Устройство для определения динамических свойств материалов

 

Изобретение относится к испытательной технике, определению динамических свойств деформируемых материалов, например пенопластмасс, крешерных систем. Сущность: исследуемый образец помещен в жесткий стакан, в полости которого совмещены в единое целое испытательная камера и камера сгорания, на свободной поверхности образца в непосредственном контакте расположен чувствительный элемент, выполненный в виде пластины с закрепленным на ней штоком, проходящим через образец за торец стакана. Нагружение образца осуществляется с помощью заряда взрывчатого вещества. В качестве регистрирующей аппаратуры используется широко распространенный в технике скоростной фоторегистратор (СФР), позволяющий получать непрерывную зависимость смещения свободного конца штока во времени X (t) в процессе сжатия и разгрузки исследуемого материала. Зная X (t), расчетным путем можно получить динамические свойства исследуемого материала, например энергоемкость, что является достаточным в большинстве случаев для проектирования демпферных устройств. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, к определению динамических свойств деформируемых материалов, например пенопластмасс, крешерных систем и т.п.

При проектировании различного рода демпферных устройств, служащих для снижения уровня нагрузок, например, на торцевые области взрывных камер, необходимо знать динамические свойства (зависимости напряжение-деформация (σ - ε), энергоемкость - деформация (А- ε) и т.п.) материала, используемого в качестве демпфера.

Известен прибор для определения деформации огнеупорных материалов под статической нагрузкой при нагреве [1], состоящий из вертикальной электрической криптоловой печи, во внутренней полости которой помещают на подставке из огнеупорного материала испытываемый образец. На верхнем торце печи установлена на микрометрических винтах стойка для крепления измерительного устройства (индикатора) и вертикального керамического полого стержня, верхний торец которого соприкасается с опорным штифтом индикатора. Нижним своим торцом керамический стержень через диск установлен на испытываемый образец. Нагружающая система состоит из полых грузовых цилиндров из огнеупорного материала, надеваемых на керамический стержень.

Недостатками этого прибора является то, что используемый регистратор перемещений (индикатор) не позволяет проводить измерения перемещений во времени; отсутствует вывод показаний на какой-либо носитель информации (лента самописца, фотопленка, дискеты ЭВМ и т.п.); имеется механическая связь испытываемого образца и индикатора (через полый керамический стержень), что предъявляет дополнительные требования к торцовым поверхностям керамического стержня; при измерениях учитывается вес керамического стержня и термопары, усилие пружины индикатора, термическое расширение деталей прибора, температура максимального уплотнения массы образца испытываемого огнеупорного материала и его огневая усадка, что ухудшает точность измерений; невозможность проведения испытаний образцов на комплексное (например, взрывное) воздействие импульса и остаточного давления, так как прибор не является герметичным из-за наличия полого стержня; при ударном нагружении образца с помощью грузовых цилиндров существенно ухудшается точность измерения из-за отставания движения керамического полого стержня от образца ввиду большой инерции (длины и массы) стержня.

Известно устройство для измерения деформаций [2], предназначенное для измерения больших деформаций легкодеформируемых упругих сред при статическом и динамическом нагружениях, содержащее полый цилиндр с двумя пазами по образующей, пластину из фольги, закрепленную по периметру цилиндра, индентор с наконечником, выполненным в виде ножа, взаимодействующего с пластиной. Недостатком такого устройства является то, что с помощью его можно определить только максимальную деформацию исследуемой среды, по которой не представляется возможным определить динамические свойства исследуемой среды.

Известно и другое устройство для определения динамических свойств материалов [3] , состоящее из нагружающего устройства в виде газовой пушки, ствол которой помещен между расположенными параллельно его оси полюсами магнитопровода, исследуемого образца с расположенными в нем магнитоэлектрическими датчиками и контрольно-измерительных средств.

Такое устройство позволяет измерить массовую скорость и скорость распространения волны сжатия в материале, а затем расчетным путем определить динамическую зависимость напряжения от деформации.

Устройство отличается сложностью, так как требует специального нагружающего устройства (газовой пушки) и создания равномерного магнитного поля вокруг ствола пушки. Сами магнитоэлектрические датчики очень чувствительны к электрическим наводкам и для обеспечения точности и надежности измерений требуют специальных мер защиты от наводок. Кроме того с помощью таких датчиков можно регистрировать параметры исследуемого образца только в зонах дискретных сечений, испытывающих одноосное деформированное состояние и свободных от влияния боковой нагрузки. Это ограничивает область измерений и снижает точность измерений при сложном напряженном состоянии.

Известное устройство не позволяет исследовать динамические свойства материала при одновременном действии на него импульсной нагрузки и остаточного давления, что имеет место, например, при работе демпферных устройств взрывных камер и представляет большой практический интерес.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объекту является установка [4]. Данная установка для определения динамических свойств материалов состоит из корпуса, внутри которого размещены камера сгорания и испытательная камера, соединенные каналом. В испытательной камере находится крешер, закрепленный на основании пьезоэлектрического преобразователя силы.

Нагружение крешера осуществляется пуансоном, двигающимся внутри канала под действием давления, возникающего в результате сгорания бездымного пороха в камере сгорания.

Недостатками такой установки являются сложность ее конструкции, трудоемкость и сложность процесса регистрации параметров нагружения.

В корпусе установки предусмотрено размещение как самого нагружающего устройства, так и датчиков для регистрации перемещений и параметров силового нагружения исследуемого образца. Это влечет за собой усложнение конструкции корпуса, так как требует выполнения со сравнительно высокой точностью специальных посадочных мест для закрепления прецизионных датчиков, а также увеличивает трудоемкость процесса сборки установки. Кроме того, для исключения возможности затекания продуктов взрыва (остаточного давления) в измерительную камеру корпуса требуется предусмотрение специальных мер защиты (уплотняющая смазка), что также вызывает усложнение конструкции. Эта проблема усложняется с увеличением величины остаточного давления в полости нагружающего устройства. Также сложна и конструкция самого датчика контроля деформации образца.

Для регистрации параметров нагружения и деформации образца требуется большое количество электронного оборудования, которое чувствительно к электромагнитным наводкам, особенно в условиях действия проникающего излучения, например, -n-γ- излучения, и требует специальных мер защиты. Все это значительно усложняет процесс проведения эксперимента. Имеются трудности и в совмещении во времени записи на пленку сил и деформаций, что влияет на точность измерений.

Сложен и трудоемок процесс обработки экспериментальных данных, так как дополнительно требует учета упругих деформаций корпуса устройства и корректировки кривых, полученных на фотопленке.

Кроме того, предлагаемая установка не позволяет без существенных доработок корпуса и датчика перемещений исследовать поведение материалов в замкнутом объеме (при отсутствии бокового зазора между образцом и корпусом), что в некоторых случаях представляет практический интерес. Это ограничивает область исследований.

Целью изобретения является расширение области исследований при сложном напряженном состоянии и упрощение устройства.

Цель достигается тем, что исследуемый образец (материал) помещен в жесткий стакан, в полости которого совмещены в единое целое испытательная камера и камера сгорания, на свободной поверхности образца расположен чувствительный элемент, выполненный в виде пластины с закрепленным на ней штоком, проходящим через образец за торец стакана и служащим в качестве датчика перемещения. Нагружение образца осуществляется с помощью заряда взрывчатого вещества.

Жесткий стакан с единой полостью позволяет значительно упростить конструкцию и сборку устройства, что уменьшает его стоимость. Пластина с закрепленным на ней штоком, свободный конец которого выходит за торец стакана для оптической связи с измерительной аппаратурой, служит в качестве датчика перемещения. Это позволяет избежать необходимости проведения сложных электромагнитных измерений, что также упрощает конструкцию устройства, повышает мобильность при проведении экспериментов.

Расположение пластины на свободной поверхности образца в непосредственном контакте с ним позволяет избежать перекосов при разгоне пластины продуктами взрыва и создать равномерное распределение нагрузки по сечению образца. Кроме того выполнение датчика перемещения в виде пластины со штоком, расположенной по всей поверхности образца, позволяет исследовать динамику поведения всего образца в целом вне зависимости от рода напряженного состояния, а не дискретных его сечений, находящихся в одноосном напряженном состоянии. Это позволяет повысить достоверность получаемой информации и точность измерений.

Вынос датчика перемещения за пределы устройства не требует специальных мер защиты его от продуктов взрыва (сгорания), что также упрощает конструкцию устройства и процесс измерений.

В качестве регистрирующей аппаратуры используется широко распространенный в технике скоростной фоторегистратор (СФР), позволяющий получать непрерывную зависимость смещения свободного конца штока во времени Х(t) в процессе сжатия и разгрузки исследуемого материала. Зная Х(t), расчетным путем можно получить динамические свойства исследуемого материала, например энергоемкость, что является достаточным в большинстве случаев для проектирования демпферных устройств. Такое устройство позволяет исследовать динамические свойства материалов при их деформировании как в замкнутом, так и в свободном объемах. Для этого исследуемый образец располагается либо в непосредственном контакте со стаканом, либо с зазором соответственно. Кроме того, при выполнении стакана замкнутым и герметичным устройство позволяет проводить исследования динамических свойств материала при одновременном действии на него импульсной нагрузки и остаточного давления продуктов взрыва, что характерно для демпферных устройств, используемых во взрывных камерах.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - фотохронограмма перемещения штока во времени, полученная в эксперименте по динамическому сжатию пенопласта с предложенным устройством.

Устройство состоит из стакана 1, внутри которого помещен исследуемый образец (материал) 2 и пластина 3 с закрепленным на ней штоком 4. Пластина 3 находится в непосредственном контакте с исследуемым образцом 2. Нагружение образца осуществляется с помощью заряда взрывчатого вещества (ВВ) 5, закрепленного на спице 6 в крышке 7.

Устройство работает следующим образом.

При подрыве заряда ВВ 5 пластина 3, получив импульс количества движения, равномерно распределяет нагрузку по сечению образца 2, который, деформируясь, перемещается совместно с пластиной 3 и закрепленным на ней штоком 4. С помощью СФР осуществляется регистрация перемещения во времени свободного конца штока 4, а следовательно, и исследуемого образца.

С использованием предложенного устройства проведены эксперименты по исследованию динамических свойств пенопласта ПС-1 и ППУ-КФ плотностью 0,18-0,35 г/см³ в открытом и закрытом объемах, т.е. под действием только импульсной нагрузки и импульсной нагрузки совместно с остаточным давлением продуктов взрыва. Скорости нагружения варьировались в пределах 3,4-19,2 м/с, величина максимального остаточного давления 3,0-20,0 МПа.

В процессе эксперимента с помощью СФР производилась непрерывная регистрация деформирования образца во времени (фиг. 2). На основании экспериментов была определена удельная (на единицу первоначального объема образца) энергоемкость А и максимальные значения деформаций, при которых происходит пережатие пенопласта. Эти значения для пенопласта плотностью 0,18-0,35 г/см³ для деформации 50% соответственно составляют А = 1,3-7,0 МДж/м³.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ, содержащее корпус, размещенные в нем камеру сгорания и испытательную камеру, нагружающее приспособление с чувствительным элементом и средства измерения деформации, отличающееся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей при испытании образцов с центральным отверстием, размещенных в испытательной камере без зазора, корпус выполнен в виде стакана с центральным отверстием в его дне, камера сгорания и испытательная камера установлены соосно одна с другой и стаканом и разделены между собой чувствительным элементом, выполненным в виде пластины, и предназначенного для размещения в отверстии образца и дне стакана с возможностью осевого перемещения штока, один конец которого закреплен на пластине, а длина штока превосходит длину испытательной камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2