Средства демпфирования ударных нагрузок. Лекции Демпфирование и его характеристики
4. Защита конструкций с помощью амортизаторов и демпферов
Если рассматривать блок как жесткое недеформируемое тело, то при установке его на амортизаторы получается колебательная система, в общем случае имеющая шесть степеней свободы. Обычно рассматривается только одна степень свободы - в направлении, наиболее опасном с точки зрения внешних воздействий. Тогда резонансная частота щ 0 определяется формулой (1). Эта частота обычно является довольно низкой и не превышает 100 Гц. В этом случае весь диапазон частот внешних возмущений оказывается выше щ 0 . И только при условии
сказывается защитное действие амортизатора. Амплитуда колебаний блока уменьшается по сравнению с амплитудой колебаний точек крепления амортизаторов к источнику вибрации в k раз
То, что блок аппаратуры не является абсолютно жестким и сам деформируется при колебаниях на амортизаторах, практически мало влияет на защитные свойства амортизаторов и, кроме того, это влияние положительно, поскольку установка более мягкого блока на амортизаторы уменьшает резонансную частоту f 0 . С другой стороны, установка конструкции на амортизаторы изменяет резонансные частоты самой конструкции. Все резонансные частоты становятся несколько ниже. Стремление повысить эффективность применения амортизаторов привело к изобретению множества различных конструкций амортизаторов:
1. Амортизаторы с дополнительными пружинами (рис. 4). Дополнительные пружины имеют длину, меньшую чем у основной пружины, и вступают в действие при увеличении амплитуды колебаний. В результате получается нелинейная ступенчатая характеристика жесткости. Дополнительные пружины могут устанавливаться как рядом с основной, так и внутри её.
2. Амортизаторы с коническими пружинами, позволяющими плавно изменять жесткость с ростом растяжения и сжатия (рис. 5). У таких пружин наружные витки, которые имеют больший диаметр, имеют меньшую жёсткость. Поэтому при небольшом сжатии работают только эти большие витки. При увеличении сжатия большие витки касаются нижней жесткой поверхности и начинают сжиматься верхние витки меньшего диаметра и большей жесткости. Поскольку амортизатор имеет начальное сжатие под действие массы блока, то аналогичный процесс получается и при растяжении амортизатора, когда начинают растягиваться сначала витки меньшего диаметра, а затем большего. В результате при растяжении жесткость плавно уменьшается.
3. Проволочно-пружинные (сетчатые) амортизаторы (рис. 6), получающиеся прессованием упругого элемента из тонкой спирали. В качестве материала спирали используется тонкая проволока из легированной стали или бериллиевой бронзы. Трение проволоки при деформации упругого элемента создаёт большие потери энергии в упругом элементе. При больших деформациях, например при растяжении, отдельные спирали вытягиваются в одном направлении. При этом получается картина такая же, как и при деформации материалов с длинными волокнами, например резины. Поэтому материал упругого элемента сеточного амортизатора стали называть металлической резиной.
Основной недостаток металлической резины - непостоянство во времени её упругих свойств. Поэтому промышленностью выпускаются пружинно-сеточные амортизаторы (рис. 7), в которых роль упругого элемента выполняет пружина 1, а роль демпфера - металлическая резина 2.
4. Тросовые амортизаторы. Металлический трос, или канат, свитый из множества тонких жил, при растяжении и особенно при изгибе обладает свойствами упругого тела с большими потерями энергии на трение между отдельными жилами. Эти свойства изменяются в широких пределах в зависимости от материала жил, их диаметра, способа изготовления троса и способа использования его в качестве амортизатора. Поэтому возможно большое разнообразие конструкций и характеристик тросовых амортизаторов (рис. 8).
Заметим, что все амортизаторы, в которых используется трение металлических частей, обладают тем недостатком, что металлы истираются, образуя металлическую пыль. Поэтому приходится принимать меры предосторожности, чтобы эта пыль не попадала на электрические цепи.
5. При малой массе блоков стали применять амортизаторы с распределёнными параметрами. Такими амортизаторами и демпферами можно считать амортизационные прокладки, а также заливки и засыпки аппаратуры различными синтетическими материалами. Амортизационные прокладки применяют для защиты от ударов и вибраций как целых блоков (рис. 9), так и отдельных частей внутри блока (рис. 10).
К материалу амортизационных прокладок предъявляются высокие требования. Во-первых, материал должен обладать хорошими упругими свойствами, т.е. должен после снятия нагрузок полностью восстанавливать свою форму, и должен быть достаточно мягким и эластичным. Во-вторых, он должен обладать высокими потерями энергии на внутреннее трение. Эти потери зависят от внутреннего строения вещества чем сложнее макроскопическая структура, тем больше потери. В-третьих, материал должен обладать высокой износостойкостью. Особенно он должен хорошо противостоять истиранию.
В различных конструкциях применяются сотни различных материалов, но по-видимому, самыми надежными материалами являются поролоны, пенопласты и резина.
При создании различных амортизаторов конструкторы стремились обеспечить, во-первых, нелинейную характеристику упругости и, во-вторых, большие потери энергии на трение.
Нелинейность характеристики "сила - деформация" амортизатора оказывается полезной по трём причинам.
Во-первых, она позволяет уменьшать габариты амортизатора. Дело в том, что большой эффект защиты конструкции дают "мягкие" амортизаторы. Но чем меньше жесткость, тем больше ход амортизатора при действии тех же сил. Приходится в конструкции выделять значительное место для устройств защиты. Для избежания ударов приходится увеличивать габариты амортизатора. Установка дополнительных коротких пружин (см. рис. 4) или конической пружины (см. рис. 5) позволяет с ростом амплитуды колебаний включать дополнительные жесткости и тем ограничивать амплитуды колебаний, не допуская ударов об ограничители движения.
Во-вторых, движение блока на нелинейных амортизаторах более сложно - несиносуидально по времени. Такое периодическое сложное движение можно представить в виде суперпозиции нескольких гармонических составляющих. Таким образом, при замене линейного амортизатора нелинейным помимо основной низшей гармонической составляющей колебаний, частота которой равна частоте внешних воздействий, появляются более высокие гармоники. На возбуждение этих гармоник расходуется часть энергии, передаваемой через амортизаторы от источника вибрации. Значит, меньшая часть энергии остаётся на возбуждение колебаний низшей гармоники. Резонансные явления развиваются не так интенсивно, как при линейных амортизаторах. Возникающие при этом высокочастотные гармоники быстро затухают вследствие потерь энергии на трение в амортизаторах. Эта энергия потерь тем больше, чем выше частота.
В-третьих, если в этом диапазоне имеются резонансные частоты конструкции, то начинают развиваться резонансные колебания. В этом случае иногда говорят о переходе через резонанс. В действительности, резонанс просто не успевает полностью развиться, поскольку для этого теоретически требуется бесконечное время. Но и такой развивающийся резонанс может привести к отказам и сбоям аппаратуры.
Блок автоматизированного управления связью
Вторичный источник электропитания ВИП–24В–3,5А
Радиоэлектроника и вычислительная техника применяются практически во всех отраслях народного хозяйства для выполнения однотипных задач - сбора, обработки и выдачи информации...
Методы и средства защиты РЭС от ударных воздействий
Целью расчета является определение статических нагрузок на амортизаторы и выбор их типоразмеров. 1. Расчет начинают с нахождения положения центра масс блока. Для каждого функционального узла и крупных деталей, входящих в блок...
Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке Восточно-Сибирской железной дороги "Иркутск - Черемхово"
Защиту кабелей от ударов молнии осуществляют с помощью медных, биметаллических или стальных тросов. Тросы прокладывают выше кабеля на глубине, равной половине глубины его залегания, но не менее 0,4 м. Расстояние между тросами 0,4…1,2 м...
Дренажные катушки (ДК) предназначены для обеспечения одновременного срабатывания разрядников, включенных в провода телефонной цепи...
Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке железной дороги Боготол – Ачинск – Красноярск
Дренажные катушки (ДК) предназначены для обеспечения одновременного срабатывания разрядников, включенных в провода телефонной цепи...
Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке железной дороги Хабаровск – Розенгартовка
Защиту кабелей от ударов молнии осуществляют с помощью медных, биметаллических или стальных тросов. Тросы прокладывают выше кабеля на глубине, равной половине глубины его залегания, но не менее 0,4 м (альбом чертежей, лист 6)...
Дренажные катушки (ДК) предназначены для обеспечения одновременного срабатывания разрядников, включенных в провода телефонной цепи...
Проект кабельной линии АТ и С на участке железной дороги Филоново–Иловля
Защиту кабелей от ударов молнии осуществляют с помощью медных, биметаллических или стальных тросов. Тросы прокладывают выше кабеля на глубине, равной половине глубины его залегания, но не менее 0,4 м (альбом чертежей, лист 6)...
Дренажные катушки (ДК) предназначены для обеспечения одновременного срабатывания разрядников, включенных в провода телефонной цепи...
Проект кабельной линии АТ и С на участке железной дороги Хабаровск-Розенгартовка
Защиту кабелей от ударов молнии осуществляют с помощью медных, биметаллических или стальных тросов. Тросы прокладывают выше кабеля на глубине, равной половине глубины его залегания, но не менее 0,4 м (альбом чертежей, лист 6)...
Проектирование цифрового фильтра на основе сигнального процессора 1813ВЕ1
При расчете y(nT) с помощью алгоритма ОБПФ исходной последовательностью является Y(jk) - отсчеты выходного сигнала в частотной области.Y(jk) найдем из соотношения: Отсчеты X(jk) иH(jk) были определены выше. После вычислений имеем: Y(jk) = {4,3124; 2,5222-j3,4214; -0,9033-j0...
В механике ударом называют механическое воздействие материальных тел, приводящее к конечному изменению скоростей их точек за бесконечно малый промежуток времени. Ударное движение — движение, возникающее в результате однократного взаимодействия тела (среды) с рассматриваемой системой при условии, что наименьший период собственных колебаний системы или ее постоянная времени соизмеримы или больше времени взаимодействия.
При ударном взаимодействии в рассматриваемых точках определяют ударные ускорения, скорость или перемещение. В совокупности такие воздействия и реакции называют ударными процессами. Механические удары могут быть одиночными, многократными и комплексными. Одиночные и многократные ударные процессы могут воздействовать на аппарат в продольном, поперечном и любом промежуточном направлениях. Комплексные ударные нагрузки оказывают воздействие на объект в двух или трех взаимно перпендикулярных плоскостях одновременно. Ударные нагрузки на ЛА могут быть как непериодическими, так и периодическими. Возникновение ударных нагрузок связано с резким изменением ускорения, скорости или направления перемещения ЛА. Наиболее часто в реальных условиях встречается сложный одиночный ударный процесс, представляющий собой сочетание простого ударного импульса с наложенными колебаниями.
Основные характеристики ударного процесса:
- законы изменения во времени ударного ускорения a(t), скорости V(t) и перемещения X(t) \ длительность действия ударного ускорения т - интервал времени от момента появления до момента исчезновения ударного ускорения, удовлетворяющий условию, а> ап, где ап - пиковое ударное ускорение;
- длительность фронта ударного ускорения Тф - интервал времени от момента появления ударного ускорения до момента, соответствующего его пиковому значению;
- коэффициент наложенных колебаний ударного ускорения - отношение полной суммы абсолютных значений приращений между смежными и экстремальными значениями ударного ускорения к его удвоенному пиковому значению;
- импульс ударного ускорения - интеграл от ударного ускорения за время, равное длительности его действия.
По форме кривой функциональной зависимости параметров движения ударные процессы разделяют на простые и сложные. Простые процессы не содержат высокочастотных составляющих, и их характеристики аппроксимируются простыми аналитическими функциями. Наименование функции определяется формой кривой, аппроксимирующей зависимость ускорения от времени (полусинусоидальная, косанусоидальная, прямоугольная, треугольная, пилообразная, трапецеидальная и т.д.).
Механический удар характеризуется быстрым выделением энергия, в результате чего возникают местные упругие или пластические деформации, возбуждение волн напряжения и другие эффекты, приводящие иногда к нарушению функционирования и к разрушению конструкции ЛА. Ударная нагрузка, приложенная к ЛА, возбуждает в нем быстро затухающие собственные колебания. Значение перегрузки при ударе, характер и скорость распределения напряжений по конструкции ЛА определяются силой и продолжительностью удара, и характером изменения ускорения. Удар, воздействуя на ЛА, может вызвать его механическое разрушение. В зависимости от длительности, сложности ударного процесса и его максимального ускорения при испытаниях определяют степень жесткости элементов конструкции ЛА. Простой удар может вызвать разрушение вследствие возникновения сильных, хотя и кратковременных перенапряжений в материале. Сложный удар может привести к накоплению микродеформации усталостного характера. Так как конструкция ЛА обладает резонансными свойствами, то даже простой удар может вызвать колебательную реакцию в ее элементах, также сопровождающуюся усталостными явлениями.
Механические перегрузки вызывают деформацию и поломку деталей, ослабление соединений (сварных, резьбовых и заклепочных), отвинчивание винтов и гаек, перемещение механизмов и органов управления, в результате чего изменяется регулировка и настройка приборов и появляются другие неисправности.
Борьба с вредным действием механических перегрузок ведется различными путями: увеличением прочности конструкции, использованием деталей и элементов с повышенной механической прочностью, применением амортизаторов и специальной упаковки, рациональным размещением приборов. Меры защиты от вредного воздействия механических перегрузок делят на две группы:
- меры, направленные на обеспечение требуемой механической прочности и жесткости конструкции;
- меры, направленные на изоляцию элементов конструкции от механических воздействий.
В последнем случае применяют различные амортизирующие средства, изолирующие прокладки, компенсаторы и демпферы.
Общая задача испытаний ЛА на воздействие ударных нагрузок состоит в проверке способности ЛА и всех его элементов выполнять свои функции в процессе ударного воздействия и после него, т.е. сохранять свои технические параметры при ударном воздействии и после него в пределах, указанных в нормативно-технических документах.
Основные требования при ударных испытаниях в лабораторных условиях — максимальная приближенность результата испытательного удара на объект к эффекту реального удара в натурных условиях эксплуатации и воспроизводимость ударного воздействия.
При воспроизведении в лабораторных условиях режимов ударного нагружения накладывают ограничения на0форму импульса мгновенного ускорения как функции времени (рис. 2.50), а также на допустимые пределы отклонений формы импульса. Практически каждый ударный импульс на лабораторном стенде сопровождается пульсацией, являющейся следствием резонансных явлений в ударных установках и вспомогательном оборудовании. Так как спектр ударного импульса в основном является характеристикой разрушающего действия удара, то наложенная даже небольшая пульсация может сделать результаты измерений недостоверными.
Испытательные установки, имитирующие отдельные удары с последующими колебаниями, составляют специальный класс оборудования для механических испытаний. Ударные стенды можно классифицировать по различным признакам (рис. 2.5!):
I — по принципу формирования ударного импульса;
II — по характеру испытаний;
III — по виду воспроизводимого ударного нагружения;
IV — по принципу действия;
V — по источнику энергии.
В общем виде схема ударного стенда состоит из следующих элементов (рис. 2.52): испытуемого объекта, укрепленного на платформе или контейнере вместе с датчиком ударной перегрузки; средства разгона для сообщения объекту необходимой скорости; тормозного устройства; системы управления; регистрирующей аппаратуры для записей исследуемых параметров объекта и закона изменения ударной перегрузки; первичных преобразователей; вспомогательных приборов для регулировки режимов функционирования испытуемого объекта; источников питания, необходимых для работы испытуемого объекта и регистрирующей аппаратуры.
Простейшим стендом для ударных испытаний в лабораторных условиях является стенд, работающий по принципу сбрасывания закрепленного на каретке испытуемого объекта с некоторой высоты, т.е. использующий для разгона силы земного тяготения. При этом форма ударного импульса определяется материалом и формой соударяющихся поверхностей. На таких стендах можно обеспечить ускорение до 80000 м/с2. На рис. 2.53, а и б приведены принципиально возможные схемы таких стендов.
В первом варианте (рис. 2.53, а) специальный кулачок 3 с храповым зубом приводится во вращение мотором. По достижении кулачком максимальной высоты H стол 1 с объектом испытания 2 падает на тормозные устройства 4, которые и сообщают ему удар. Ударная перегрузка зависит от высоты падения Н, жесткости тормозящих элементов к, суммарной массы стола и объекта испытания M и определяется следующей зависимостью:
Варьируя эта величины, можно получить различные перегрузки. Во втором варианте (рис. 2.53, б) стенд работает по методу сбрасывания.
Испытательные стенды, использующие гидравлический либо пневматический привод для разгона каретки, практически не зависят от действия гравитации. На рис. 2.54 показаны два варианта ударных пневматических стендов.
Принцип работы стенда с пневмопушкой (рис. 2.54, а) заключается в следующем. В рабочую камеру / подается сжатый газ. При достижении заданного давления, которое контролируется манометром, срабатывает автомат 2 освобождения контейнера 3, где размещен испытуемый объект. При выходе из ствола 4 пневмопушки контейнер контактирует с устройством 5, которое позволяет измерять скорость движения контейнера. Пневмопушка через амортизаторы крепится к опорным стойкам б. Заданный закон торможения на амортизаторе 7 реализуется за счет изменения гидравлического сопротивления перетекающей жидкости 9 в зазоре между специально спрофилированной иглой 8 и отверстием в амортизаторе 7.
Конструктивная схема другого пневматического ударного стенда, (рис. 2.54, б) состоит из объекта испытаний 1, каретки 2, на которой установлен объект испытаний, прокладки 3 и тормозного устройства 4, клапанов 5, позволяющих создавать заданные перепады давления газа на поршне б, и системы подачи газа 7. Тормозное устройство включается сразу же после соударения каретки и прокладки, чтобы предотвратить обратный ход каретки и искажение форм ударного импульса. Управление такими стендами может быть автоматизировано. На них можно воспроизвести широкий диапазон ударных нагрузок.
В качестве разгонного устройства могут быть использованы резиновые амортизаторы, пружины, а также, в отдельных случаях, линейные асинхронные двигатели.
Возможности практически всех ударных стендов определяются конструкцией тормозных устройств:
1. Удар испытуемого объекта с жесткой плитой характеризуется торможением за счет возникновения упругих сил в зоне контакта. Такой способ торможения испытуемого объекта позволяет получать большие значения перегрузок с малым фронтом их нарастания (рис. 2.55, а).
2. Для получения перегрузок в широком диапазоне, от десятков до десятков тысяч единиц, с временем нарастания их от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд используют деформируемые элементы в виде пластины или прокладки, лежащей на жестком основании. Материалами этих прокладок могут быть сталь, латунь, медь, свинец, резина и т.д. (рис. 2.55, б).
3. Для обеспечения какого-либо конкретного (заданного) закона изменения п и т в небольшом диапазоне используют деформируемые элементы в виде наконечника (крешера), который устанавливается между плитой ударного стенда и испытуемым объектом (рис. 2.55, в).
4. Для воспроизведения удара с относительно большим путем торможения применяют тормозное устройство, состоящее из свинцовой, пластически деформируемой плиты, расположенной на жестком основании стенда, и внедряющегося в нее жесткого наконечника соответствующего профиля (рис. 2.55, г), закрепленного на объекте или платформе стенда. Такие тормозные устройства позволяют получать перегрузки в широком диапазоне n(t) с небольшим временем их нарастания, доходящим до десятков миллисекунд.
5. В качестве тормозного устройства может быть использован упругий элемент в виде рессоры (рис. 2.55, д), установленной на подвижной части ударного стенда. Такой вид торможения обеспечивает получение относительно малых перегрузок полусинусоидальной формы с продолжительностью, измеряемой миллисекундами.
6. Пробиваемая металлическая пластина, закрепленная по контуру в основании установки, в сочетании с жестким наконечником платформы или контейнера, обеспечивает получение относительно малых перегрузок (рис. 2.55, е).
7. Деформируемые элементы, установленные на подвижной платформе стенда (рис. 2.55, ж), в сочетании с жестким коническим уловителем обеспечивают получение длительно действующих перегрузок с временем нарастания до десятков миллисекунд.
8. Тормозное устройство с деформируемой шайбой (рис. 2.55, з) позволяет получать большие пути торможения объекта (до 200 — 300 мм) при малых деформациях шайбы.
9. Создание в лабораторных условиях интенсивных ударных импульсов с большими фронтами возможно при использовании пневматического тормозного устройства (рис. 2.55, ы). К числу достоинств пневмодемпфера следует отнести его многоразовое действие, а также возможность воспроизведения ударных импульсов различной формы, в том числе и со значительным заданным фронтом.
10. В практике проведения ударных испытаний широкое применение получило тормозное устройство в виде гидравлического амортизатора (см. рис. 2.54, а). При ударе испытуемого объекта об амортизатор его шток погружается в жидкость. Жидкость выталкивается через очко штока по закону, определяемому профилем регулирующей иглы. Изменяя профиль иглы, можно реализовать различный вид закона торможения. Профиль иглы можно получить расчетным путем, но при этом слишком трудно учесть, например, наличие воздуха в полости поршня, силы трения в уплотнительных устройствах и т.д. Поэтому расчетный профиль необходимо экспериментально корректировать. Таким образом, расчетно-экспериментальным методом можно получить профиль, необходимый для реализации любого закона торможения.
Проведение ударных испытаний в лабораторных условиях выдвигает и ряд специальных требований к монтажу объекта. Так, например, максимально допустимое перемещение в поперечном направлении не должно превышать 30% номинальной величины; как при испытаниях на ударную устойчивость, так и при испытаниях на ударную прочность изделие должно иметь возможность устанавливаться в трех взаимно перпендикулярных положениях с воспроизведением необходимого количества ударных импульсов. Разовые характеристики измерительного и регистрирующего оборудования должны быть идентичными в широком диапазоне частот, что гарантирует правильную регистрацию соотношений различных частотных составляющих измеряемого импульса.
Вследствие разнообразия передаточных функций различных механических систем один и тот же ударный спектр может быть вызван ударным импульсом различной формы. Это означает, что не существует однозначного соответствия некоторой временной функции ускорения и ударного спектра. Поэтому с технической точки зрения более правильно задавать технические условия на ударные испытания, содержащие требования к ударному спектру, а не к временной характеристике ускорения. В первую очередь это относится к механизму усталостного разрушения материалов вследствие накопления циклов нагружений, которые могут быть различными от испытаний к испытанию, хотя пиковые значения ускорения и напряжения будут оставаться постоянными.
При моделировании ударных процессов системы определяющих параметров целесообразно составлять по выявленным факторам, необходимых для достаточно полного определения искомой величины, которую иногда можно найти только экспериментальным путем.
Рассматривая удар массивного, свободно движущегося жесткого тела по деформируемому элементу относительно малого размера (например, по тормозному устройству стенда), закрепленному на жестком основании, требуется определить параметры ударного процесса и установить условия, при которых такие процессы будут подобными друг другу. В общем случае пространственного движения тела можно составить шесть уравнений, три из которых дает закон сохранения количества движения, два — законы сохранения массы и энергии, шестым является уравнение состояния. В указанные уравнения входят следующие величины: три компоненты скорости Vx Vy \ Vz> плотность р, Давление р и энтропия. Пренебрегая диссипативными силами и считая состояние деформируемого объема изоэнтропическим, можно исключить из числа определяющих параметров энтропию. Так как рассматривается только движение центра масс тела, то можно не включать в число определяющих параметров компоненты скоростей Vx, Vy; Vz и координаты точек Л", Y, Z внутри деформируемого объекта. Состояние деформируемого объема будет характеризоваться следующими определяющими параметрами:
- плотностью материала р;
- давлением р, которое целесообразней учитывать через величину максимальной местной деформации и Otmax, рассматривая ее как обобщенный параметр силовой характеристики в зоне контакта;
- начальной скоростью удара V0, которая направлена по нормали к поверхности, на которой установлен деформируемый элемент;
- текущим временем t;
- массой тела т;
- ускорением свободного падения g;
- модулем упругости материалов Е, так как напряженное состояние тела при ударе (за исключением зоны контакта) считается упругим;
- характерным геометрическим параметром тела (или деформируемого элемента) D.
В соответствии с тс-теоремой, из восьми параметров, среди которых три имеют независимые размерности, можно составить пять независимых безразмерных комплексов:
Безразмерные комплексы, составленные из определяемых параметров ударного процесса, будут некоторыми функциями независимы] безразмерных комплексов П1 — П5.
К числу определяемых параметров относятся:
- текущая местная деформация а;
- скорость тела V;
- контактная сила Р;
- напряжение внутри тела а.
Следовательно, можно записать функциональные соотношения:
Вид функций /1, /2, /э, /4 может быть установлен экспериментально, с учетом большого количества определяющих параметров.
Если при ударе в сечениях тела за пределами зоны контакта не появляются остаточные деформации, то деформация будет иметь местный характер, и, следовательно, комплекс Я5 = рУ^/Е можно исключить.
Комплекс Jl2 = Pttjjjax) ~ Cm называется коэффициентом относительной массы тела.
Коэффициент силы сопротивления пластическому деформированию Cp связан непосредственно с показателем силовой характеристики N (коэффициентом податливости материала, зависящим от формы соударяющихся тел) следующей зависимостью:
где р — приведенная плотность материалов в зоне контакта; Cm = т/(ра?) — приведенная относительная масса соударяющихся тел, характеризующая отношение их приведенной массы M к приведенной массе деформируемого объема в зоне контакта; xV — безразмерный параметр, характеризующий относительную работу деформирования.
Функцией Cp - /з(Я1(Яг, Я3, Я4) можно воспользоваться для определения перегрузок:
Если обеспечить равенство числовых значений безразмерных комплексов IJlt Я2, Я3, Я4 для двух ударных процессов, то эти условия, т.е.
будут представлять собой критерии подобия данных процессов.
При выполнении указанных условий одинаковыми будут и числовые значения функций /ь/г./з» Л» те- в сходственные моменты времени -V CtZoimax- const; ^r= const; Cp = const, что и позволяет определять параметры одного ударного процесса простым пересчетом параметров другого процесса. Необходимые и достаточные требования физического моделирования ударных процессов можно сформулировать следующим образом:
- Рабочие части модели и натурного объекта должны быть геометрически подобными.
- Безразмерные комплексы, составленные из определяющих пара, метров, должны удовлетворять условию (2.68). Вводя масштабные коэффициенты.
Необходимо иметь в виду, что при моделировании только параметров ударного процесса напряженные состояния тел (натуры и модели) будут обязательно различными.
Изобретение относится к области испытаний амортизаторов на ударные воздействия и может быть использовано при проектировании ударозащитных устройств из композиционных материалов. Целью изобретения является получение характеристик амортизаторов, показывающих эффективность их работы при ударных воздействиях (коэффициентов эффективности ударного гашения амортизаторов, связанных с конструкционным демпфированием, демпфированием в материалах, а также за счет различной акустической жесткости различных элементов амортизатора и т.д.) Испытания проводят на установке, добротность которой не менее чем на порядок выше добротности амортизатора. Искомый коэффициент равен произведению коэффициентов, связанных с различными физическими свойствами амортизатора. При этом замена демпфирующих вкладышей вкладышами из различных материалов с заранее известными демпфирующими свойствами позволяет в результате анализа ударных спектров, полученных при ударных испытаниях, определить каждый из коэффициентов. Технический эффект - повышение качества исследования процесса работы амортизаторов при ударных воздействиях. 6 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к области испытаний амортизаторов из композиционных материалов по определению их демпфирующих свойств при ударном воздействии. Использование в последнее время в системах защиты от виброударных нагрузок на судах, самолетах, космических аппаратах новых материалов (металлорезины, углепластиков и т.д.) требует достаточно точного определения эффективности каждого из элементов амортизатора. В настоящее время известны различные способы определения демпфирующих свойств амортизаторов. Например, при исследовании амортизаторов, работающих при достаточно медленно изменяющихся внешних воздействиях, используется метод оценки коэффициента поглощения по анализу петли гистерезиса (И.М.Бабаков "Теория колебаний", стр. 153-154, М.: Наука, 1968 г.). Однако при таких испытаниях рассматривается рассеяние энергии за полный цикл колебаний. Для защиты оборудования от ударных воздействий (часто взрывного характера) применяются амортизаторы, которые должны снижать в первую очередь амплитуду переднего фронта ударной волны деформаций. Снижение вторичной вибрации обычно не представляет большой проблемы. Наиболее пригодным в это случае является анализ амплитудно-частотных характеристик или суммарных значений воздействия до и после амортизатора. Например (А.Нашиф и др. Демпфирование колебаний, стр. 190, М.: Мир, 1988 г., прототип), метод построения амплитудно-частотной характеристики состоит в возбуждении в испытуемом образце колебаний, измерении возбуждающей силы, приложенной в заданной точке, определении динамической реакции с помощью акселерометров и датчиков деформаций, а затем сравнении амплитудно-частотной характеристики до и после амортизатора. Использование гармонического анализатора Фурье, а также аналогичных вычислительных методик, как правило, справедливо только для случая "последействия" (когда воздействие уже закончилось и исследуется вторичная вибрация). Кроме того, использование для испытаний установок, обладающих достаточно низкой добротностью, (например, вибростендов) приводит к завышению демпфирующих свойств амортизаторов. Описанный выше способ не позволяет также разделить рассеяние внешнего воздействия за счет различных физических свойств амортизаторов (конструкционное демпфирование, отражение от границ и т.д.). Целью данного технического решения является частичное устранение указанных выше недостатков, что позволит более качественно исследовать процесс работы амортизаторов при ударных воздействиях. Предлагаемое техническое решение отличается тем, что нагружение амортизатора производят на установке, добротность которой не менее чем на порядок больше добротности амортизатора, а испытания проводят последовательно, получая сначала зависимость между усилиями и деформациями в амортизаторе при ударном воздействии, затем определяют акустическую жесткость амортизатора при различных уровнях нагружения, после чего испытания проводят с вкладышами одного и того же конструктивного исполнения из различных материалов с заранее заданными демпфирующими свойствами, причем оценку эффективности гашения ударного воздействия производят сравнением ударных спектров ускорений в контрольных точках, при этом коэффициент эффективности гашения ударного воздействия представляют в виде произведения коэффициентов, каждый из которых определяют по анализу ударных спектров ускорений испытаний упомянутых ранее вкладышей. Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан амортизатор из металлорезины 7ВШ60/15, на фиг. 2 показаны зависимость между усилиями и деформациями p- (петля гистерезиса), модуль Юнга (как тангенс угла ) и скорость звука в материале, на фиг. 3 показана схема экспериментальной установки, на фиг. 4-6 показаны сумммарный коэффициент эффективности гашения ударного воздействия, коэффициент, получаемый за счет конструкционного демпфирования, и коэффициент, полученный за счет рассеяния в металлорезине. Рассмотрим в качестве примера амортизатор из металлорезины (фиг. 1) и попытаемся по предложенному алгоритму оценить демпфирующие свойства амортизатора. При подходе волны деформации к амортизатору происходит как ее отражение за счет различных ударных жесткостей, так и рассеяние в материале (металлорезине амортизатора) и за счет конструкционного демпфирования самого амортизатора (степень затяжки, зазоры и т.д.). Пусть - суммарный коэффициент эффективности гашения ударного воздействия. i = 1i 2i 3i ,
Где 1i - коэффициент, связанный с конструкционным демпфированием;
2i - коэффициент, связанный со значениями акустической жесткости;
3i - коэффициент, вязанный с рассеянием в материале. Очевидно, что для используемых материалов 3i = 1 (кроме металлорезины, так как размеры вкладышей малы, а рассеяние в материале начинает сказываться только при L>1 м, да и то составляя 1-2% на 1 м. О.Д.Алимов и др. Удар, распространение волн деформаций в ударных системах. М.: Наука, 1982). Сам коэффициент эффективности гашения по ударному спектру понимается как амплитудно-частотная характеристика отношения ударных спектров ускорений ВИП до и после амортизатора:
1 = A B1i /A B2i . Коэффициент
Показывает эффективность различных вкладышей, так как 1i = const (один и тот же амортизатор), а для всех вкладышей, кроме металлорезины, 3i = 1, то
Ij = ( 1i 2i 3i)/( 1j 2j 3j) = 2i 3i / 2j . Рассмотрим материал, акустическая жесткость которого равна акустической жесткости металлорезины, тогда
То есть получим коэффициент гашения ударной волны, характеризующий свойства металлорезины. Как известно (Л.Г.Шайморданов. Статистическая механика деформируемых волокнистых нетканых пористых тел. Красноярск, 1989), металлорезина является материалом с ярко выраженными нелинейными характеристиками. Кроме того, демпфирующие свойства материала могут зависеть от скорости (при ударных и взрывных воздействиях) и вида нагружения. Вместе с тем, петля гистерезиса (ее предельная правая ветвь) для амортизатора из металлорезины в области предельных деформаций не зависит от скорости нагружения. Таким образом, зная зависимость P- (петлю гистерезиса) и величину ударного воздействия (в виде импульса силы), можно получить для любого момента времени модуль Юнга и, следовательно, скорость звука (фиг. 2). Подбирая различные величины воздействий и значения акустических жесткостей, можно получить коэффициенты эффективности гашения ударного воздействия в зависимости от силы внешнего воздействия. Очевидно, что при таких испытаниях рассеяние внешнего воздействия должно быть минимальным. Известна формула, связывающая добротность Q и логарифмический декремент колебаний : Q = 3,141.../, а = lnA1/A2, где A1 и A2 - амплитуды двух соседних колебаний. Откуда видно, что уже при увеличении добротности на порядок (80-100, для обычных конструкций примерно 8-10) рассеянием энергии в экспериментальной установке можно пренебречь. Использование понятия ударного спектра ускорений для оценки эффективности работы амортизаторов при ударных воздействиях позволяет корректно проводить анализ работы амортизаторов как в момент приложения нагрузки, так и после окончания ее действия (О.П.Дояр "Алгоритм расчета ударного спектра" в сб. Динамика систем. Численные методы исследования динамических систем. Нистру: Кишенев, 1982, стр. 124-128). Пример практической реализации предложенного метода. По предложенной методике были определены коэффициенты гашения для амортизатора 7ВШ60/15, используемого в поясе защиты от виброударных воздействий одного из космических аппаратов разработки НПО ПМ (фиг. 1). Схема испытательной установки показана на фиг.3, где 1 - волноводы, 2 - амортизатор 3 - акселерометры ABC-052. Было проведено 15 подрывов болтов. Импульс силы для болта был получен ранее. Динамические деформации амортизатора регистрировались с помощью метода скоростной фоторегистрации. Зависимость плотности материала (металлорезины) от усилия принималась по паспортным данным амортизатора. Для замены использовались вкладыши из стали, бронзы, алюминия, текстолита, фторопласта. В качестве источника ударного воздействия применялся разрывной болт 8х54. При замене металлорезинового вкладыша вкладышем из стали (материал корпуса и крепежных элементов) сразу можно получить коэффициент, связанный с конструкционным демпфированием, т.к. остальные эффекты рассеяния исключаются. На фиг. 4, 5 показаны графики суммарного коэффициента гашения ударного воздействия и коэффициента гашения, связанного с конструкционным демпфированием, а на фиг. 6 показан коэффициент, полученный за счет рассеяния удара в металлорезине. Уровень ударного воздействия составлял 6 кН. Диапазон измерений по амплитуде до 6000g, а по частоте до 10000 Гц. Суммарная погрешность измерений и обработки не превышала 9-11%.