СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТИПА И ХАРАКТЕРА РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УДАРНО-ВОЛНОВОМ НАГРУЖЕНИИ
METHOD OF DETERMINING TYPE AND BEHAVIOUR OF FAILURE OF CONSTRUCTION MATERIALS DURING IMPACT-WAVE LOADING

Изобретение относится к испытаниям материалов при импульсном ударно-волновом их нагружении и может быть использовано при разработке и эксплуатации конструкций военной техники, вооружения и боеприпасов.
Известен способ определения качественной и количественной информации о типе и характере разрушения, численных значений параметров откольного разрушения, согласно которому выполняют подрывы блочных зарядов взрывчатого вещества (ВВ) различной мощности на поверхности исследуемых стальных плит разной толщины. Образцы плит разрезались в местах ударной нагрузки, и полученные сечения исследовались по толщине образца на предмет наличия продольных трещин, которые приводят к его расслоению. В результате таких исследований получены зависимости положения откольной трещины от толщины плиты для разных зарядов ВВ. Таким образом, по полученным зависимостям определяют влияние формы волны напряжения, генерируемой ударно-волновой нагрузкой при подрыве заряда ВВ, на толщину откола (см. Райнхарт Дж.С., Пирсон Дж. Поведение металлов при импульсных нагрузках. - М.: ИЛ, 1952, с.97-99, 151-157).
Недостатком известного способа является то, что apriori, до испытания невозможно определить тип, характер и параметры разрушения.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ математического моделирования физико-механических процессов в реальных конструкциях-целях при интенсивных динамических нагрузках. Согласно способу задают параметры нагрузки, параметры цели-преграды и путем математического моделирования воспроизводят картину поведения конструкции при динамических нагружениях, в частности, определяют тип, характер откольного разрушения, а также значения параметров откола (см. Герасимов А.В. Математическое моделирование физико-механических процессов в элементах боеприпасов при интенсивных динамических нагрузках. // Известия РАРАН, 2005, №1, с.50-56). Данный способ выбран в качестве прототипа.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что известный способ apriori не позволяет установить диапазон значений критерия существования типов разрушения, не позволяет определить диапазон значений данного критерия, в котором осуществляется тот или иной тип разрушения.
При ударном, импульсном нагружении конструкций тип и характер разрушения можно свести к следующим трем основным:
1) отсутствие внутренних деформаций на разрыв, сдвиговых деформаций, внешних повреждений в виде разрыва, вспучивания, сквозного пробития, и сохранение функциональной способности конструкции;
2) откольное разрушение, при котором слой материала, примыкающий к свободной поверхности, отделяется от основной массы материала и отлетает с некоторой скоростью;
3) разрушение по механизму выбивания пробки, при котором в слое материала образуется сквозное отверстие, из которого пробка вылетела в направлении удара. Это сквозное пробитие.
Признаки прототипа, являющиеся общими с заявляемым изобретением, - определение параметра нагрузки и параметров цели-преграды, определение типа и характера разрушения.
Задачей изобретения является априорное определение типа и характера разрушения при задаваемых и измеряемых значениях параметров нагрузки и цели-преграды.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе, заключающемся в определении параметра нагрузки и параметров цели-преграды и определении типа и характера разрушения, в качестве параметра нагрузки используют удельный механический импульс нагрузки, действующий на единицу площади цели-преграды, в качестве параметров цели-преграды используют толщину, плотность материала и скорость звука в материале, определяют тип и характер разрушения по интегральному показателю условий нагружения, который рассчитывают по формуле
,
н
где J - удельный механический импульс нагрузки;
0
0
ρ и С - плотность и скорость звука, соответственно, для материала цели - преграды в начальном состоянии;
Н - толщина цели - преграды,
при значениях η<0,1 разрушения отсутствуют, при значениях 0,1<η<0,5 реализуется откольное разрушение, при значениях η>0,5 осуществляется сквозное пробитие.
Признаки, отличительные от прототипа, - использование в качестве параметра нагрузки удельного механического импульса нагрузки; использование в качестве параметров цели-преграды толщину, плотность материала и скорость звука в материале; выбор интегрального показателя условий нагружения в качестве критерия типа и характера разрушения; определение граничных значений данного интегрального показателя, разделяющих области с типами разрушения.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют априорно определить тип и характер разрушения при задаваемых и измеряемых значениях параметров нагрузки и цели-преграды. Способ априорного определения типа и характера разрушения разработан впервые.
Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором изображены графики зависимостей давления от массовой скорости материала и продуктов взрыва. На графиках обозначены I, II, III - кривые торможения продуктов взрыва для взрывчатых веществ 1, 2, 3 - типа соответственно; 1…10 - ударные адиабаты материалов: 1 - железа, 2 - свинца, 3 - алюминия, 4 - магния, 5 - глицерина, 6 - оргстекла, 7 - капролона, 8 - парафина, 9 - воды и полистирола, 10 - этилового спирта.
Способ определения типа и характера разрушения материала цели-преграды при ударно-волновом нагружении осуществляют следующим образом.
При импульсном нагружении конденсированных тел их откольное разрушение обусловлено волновым характером процессов и течений, реализующихся под воздействием импульса нагрузки длительностью в доли микросекунды. Такие длительности возникают при различных способах нагружения. Практически осуществимыми в настоящее время можно считать следующие виды воздействия на поверхность цели-преграды: удар пластиной, взрыв листового заряда ВВ, интенсивный поток излучения (например, электромагнитного излучения оптического квантового генератора).
-7
Кроме длительностей, близкими по своим значениям оказываются и амплитуды импульсов нагрузки. Начальные давления на нагружаемой поверхности лежат в диапазоне десятков ГПа. Длительности ударных импульсов, идущих в цель-преграду, можно оценить по времени двойного пробега волны, либо по толщине листового заряда взрывчатого вещества, либо по толщине пластины ударника. Характерное значение времени двойной циркуляции волны по толщине цели-преграды составляет десятые доли микросекунды: ~10 с.
Таким образом, при рассмотренных способах нагружения начальные параметры ударно-волновых импульсов нагрузки близки по своим значениям.
В силу вышесказанного при описании поведения цели-преграды, подвергаемой импульсному нагружению, можно абстрагироваться от ее способа нагружения, то есть способа генерирования ударно-волнового импульса, и рассматривать процессы, происходящие в ней под действием такого импульса. Незначительный разброс в начальных амплитудах и длительностях ударно-волновых импульсов можно скорректировать, введя в рассмотрение удельное количество движения ударно-волнового импульса - удельный механический импульс
н
где J - удельный механический импульс нагрузки;
Р - давление;
t - время;
τ - длительность ударно-волнового импульса.
3
Для начальных параметров ударно-волнового импульса, отмеченных выше, характерное значение удельного количества движения равно 10кг/(м·с).
В процессе распространения ударно-волнового импульса в цели-преграде неизбежно происходит его трансформация даже при отсутствии диссипации энергии: уменьшается его амплитуда и возрастает длительность. Говорят о затухании этого импульса. Однако удельное количество движения остается постоянным. В частности, при треугольной форме импульса справедливо
Изменение амплитуды со временем t, либо с пройденным импульсом расстоянием х обусловлено законом затухания. Известно, по Куранту и Фридрихсу, для любой Римановой волны
Ландау, рассматривая судьбу акустического импульса, определил, что закон (3) является предельным законом затухания любого вообще ударно-волнового импульса при достаточно большом времени его распространения. На ранней стадии процесса распространения ударно-волнового импульса его затухание более сильное, которое еще более усиливается существованием упругих (негидродинамических) волн разгрузки. Из (2) и (3) следует, что
к
к
Определение давления Р и массовой скорости u на контактной границе материала цели-преграды и взрывчатого вещества произведено следующим образом. В координатах давление - массовая скорость (Р-u) построена кривая торможения продуктов взрыва и ударная адиабата исследуемого вещества (чертеж). Кривая торможения построена по уравнению
ж
где Р - давление в точке Жуге;
D - скорость распространения ударно-волнового импульса в сплошной среде.
Ударные адиабаты исследуемых материалов построены по соотношениям:
0
где С - скорость звука (значение, близкое к гидродинамическому);
β - коэффициент пропорциональности в соотношении для волновой и массовой скорости;
0
ρ - начальная плотность;
0
0
ρС - акустический импеданс.
к
к
0
0
Пересечение этих двух линий и дает искомые значения Р и u. Значения ρ, С, β являются известными характеристиками материалов цели-преграды.
н
Величина удельного механического импульса нагрузки J определена по формуле
В
где Н - толщина заряда ВВ;
В
D - скорость детонации.
В
в
0
0
Для определения удельного импульса нагрузки по формуле (7), используемой в случае применения в качестве нагрузки блочного заряда ВВ, предварительно задается реальная (а не модельная), характерная для конкретного типа взрывчатого вещества скорость детонации D, измеряется толщина блока заряда ВВ Н, (мм), для конкретного материала цели-преграды, подвергаемой нагрузке, задаются соответствующие ей (а не модельные) характеристики: β - коэффициент пропорциональности в соотношении для волновой и массовой скорости (величина β затабулирована), ρ - плотность материала, С - скорость звука в материале.
н
Удельный импульс может использоваться как критерий характера разрушения при оценке пробивной способности поражающих элементов. Пробивная способность пули считается пропорциональной ее удельному механическому импульсу в момент встречи с целью-преградой. Значение удельного механического импульса нагрузки J, то есть удельного количества движения, сообщаемого пулей материалу цели-преграды, определено по формуле
где q - масса пули;
c
V - скорость пули при встрече с целью-преградой;
S - площадь поперечного сечения пули.
с
Для определения удельного импульса нагрузки по формуле (8), используемой в случае применения в качестве нагрузки ударного элемента (пули, снаряда, осколка, другого поражающего элемента, имеющего скорость не менее 300 м/с), предварительно задаются и измеряются характерные для конкретного ударного элемента параметры: q - масса ударного элемента, V - скорость ударного элемента при встрече с целью-преградой, S - площадь контактируемой поверхности ударного элемента с целью-преградой.
Определение скорости пули при встрече с целью-преградой производилось хронометрическим методом с использованием установки "Баллистика-М".
Применение к исследуемому процессу откольного разрушения известных положений теории подобия и теории моделирования систем позволило нам получить следующую формулу:
где η - интегральный показатель условий ударно-волнового нагружения;
н
J - удельный механический импульс нагрузки;
0
0
ρ и С - плотность и скорость звука, соответственно, для материала цели-преграды в начальном состоянии;
Н - толщина цели-преграды.
0
0
Параметры нагрузки и цели-преграды определяются экспериментальным способом. Для реализации расчетов по формуле (9) определяются параметры цели - преграды: измеряются ее геометрические параметры (толщина Н); задаются характеристики материала цели-преграды: плотность материала цели-преграды ρ и скорость звука в материале С.
Для количественного определения границ трех типов разрушения предложено использовать обобщенный параметр - интегральный показатель условий ударно-волнового нагружения.
Для реализации и подтверждения предлагаемого способа были проведены экспериментальные исследования поведения конденсированных тел при нагружении их косыми ударными волнами. Волны создавались путем взрыва листовых зарядов взрывчатых веществ в контакте с исследуемыми образцами цели-преграды в режиме «скользящей детонации». Вдоль контактной границы по заряду двигалась детонационная волна, генерировавшая косую ударную волну в образце. Были использованы различные по своим свойствам взрывчатые вещества. Испытаниям были подвергнуты конденсированные тела из различных материалов: металлов, пластиков, жидкостей.
Также в условиях проникающего (пробивного) действия на цель-преграду поражающих элементов, обладающих высокой удельной энергией, были проведены экспериментальные исследования поведения материала пробиваемой цели-преграды. Испытаниям были подвергнуты стальные и алюминиевые пластины различной толщины в условиях их обстрела боеприпасами стрелкового оружия разного типа.
По результатам экспериментальных исследований установлены граничные значения интегрального показателя, разделяющие области с типами разрушения: при значениях η<0,1 отсутствуют внешние макроразрушения - тип 1; при значениях 0,1<η<0,5 имеет место откольное разрушение - тип 2; при значениях η>0,5 проявляется сквозное пробитие, т.е. разрушение по типу выбивания пробки - тип 3.
Преимущество изобретения состоит в том, что оно дает возможность на стадии разработки и внедрения материалов в конструкциях военной техники прогнозировать наличие или отсутствие откола и его характеристики в конкретных условиях нагружения.