СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR DYNAMIC TESTING (VERSIONS)

Изобретения относятся к испытательной технике. Область использования - испытание конструкций на воздействие интенсивных механических нагрузок колебательного характера.
Известен способ динамических испытаний, описанный в А.с. СССР №1567902 «Установка для динамических испытаний», МПК5 G01M 7/00, опубл. 30.05.90, бюл. №20, выбранный в качестве прототипа. Согласно данному способу контейнер с объектом испытаний (ОИ) разгоняют в стволе под действием высокого давления, при этом ОИ подвергают воздействию колебаний, формируемых при помощи резонатора в виде упругой мембраны, соединяющей контейнер со столом, на котором закреплен ОИ. Стол связан со стволом разрушаемым элементом в виде резьбовой шпильки с калиброванным ослабленным сечением, на одном конце которой установлено приспособление для предварительной деформации мембраны в виде гайки.
К недостаткам данного способа следует отнести следующее:
- не обеспечивается независимая регулировка параметров нагружающего импульса, воспроизводимого высоким давлением, и колебаний, воспроизводимых упругой мембраной, так как предварительная деформация упругой мембраны полностью определяется усилием разрыва разрушаемого элемента, которое также определяется максимальной силой нагружающего импульса, что не позволяет реализовать параметры нагружения ОИ в широком диапазоне;
- сложная конструкция упругого звена (резонатор в виде упругой мембраны, соединяющей контейнер со столом, который связан со стволом разрушаемым элементом).
Решаемой технической задачей является создание способа испытаний, обеспечивающего условия механического нагружения ОИ, максимально приближенные к условиям натурного применения ОИ.
Технический результат заключается в воспроизведении воздействия на ОИ интенсивных механических нагрузок колебательного характера, включающих в себя квазистатическую и накладываемую на нее колебательную составляющие, с обеспечением при этом в широком диапазоне требуемых параметров ускорения ОИ, возможности управляемого колебательного воздействия на ОИ, упрощении конструкции упругого звена, снижении трудозатрат на проведение опыта.
Технический результат по первому и второму вариантам заявляемого способа динамических испытаний достигается за счет разгона контейнера с ОИ под действием высокого давления, формируемого в стволе разгонного устройства, при одновременном колебательном воздействии на ОИ.
В отличие от прототипа в заявляемом способе по первому варианту колебательное воздействие на ОИ формируют при помощи разгоняемого вместе с контейнером стержневого элемента, установленного в стволе разгонного устройства между источником высокого давления и контейнером вплотную к контейнеру. Контейнер и стержневой элемент выполняют из материалов с разными волновыми сопротивлениями, а частоту колебаний ОИ задают равной частоте основной гармоники продольных колебаний стержневого элемента.
В отличие от прототипа в заявляемом способе по второму варианту контейнер выполняют содержащим надкалиберную часть и заходящую в ствол разгонного устройства хвостовую часть в виде стержневого элемента, при помощи которой формируют колебательное воздействие на ОИ. При этом частоту колебаний ОИ задают равной частоте основной гармоники продольных колебаний хвостовой части контейнера.
Формирование колебательного воздействия на ОИ по первому варианту заявляемого способа при помощи разгоняемого вместе с контейнером стержневого элемента и по второму варианту при помощи заходящей в ствол разгонного устройства хвостовой части, входящей в состав контейнера и выполненной в виде стержневого элемента, позволяет по первому и второму вариантам упростить конструкцию упругого звена испытательного оборудования, технологию проведения испытаний, а также расчет конструктивных параметров упругого звена (обеспечивающих воспроизведение в широком диапазоне требуемых параметров колебательного воздействия на ОИ), роль которого для обеспечения широкого диапазона требуемых параметров колебательного воздействия на ОИ выполняют стержневой элемент (первый вариант заявляемого способа), изготовленный из материала с волновым сопротивлением, отличным от волнового сопротивления материала контейнера и хвостовая часть контейнера (второй вариант заявляемого способа). Изготовление стержневого элемента и хвостовой части контейнера не требует высоких трудозатрат и, как проверено экспериментально, допускается их повторное использование.
Установка стержневого элемента в стволе разгонного устройства между источником высокого давления и контейнером по первому варианту позволяет воздействовать на стержневой элемент высоким давлением, что приводит к появлению в нем вынужденных продольных колебаний, воздействующих на контейнер с ОИ.
Размещение стержневого элемента вплотную к контейнеру по первому варианту обеспечивает контакт торцевой поверхности стержневого элемента с контейнером, благодаря чему он и размещенный в нем ОИ воспринимают высокое давление, формирующее квазистатическую составляющую их ускорения, и продольные колебания стержневого элемента, формирующие накладываемую на квазистатическую составляющую ускорения колебательную составляющую.
Выполнение контейнера и стержневого элемента из материалов с разными волновыми сопротивлениями по первому варианту и снабжение контейнера надкалиберной частью по второму варианту обеспечивает отражение прямой волны, возникшей в стержневом элементе под действием высокого давления, от границы его контакта с контейнером по первому варианту и от условной границы раздела хвостовой и надкалиберной частей контейнера, имеющих разные площади поперечного сечения, по второму варианту. Образовавшиеся при этом в стержневом элементе по первому варианту и хвостовой части контейнера по второму варианту системы прямых и обратных волн формирует их продольные колебания.
Задание частоты колебаний ОИ равной частоте основной гармоники продольных колебаний стержневого элемента по первому варианту и хвостовой части контейнера по второму варианту обеспечивает возможность управляемого колебательного воздействия на ОИ.
Варианты заявляемого способа динамических испытаний поясняются рисунками, на которых приведены варианты исполнения стенда для динамических испытаний: фиг. 1 - схема стенда для проведения динамических испытаний по первому варианту заявляемого способа с калиберным контейнером, фиг. 2 - схема стенда для проведения динамических испытаний по первому варианту заявляемого способа с контейнером, содержащим надкалиберную часть; фиг. 3 - схема стенда для проведения динамических испытаний по второму варианту заявляемого способа.
Стенд (фиг. 1), поясняющий работу заявляемого способа динамических испытаний по первому варианту, включает в себя разгонное устройство 1 и размещаемые в его стволе 2 стержневой элемент 3 и контейнер 4 с ОИ 5 (ОИ закреплен внутри контейнера).
В качестве источника 6 высокого давления в разгонном устройстве могут быть использованы пороховой заряд, заряд взрывчатого вещества, сжатый воздух и пр. Контейнер 4 может быть как весь калиберным (фиг. 1), так и содержать надкалиберную часть 7. В этом случае в состав контейнера 4 входит калиберная хвостовая часть 8, заходящая в ствол 2 разгонного устройства 1 (фиг. 2). Стержневой элемент 3 установлен в стволе 2 разгонного устройства 1 между источником 6 высокого давления и контейнером 4 вплотную к контейнеру 4.
Устройство (фиг. 3), позволяющее реализовать заявляемый способ динамических испытаний по второму варианту, включает в себя разгонное устройство 1 и контейнер 4. Конструкция контейнера 4 содержит заходящую в ствол 2 разгонного устройства 1 хвостовую часть 8, выполненную в виде стержневого элемента.
Со стороны источника высокого давления 6 (фиг. 1-3) в стволе 2 разгонного устройства 1 вплотную к стержневому элементу 3 по первому варианту и вплотную к хвостовой части 8 контейнера 4 по второму варианту установлен обтюратор 9.
Заявляемый способ динамических испытаний по первому и второму вариантам осуществляют следующим образом.
При помощи источника 6 высокого давления формируют высокое давление (в процессе горения порохового заряда, взрыва заряда BB, подачи сжатого воздуха) в объеме 10 ствола 2 разгонного устройства 1. Под действием высокого давления осуществляют разгон стержневого элемента 3 и контейнера 4 с ОИ 5 по первому варианту или контейнера 4 (с хвостовой частью в виде стержневого элемента) с ОИ 5 по второму варианту.
При продольном нагружении стержневого элемента 3 давлением в его сечении формируется продольная волна сжатия, которая распространяется по стержневому элементу 3 со звуковой скоростью до противоположенного торца 12, контактирующего с контейнером 4 по первому варианту (фиг. 1, 2), или до условной границы 13 раздела заходящей в ствол хвостовой части 8 в виде стержневого элемента и надкалиберной части 8 контейнера 4 по второму варианту (фиг. 3).
Так как по первому варианту волновые сопротивления материалов стержневого элемента 3 и контейнера 4 отличаются (контейнер и стержневой элемент выполняют из разных материалов), происходит отражение прямой (начальной) волны от границы их контакта, находящейся на торце 12.
По второму варианту в связи с тем, что волновые сопротивления заходящей в ствол хвостовой части 8 и надкалиберной части 7 контейнера 4 за счет разности площадей их поперечных сечений различны, также происходит отражение прямой волны от их условной границы 13 раздела (хвостовая и надкалиберная части контейнера выполнены из одного и того же материала).
Обратная (отраженная) волна двигается в противоположнную сторону и, достигнув нагружаемого давлением торца 11 стержневого элемента 3 или торца 14 хвостовой части 8 в виде стержневого элемента, также отражается от него. Таким образом, в разгоняемых конструкциях ("стержневой элемент 3 - контейнер 4" по первому варианту и "хвостовая часть 8 в виде стержневого элемента - надкалиберная часть 7 контейнера 4" по второму варианту) появляется система прямых и обратных волн, которые приводят к появлению продольной колебательной составляющей нагрузки, действующей на контейнер 4 с ОИ 5 по первому варианту и надкалиберную часть 7 контейнера 4 с ОИ 5 по второму. Поэтому в интервале времени действия давления в объеме 10 ствола 2 ОИ 5 будет подвергаться нагружающему воздействию и двигаться с ускорением, имеющем две составляющие: квазистатическую формируемую давлением в объеме 10 ствола 2, и накладываемую на нее колебательную, формируемую колебаниями стержневого элемента 3 по первому варианту и хвостовой части 8 в виде стержневого элемента по второму варианту.
Обтюратор 9 препятствует затеканию находящихся под высоким давлением газов (продуктов сгорания порохового заряда, продуктов взрыва, сжатого воздуха и пр.) в зазор между стержневым элементом 3 или между хвостовой частью 8 и стенкой ствола 2.
Оценку частоты f продольных колебаний стержневого элемента по первому варианту или хвостовой части контейнера в виде стержневого элемента по второму варианту проводят по формуле [Прочность, устойчивость, колебания. Том 3: Справочник / Под ред. И.А. Биргера, Я.Г. Пановко. М.: Машиностроение, 1968. С. 290]:
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>a</mi><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>k</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><mi>L</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
a
0.5
где =(E/ρ) - стержневая скорость звука;
E - модуль Юнга;
ρ - плотность;
L - длина стержневого элемента;
k - номер гармоники (основная гармоника - k=1).
Стержневая скорость звука является характеристикой материала, из которого изготовлен стержневой элемент или хвостовая часть контейнера в виде стержневого элемента. Таким образом, при выбранном материале стержневого элемента или хвостовой части контейнера в виде стержневого элемента, требуемую частоту колебаний ОИ обеспечивают путем задания необходимой длины стержневого элемента или хвостовой части контейнера в виде стержневого элемента. Адекватность применения формулы для собственных частот продольных колебаний стержневого элемента или хвостовой части контейнера в виде стержневого элемента для оценки частоты колебаний ОИ подтверждена экспериментально.
Использование вариантов заявляемого способа динамических испытаний позволяет воспроизводить интенсивные механические нагрузки колебательного характера, действующие на ОИ с реализацией в широком диапазоне требуемых параметров его ускорения, обеспечивать управляемое колебательное воздействие на ОИ, упростить конструкцию испытательного оборудования и технологию проведения испытания, снизить стоимость проведения испытаний.
Предлагаемый способ динамических испытаний успешно прошел экспериментальную проверку.