СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
METHOD TO DETERMINE MATERIAL STRENGTH PROPERTIES AT DYNAMIC LOADING

Изобретение относится к области определения характеристик материалов при ударном нагружении, в частности к способам определения динамического предела текучести грунта при проникании в образец из исследуемого материала ударника при заданной ему средствами разгона скорости.
Известен способ определения прочностных свойств материалов, в частности прочности поверхностных слоев грунта по патенту SU 01828672 (публик. 27.03.1996), включающий метание двумя зондами на поверхность грунта с летательного аппарата при одинаковых аэродинамических параметрах зондов с заданным углом рыскания для каждого зонда при условиях, когда возможен рикошет зондов от грунта. Прочность грунта определяют по параметрам рикошета, которые включают угол наклона, скорость удара, угол рыскания и расстояние между точками входа и выхода зондов из грунта.
Недостатки данного способа связаны с тем, что проведение опытов осуществляют на естественном грунте с использованием летательного аппарата, что удорожает способ, а также уменьшает точность определения характеристик в случае неоднородности грунта при повторных метаниях зондов, кроме того, есть ограничения на скорость метания при исследовании прочных грунтов.
Известен другой способ определения прочностных свойств материалов, в частности динамической твердости по патенту RU 2258211 (публик. 10.08.2005). Способ заключается в нанесении удара индентором с наконечником по исследуемому образцу, измерении ускорения торможения индентора в момент полного погружения наконечника в образец и аналитическом определении твердости с учетом известных параметров и измеренного параметра. В качестве выбранного параметра принимают ускорение торможения индентора в момент полного погружения наконечника при внедрении его в исследуемый образец. При этом указанный момент определяют по точке перегиба регистрируемой зависимости от времени или аналитически, а динамическую твердость определяют по формуле
,
где М - масса индентора, D - диаметр индентора, U - ускорение торможения в момент полного погружения наконечника.
Недостатком известного способа является то, что прочностные свойства материалов определяют при низкой скорости деформации исследуемого образца, что ограничивает применение способа, т.к. ограничена скорость удара, при которой стальной наконечник начинает пластически деформироваться. Для нахождения динамического предела текучести, например, горной породы при высокой скорости удара этот подход применить нельзя.
Наиболее близким заявляемому способу является расчетно-экспериментальный способ определения деформационных и прочностных свойств пористых сред и геоматериалов, в основном мягких грунтов, по монографии Баженова В.Г., Котова В.Л. «Математическое моделирование нестационарных процессов удара и проникания осесимметричных тел и идентификация свойств грунтовых сред», с.42-43, М.: Физматлит, 2011. Способ определения деформационных и прочностных характеристик исследуемого грунта при динамическом нагружении заключается в сравнении зависимостей силы сопротивления внедрению ударника в исследуемый материал от времени, полученных в эксперименте по внедрению ударника в виде стержня со стальным наконечником различной формы при ударе по нему обоймой с исследуемым грунтом и последующим численным моделированием этого эксперимента. В случае отличия зависимостей, полученных экспериментальным и расчетным путем, в расчетах осуществляют вариацию параметров уравнения состояния грунта и функции, связывающей предел текучести грунта с давлением, вплоть до уменьшения различия между результатами численного моделирования и эксперимента до величины экспериментальной погрешности. Эти соотношения с подобранными параметрами определяют деформационные и прочностные характеристики грунта в диапазоне динамических нагрузок (давление, скорость деформации), реализованных в эксперименте.
Однако диапазон применения данного способа также ограничен скоростью внедрения ударника в исследуемый материал до 1 км/с, при которой стальной наконечник начинает пластически деформироваться, что ограничивает величину динамической нагрузки, реализуемой в эксперименте. При необходимости определения характеристик исследуемого материала при более высоких значениях давления и скорости деформации, например, для исследования кратерообразования при падении метеоритов, невозможно в данном эксперименте определить силу сопротивления внедрению ударника в исследуемый материал ввиду пластической деформации ударника. Кроме того, увеличение скорости метания обоймы с исследуемым грунтом может привести к изменению физико-механических свойств грунта, главным образом плотности, что снижает точность определения его деформационных и прочностных свойств.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение информативности путем обеспечения определения предела текучести материалов при скорости внедрения ударника в исследуемый материал выше 2 км/с, а также неизменности физико-механических свойств исследуемого материала перед ударом.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ определения прочностных свойств материалов при динамическом нагружении включает общие с ближайшим аналогом признаки и отличительные.
Общими признаками являются: проведение эксперимента с внедрением ударника в исследуемый материал с последующим численным моделированием этого процесса и варьированием при расчетах параметров функции, связывающей предел текучести грунта с давлением, вплоть до уменьшения различия между результатами численного моделирования и эксперимента до величины экспериментальной погрешности, по соотношениям с подобранными параметрами определяют прочностные характеристики грунта в диапазоне динамических нагрузок, реализованных в эксперименте.
Отличительными признаками являются: метание ударника осуществляют с помощью баллистической установки со скоростью, при которой в процессе внедрения происходит пластическая деформация ударника с уменьшением его длины, при этом длину ударника выбирают превышающей его диаметр не менее чем в 4 раза, а процесс внедрения регистрируют с помощью рентгено- или протонографии и определяют в исследуемом образце профиль образующейся каверны и длину недеформируемой части ударника на момент времени регистрации.
5
6
-1
Применение баллистической установки обеспечивает метание ударника со скоростью, при которой реализуются высокие значения давления (5-15 ГПа) и скорости деформации (10-10 с) в области контакта ударника и исследуемого материала, и процесс внедрения происходит в гидродинамическом режиме (осуществляется интенсивная пластическая деформация ударника с уменьшением его длины).
Внедрение ударника в гидродинамическом режиме необходимо для обеспечения постоянства параметров нагружения исследуемого материала в области его контакта с проникателем.
Выбор длины ударника, превышающей его диаметр не менее чем в 4 раза, связан с тем, что при использовании удлиненного ударника давление и скорость деформации в области контакта не изменяются на протяжении большей части длительности процесса внедрения, что обеспечивает увеличение точности определения предела текучести исследуемого материала при реализуемых условиях нагружения.
Регистрация процесса внедрения с помощью рентгено- или протонографии позволяет определить в исследуемом образце с достаточной точностью профиль образующейся каверны и длину недеформируемой части ударника на момент времени регистрации.
Форма профиля образующейся каверны и значение длины недеформируемой части ударника позволяют определить предел текучести исследуемого материала при реализуемых условиях нагружения.
Заявляемый способ поясняется с помощью схем и графического изображения, представленных на фиг.1, 2, 3.
На фиг.1 представлена схема метаемого объекта, на фиг.2 - преграда, на фиг.3 - форма каверны в опыте (точки) и расчете на момент времени t=23.75 мкс
Ударник, изображенный схематично на фиг.1, представляет собой стержень 1 из сплава ВНЖ 7-3 диаметром 4 мм и длиной 30 мм с закрепленной на торце аэродинамической юбкой 2 из алюминиевого сплава. Преграда представляет собой гранитный блок с размерами: длина по оси стрельбы (ось X) ~ 180 мм, ширина (по оси Z) ~ 90 мм, высота (по оси Y) ~ 150 мм.
5
-1
В качестве примера конкретного выполнения предлагаемого способа представлена процедура определения значения предела текучести гранита при высокоскоростном нагружении. В эксперименте с помощью легкогазовой баллистической установки осуществляли метание стержня 1 с аэродинамической юбкой 2 (фиг.1) со скоростью 3.27 км/с. Через 23.75 мкс после удара стрежня свободным торцом о преграду (фиг.3) осуществляли ее рентгенографирование (плоскость XY). С помощью обработки рентгенографического снимка были определены профиль каверны в гранитном образце и длина недеформированной части ударника. Глубина каверны оказалась равной ~54 мм, а средний диаметр ~13 мм, длина недеформированной части ударника составила ~6 мм. На втором этапе работы с помощью программного комплекса ЭГАК [Янилкин Ю.В. и др. Комплекс программ ЭГАК++ для моделирования на адаптивно-встраивающейся дробной счетной сетке // ВАНТ. Сер. Мат. моделирование физ. процессов. 2003. Вып.1. С.20-28] было проведено численное моделирование данного опыта. Для описания сплава ВНЖ 7-3 использовались УРС в форме Ми-Грюнайзена и модель упругопластичности Джонсона-Кука. Ранее с помощью моделирования независимых экспериментов по высокоскоростному нагружению данного материала было показано, что эти модели с используемым набором параметров адекватно описывают его деформирования. Для описания гранита использовалась обобщенная квазиупругопластическая модель деформирования и разрушения скальных грунтов [Замышляев Б.В., Евтерев Л.С. Модели динамического деформирования и разрушения грунтовых сред. М.: Наука, 1990]. При численном моделировании было получено, что в области контакта стержня и преграды в процессе внедрения ударника давление составило ~12 ГПа, а скорость деформирования ~10 с. Показано, что для совпадения расчетных данных с опытными по размерам каверны и недеформированной части стержня на момент рентгенографирования предел текучести гранита при таких условиях нагружения должен составлять Y=2.6 ГПа. На фиг.3 приведены расчетное поле плотности на момент времени t=23.75 мкс и наложенный на него профиль каверны, полученный в опыте. В дальнейшем, изменяя скорость удара или диаметр стержня, можно получить зависимость предела текучести гранита от давления и скорости деформации. Это увеличит адекватность результатов численных расчетов явлений, в которых моделируется высокоскоростное нагружения гранита.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить прочностные свойства исследуемых материалов при высокоскоростном нагружении.