Способ и стенд для моделирования ударной нагрузки на объект испытаний
METHOD AND RIG FOR MODELLING OF IMPACT LOAD ON TESTED SUBJECT

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для динамических испытаний объектов на воздействие ударных перегрузок.
Известен стенд для динамических испытаний изделий на ударные нагрузки, содержащий узел формирования внешнего ударного воздействия, состоящий из ствола, камеры высокого давления, приспособления для предварительной деформации мембранного резонаторного устройства и упора, установленный в стволе контейнер в виде полого поршня, стол, связанный с поршнем посредством мембранного упругого устройства, служащий для закрепления изделия, разрушаемый элемент. Мембранное резонаторное устройство выполнено в виде нескольких последовательно расположенных мембран, имеющих разные собственные частоты и скрепленных с наружным контуром мембран масс в виде колец (а.с. №1663468, кл. G01M 7/00, опубл. 15.07.91, бюл. №26).
Такой стенд для динамических испытаний изделий на ударные нагрузки не позволяет проводить динамические испытания с моногармонической частотой вынужденных колебаний, так как резонансное устройство формирует полигармонические колебания изделия.
5
Наиболее близким по техническому существу к изобретению является ударный стенд для динамических испытаний, содержащий узел формирования внешнего ударного воздействия, состоящий из камеры высокого давления, соединенной с полостью ствола, установленный в стволе контейнер в виде полого поршня, стол, размещенный в контейнере и предназначенный для закрепления объекта испытаний, связанный с контейнером посредством упругого устройства, выполненного в виде упругой мембраны, жестко прикрепленной по внешнему контуру к поверхности контейнера, тормозное устройство. Упругое устройство снабжено дополнительной упругой мембраной, размещенной между столом и мембраной, и упругой связью, соединяющей мембраны и расположенной вдоль продольной оси ствола, при этом дополнительная мембрана по внешнему контуру жестко соединена со столом и выполнена с возможностью перемещения вдоль продольной оси ствола (патент №2438110, МПК G01M 7/08, опубл. 27.12.2011, бюл. №36).
Это изобретение имеет следующие недостатки:
- на объекте испытаний реализуется ударное ускорение с амплитудой, в два раза превышающей внешний ударный импульс за счет наложения квазистатической внешней нагрузки и колебательной составляющей ударного ускорения, реализуемой в процессе работы упругого устройства;
- при интенсивных нагрузках на объекте испытаний (200-300 т), характеризующихся колебательной зависимостью ударного импульса от времени, возникает сигнал помехи, амплитуда которого может превышать уровень полезного сигнала. В данном случае необходимо снизить уровень ударного импульса на объекте испытаний (снижение до 50%);
- кроме того, увеличивается материалоемкость стенда, так как передача таких усилий требует значительных габаритов мембраны, контейнера и ствола, соответственно, их массы.
5
Известен способ нагружения объекта испытаний двумя последовательными импульсами сжатия, заключающийся в моделировании ударного воздействия на объект испытаний за счет взаимодействия его с ударником, содержащим две пластины, расположенные по оси его действия. При этом ударник выполняют из двух вложенных один в другой стаканов, ориентированных в направлении испытываемого объекта испытаний доньями, выполняющими функцию нагружающих пластин, метание ударника производят из ствольной баллистической установки, после чего выполняют перемещение внутреннего стакана относительно наружного под действием набегающего потока воздуха и осуществляют с заданным временным интервалом нагружение объекта испытаний доньями стаканов (патент №2470276, МПК G01M 7/08, опубл. 20.12.2012, бюл. №35).
К недостатку данного способа следует отнести невозможность реализации преобразования колебаний нагружающего ударного импульса в знакоположительное одиночное ударное воздействие на объекте испытаний и непосредственное ударное нагружение объекта испытаний ударником.
Задача заявляемого изобретения: расширение эксплуатационных возможностей объекта за счет моделирования требуемого уровня основной нагрузки на нем (например, снижение амплитуды ударного ускорения основной нагрузки) и, как следствие, снижение уровня максимально допустимых нагрузок на объекте, а также уменьшение материалоемкости средств испытаний объекта.
Технический результат: обеспечение требуемого уровня параметров (амплитуда и длительность ударного ускорения) ударного импульса (например, снижение амплитуды ударного ускорения), преобразование колебаний ударного импульса в знакоположительное одиночное ударное воздействие и уменьшение габаритов стенда.
Технический результат достигается тем, что в стенде для моделирования ударной нагрузки на объект испытаний, содержащий узел формирования внешнего ударного воздействия, контейнер в виде полого поршня и стол, предназначенный для закрепления объекта испытаний, размещенный в контейнере с возможностью перемещения вдоль его продольной оси и связанный с контейнером посредством упругой связи, упругая связь выполнена в виде набора упругих колец, расположенных последовательно и соосно с продольной осью контейнера, с возможностью деформации в радиальном направлении и контактирующих друг с другом по плоской поверхности, и вставки в виде жесткого кольца, вложенного в крайнее кольцо набора упругих колец.
Технический результат достигается также за счет применения способа моделирования ударной нагрузки на объект испытаний, характеризующийся тем, что выбирают жесткостные характеристики упругих колец, располагают упругие кольца в контейнере последовательно и соосно с продольной осью контейнера с возможностью деформации в радиальном направлении и с обеспечением их контакта друг с другом по плоской поверхности, вкладывают вставку в виде жесткого кольца в крайнее кольцо набора упругих колец, стол с закрепленным на нем объектом испытаний устанавливают соосно на упругую связь, состоящую из набора упругих колец и вставки, на контейнер осуществляют внешнее ударное воздействие, объект испытаний и стол перемещают с меньшей скоростью, чем контейнер до полной деформации каждого последующего упругого кольца.
Преобразование внешнего ударного воздействия за счет упругой связи позволяет обеспечивать требуемые уровни ударного импульса, реализуемые на объекте испытаний, не меняя конструкцию узла формирования внешнего ударного воздействия. Снижение амплитуды ударного ускорения на объекте испытаний с применением упругой связи дает возможность уменьшить габариты и массу стола для закрепления объекта испытаний.
Реализация способа моделирования ударной нагрузки на объект испытаний осуществляется в стенде моделирования ударной нагрузки на объект испытаний.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен стенд моделирования ударной нагрузки на объект испытаний, который содержит узел формирования внешнего ударного воздействия 1, контейнер 2 в виде полого поршня, размещенный внутри него стол 3 для закрепления объекта испытаний 4, связанный с контейнером 2 посредством упругой связи 5. Упругая связь 5 выполнена в виде набора упругих колец, расположенных последовательно и соосно с продольной осью контейнера 2, с возможностью деформации в радиальном направлении, и контактирующих друг с другом по плоской поверхности, и вставки 6 в виде жесткого кольца, вложенного в крайнее кольцо набора упругих колец. Стол 3 с объектом испытаний 4 имеет возможность перемещения в осевом направлении;
на фиг. 2 показаны типовые зависимости от времени ударного импульса внешнего воздействия и реализуемые в местах крепления объекта испытаний в относительных координатах;
УС
К
Т
на фиг. 3 изображены элементы упругой связи в виде набора колец 5 массой М, имеющих площадь поперечного сечения S, выполненных из материала с пределом прочности на растяжение (сжатие) [σ] и расположенных последовательно и соосно с продольной осью контейнера, с возможностью деформации в радиальном направлении и контактирующих друг с другом по плоской поверхности, и вставки 6 в виде жесткого кольца, вложенного в крайнее кольцо набора упругих колец.
Изобретение осуществляются следующим образом.
O
mах
Перед проведением испытаний для заданных массы M объекта испытаний 3 и требуемых параметров ударного ускорения (амплитуда А и длительность действия каждого импульса τ) объекта испытаний 4 выбираются параметры узла формирования внешнего ударного воздействия и упругих колец (жесткостные характеристики). В результате работы узла формирования внешнего ударного воздействия 1, например, в виде камеры высокого давления с источником газов высокого давления, стенда моделирования ударной нагрузки на объект испытаний 4, контейнер 2 как жесткое тело получает колебательное ударное ускорение с заданными параметрами. Параметры упругой связи 5, выполненной в виде набора колец и вставки 6, выбираются такими, что на объект испытаний 4 и стол 3 действуют меньшие перегрузки, чем на контейнер 2, в результате чего объект испытаний 4 и стол 3 двигаются с меньшей скоростью, чем контейнер 2 до полной деформации каждого последующего кольца набора упругих колец. Далее относительная (относительно контейнера) скорость объекта испытаний 4 и стола 3 гасится последовательно за счет деформации каждого последующего кольца набора колец вследствие взаимодействия со вставкой 6. При этом ударное ускорение объекта испытаний 4 и стола 3 уменьшается до величины, в n раз меньшей, чем ударное ускорение контейнера 2. Причем эта величина регулируется параметрами упругих колец 5 (жесткостными характеристиками), вставки 6 и глубиной вложения вставки 6 в крайнее кольцо набора упругих колец 5. Длительность действия одиночного ударного воздействия определяется количеством и жесткостью упругих колец 5.
За счет последовательного упругопластического деформирования упругой связи 5 обеспечивается преобразование колебательного ударного внешнего импульса в знакоположительное одиночное ударное воздействие на объект испытаний 4.
Параметры знакоположительного одиночного ударного воздействия определяются жесткостью набора упругих колец, вставки 6 и глубиной вложения вставки 6 в крайнее кольцо набора упругих колец 5 и силовой характеристикой упругой связи, подбирая которую можно регулировать начальную относительную (относительно контейнера) скорость объекта испытаний со столом и, соответственно, регулировать величину начальной деформации колец.
mах
O
К
С
УС
К
Т
В
Например, для снижения ударной нагрузки (множественный удар, многоимпульсное воздействие), характеризующейся колебательной зависимостью ускорения от времени с амплитудой А и длительностью действия каждого импульса τ, как показано на фиг. 2, на объекте испытаний массой М, закрепленном внутри контейнера массой М в виде полого поршня, на столе массой М, размещенном в контейнере с возможность перемещения вдоль его продольной оси и предназначенном для закрепления объекта испытаний, связанного с контейнером посредством упругой связи, выполненной в виде набора упругих колец, имеющих массу М, площадь поперечного сечения S (см. фиг. 3) и выполненных из материала с пределом прочности на растяжение (сжатие) [σ], расположенных последовательно и соосно с продольной осью контейнера, с возможностью деформации в радиальном направлении и контактирующих друг с другом по плоской поверхности, и вставки в виде жесткого кольца массой М, вложенного в крайнее кольцо набора упругих колец, параметры силовой характеристики упругой связи определяются соотношением:
Число упругих колец N в составе упругой связи прямо пропорционально количеству ударных импульсов внешнего воздействия, амплитуду которых необходимо снизить на объекте испытаний.
mах
Параметры основной нагрузки А и τ определяются уровнем ударного ускорения, реализуемым в местах крепления упругой связи к объекту испытаний, которое может воспроизводиться с достаточно высокой точностью (5%).
Одним из возможных вариантов конструктивного исполнения упругой связи, выполненной в виде набора упругих колец и вставки, является исполнение всех колец в форме полых усеченных конусов (см. фиг. 3), расположенных последовательно и соосно с продольной осью контейнера, с возможностью деформации в радиальном направлении и контактирующих друг с другом по плоской поверхности, и вставки в виде жесткого кольца, вложенного в крайнее кольцо набора упругих колец. Коническая форма боковой поверхности упругих колец, деформирующихся в радиальном направлении, и вставки проста и технологична в изготовлении, а также обеспечивает плотный контакт колец и вставки при их взаимодействии. Упругая связь в виде набора полых усеченных конусов, контактирующих друг с другом по плоской поверхности, позволяет реализовать последовательное деформирование упругих колец при взаимодействии со вставкой и плавное безударное воздействие на стол с объектом испытаний при передаче внешнего нагружающего импульса от контейнера к столу.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет обеспечить моделирование требуемых параметров ударного импульса (амплитуда и длительность ударного ускорения) на объекте испытаний, преобразование колебаний ударного импульса в знакоположительное одиночное ударное воздействие, т.е. позволяет расширить эксплуатационные возможности объекта, что достигается в результате снижения уровня реализуемой на нем нагрузки (амплитуды ударного ускорения), кроме того, позволяет уменьшить материалоемкость стенда за счет применения уменьшенной массы стола для закрепления объекта испытаний.