Способ испытания конструкционных материалов при динамическом воздействии и устройство для его осуществления
METHOD FOR TESTING STRUCTURAL MATERIALS UNDER DYNAMIC INFLUENCE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к исследованиям поведения материалов и определению их механических свойств при динамическом воздействии на них и может быть использовано в любой области техники, где необходима оценка поведения материала, как самостоятельная, так и в составе конструкции. Изобретение позволяет имитировать условия экстремального или внештатного высокоскоростного воздействия на материал.
Одной из актуальных задач современной техники является оценка возможных последствий, поведения конструкций, а также материалов, требуемых для их изготовления, в случае возникновения на конструкциях внештатных ситуациях связанных с высокоскоростным или высокоимпульсным ее нагружением. Способ позволяет не только оценивать материалы и их соединения в составе конструкций, но также проводить их аттестацию (сертификацию), а также позволяет собрать достаточную базу для проведения компьютерного моделирования процессов.
Известен патент на способ динамических испытаний материалов и конструкций (патент SU175683A1 G01M, G01N), опубл. 1965.10.09). Изобретение позволяет испытывать материалы и конструкции на стенде путем приложения к ним импульса силы регулируемой продолжительности. Нагрузка создается с помощью тяг с заранее приложенными усилиями. Известен патент на способ определения динамических деформаций материала (патент SU1631259A1 G01B 7/18), опубл. 1991.02.28). Изобретение позволяет оценивать динамические деформации с помощью пьезоэлектрических преобразователей, установленных в ортогональных направлениях. Определение величины деформации осуществляется с помощью зависимостей.
Более близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ испытания материалов на разрыв в условиях сложно-напряженного динамического нагружения (патент РФ №2001 129420 А, G01N 3/30(2000.01), опубл. 2003.08.20), выбранный в качестве прототипа. В патенте предусмотрен способ испытаний материала на разрыв в условиях сложно-напряженного динамического нагружения, реализуемого за счет воздействия на испытуемый образец ударного волной, создаваемой контактным взрывом заряда взрывчатого вещества. Способ позволяет оценивать как материалы, так и сварные соединения путем нанесения на испытуемый образец взрывчатого вещества и осуществления его инициирования скользящей детонационной волной. Способ инициирования нагружения приводит к зарождению в образце откольной трещины.
К недостаткам известных способов, в том числе и прототипа, прежде всего относится: невозможность проведения испытаний на крупногабаритных образцах; отсутствие возможности определения изменения механических свойств деформированного образца; отсутствие возможности определения деформационной способности конструкционных материалов и конструкций из них, в т.ч. в больших толщинах; отсутствие возможности исследования изменений в механических свойствах и деформационной способности при температуре отличной от температуры окружающей среды.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание способа испытания конструкционных материалов при динамическом воздействии, позволяющего проводить испытания на образцах натурных габаритов, оценивать как отдельно поведение конструкционных материалов, так и в составе конструкции, в толщинах до 100 мм. Техническим результатом также является создание устройства для осуществления предложенного способа, при этом устройство может быть мобильным.
Технический результат достигается созданием способа испытания конструкционных материалов при динамическом воздействии, включающим воздействие на образец ударной волной создаваемой за счет неконтактного взрыва заряда, погруженного в емкость с водой, и устройства для его осуществления.
Способ включает разработанный математический алгоритм, связывающий величину прогиба образца с его податливостью, параметрами нагружения и свойствами исследуемого материала. Остаточную деформацию оценивают по наносимой с двух сторон образца радиальной сетке. Радиальная сетка, наносится на всю поверхность образца, подвергаемую формоизменению, с перекрытием в сторону недеформируемой части не менее, чем на 50 мм. После каждого нагружения регистрируют удлинение участков радиальной сетки на обеих поверхностях образца. Величину деформации определяют с помощью уравнений (1) и (2):
- для района максимальной деформации (центра образца):
- для каждого последующего района:
r
0
i
где: ε - величина деформации, l - размер «базового» отрезка на радиальной сетке до деформации, Δl - изменение величины отрезков на радиальной сетке после нагружения.
Математический аппарат рассчитан на применение заряда взрывчатого вещества в тротиловом эквиваленте, что позволяет применять широкий спектр типов взрывчатого вещества.
Конструкция устройства включает фундамент, в качестве фундамента может быть использована стальная плита, на который устанавливают матричное основание, на котором размещают испытуемый образец, на который устанавливают емкость для воды, в которую устанавливается заряд взрывчатого вещества на определенном возвышении с помощью реек, соединенный с детонатором, при проведении испытаний при температурах, отличных от комнатной, исследуемый материал дополнительно изолируют от всей конструкции.
В НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей» проводилось испытание образцов из конструкционных материалов по предлагаемому способу с использованием предложенного устройства. Динамическое деформирование образцов производилось за счет неконтактного взрыва взрывчатого вещества, погруженного в емкость с водой, при подрыве заряда в жидкости (воде), вода выступает в качестве пуансона и деформирует исследуемый образец.
На Фиг. 1 представлена схема устройства, которое использовалось для испытания конструкционных материалов при динамическом нагружении. Устройство является мобильным, может быть собрано на любой испытательной площадке и состоит из испытуемого образца (1) - правильной восьмиугольной формы, вписываемой в квадрат со стороной задавемого размера, матричного основания (2), определяющего радиус рабочей зоны образца; стальной плиты (3), применяемой для нивелирования сейсмических эффектов; уступов (4) в матричном основании (2) для облегчения и ускорения процесса центровки образцов; емкости для воды (5); заряда взрывчатого вещества (6); детонатора (7), инициируемого из центра; реек (8), обеспечивающих необходимое возвышение заряда над образцом (1); осевых линий (9) на дне емкости с водой для облегчения центровки заряда в воде.
Также проводились испытания при температурах, отличных от комнатной, при этом образец дополнительно прокладывался теплоизоляционным картоном (10), для этого может быть использован любой другой материал с теплоизолирующими свойствами.
Оценка материала проводилась следующим образом. Первоначально выполнялся расчет параметров нагружения: веса заряда ВВ и его возвышения с помощью разработанного математического алгоритма, связывающего величину прогиба образца с его податливостью, параметрами нагружения и свойствами исследуемого материала. Собирали заряд взрывчатого вещества, в качестве взрывчатого вещества применялся тринитротолуол. В случае, если в качестве взрывчатого вещества применяется не тринитротолуол, вес заряда пересчитывается с учетом тротилового эквивалента. Допускается собирать заряд, применяя прессованные шашки из тринитротолуола, в таком случае дополнительно вводится коэффициент, учитывающий отступление заряда от идеальной сферической формы. Собирали конструкцию, приведенную на Фиг. 1. Затем в емкость для воды опускали снаряженный детонатором заряд. Заряд центрировали с помощью разметки (9). Затем производили подрыв заряда.
Остаточная пластическая деформация оценивалась по специально наносимой с двух сторон образца радиальной сетке (Фиг. 2 приведен пример разметки для рабочей зоны образца 800 мм). Радиальная сетка, наносилась на всю поверхность образца, подвергаемую формоизменению, с перекрытием в сторону недеформируемой части не менее 50 мм. После каждого нагружения регистрировались удлинения 36-ти «базовых» участков с обеих поверхностей образца.
Величина деформации определялась с помощью уравнений (1) и (2).
Допускается определять величину деформации через утонение исследуемого района. Дополнительно может быть снята профилограмма формоизменения образца с регистрацией глубины прогиба. Глубина прогиба образца (12) регистрируется в соответствии со схемой, приведенной на Фиг. 3.
Технико-экономический эффект от использования изобретения заключается в том, что оно позволяет оценивать как отдельно поведение конструкционных материалов, так и в составе конструкции, при температурах эксплуатации материалов. Изобретение позволяет осуществлять испытания материалов в толщинах до 100 мм и при любой заданной температуре, а также позволяет проводить дополнительную регистрацию параметров с помощью тензометрирования.