Прогнозирование износа артиллерийских стволов

УДК 623.526

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗНОСА АРТИЛЛЕРИЙСКИХ СТВОЛОВ

А.М. Пушкарев, А. А. Вершинин, И.Г. Вольф

Рассматривается вопрос оценки напряженно-деформированного состояния артиллерийского ствола при малоцикловых нагрузках. Проанализированы критериальные соотношения малоцикловой термической усталости. На основании этого предложен критерий оценки термоэрозионного износа артиллерийских стволов с учетом циклических температурных напряжений и деформаций в стенке ствола. Предлагаемая зависимость позволяет произвести расчет прогнозирования износа ствола автоматического оружия с учетом его настрела.

Ключевые слова: артиллерийский ствол, малоцикловая усталость, напряженно-деформированное состояние, износ ствола.

В артиллерийской практике при исследовании живучести артиллерийских стволов особый интерес представляют термоэрозионные разрушения. С позиции механики разрушения термоэрозионные разрушения артиллерийских стволов представляют собой результат термической усталости металла ствола, а также химического воздействия пороховых газов.

В настоящее время термическую усталость описывают как процесс деформации, а также образования и увеличения структурных повреждений конструкционных элементов под влиянием многократных изменений температуры. При малоцикловом нагружении оценочные расчеты накопления повреждений проводят на основе критериальных зависимостей долговечности (числа циклов или времени до разрушения) от величины деформаций, напряжений, температуры и истории нагружения. В условиях неизотермического нагружения материала его долговечность обычно определяется на основании феноменологических гипотез суммирования повреждений [1, 2].

В тех случаях, когда происходит одновременное накопление квазистатических и усталостных повреждений, суммарное повреждение определяется суммой двух членов, один из которых описывает квазистатическое, а другой усталостное повреждение. При этом предполагается, что разрушение имеет место, когда сумма этих членов равна единице. Условие разрушения материала при неизотермическом циклическом нагружении по аналогии с изотермической малоцикловой усталостью [3] можно записать в виде

г \m

N

D s

1D

2 \

Ns

dN + f ^^ dN = 1,

О D

где N - число циклов нагружения; Де - размах упругопластических деформаций в цикле; енак - накопленная остаточная деформация (для случая мягкого нагружения); Б(т) - истинная пластичность с учетом длительности нагружения; т - время; т - эмпирический коэффициент. Здесь первый интеграл характеризует величину односторонне накопленной деформации (вследствие термоциклической анизотропии или действия дополнительной статической нагрузки), а второй - величину циклически накопленной пластической деформации за N циклов. Если рассматривать жесткое нагружение, которое в той или иной степени реализуется обычно в деталях, разрушающихся от термоусталости, то уравнение (1) преобразуется в уравнение Коффина для случая неизотермического циклического нагружения [4]:

N

0

\ш

Д 8

1 О

2 У \

dN = 1.

В формировании предельного малоциклового повреждения при неизотермическом нагружении значима роль характеристик длительной пластичности Б, которая коррелирует с сопротивлением малоцикловой усталости. Поэтому одним из главных вопросов при использовании деформационных критериев, как при неизотермическом, так и при изотермическом нагружении является выбор предельной пластичности. При этом необходимо учитывать зависимость пластичности от времени деформирования.

Другими подходами по оценке долговечности при малоцикловой термической усталости являются подходы, основанные на использовании деформационно-кинетического критерия [1, 5], в которых показано, что линейное суммирование долей статической и циклической повреждаемости справедливо, если их представить в выражении

. т

N

0

Д8

О

2

N (8 dN + |18

0

нак

О

dN = 1.

Здесь первый интеграл характеризует долю усталостного повреждения П1, а второй - долю квазистатического повреждения (П2). При этом, в общем случае нагружения, когда в материале возникают все виды неупругих деформаций, суммарное повреждение П следует определять, как сумму относительных долей повреждений, вызываемых каждым из видов деформаций:

П = П1 + П2 +... + П где п - количество всех видов неупругих деформаций.

14

1

Известно, что изменение температуры во время стрельбы происходит по треугольному циклу. При этом происходит накопление только усталостного повреждения. Следовательно, одностороннего накопления пластических деформаций не происходит, и уравнение (3), теряя второе слагаемое, превращается в уравнение Коффина (2). При этом в уравнении (3) не учтена специфика влияния разрушения поверхности канала ствола, за счет химического воздействия пороховых газов.

Если следовать гипотезе, основанной на предположении, что интенсивность эрозионного износа ствола определяется энергией пороховых газов, расходуемой на разрушение поверхностного слоя металла ствола, то износ ствола при стрельбе предлагается считать пропорциональным отношению удельной энергии теряемой потоком пороховых газов, к характеристике износоустойчивости металла ствола при максимальной температуре нагрева его поверхности. Поэтому для оценки доли накопления повреждений, вносимой химическим воздействием пороховых газов, на основании выражений (4), представляется целесообразным дополнить уравнение (3) членом, которой характеризует это накопление. Его можно представить в виде отношения между циклической плотностью энергии пороховых газов, расходуемой на разрушение поверхностного слоя металла ствола Их1 (радиальный износ в сечении х), к суммарной плотности энергии Их за предполагаемый ресурс N, то есть при оценке термоэрозионного износа целесообразно деформационно-кинетический критерий (3) трансформировать следующим образом:

2т Дет ы И

2 N + У ^ = 1,

[Д

N И

где У—— доля повреждения, вносимая хемосорбцией и адсорбцией.

I=1 Их

Таким образом, уравнение (5), для расчета термоэрозионного износа можно преобразовать к виду

Их =

^

^ N

.(Д(т)Г .

Приведенная зависимость (6) дает принципиально новую возможность вычисления характеристик повреждаемости и термоэрозионного износа поверхности канала артиллерийского ствола, определения энергетических затрат на повреждение поверхности в конкретном сечении ствола. Для реализации такого расчета необходимо многократное решение задачи внутренней баллистики и тепловой задачи для ствола разной степени износа.

Таким образом, критерий (6) может использоваться для косвенной оценки и прогнозирования скорости изнашивания стволов с различными конструктивно-технологическими параметрами и решения комплексной задачи о температурном напряженно-деформированном состоянии ствола.

Список литературы

1. Гусенков А.П., Котов П.И. Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении. М.: Машиностроение, 1983.

2. Дульнев Р. А. Суммирование повреждений и условие прочности при термоциклическом нагружении // Проблемы прочности. 1971. № 10.

3. Прочность при малоцикловом нагружении / С.В. Серенсен [и др.] М.: Наука, 1975.

4. Coffin L.F. Thermal stress and thermal stress fatigue // SESA Proceedings. 1958. Vol. IV. No. 2.

5. Шнейдерович Р.М., Гусенков А.П. Деформационно-кинетические подходы к оценке длительной циклической прочности // Материалы Всесоюзного симпозиума по малоцикловой усталости при повышенных температурах. Челябинск: ЧПИ, 1974. Вып. 3. С. 140 - 165.

Пушкарев Александр Михайлович, канд. техн. наук, проф., Россия, Пермь, Пермский военный институт внутренних войск МВД России,

Вершинин Алексей Аркадьевич, доц., versh-aleksei2@yandex.ru, Россия, Пермь, Пермский военный институт внутренних войск МВД России,

Вольф Илья Григорьевич, канд. техн. наук, доц., нач. кафедры, ilvolf@yandex. ru, Россия, Пермь, Пермский военный институт внутренних войск МВД России

ESTIMA TION OF ARTILLERY BARREL WEAR A.M. Pushkaryov, A.А. Vershinin, I.G. Volf

The article discusses the problem of estimating the stress-strain state of artillery barrels under low-cycle loading. Correlations between criteria of low-cycle thermal wear are analysed. The paper suggests the estimation test of the thermal erosion degradation of artillery barrels with regard for cyclic stress and strain in a barrel wall. This correlation helps to estimate the wear of automatic weapons barrel due to the intensity offire.

Key words: artillery barrel, low-cycle wear, stress-strain state, barrel degradation.

Pushkaryov Aleksander Mikhailovich, DSc, professor, professor of the chair, Russia, Perm, the Perm Military Institute of the Interior Army for Home Affairs Department,

Vershinin Aleksey Arkadyevich, lecturer of the chair, versh-aleksei2@yandex.ru, Russia, Perm, the Perm Military Institute of the Interior Army for Home Affairs Department,

16

Volf Ilya Grigorievich, DSc, lecturer, head of the chair, ilvolf@yandex.ru, Russia, Perm, the Perm Military Institute of the Interior Army for Home Affairs Department

УДК 629.7.015.4:519.688

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАСТИ

В. А. Дунаев, В.Ю. Сладков, А.Н. Троицкий, Д.В. Сладков

Разработаны математическая модель и программный комплекс моделирования сопряженных газодинамических процессов и процессов деформирования элементов конструкций. Проведены исследования процесса колебаний лопастей высокоскоростного летательного аппарата.

Ключевые слова: аэроупругость, летательный аппарат, флаттер, критическая скорость флаттера.

При создании высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА), снабженных тонкостенным раскрывающимся оперением, возникает ряд проблем, связанных с аэроупругостью. Аэродинамические силы, действующие на элементы летательного аппарата при его движении в воздухе, вызывают деформации упругой конструкции, приводящие, в свою очередь к изменению аэродинамических сил.

Наиболее опасным является случай, когда частоты сил, возбуждающих колебания, оказываются близкими или равными частотам собственных колебаний элементов конструкции. При возникновении резонанса резко увеличивается амплитуда колебаний, что может привести к разрушению конструкции. Для устранения возможности возникновения резонанса частота собственных колебаний конструкции должна отличаться от частот возбуждающих сил.

Это крайне нежелательное явление, называемое флаттером [1, 2], наступает при определенной скорости полета, называемой критической скоростью флаттера Укр.фл.. Критическая скорость флаттера является «внутренней» характеристикой данного элемента конструкции и зависит от ряда его параметров: жёсткости, относительной толщины профиля, размещения масс, жёсткости заделки корневого сечения.

Для тонкостенного оперения характерным является изгибно-крутильный флаттер, при котором лопасть изгибается и закручивается. Условием отсутствия флаттера является превышение его критической скорости над максимальной скоростью движения летательного аппарата Укр.фл> (1,25...1,3)Vmax. Нахождение условий, при которых выполняется последнее неравенство, требует исследования процесса собственных колебаний лопасти при различных скоростях обдува.