Исследование эффекта суммирования ударных волн

Введение

Правильность принятых при проектировании конструктивных решений можно оценить только по результатам соответствующих испытаний. Следует отметить, что проведение натурных (полигонных) контрольных испытаний, соответствующих техническому заданию (ТЗ), сопряжено с большими затратами времени и материальных ресурсов. Поэтому высока роль испытаний в искусственно создаваемых (лабораторных, стендовых) условиях, т.е. помещения объекта в среду, которая, во-первых, должна быть в максимально возможной степени приближена к реальным условиям эксплуатации и, во-вторых, быть способной адекватно воспроизводить эти условия. Однако обеспечить эту адекватность, как правило, не удается, в связи с чем велика роль расчетно-экспериментальных методов прогнозирования (диагностики) работоспособности объекта, в том числе с привлечением методов физического и математического моделирования.
Обоснование условий и методики испытаний – сложная научно-техническая задача [1- 9]. Основные трудности, связанные с организацией испытаний на механические воздействия, обусловлены рядом причин:
1) отсутствие достоверных сведений о параметрах и характеристиках реальных механических воздействий порождает неопределенность при выборе способа их воспроизведения;
2) отличие реальных параметров от фигурирующих в ТЗ, что приводит к тому, что результаты испытаний в условиях, указанных в ТЗ, не всегда гарантируют работоспособность изделия в реальных условиях;
3) наличие достоверной исходной информации воспроизвести весь комплекс реальных механических воздействий зачастую не удается из-за ограниченных технических характеристик испытательного оборудования;
4) сложность построения адекватных математических моделей воздействия и объекта испытаний, что затрудняет решение задачи ее идентификации и прогнозирования (диагностики).
Теоретической основой ударных испытаний является положение о том, что между заданными параметрами ударных нагрузок и условиями их воспроизведения в лабораторных условиях (т.е. характеристиками испытательного оборудования – стендов) существует достаточно жесткая функциональная взаимосвязь. Только указав эту взаимосвязь, можно обоснованно подойти к назначению условий проведения эксперимента.
Исходя из сказанного, анализ стендов  ударных процессов является актуальной задачей.
В работе рассматриваются вопросы, связанные с воспроизведением воздействий в виде ударных процессов, поскольку именно с ними связаны наибольшие трудности при стендовом воспроизведении, что часто требует разработки специализированного оборудования [7 - 12].


1 Особенности воздействия ударной нагрузки

1.1 Воздействие ударной нагрузки

В механике абсолютно твердого тела удар рассматривается как некоторый скачкообразный процесс, продолжительность которого бесконечно мала [13].
Механический удар – это кратковременное механическое воздействие твердых тел при их столкновении между собой и сопутствующие этому процессу явления.
Во время удара в точке соприкосновения соударяющихся тел возникают большие, но мгновенно действующие силы, приводящие к конечному изменению количества движения. В реальных системах всегда действуют конечные силы в течение конечного интервала времени, и соударение двух тел связано с их деформацией вблизи точки соприкосновения и распространением волны сжатия внутри этих тел.
Продолжительность удара зависит от многих физических факторов:
- упругих свойств материалов соударяющихся тел;
- формы и размеров тел;
- относительной скорости сближения и др.
Изменение ускорения во времени принято считать импульсом ударного ускорения или ударным импульсом, а закон изменения ускорения во времени – формой ударного импульса. К основным параметрам ударного импульса относят пиковое ударное ускорение (перегрузку), длительность действия ударного ускорения и форму ударного импульса [14].
Под реакцией изделия на воздействие ударного импульса понимают его отклик на это воздействие. Результат воздействия удара (реакция изделия) зависит от его динамических свойств – массы, жесткости и частоты собственных колебаний. Различают несколько видов реакции изделия на удар:
- баллистический (квазиамортизационный);
- квазирезонансный;
- статический (квазистатический).
При ударном соприкосновении в рассматриваемых точках определяют ударные ускорения, скорость либо перемещение. В совокупности такие воздействия и реакции именуют ударными процессами. Механические удары могут быть одиночными, неоднократными и всеохватывающими. Одиночные и неоднократные ударные процессы могут повлиять на тело в продольном, поперечном и любом промежуточном направлениях. Всеохватывающие ударные нагрузки оказывают воздействие на объект в 2-ух либо 3-х взаимно перпендикулярных плоскостях сразу [15 – 17]

.
Механический удар характеризуется сильным выделением энергии, вследствие чего появляются местные упругие либо пластические деформации, возбуждение волн напряжения и другие эффекты, приводящие время от времени к нарушению функционирования и к разрушению конструкции тела. Ударная нагрузка, приложенная к телу, возбуждает в нем быстро затухающие собственные колебания. Значение перегрузки при ударе, скорость рассредоточения напряжений по конструкции тела определяются силой и длительностью удара.
Удар, воздействуя на тело, может вызвать его механическое разрушение. Обычный удар может вызвать разрушение вследствие появления сильных, хотя и краткосрочных перенапряжений в материале. Непростой удар может привести к скоплению микродеформаций усталостного нрава [14].


1.2 Классификация ударных стендов

Средства испытаний изделий на ударные нагрузки очень разнообразны по назначению, виду воспроизводимого ударного нагружения, принципу действия, способу получения требуемой скорости соударения или разгона, конструктивному исполнению, способу крепления испытываемого изделия. Они различаются также грузоподъемностью (массой и габаритами испытываемых изделий) и характеристиками воспроизводимого ударного импульса (максимальным ускорением, длительностью и формой импульса). Чаще всего ударные испытания проводят на  специальных ударных стендах, однако в некоторых случаях ударное нагружение воспроизводят на вибростендах.
В общем случае в состав ударного стенда входят: ударная установка, системы управления и питания, контрольно-измерительная аппаратура, а также вспомогательные принадлежности и приспособления.
В зависимости от характера испытаний ударные стенды разделяют на четыре основные группы.
1. Ударные стенды, как средство проведения испытаний на прочность, при которых точное воспроизведение уровней ударных нагрузок и длительности их воздействия, характерных для реальных условий эксплуатации, не требуется.
2. Ударные стенды, как средство воспроизведения заданных законов изменения ударных сил или ускорений.
3. Ударные стенды, как средство проведения модельных испытаний с последующим использованием результатов для оценки параметров законов изменения сил и ускорений, действующих на натурные изделия в реальных условиях эксплуатации.
4. Ударные стенды, как средство определения в лабораторных условиях частотных характеристик изделий методом ударного возбуждения.
По виду воспроизводимого ударного нагружения различают:
- стенды для воспроизведения одиночных ударных импульсов;
- стенды для воспроизведения многократных ударных нагрузок;
- стенды для воспроизведения сложных видов ударного нагружения;
- стенды для воспроизведения специфических условий соударения.
Основным элементом ударного стенда является ударная установка. В зависимости от принципа создания ударного нагружения на испытываемое изделие ударные установки, а, следовательно, и ударные стенды в целом разделяют на два основных вида: установки, действие которых основано на принципе торможения, и установки, действие которых основано на принципе разгона.
В ударных установках, действие которых основано на принципе торможения, ударное нагружение создается при соударении подвижной и неподвижной частей. При этом подвижная часть предварительно разгоняется до требуемой скорости соударения, а затем соударяется через тормозное устройство с неподвижной частью. Ударное нагружение формируется при взаимодействии соударяющихся частей с тормозным устройством. Передний фронт ударного импульса создается при торможении подвижной части ударной установки за счет деформирования тормозного устройства. Задний фронт ударного импульса формируется за счет восстанавливающих свойств тормозного устройства.
В установках, действие которых основано на принципе разгона, ударное нагружение создается за счет импульсного приложения нагрузки по заданному закону к подвижной ударной платформе. При этом платформа с изделием до начала работы стенда остается неподвижной. Ударное нагружение формируется при передаче платформе аккумулированной в стенде энергии по требуемому закону. К концу ударного воздействия платформа приобретает скорость, которая затем гасится демпфирующим устройством.
Основное преимущество указанного метода состоит в том, что путь разгона при формировании переднего фронта ударного воздействия в большинстве случаев меньше, чем путь торможения. Однако, несмотря на это преимущество, наибольшее распространение в практике ударных испытаний получили установки, действие которых основано на принципе торможения