Full Text

В процессе эксплуатации транспортных, коммуникационных средств и инженерных сооружений установлено [1, 2], что зачастую причиной аварий являются повреждения от высокоскоростных ударов неметаллическими объектами, которыми могут быть осколки дорожного покрытия, горной породы, неметаллические элементы конструкций, щебень и т.д. Примером ситуации, когда неметаллические объекты могут привести к аварийной поломке, является повреждение лопаток двигателя самолета при взлете и посадке, столкновение объектов с корпусами вагонов скоростных поездов, кроме того, встреча с неметаллическими объектами может оказаться губительной для космических объектов. Существуют исследования, описывающие влияние высокоскоростного удара объекта о поверхность металла [3, 4]. Однако эти исследования основаны на экспериментах, проведенных с «чистыми» неметаллическими материалами, такими как оксиды, карбиды и т.д. В реальных условиях неметаллические объекты имеют сложный состав и неоднородную структуру, что, согласно работам [5-7], значительно влияет на степень повреждения конструкций. Изменение процессов разрушения неметаллического объекта при столкновении с металлической преградой актуально, так как позволяет выявить особенности реакции преграды и неметаллических материалов в условиях динамических нагрузок. Целью настоящей работы является выявление особенностей разрушения металлической преграды и неметаллического пробойника при высокоскоростном взаимодействии для использования результатов в оптимизации конструктивных решений защиты изделий специального назначения. Экспериментальное исследование высокоскоростного взаимодействия сопряжено с рядом проблем, главная из них - достижение необходимых скоростей взаимодействия [8] и видеофиксация результатов такого взаимодействия. Поскольку взаимодействие длится малый промежуток времени, а человеческое зрение не способно уловить этапы происходящего, то такой результат ранее оценивали уже по последствиям взаимодействия. При этом анализу подвергали кратеры и пробоины, фрагменты разрушения и различные параметры возникших трещин [9]. Такие методы оправдали себя и позволили создать математические модели, описывающие процессы деформации, разрушения и эрозии материалов под действием удара твердых частиц. Однако потребность в визуализации процессов по-прежнему остается наиболее достоверным методом для получения данных, характеризующих высокоскоростное взаимодействие. Одним из методов, который позволяет максимально отследить процесс соударения и получить численные характеристики (параметры), описывающие такой процесс, является метод визуализации с помощью высокочувствительного фото- и видеооборудования. Для проведения эксперимента и его визуализации использовали комплекс оборудования, представленный на рис. 1. В комплекте установки использовали разгонную трубу с внутренним диаметром 25 мм и длиной 3950 мм и устройство закладки пробойника телескопического типа. Разгон образца неметаллического материала осуществляли с помощью пневмооборудования, использовали насос с ресивером высокого давления объемом 5,2 л. Заполнение ресивера сжатым воздухом осуществлялось от компрессора высокого давления. Рис. 1. Схема установки проведения испытаний Использовали системы контроля скорости габброидного образца перед соударением, основанные на измерении времени прохождения ударником контрольного участка траектории движения, ограниченного сетью лазерных лучей в начале и в конце его пути. Система скоростной видеорегистрации процесса соударения состояла из скоростной видеокамеры Photron Fastcam SA5 и осветительного комплекса. Максимальная скорость съемки камер составляет 775 000 кадр/с при разрешении 128 ´ 24 пикселей. Камера регистрирует процесс соударения под углом около 45° к трем ортогональным плоскостям. Для получения качественной видеосъемки при малом времени экспозиции система скоростной видеорегистрации была оборудована осветительным комплексом, состоящим из семи источников света мощностью 1000 Вт каждый. Запуск процесса видеорегистрации осуществляли по триггер-сигналу, генерируемому автоматизированной системой проведения эксперимента. Управление процессом проведения эксперимента осуществляли автоматизированной системой на базе системы PXI с набором специальных модулей сопряжения разработки National Instruments и удаленного персонального компьютера. В рамках эксперимента использовали пробойник из горной породы габброидного типа сферической формы диаметром 24,8 мм. В качестве преграды использовали лист титанового сплава. Скорость образца пробойника составляла не более 340 м/с, скорость съемки 25 000 кадр/с, время экспозиции 1/71 000 с. Разрешение полученных снимков изображений составило 512 ´ 400 пикселей. Удар пробойником осуществляли под углом 90° к поверхности в середину и с краев металлической преграды. Согласно исследованию [10] удар объекта о поверхность металла может приводить к эрозии и пробойника, и преграды. Однако из-за принципиальной разницы в реакции этих материалов на оказываемое воздействие изменения, происходящие с ними при ударе, имеют разные механизмы. Видеофиксацией удалось зафиксировать момент соударения пробойника и преграды. При фронтальном столкновение (рис. 2, а) сначала визуальных признаков выделения теплоты не обнаруживается, однако позже среди фрагментов разрушения идентифицируются светящиеся частицы (рис. 2, б). Тогда как угловые удары сразу же сопровождаются обильным выделением святящихся фрагментов при соударении. а б Рис. 2. Фронтальное столкновение неметаллического пробойника с металлической преградой Кроме того, с помощью видеофиксации удалось зафиксировать, что при высокоскоростном взаимодействии металлическая преграда многократно испытывает упругие колебания по всей длине. Эти колебания не приводят к пластической деформации, а значит, не могут быть зафиксированы после испытания. В приближенных моделях при изучении удара объекта о поверхность металлической преграды наличие таких колебаний не принималось во внимание, так как зафиксировать их не удавалось [14]. Обнаруженные светящиеся частицы разрушения могут быть вызваны двумя причинами. Первая - трение более твердого материала пробойника о металлическую поверхность. Вторая - диссипативные процессы, происходящие в материале пробойника. Следует отметить, что при ударе неметаллического пробойника о металлическую преграду его деформация и разрушение происходят согласно механизму, характерному для хрупких материалов, т.е. происходит образование трещин, их рост и последующая фрагментация. Ранее закономерности разрушения хрупких материалов были широко рассмотрены для случая, когда неметаллический материал сам являлся преградой для металлического микрообъекта [15]. В результате тех исследований было установлено, что процесс роста трещин и фрагментация зависят от формы пробойника. При столкновении с пробойником со сферической поверхностью характерные трещины Герца распространяются вдоль поверхности преграды, а для пробойника с остроугольной поверхностью они распространялись вглубь неметаллической преграды. Считаем, что эта закономерность справедлива и для пробойника, но помимо радиальных трещин при разрушении хрупкого материала образуются поперечные, или так называемые кольцевые, трещины, их появление и дальнейшее отделение материала по их границам принято характеризовать как эрозию. Видеосъемкой зафиксировано образование облака фрагментов разрушения неметаллического пробойника, состоящего из пылевидных частиц и отдельных крупных фрагментов. Причем в зависимости от своего размера фрагменты имеют разную траекторию полета от места соударения. О траектории пылевидных частиц можно судить по распространению общего фронта: он рассредоточивается вдоль поверхности преграды под углом около 8-12°. Более крупные фрагменты разрушения размером от 1 мм и больше распространяются также вдоль поверхности, но под углом около 30-40° (рис. 3). Однако траектория фрагментов частично поддается влиянию воздушного потока, сопровождающего пробойник. Разница в размере оказывает некоторое влияние на схему траектории, кроме того, сказывается и различная их удаленность от места удара. Значительная разница в размере в сочетании с различием траекторий указывает на то, что фрагменты разрушения, по-видимому, образуются в результате разных деформационных процессов. Переход от одного механизма деформации к другому возможен при диссипации энергии материалом пробойника [16]. Пробойник обладает кинетической энергией, которая при соударении частично затрачивается на деформацию преграды (упругую и пластическую), колебания которой вновь передаются пробойнику. Остаточная энергия пробойника и колебаний преграды затрачивается на фрагментацию и ускорение фрагментов разрушения. Рассматривая эти процессы, следует учитывать наличие межфазных напряжений в материале пробойника, которые концентрируются на границах аморфных и кристаллических фаз [17]. При фрагментации ударника происходит релаксация его внутренних напряжений; этот фактор, как и колебания преграды, воздействует на характер движения фрагментов разрушения. Совокупность этих факторов приводит к тому, что фрагменты разрушения размером 5-8 мм приобретают в момент разлета среднюю скорость 250 м/с, которая снижается до 50-60 м/с. Материал неметаллического ударника склонен к диссипации энергии [18]. Диссипативные процессы оказывают влияние на процесс деформации, поскольку приводят к локальному нагреву материала пробойника в зоне контакта с преградой в момент удара. По материалам исследований выдвинута гипотеза, что количества теплоты и времени ее воздействия при таком взаимодействии пробойника и преграды не достаточно для расплавления, но достаточно для изменения прочностных характеристик материала, поэтому диссипативные процессы приводят к локальному изменению механизма деформации от хрупкого к пластическому [19], т.е. одна часть пробойника разрушается как хрупкий материал, а другая - как пластичный. Наиболее удаленная от места удара поверхность пробойника разрушается как хрупкий материал, а поверхность, непосредственно взаимодействующая с преградой, разрушается по механизмам пластической деформации (рис. 4). Вероятно, на границе перехода между зонами пластической и хрупкой деформации в пробойнике возникает вторичное отражение волн деформации. Этот процесс, как мы полагаем, влияет на траекторию фрагментов разрушения. Рис. 3. Разлет фрагментов неметаллического пробойника Рис. 4. Схема разрушения неметаллического хрупкого пробойника: Таким образом, выявлены особенности разрушения металлической преграды и неметаллического пробойника при высокоскоростном взаимодействии. Установлено, что после удара пробойником по всей протяженности металлической преграды распространяются упругие колебания. Неметаллический пробойник при столкновении с металлической преградой испытывает воздействие отраженной ударной волны в виде кинетической энергии преграды и диссипирует (рассеивает) ее, выдвинута гипотеза, что в результате часть пробойника нагревается и разрушается по механизму пластического разрушения, а другая - по механизму хрупкого разрушения. Полученные сведения об особенностях разрушения металлической преграды и неметаллического пробойника при высокоскоростном взаимодействии позволят найти оптимальные конструкционные решения защиты специальных изделий при их эксплуатации.

About the authors

A. M Ignatova

Perm National Research Polytechnic University

Email: iampstu@gmail.com

M. Sh Nikhamkin

Perm National Research Polytechnic University

Email: kaf-ad@cpl.pstu.ac.ru

L. V Voronov

Perm National Research Polytechnic University

Email: kaf-ad@cpl.pstu.ac.ru

M. N Ignatov

Perm National Research Polytechnic University

Email: iampstu@gmail.com

References

Statistics

Views

Abstract - 56

PDF (Russian) - 20

Refbacks

• There are currently no refbacks.