УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ
PROTECTION DEVICE

Изобретение относится к области экранирования и может быть использовано в конструкциях, подвергаемых импульсным нагружениям высокой интенсивности.
При проектировании конструкций, обладающих динамичностью и работающих в условиях эксплуатационно-инерционных нагрузок, а также возможного действия внешних взрывных импульсных нагрузок, возникает проблема механической защиты этих конструкций. Проблема обусловлена тем, что к таким конструкциям, как правило, предъявляются требования по минимальности габаритно-массовых характеристик, а также накладываются ограничения на динамические реакционные нагрузки, развивающиеся на отдельных элементах конструкции, исходя из их прочности.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству защиты является устройство защиты [патент RU №2231138, МПК G12B 17/08, Е04Н 9/00, опубл. 20.06.2004 г.], содержащее взрывозащитный экран, разрушаемый под действием внешней импульсной нагрузки, основание, жестко закрепленное при помощи стоек на корпусе защищаемой конструкции, причем экран установлен на основании со стороны направления действия внешнего импульса при помощи элементов крепления, которые выбраны с условием их разрушения в момент воздействия внешнего импульса на экран.
Данное устройство защиты снабжено закрепленным на стойках уловителем, расположенным между экраном и защищаемой конструкцией. Причем экран выполнен из двух слоев, один из которых закреплен на основании и расположен со стороны направления действия внешнего импульса, а второй слой экрана нанесен на тыльную поверхность первого слоя экрана. При этом уловитель выполнен в виде крупно-ячеистой решетки с возможностью свободного пролета осколков второго слоя, причем прочность материала первого слоя экрана выше прочности материала второго слоя, а механические характеристики слоев выбраны из условия соотношения откольных напряжений на границе слоев по определенной математической зависимости.
Данное устройство защиты работает по принципу перераспределения внешней нагрузки между элементами защищаемой конструкции с целью исключения локального действия на защищаемую конструкцию по принципу «растягивания» нагрузки во времени и соответствующего уменьшения амплитуды. Такое перераспределение позволяет обеспечить защиту элементов конструкции, непосредственно подверженных воздействию, и снизить динамическую реакцию внутренних узлов.
Однако недостатком данного устройства является то, что оно не может быть использовано в конструкциях, подвергаемых импульсным нагружениям высокой интенсивности и возникающих при этом высокоскоростных осколков. В случае применения данного защитного устройства при импульсных нагружениях высокой интенсивности разрушится не только экран, но и сам уловитель (к тому же наличие уловителя, выполненного в виде металлической крупно-ячеистой решетки, оказывает негативное влияние на габаритно-массовые характеристики защищаемой конструкции). А высокоскоростные осколки от разрушенного уловителя и экрана могут нанести повреждения непосредственно поверхности защищаемой конструкции или даже вызвать разрушение всего устройства на части, т.е. быть причиной невыполнения устройством защитных функций.
Задачей изобретения является обеспечение высокого уровня защищенности при минимальных габаритно-массовых ограничениях на конструкцию.
Техническим результатом, который может быть получен от реализации предлагаемого изобретения, является достижение снижения до безопасного уровня воздействия на конструкцию, подвергаемую импульсным нагружениям высокой интенсивности и возникающих при этом высокоскоростных осколков.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем взрывозащитный экран, разрушаемый под действием внешней импульсной нагрузки, основание, жестко закрепленное при помощи стоек на корпусе защищаемой конструкции, причем экран установлен на основании со стороны направления действия внешнего импульса при помощи элементов крепления, которые выбраны с условием их разрушения в момент воздействия внешнего импульса на экран, согласно изобретению, поверхность защищаемой конструкции между стойками со стороны действия внешней нагрузки снабжена демпфирующим покрытием, выполненным из отвержденного пенополиуретана, нанесенного путем вспенивания непосредственно на защищаемую конструкцию, причем толщина и плотность покрытия определены из условия обеспечения прочности защищаемой конструкции, определяемой путем расчета ее динамической модели.
Размещение со стороны действия внешней нагрузки на поверхности защищаемой конструкции между стойками демпфирующего покрытия, выполненного из отвержденного пенополиуретана, нанесенного путем вспенивания непосредственно на защищаемую конструкцию, причем толщина и плотность покрытия определены из условия обеспечения прочности защищаемой конструкции, определяемой путем расчета ее динамической модели позволяет обеспечить эффективную защиту конструкции от внешнего импульсного воздействия и погасить энергию высокоскоростных осколков, попадающих в объем отвержденного пеноматериала с заданной плотностью и теряющих при этом свою кинетическую энергию, обеспечивая тем самым эффективную защиту элементов защищаемой конструкции. А наличие защитного слоя из пенополиуретана дает возможность обеспечить по сравнению с прототипом минимальные габаритно-массовые ограничения на защищаемую конструкцию.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки (поверхность защищаемой конструкции между стойками со стороны действия внешней нагрузки снабжена демпфирующим покрытием, выполненным из отвержденного пенополиуретана, нанесенного путем вспенивания непосредственно на защищаемую конструкцию, причем толщина и плотность покрытия определены из условия обеспечения прочности защищаемой конструкции, определяемой путем расчета ее динамической модели) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежом, представленным общим видом устройства защиты.
Устройство защиты содержит разрушаемый под действием внешней импульсной нагрузки Р взрывозащитный экран 1, установленный на основании 2 со стороны направления действия внешнего импульса при помощи элементов крепления 3, которые выбраны с условием их разрушения в момент воздействия внешнего импульса на экран 1. Основание 2 жестко закреплено при помощи стоек 4 на корпусе 5 защищаемой конструкции. Элементы крепления 3 выбраны с условием их разрушения в момент воздействия внешнего импульса Р на экран 1. Со стороны действия внешней импульсной нагрузки Р поверхность корпуса 5 между стойками 4 снабжена демпфирующим покрытием 6, выполненным из отвержденного пенополиуретана, нанесенного путем вспенивания непосредственно на защищаемую конструкцию. Толщина и плотность покрытия 6 определены из условия обеспечения прочности защищаемой конструкции, определяемой путем расчета ее динамической модели.
Прочность защищаемой конструкции оценивается расчетным путем по ее реакции на внешнее взрывное воздействие, для определения которой защищаемая конструкция с покрытием представляется в виде расчетной динамической модели. Динамические модели могут быть построены на основе методов конечно-элементного [К.А. Басов. ANSYS. Справочник пользователя. Москва. 2005.] и дискретного [Я.Г. Пановко. Введение в теорию механических колебаний. Москва. Наука. 1980] моделирования. В данных источниках информации представлена методика расчета динамической модели конструкции. Требуемые значения толщины и плотности покрытия определяются путем последовательных расчетов динамической модели при достижении ее реакции заданного уровня.
Сборка устройства защиты осуществляется следующим образом.
Покрытие 6 из пенополиуретана соответствующей плотности наносят путем вспенивания непосредственно на поверхность корпуса 5. Для этого на поверхность корпуса 5 временно устанавливают технологический элемент-ограничитель (не показано), определяющий необходимый объем будущего покрытия 6, с дальнейшим съемом данного элемента после затвердевания пенополиуретана. Перед заливкой защищаемую поверхность корпуса 5 обезжиривают (промывают ацетоном), а на внутреннюю поверхность ограничителя наносят смазку, в результате чего после затвердевания вспененного материала ограничитель легко снимают. А требуемую толщину покрытия 6 образуют посредством механической обработки отвержденного пенополиуретана.
Устройство работает следующим образом.
Под воздействием внешнего импульса Р на защищаемую конструкцию происходит разрушение элементов крепления 3 и отрыв с мест крепления экрана 1, выполненного в виде стеклопластиковой пластины. Одновременно происходит дробление экрана 1 на мелкие осколки, которые летят в направлении корпуса 5 и соударяются с демпфирующим покрытием 6, выполненным из пенополиуретана. При соударении осколков с покрытием 6 происходит его деформирование, оно может расслоиться и разрушиться, на что расходуется часть энергии импульса Р, вследствие чего происходит снижение нагрузки, вызывающей динамическую реакцию защищаемой конструкции.
Эффективное действие защиты связано с демпфированием суммарного внешнего импульса путем внедрения осколков разрушенного экрана в демпфирующее покрытие из отвержденного пенополиуретана и распределения на большую площадь их импульса в направлении, перпендикулярном направлению проникания.
Итак, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- обеспечение высокого уровня защищенности при минимальных габаритно-массовых ограничениях на конструкцию;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».