Способ и стенд для моделирования двухосевой ударной нагрузки на объект испытаний
METHOD AND STAND FOR MODELING BIAXIAL SHOCK LOAD TO TEST OBJECT

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для динамических испытаний объектов на воздействие ударных перегрузок в двух направлениях одновременно.
Известен маятниковый копер для испытания образцов материалов при ударном нагружении, содержащий станину, установленное на ней колесо, радиально закрепленный на колесе маятник, состоящий из первой жесткой штанги и упругой консольной пластины с грузом на конце, ударник, размещенный на первой штанге, вторую штангу, соединенную с колесом, захват для образца, установленный на второй штанге, направляющую для осевого перемещения и поворота второй штанги, фиксатор перемещения и фиксатор поворота второй штанги. Причем на конце второй штанги закреплена вилка, колесо расположено с зазором между зубьями вилки с возможностью кинематического взаимодействия с ними. Патент РФ №2373515, МПК G01N 3/34, 20.11.2009.
Такой маятниковый копер для испытания образцов материалов при ударном нагружении позволяет проводить испытания в условиях создания сжимающей и сдвигающей нагрузок при изменении направления сдвигающей нагрузки и не позволяет проводить динамические испытания с моногармонической частотой вынужденных колебаний, так как параметры ударного нагружения (амплитуда и длительность ударного ускорения) определяются габаритами образца и амлитудно-частотными характеристиками первой и второй штанг.
Наиболее близким по техническому существу к изобретению является 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 РФ №2438110, МПК G01M 7/08, 27.12.2011). Это устройство имеет следующие недостатки:
- на объекте испытаний реализуется ударное ускорение в одном направлении - в направлении главной оси стенда, и объект испытаний располагают таким образом, чтобы направление реализуемого на нем ударного воздействия было параллельно главной оси стенда;
- на объекте испытаний реализуется ударное ускорение в двух взаимно перпендикулярных направлениях одинаковой длительности с амплитудами, определяемыми начальным стационарным углом между продольной осью образца и главной осью стенда за счет изменения расположения объекта (продольной и поперечной осей объекта) неподвижно под углом к главной оси стенда (направлению действия нагрузки).
Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей объекта за счет моделирования требуемого уровня основной нагрузки на нем (амплитуды и длительности ударного ускорения) в двух взаимно перпендикулярных направлениях и, как следствие, снижение количества испытаний объекта, а также уменьшение материалоемкости средств испытаний объекта.
Техническим результатом является обеспечение двухосевого режима нагружения объекта с заданным уровнем параметров (амплитуда и длительность ударного ускорения) ударного импульса в двух взаимно перпендикулярных направлениях (например, в продольном и поперечном направлениях) и уменьшение количества испытаний.
Технический результат достигается тем, что в стенде для моделирования ударной нагрузки на объект испытаний, содержащем узел формирования внешнего ударного воздействия, контейнер в виде полого поршня и стол, предназначенный для закрепления объекта испытаний, стол с объектом испытаний размещен в контейнере с возможностью плоскопараллельного перемещения вдоль его продольной и поперечной осей и связан с контейнером посредством связи, которая выполнена в виде двух или более направляющих элементов, обеспечивающих плоскопараллельное движение стола с объектом испытаний.
Технический результат достигается также за счет применения способа моделирования ударной нагрузки на объект испытаний в двух взаимно перпендикулярных направлениях, характеризующегося тем, что выбирают габаритные характеристики связи, располагают стол на связи с возможностью его плоскопараллельного движения относительно контейнера, размещают связь в виде направляющих элементов, обеспечивающих плоскопараллельное относительно контейнера движение стола, выбирают величину отклонения связи от положения равновесия, стол с закрепленным на нем объектом испытаний устанавливают соосно контейнеру на связь, состоящую из направляющих элементов, обеспечивающих плоскопараллельное относительно контейнера движения стола, на контейнер осуществляют внешнее ударное воздействие, стол с объектом испытаний перемещают плоскопараллельно относительно контейнера в положение равновесия.
Преобразование одноосевого ударного воздействия за счет связи позволяет обеспечивать двухосевой режим нагружения объекта с заданным уровнем параметров (амплитуда и длительность ударного ускорения) ударного импульса в двух взаимно перпендикулярных направлениях (например, в продольном и поперечном), не меняя конструкцию узла формирования внешнего ударного воздействия. Обеспечение нагружения объекта в двух взаимно перпендикулярных направлениях приближает условия нагружения к натурным и дает возможность сократить количество испытаний.
Реализация способа моделирования ударной нагрузки на объект испытаний осуществляется в стенде моделирования ударной нагрузки на объект испытаний.
Изобретение поясняется чертежами.
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 связи 5, которая выполнена в виде направляющих элементов, обеспечивающих плоскопараллельное относительно контейнера движение стола. Стол 3 с объектом испытаний 4 имеет возможность перемещения в продольном и поперечном направлениях.
max
у
На фиг. 2 показаны типовые зависимости от времени ударного импульса, реализуемого в местах крепления объекта испытаний к столу: продольная составляющая воздействия A и поперечная составляющая ударного ускорения а.
Изобретения осуществляются следующим образом.
O
max
Перед проведением испытаний для заданных массы M объекта испытаний 4 и требуемых параметров ударного ускорения в продольном и поперечном направлениях (амплитуда A и длительность τ действия каждого импульса) объекта испытаний 4 выбираются параметры узла формирования внешнего ударного воздействия 1 и связи 5, в частности (габариты. В результате работы узла 1 выполненного, например, в виде камеры высокого давления с источником газов высокого давления, контейнер 2 как жесткое тело получает ударное ускорение с заданными параметрами.
Параметры связи 5, выполненной в виде направляющих элементов, выбираются такими, что стол 3 с закрепленным на нем объектом испытаний 4 совершает сложное (плоскопараллельное) движение. Вследствие того, что связь состоит двух или более направляющих элементов, движение объекта испытаний 4 является плоскопараллельным и все его точки имеют одинаковые амплитуды и длительности ударного ускорения. В результате объект испытаний испытывает ударное ускорение (поперечное), направленное ортогонально направлению действия узла формирования внешнего ударного воздействия. Параметры поперечного ударного воздействия определяются суммарной массой объекта испытаний, стола, связи, а также начальным углом отклонения от положения минимума потенциальной энергии и параметрами внешнего ударного воздействия (амплитудой и длительностью). При действии внешнего ударного ускорения стол с объектом испытаний плоскопараллельно перемещается к положению минимума потенциальной энергии в поле сил инерции внешнего ударного воздействия.
За счет плоскопараллельного движения объекта испытаний и стола обеспечивается двухосный режим нагружения в двух взаимно перпендикулярных направлениях: в продольном направлении - в направлении оси контейнера (соосно узлу формирования внешнего ударного воздействия), и поперечном направлении - ортогональном оси контейнера.
Параметры продольного воздействия определяются параметрами узла формирования внешнего ударного воздействия. Параметры поперечного воздействия определяются габаритно-массовыми характеристиками связи, выполненной в виде направляющих элементов; подбирая характеристики связи, можно регулировать параметры плоскопараллельного движения объекта испытаний и стола относительно контейнера и, соответственно, регулировать амплитуду поперечного ударного ускорения.
max
O
К
C
N
Σ
Например, для внешнего ударного воздействия (одиночный удар), характеризующегося квазистатической зависимостью ускорения от времени с амплитудой A и длительностью действия каждого импульса т, как показано на фиг. 2, на объекте испытаний массой M, закрепленном внутри контейнера массой М в виде полого поршня на столе массой M, размещенном в контейнере с возможностью плоскопараллельного перемещения вдоль его продольной и поперечной осей и связанном с контейнером посредством связи, выполненной в виде двух или более направляющих элементов с радиусом кривизны R, обеспечивающих плоскопараллельное движение относительно контейнера с суммарным моментом инерции движения стола I, параметры поперечного ударного ускорения определяются соотношением:
Длительность действия поперечного ускорения определяется соотношением:
max
Параметры основной нагрузки A и τ определяются уровнем ударного ускорения, реализуемым в местах крепления связи к контейнеру, которое может воспроизводиться с достаточно высокой точностью (5%).
N
Одним из возможных вариантов конструктивного исполнения связи, выполненной в виде двух направляющих элементов, является использование жестких реек (см. фиг. 3), имеющих радиус кривизны R и обеспечивающих плоскопараллельное движение стола относительно контейнера. Связь в виде двух или более жестких реек, соединенных со столом с возможностью плоскопараллельного движения стола относительно контейнера, позволяет реализовать плоскопараллельное движение объекта и ударное воздействие в направлении, ортогональном направлению внешнего ударного воздействия, одновременно с внешним ударным воздействием.
Таким образом, изобретение позволяет обеспечить моделирование ударной нагрузки на объект испытаний в двух взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. позволяет расширить эксплуатационные возможностистенда, не меняя конструкцию узла формирования внешнего ударного воздействия стенда, что достигается в результате одновременного ударного воздействия разной амплитуды и длительности на объект испытаний в двух ортогональных направлениях (например, в продольном и поперечном направлениях). Кроме того, изобретение позволяет уменьшить количество испытаний за счет совместного нагружения объекта испытаний в двух ортогональных направлениях.