Способ формирования имитаторов частиц горных пород для испытания конструкций на ударную стойкость

 

Изобретение относится к способам формирования или изготовления имитаторов частиц горных пород, используемых для испытаний на ударную стойкость различных конструкций, которые могут быть подвергнуты высокоскоростному воздействию частиц грунта. С помощью таких имитаторов может быть осуществлено максимально близкое к натурному экспериментальное моделирование воздействия, например, частиц грунта, выбрасываемых из воронки промышленного взрыва, на различные объекты, которые могут оказаться в зоне действия последнего, а также метеоритных частиц на космические аппараты. Способ формирования имитаторов частиц скального грунта для испытания конструкций на ударную стойкость включает в себя отбор частиц по размерам, геометрической форме и некоторым физико-механическим характеристикам, для образования частиц производят подземный взрыв, а сбор частиц различных характерных размеров осуществляют с различного расстояния от центра взрыва в зоне дробления грунта, при этом для отбора частиц по физико-механическим характеристикам в каждой из них экспериментальным путем измеряют скорость распространения продольных волн С_р, затем расчетным путем по соответствующим корреляционным уравнениям в зависимости от С_р определяют совокупность следующих физико-механических характеристик: коэффициент Пуассона ν , пористость n, плотность ρ , прочность на одноосное сжатие σ , после чего формируют имитаторы в каждом интервале размеров посредством отбора из всей совокупности частиц горных пород различной прочности таким образом, чтобы их распределение по прочности W(σ) в каждом интервале размеров подчинялось зависимости типа где - средний характерный размер частицы, а величины A_j, B_i, m_i и K_i (i = 1,2,3) выбираются в зависимости от геологического типа грунта, частицы которого предполагается имитировать, при этом различные типы грунтов условно подразделяют на три геологических типа: равнинную местность (i = 1), мелкосопочник (i = 2) и среднегорье (i = 3). 3 ил.

Изобретение относится к способам формирования или изготовления имитаторов частиц горных пород, преимущественно скального грунта, используемых для испытаний на ударную стойкость различных конструкций, которые могут быть подвергнуты высокоскоростному воздействию частиц грунта. С помощью таких имитаторов может быть осуществлено максимально близкое к натурному экспериментальное моделирование воздействия, например, частиц грунта, выбрасываемых из воронки промышленного взрыва, на различные объекты, которые могут оказаться в зоне действия последнего, а также метеоритных частиц на космические аппараты.

Суть задачи экспериментального моделирования указанного рода воздействия сводиться не только к воспроизведению необходимых кинематических параметров (скоростей и углов взаимодействия с мишенью), массы и геометрической формы частиц (ударников), но и максимально приближенных к натурным их физико-механических характеристик (ФМХ).

Из специальной литературы 1 известно, что ударники в зависимости от цели могут изготавливаться из различных материалов: алюминия, стали, меди, свинца, стекла и т.д. Для моделирования, например, каменных материалов использовались имитаторы из алюминиевого сплава (стр. 199, /1/) в силу того, что его ударная адиабата близка к кривым Гюгонио для горных пород. Ударники могут изготавливаться различной геометрической формы: шар, куб, цилиндр и др., с заданной плотностью, твердостью и пористостью. Иными словами, можно сказать, что известный способ 1, принятый за ближайший аналог (прототип), формирования ударников, имитирующих частицы горных пород, включающий в себя отбор частиц по размерам, геометрической форме и ФМХ. Подготовленные таким образом ударники могут применяться для последующего использования, например, в разгонных устройствах баллистического типа при испытаниях различных конструкций на стойкость к воздействию высокоскоростных частиц грунта.

К недостаткам ближайшего аналога можно отнести неточное воспроизведение в ударниках геометрической формы и ФМХ частиц горных пород, возникающих в результате, например, мощного промышленного или другого взрыва, и, как следствие, искажение результатов моделируемого ударного процесса, что может привести к ударному воздействию частиц грунта. Эти недостатки являются следствием упрощенного, часто не всегда оправданного, похода к выбору или способу изготовления ударников при: 1) выполнении ударников из материалов, условно близких к моделируемому только по отдельным механическим характеристикам, чаще всего по плотности, - на самом деле, результат ударного воздействия частицы при всех прочих равных условиях зависит от комплекса ее ФМХ; 2) не учете образующихся при взрыве трещин во внутренней структуре частиц горных пород, которые существенно снижают их прочностные и акустические характеристики, что, естественно, искажает моделируемый результат; по этой причине нежелательно использование в качестве ударников случайных частиц скальных пород, например, гранита, кварцита и т.п., собранных в обычных карьерах или на дневной поверхности земли, т.к. параметры повреждения нагруженных ими при испытаниях конструкций будут отличаться от реальных в большую сторону, что может привести к ложным выводам о фактической стойкости испытываемой конструкции, неоправданному повышению ее защищенности и, как следствие, увеличению ее массы, стоимости и т.д.; 3) использовании ударников правильной геометрической формы (куб, цилиндра, шар и т.д.), что особенно при скоростях соударения менее 1,5...3,0 км/с не обеспечивает адекватного моделирования воздействия частиц грунта при подлете к мишени своими острыми кромками, последние при этом являются характерным отличительным признаком осколков грунта скальных пород.

Цель изобретения заключается в обеспечении максимально близкого к натурному экспериментального моделирования воздействия на испытываемых конструкции частиц грунта, образующихся в результате мощного взрыва, и, как следствие, достижении заданной стойкости защищаемых изделий минимально необходимыми (по массе, толщине и стоимости) конструктивными средствами.

Грунтовые частицы, образующиеся при взрыве большой мощности, условно подразделяются по размерам на три класса. В первый класс, так называемый класс пылевых частиц, отнесены частицы с характерными размерами d<1 мм. Во второй, так называемый класс мелких частиц грунта, отнесены частицы с характерными размерами 1 мм < d < 10 мм. И в третий класс крупных частиц грунта - с характерными размерами в d > 10 мм. Причем, учитывая, что наибольшую опасность для конструкций с точки зрения возможных повреждений представляют частицы второго и третьего классов, характерные размеры отбираемых ударников должны находиться в диапазоне 1 мм < d < 100 мм. Имитаторы с размерами более 100 мм рассматривать не имеет практического смысла по следующим причинам: - вероятность формирования частиц большего размера достаточно мала; - разлетаются они на небольшие расстояния от центра взрыва, а оказавшийся вблизи взрыва какой-либо объект, например, пролетающий над зоной взрыва летательный аппарат, может быть поврежден другим поражающим фактором взрыва, например, ударной волной. При этом необходимо отметить, что более опасными с точки зрения ударного воздействия на конструкции в силу их повышенной прочности и твердости являются частицы скального грунта по сравнению с частицами мягких пород, например, глины.

Реализация способа формирования имитаторов частиц скального грунта для испытаний конструкций на ударную стойкость осуществляется следующим образом.

Для образования частиц производят подземный взрыв, а сбор частиц различных размеров осуществляют с различных расстояний от центра взрыва в зоне дробления грунта (фиг. 1). Подземный (заглубленный) взрыв необходим для того, чтобы раздробить твердые скальные породы, залегающие преимущественно на некоторой глубине под слоем мягких непрочных пород. После взрыва с различного расстояния от его центра в зоне дробления грунта собирают частицы разных характерных размеров. При этом для отбора имитаторов в каждом из них экспериментальным путем определяют скорость распространения продольных волн C_p, например, по стандартной ультразвуковой методике с использованием прибора УК-1ОП, для чего на частицах грунта формируют две плоскопараллельные грани, на которые наносится слой изоляции для лучшего контакта поверхности частицы и датчика прибора. Затем расчетным путем по соответствующим корреляционным уравнениям в зависимости от C_p определяют совокупность следующих ФМХ: коэффициент Пуассона ν , пористость n, плотность ρ , прочность на одноосное сжатие σ , после чего формируют имитаторы в каждом интервале размеров путем отбора из всей совокупность частиц горных пород различных прочности таким образом, чтобы их распределение по прочности W(σ) осуществлялось в зависимости от среднего характерного размера частицы определенного интервала и условного геометрического типа грунта.

Следует отметить, что скорость распространения продольных волн C_p является важнейшей акустической характеристикой скального грунта, зная которую, по цепочке корреляционных соотношений (2, 3) можно определить другие важные ФМХ частиц грунта, т.е. можно полностью описать физико-механическое состояние частицы грунта, отобранной из зоны дробления взрыва большой мощности.

Применительно к рассматриваемой цели расчетным путем по соответствующим корреляционным уравнениям в зависимости от C_p необходимо определить совокупность следующих ФМХ: пористость n, коэффициент Пуассона ν и прочность на одноосное сжатие σ .

На фиг. 2 показана зависимость N=f(C_p), полученная на образцах с характерными размерами d=16-47 мм. При статической обработке вся совокупность опытных точек разбивалась на непересекающиеся группы, в которых определялись средние значения C_p, n и средние квадратические отклонения . Средние значения сглаживались по методу трех точек /4/, и полученные величины аппроксимировались аналитической зависимостью. Результат аппроксимации имеет вид: n = (0,303 - 0,05 C_p) / (C_p + 0,648), где n - в долях единицы; C_p - В км/с.

В свою очередь, пористость материала частицы скального грунта хорошо коррелируется с плотностью ρ .

ρ = ρ_з·(1-n) ,
где
ρ_з - средняя плотность минеральных зерен горной породы.

На фиг. 3 - представлены результаты исследования экспериментальных данных по зависимости коэффициента Пуассона от скорости распространения продольных волн. Кривая 1 соответствует породам гранитоидного типа от монолитного состояния до "Рухлячкового" из зоны литомаржа. Кривой 2 на этом графике показана средняя зависимость предельного варианта скальной породы - группа андезито-базальтов. Из хода кривых виден сложный характер связи C_p и ν , при этом у указанных пород прослеживается тенденция к увеличению ν с ростом нарушенности частицы. Здесь идет речь о величине ν , измеренное на небольших по размеру образцах. Кривая 3 построена по результатам определения C_p сейсмическим методом /5, 6/ на больших базах и последующим расчетом по известному графику Л.Кнопоффа /6/. Здесь также очевиден рост коэффициента Пуассона при снижении значения C_p, вызванного увеличением трещиноватости породы.

Зависимость для пород гранитоидного типа в первом приближении была аппроксимирована выражением вида
,
где
C_p - в км/с;
0,5 < C_p < 6,25.

Для C_p < 1,0 км/с, где порода выветрена до состояния плотноупакованного песка, указанная зависимость переходит в падающую до значений ν = 0,15 зависимость для мягких грунтов /7/.

Анализ опытных данных для пористых метаморфических и осадочных пород показал, что значение вплоть до полного выветривания или остается постоянным и не зависит от C_p или имеет некоторую тенденцию к снижению коэффициента Пуассона до значений ≈ 0.2.

И завершает цепочку корреляционных соотношений полученное авторами выражение для динамической прочности на одноосное сжатие материала частицы грунта, которое имеет вид
,
где коэффициент Q = 14,6 - 3,7 C_p + 2,14 C²_p и является константой для определенного генетического типа пород, а коэффициент ω(n) имеет вид
.

Таким образом, по указанной цепочке корреляционных соотношений определяются ФМХ каждой частицы грунта горных пород, отобранной из зоны дробления взрыва большой мощности. Тем самым достигается представленная выборка имитаторов частиц скального грунта.

Необходимо отметить, что весь диапазон размеров частиц грунта разбивался на несколько интервалов, представителем каждого из которых является частица со средним характерным размером d. Для каждого характерного размера рассчитывалось распределение частиц грунта по прочности на одноосное сжатие с учетом геологии местности "рождения" этих частиц.

Сами же имитаторы для испытания конструкций на ударную стойкость формировались в каждом интервале размеров путем выбора из всей совокупности частиц, имеющих различные значения прочности, таких, что их распределение по прочности на одноосное сжатие W удовлетворяло бы зависимости:
,
где
W(σ) - плотность распределения частиц по прочности;
- средний характерный размер частиц - представителя определенного интервала;
σ - прочность частиц грунта;
- коэффициента, зависящие от среднего характерного размера частиц и геологии, породившей эту частицу.

Коэффициенты определялись по корреляционным зависимостям
,
где величины A_i, B_i, m_i, K_i (i = 1, 2, 3) выбираются в зависимости от условного геологического типа грунта, частицы которого предполагается имитировать, при этом для равнинной местности (i=1), мелкосопочника (i=2) и среднегорья (i=3) они принимают соответственно значения
A₁ = 195, A₂ = 190, A₃ = 185;
B₁ = 215, B₂ = 280, B₃ = 510;
m₁ = 1,4; m₂ = 1,2; m₃ = 0,8;
K₁ = 1,0; K₂ = 0,8; K₃ = 0,8.

Таким образом, с помощью предлагаемого способа могут быть получены имитаторы частиц скального грунта с ФМХ, максимально приближенными к характеристикам осколков грунта, образующихся при взрыве большой мощности. С помощью таких имитаторов с использованием соответствующих баллистических стендов можно обеспечить получение достоверных экспериментальных данных с фактической стойкости различных конструкций к ударному воздействию частиц грунта.

Литература.

1. Коллективная монография "Высокоскоростные ударные явления", поде ред. В.Н.Николаевского. М.: Мир, 1973.

2. Выявление закономерностей изменчивости прочностных и акустических характеристик грунтов по глубине массивов. Отчет по НИР "Литомарж", 1991, ЦФТИ МО РФ.

3. Определение законов распределения крупных частиц скального грунта по прочностным и акустическим характеристикам. Отчет по ОКР "Грунт-МИТ", 1991, ЦФТИ МО РФ.

4. Бахвалов Н.С. Численные методы, т.1, М.: Наука, 1975.

5. Савич А.И. и др. Сейсмоакустические методы излучения массивов скальных пород. М.: Недра, 1969.

6. Савич А.И., Лаврова Л.Д. Оценка упругих свойств скальных пород по данным комплекса разночастотных модификаций сейсмоакустики, В сб. тр. Гидропроекта N 21, М., 1971.

7. Замышляев Б.В., Евтерев Л.С., Модели динамического деформирования и разрушения грунтовых сред. М.: Наука, 1990.

Формула изобретения

1. Способ формирования имитаторов частиц горных пород для испытания конструкций на ударную стойкость, включающий в себя сбор частиц горных пород и их отбор по размерам, геометрической форме и некоторым физико-механическим характеристикам, отличающийся тем, что для образования частиц производят подземный взрыв, а сбор частиц различных характерных размеров осуществляют с различного расстояния от центра взрыва в зоне дробления грунта, при этом для отбора частиц по физико-механическим характеристикам в каждой из них экспериментальным путем измеряют скорость распространения продольных волн C_p, затем расчетным путем по соответствующим корреляционным уравнениям в зависимости от C_p определяют совокупность физико-механических характеристик, включая прочность на одноосное сжатие σ, после чего формируют имитаторы в каждом интервале размеров посредством отбора из всей совокупности частиц горных пород различной прочности таким образом, чтобы их распределение по прочности W(σ) осуществлялось в зависимости от среднего характерного размера частицы определенного интервала и условного геологического типа грунта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зависимость имеет следующий вид:

где средний характерный размер частицы определенного интервала;


а величины A_i, B_i, m_i и K_i (j=1,...n) выбираются в зависимости от условного геологического типа грунта, частицы которого предполагается имитировать, при этом различные типы грунтов условно подразделяют на n геологических типов.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что грунты подразделяют на три (n=3) геологических типа: равнинную местность (j=1), мелкосопочник (j=2) и среднегорье (j= 3), при этом величины A_i, B_i, m_i и K_i соответственно принимают равными:
А₁= 195, А₂=190, А₃=185; В₁=215, В₂=280, В₃=510; m₁=1,4, m₂=1,1, m₃=0,8; K₁=1,0, K₂=0,8, K₃=0,8.9

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3