать необходимый ударный спектр, показанный на фиг.6(а) с помощью разрывного болта, не удалось. По рассмотренной выше процедуре было выбрано пироустройство, показанное на фиг.1 (с одним пиропатроном типа ДП4).
Этим требованием отвечает устройство, показанное на фиг.4. Внутренний диаметр ~30 мм, длина 120 мм, масса устройства ~100 г (без пиропатрона и бойка). Боек латунный, полусферический (на полусфере выполнено ”пятно” диаметром 5.6 мм), массой ~35 г. Масса пиропатрона ~90 г.
С его помощью на волноводе (фиг.3) был получен импульс, близкий к симметричному трапецеидальному, длительностью ~0.5 м и временем нарастания и спада ~0.1 мс, с амплитудой ускорений в точке срабатывания ~560g. Это позволило создавать ударный спектр ускорений, близкий к требуемому (фиг.6в).
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.