Способ определения типа и характера разрушения конструкционных материалов при ударно-волновом нагружении

Изобретение относится к испытаниям материалов при импульсном, ударном нагружении. Техническим результатом заявленного изобретения является априорное определение типа и характера разрушения при заданных значениях параметров нагрузки и цели-преграды. Способ определения типа и характера разрушения материала цели-преграды при ударно-волновом нагружении заключается в определении удельного механического импульса нагрузки, действующего на единицу площади цели-преграды; определении параметров цели-преграды: толщины, плотности материала и скорости звука в материале; определении типа и характера разрушения по интегральному показателю условий нагружения, который рассчитывается по формуле , где J_н - удельный механический импульс нагрузки; ρ₀ и С₀ - 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. 1 ил.

 

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

,

где J_н - удельный механический импульс нагрузки;

ρ₀ и С₀ - 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).

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^-7 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

где J_н - удельный механический импульс нагрузки;

Р - давление;

t - время;

τ - длительность ударно-волнового импульса.

Для начальных параметров ударно-волнового импульса, отмеченных выше, характерное значение удельного количества движения равно 10³ кг/(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

Определение давления Р_к и массовой скорости u_к 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

где Р_ж - давление в точке Жуге;

D - скорость распространения ударно-волнового импульса в сплошной среде.

Ударные адиабаты исследуемых материалов построены по соотношениям:

где С₀ - скорость звука (значение, близкое к гидродинамическому);

β - коэффициент пропорциональности в соотношении для волновой и массовой скорости;

ρ₀ - начальная плотность;

ρ₀С₀ - акустический импеданс.

Пересечение этих двух линий и дает искомые значения Р_к и u_к. Значения ρ₀, С₀, β являются известными характеристиками материалов цели-преграды.

Величина удельного механического импульса нагрузки J_н определена по формуле

где Н_В - толщина заряда ВВ;

D_В - скорость детонации.

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_В, измеряется толщина блока заряда ВВ Н_в, (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), ρ₀ - плотность материала, С₀ - скорость звука в материале.

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_н, то есть удельного количества движения, сообщаемого пулей материалу цели-преграды, определено по формуле

где q - масса пули;

V_c - скорость пули при встрече с целью-преградой;

S - площадь поперечного сечения пули.

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_с - 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;

J_н - удельный механический импульс нагрузки;

ρ₀ и С₀ - плотность и скорость звука, соответственно, для материала цели-преграды в начальном состоянии;

Н - толщина цели-преграды.

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 ρ₀ и скорость звука в материале С₀.

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.

Способ определения типа и характера разрушения материала цели-преграды при ударно-волновом нагружении, заключающийся в определении параметра нагрузки и параметров цели-преграды и определении типа и характера разрушения, отличающийся тем, что 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

где J_Н - удельный механический импульс нагрузки;
ρ₀ и С₀ - 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.