Способ определения усилия внедрения бойка

(46) 07.09.83. Бюл. Йф 33 (72) Г.В. Степанов и А.П. Ващенко (71) Институт проблем прочности АН Украинской ССР(56) 1 ь Батуев Г.С. и др. Инженер, ные методы исследования ударных процессов. И., "Машиностроение", 1969 с. 8-10, 54"55, 123-126, 131, 134.2. Некоторые проблемы прочности твердого тела. Сборник. И., Изд-во АН СССР, 1959; с. 207-221 (прототип) (54)(57) 1. СНОС 0 Б ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛИ ВНЕДРЕНИЯ БОЙКА, заключающийся в том что боек, состоящий иэ наконечника и стержневой части, соударяют в испы тательной установке с преградой и ре гистрируют параметр, по которому рас считывают усиюе внедрения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения путем чета волновых процессов в бойке, по неподвижно установленному в испытател йои установке бойку ударяют преградо ечения границ АРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СВИДЕТ БРЕТЕНИЯТВУ путем сообщения последней заданной скорости разгона, а в качестве параметра, по которому рассчитывают усилие внедрения, измеряют упругую дефор мацию поверхности стержневой части бойка, размеры которой выбирают иэ следующих условии; С-ОвЕ 4Св Ер где Ь - длина;0 - максимальный расчетный поперечный размер;Г - площадь поперечного сечения; Я 1 " длительность испытания; Р, - площадь поперечного с наконечника бойка на е со стержневой частью; ЕЕ- модули упругости материала соответственно стержневой час ти и наконечника бойка;,- плотности материала соответственно стержневой части и наконечника бойка; ь- , 8 - скорость звука в материале Ж стержневой части.Р102. Способ по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в качестве стержневой части бойка используют металлический стержень с внешними продольными пазами.3. Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве стержневой части бойка используют набор 53параллельных металлических стержнейпомещенных в кожух и соединенных меж.ду со 6 ой материалом с низкой акустической жесткостью.ф. Способ по и. 3, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в качестве материала с низкой акустической жесткостью используют парафин.40 1Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам определения усилия внедрения Ьойка в преграду, и может найти применение при динамических, испытаниях 5 конструкционных материалов.Известен способ определения усилия внедрения бойка, заключающийся в том, что боек, прикрепленный к массивному контейнеру, соударяют с непо О движной преградой в виде плиты ( например, сбрасывают контейнер с бойком наплиту) и с помощью закрепленного на контейнере высокочастотного . пьезоэлектрического датчика регист рируют ускорение контейнера. По полученной экспериментальной кривой изменения ускорения во времени рассчитывают усилие внедрения бойка в преграду 11., 20Недостатком этого способа являет" ся низкая точность, оЬусловленная тем, что усилие рассчитцвают по уско. рению движущегося тела, принимая его абсолютно жестким, т.е. считая, что 25 .ускорение всех точек бойка и контейнера одинаково. Однако при внедрении с высокой скоростью распределение по телу ускорений отличается от однородного и является результатом распрост- ЗО ранения в теле волн нагрузки, их отражения от свободной поверхности и взаимодействия между собой, Поэтому регистрация ускорения одной из точек движущегося тела позволяет рассчиты 35 вать усилие ударного внедрения с по-грешностью, возрастающей с ростом неоднородности распределвния ускорений имеющей место при повышении скорости внедрения. вследствие этого при скоростях нагружения более 10 мыс способ неприемлем.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является спо 2соЬ определения усилия внедрения бой" ка, заключающийся в том, что боек, содержащий наконечник и стержневую, часть, соударяют в испытательной установке с преградои.,регистрируют пара" метр, оо которому рассчитывают усилие внедрения, При этом боек разгоняют в стволе установки до скоростей 100- 1000 м/с, внедряют в неподвижную преграду и с помощью фоторегистрации получают диаграмму перемещения во времени торца стержневой части бойка. По этой диаграмме в результате двухкратного графического дифференцирования определяют ускорение бойка, являющееся расчетным параметром для опреде-ления усилия внедрения 2).Однако рвгистрируемая кривая может быть получена только для начального периода внедрения, а точность опреде-., ления сопротивления материала внедре" . нию бойка составляет 15-20. Причем достижение такой точности возможно только при относительно длинном участке кривой путь - время. Известный спосоЬ также не учитывает волновой характер нагружения Ьойка 1 ускорение торца бойка принимается за ускорение всех точек движущегося тела), что вно" сит дополнительную погрешность при определении усилия внедрения, Таким образом, недостаток известного способа обусловлен низкой точностью определения расчетного параметра.Цель изобретения - повышение точности определения усилия внедрения бойка путем учета волновых процессов в бойке.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения усилия внедрения бойка, заключающемуся в том, что боек, содержащий наконечник и стержневую часть, соударяют в испытательной установке с преградой3 10 МЦ и регистрируют параметр, по которому рассчитывают усилие внедрения, понеподвижно установленному в испытательной установке бойку ударяют прегра" дой путем сообщения последней заданной скорости разгона, а в качестве параметра, по. которому рассчитываЮт усилие внедрения, измеряют упругую де. Формацию, поверхности стержневой части Ьойка, размеры которой выбирают 1 О из следующих условий: где- длина;5О - максимальный расчетный поперечный размер;.г - площадь поперечного сечения;п - длительность испытания,- площадь поперечного сечения"наконечника бойка на грани"- це со стержневой частью;Е, - модули упругости материаласоответственно стержневойчасти и наконечника бойка;.:.,Р- плотности материала соответ-.фственно стержневой части и на.конечника бойкаС - скорость звука в материалестержневой части, 30В качестве стержневой части бойкаиспользуют металлический стержень свнешними продольными пазами.В качестве стержневой части бойкаиспользуют набор параллельных металлических стержней, помещенных в ко.жух и соединенных между собой мате-,риалом с низкой акустической жесткостью,В качестве материала с низкой 4 Оакустической жесткостью используют,параФин.На Фиг. 1 приведена схема устройства для осуществления предлагаемого:способа;.на Фиг. 2 - схема калибров-.ки измерительной цепи устройства; наФиг. 3 - схема бойка со стержневой ,частью, выплненной в виде набора гФ.раллельных металлических стержней;.на Фиг,- разрез А-А на Фиг; 3;.наФиг, 5 - разрез Б-Б на Фиг, 3; на50Фиг. 6 - схема бойка со стержневой.,частью, выполненной с внешними про;.дольными пазами; на Фиг. 7 - разрезВ=В на Фиг. 6.Ствол 1 устройства служит для сообщения заданной скорости Чо подвиж"ной преграде 2. На конце ствола 1. закреплен Фланец 3, к которому на шпйль 53 4ках Е прикреплен опорный диск 5, На диске 5 закреплен неподвижный боек 6 с наконечником 7 и стержневой частью 8, выполненный, например, как еди ф ное целое из термообра 6 отанной леги- рованной стали. Размеры стержневой части 8 бойка 6 выбирают из указанных условий, при этом в качестве максимального расчетного поперечного размера 2 цилиндрической стержневой части бойка используют ее диаметр 31. На боковой поверхности стержневой части 8 бойка 6 на расстоянии 1,5-2 ее диаметра от наконечника 7 наклеены тензореэисторы 9 ( Й) типа ИКБ-100. Тензорезисторы 9 являются одним иэ плеч моста 1 О постоянного тока, соеди ненного с осциллограФом 11. В .состав моста 10 постоянного тока входит ка- лиЬровочное сопротивление 12 ( К), для подключения которого параллельно тен" эорезисторам 9 имеется кнопка 13 с контактами 11 и 15, Контакт 15 кноп" ки служит для запуска от прибора 16 развертки осциллограФа -11, работающего в ждущем режиме,Способ осуществляют следующим образом,Непосредственно перед испытанием ( за 1-2 с) проводят калибровку изме" рительной цепи в динамическом режиме. Для этого нажимают кнопку 13, при сра батывании которой замыкаются контак" ты 14 и 15, причем контакт 1 М замыкается через заданный промежуток времени после срабатывания контакта 15. При этом запускается развертка осциллограФа 11, а параллельно тензорезисторам 9 включается калибровочное сопротивление 12. В результате создается разбаланс моста 10 постоян" ноготока, и образующийся вследствие этого на выходе моста постоянного тока электрический сигнал подается на осциллограФ,11, Калибровочную осциллограмму ФотограФируют, после чего ос" циллограФ снова включают в ждущий режим. Далее подвижную преграду 2, выпол" ненную, например, в виде стакана, раз. гоняют по"стволу 1 баллистической установки до скорости, обеспечивающей заданную силу удара, и ударяют ею по неподвижному Ьойку 6. В результате со ударения преграды 2 с наконечником 7 последний нагружается импульсом, ко" торый проходит в стержневую часть 8, вызывая ее упругую деФормацию, регистР5 1040 рируемую с помощью тензорезисторов 9. Изменение сопротивления тензорезис" торов 9 под действием импульса нагруз; ки вызывает разбаланс моста 10 постоянного тока, а образующийся при этом электрический сигнал поступает на вход осциллографа 11, с трубки кото" . рого Фотографируется эксперименталь ная осциллограмма.Затем проводят обработку калибро вочной и экспериментальной осцилло" грамм. Вначале Рассчитывают величину изменения сопротивления,дтензорезисторов 9, вызванного параллельным подключением к ним калибровочно-. 15 го сопротивления 12, изсоотношения ."л 12Ь" 1 л о +оИо известному соотношениюь 1 л20Е,г. -Кгде К - коэффицьЬнт тензочувствительности тензорезисторов, указанный эаво дом"изготовителем, определяют величи". ну относительной деформации :Л упруг,25 гой стержневой части 8 бойка 6, соот- ветствукщую изменению сопротивления ДЦ 1, .Затем на экспериментальной осцил" лограмме определяют в миллиметрах 30 ее ординату 1 р, соответствующую усилию внедРения р в определенный момент времени, а на калибровочной осциллограмме - ее ординату УК, соответствующую относительной деформации Г, после чего из пропорции1 к-кЧр:ропределяют относительную деформацию1 рЯ =Ек УПРУгой стеРжневой 40кчасти 8 бойка 6, соответствующую уси"лию внедрения,р в определенный мо"мент времени.По известному соотношению РЯЕЕ определяют усилие, действу- ющее в стержневой части 8 бойка 6,равное усилию внедрения бойка в преграду 2. Полученное значение усилияспольэуют для Расчетов на прочность 50конструкций, подверженных; ударному нагружению.Использование предлагаемого спо"соба с применением бойка 6, наконечник 7 которого выполнен за одно целоесо стержневой частью 8 сплошного поперечного сечения, будет эффективным при соблюдении всех трех, указанных условий выбора размеров стержневой 353 бчасти бойка. Так,при длительности испытания, т.е, промежутке времени,. втечение которого регистрируют. усилиевнедрения бойка, Фп = 20 мкс и площади поперечного сечения, наконечникана границе со стержневой частью бойка Г 1 = 78,5 мм диаметр д 1 стержне"2вой части 8 бойка 6 из условий (2) и(3) равен 10 мм. В случае необходимос. "ти исследовать при той же длительности испытания боек с большей пло 61 адьюпоперечного сечения наконечника, например с РЛ = 1256 мм, диаметр стержневой части 8 бойка 6, равный по условию (31 40 мм, не удовлетворяет ус"ловию (2 1 (в 4 раза превышает допус"тимыйразмер 3 1 = 10 мм)Выполнение условия 2) обеспечиваетчастоту поперечных колебаний стержне,вой части 8, возникающих при внедре"нии бойка 6 в подвижную преграду 2,при которой возможно их усреднение и,следовательно, точная регистрация деФормации(усреднение возможно, ког.да период этих поперечных колебанийна порядок меньше длительности испы"тания1)Когда для стержневой части 8 сплош"ного поперечного сечения бойка 6 одновременное выполнение условий (2)и.(Я не представляется возможным ( на"пример, при заданных 1 ц = 20 мкс иР л = 1256 мм) предлагается вариантконструкции бойка 6 (Фиг. 3), стерж"невую часть 8 которого изготавливаютиэ набора тонких параллельных металлических стержней 17 соединенныхмежду собой для предотвращения поте"ри продольной устойчивости материа.лом 18 с низкой акустической жест: костью, например парафином, и помещен.ных в кожух 19.В этом случае тенэорезисторами, на-,клеенными только на одном из стержней 17, регистрируют упругую деформациюэтого стержня, диаметр Д которого явля-ется максимальным расчетным поперечным 1размеромЗ в условии 21 ( Д 210 мм),а общая площадь поперечного сечения Рвсех тонких металлических стержней 17удовлетворяет условию (3. Усилие фвнедрения бойка 6 равно произведениюусилия, действующего в одном тонкомметаллическом стержне 17, на их количество в .наборе, образующем стержневую часть 8,ФОсобенностью этого варианта конструкции бойка 6 является наличие в наконечнике 7, прикрепгенном, например,путем приклеивания к стержневой части 8, продольных внешних пазов 20,обеспечивающих на границе наконечник " стержневая часть в соответствии с условием ( 3) согласование пло" 5щадей поперечных сечений наконечни"ка 7 РД и. набора тонких металлическ)х стержней 17 1,Г) . Такая конструкция бойка обеспечивает точное опреде.ление усилия при его внедрении в по" 10движную преграду .2При другом варианте конструкциибойка 6, обеспечивающем в силу одно"временного выполнения условий 2) и(3) точность регистрации расчетного 15параметра при больших площадях поперечного сечения наконечника Рв мес . те его соединения, например, с помо"щью склеивания со стержневой частьюи малых длительностях испытания Фц 20например, при тех же Р " 1256 мм 2и ,ц =. 20 мкс), в качестве стержне"вой части 8 используют металлический стержень с внешними продольнымипазами 21 фиг. 6, 7. Ири этом в ка-.25честве максимального расцетного поперечного размера 2 стержневой час"ти 8 используют наибольший размер из . дй или Ь , который для указанныхусловий испытания не должен превы- ЗОшать 10 мм.Как и при варианте, показанном нафиг. 3, наконечник 7, бойка. 6 выпол.",:,нен с продольными пазами 20, обеспе"цивающими в соответствии с услови-.ем 3) согласование площади его по 35перечного сечения Г с площадью по"перечного сечения Р стержневой час-.ти 8 на границе с последней. Ириизготовлении из одного материаланаконечник 7 и стержневая часть 8 мо 40гут быть выполнены как единое целое.Во всех трех вариантах конструкциибойка Фиг. 1, 3 и 6 длину стержневой части выбирают из условий (1) .Такая длина в течение длительности 45испытания ц обеспечивает регистрацию экспериментальной осциллограм"иы Ьез ее искажения наложением про-.дольной волны нагрузки, отраженнойот закрепленного на опорном диске 5 50конца стержневой цасти 8 бойка 6,поскольку время пробега продольнойупругой волны удвоенной длины стержневой части бойка превышает длительность испытания 1 ц .: 55.Выполнение условия ( 3) обеспечива"ет прохождение образующегося при соударении неподвижного бойка 6"с по" двйжной преградой 2 импульса нагруэки из наконечника 7 в стержневуючасть 8 беэ его отражения на границенаконечник - стержневая часть. Такоеотражение привело бы к тому, что припереходе импульса нагрузки из наконечника в стержневую часть этот импульс разделился бы на отраженнуюволну и волну, прошедшую в стержневуючасть, вследствие чего зарегистрированная деформация стержневой части несоответствовала бы действительномуусилию внедрения бойка. В случае, если элементы бойка вы" полнены иэ одного материала, то площади поперечных сечений наконецника1 и стержневой части Р на границе ихраздела равны. Если же наконечник 7 и стержневая часть 8 бойка 6 выполнены из материалов с разными значениями плотности,и модуля упругос ти , Е , например, наконечник иэго", товлен из вольфрама ,= 4,2 г/см 5, Е( .= 19,3 104 кг/мм) , а стержневая часть - из стали ( О. = 7 8 г/см; Е = 2,1 1 .кг/мм ), то площади их поперечных сечений на границе раздела. в соответствии с условием (,3) будут разными. Так, в случае выполнения бойка из вольфрама и стали при заданной площади поперечного сечения наконечника Г = 1256 мм площадь поперечно" го сечения стержневой части Г должна Ьыть равна 2794 мм .Ири предварительной калибровке из" мерительной цепи устройства в динамицеском режиме величину калибровочно-; го сопротивления 12 выбирают такой, чтобы вызываемый им разбаланс мос" та 10 постоянного тока Ьыл примерно равен разбалансу о упругого дефор" мирования стержневой части 8 бойка 6. Такой предварительный подбор калибровочного сопротивления 12 обеспечивает более точное сопоставление экс" периментальной и калибровочной осциллограмм, необходимое,для расчета усилия внедрения Ьойка 6.Преимуществом предлагаемого способа является высокая точность определения усилря внедрения бойка благодаря регистрации упругой деформациистержневой части бойка, которая не"посредственно связана с величиной .усилия внедрения. Такая точность обеспечивается учетом волновых процессовв бойке, что позволяет избежать до"полнительных погрешностей, которыенеизбежно возникают при обработке10403регистрируемого .параметра, косвеннср связанного с усилием внедрения.Учет волновых процессов основан на использовании бойков с подобранными конструкцией и размерами стврж невой части. Так, выбор длины стержневой части бойка по условию (1) обеспечивает устранвние искажающего влияния продольной упругой волны нагрузки, отраженной от конца стержневой 10 части, соединенной с опорным диском, на регистрируемую экспериментальную осциллограмму. Выбор максимального расчетного поперечного размера стержневой части Ьойка по условию (2 ,. 15 обеспечивает возможность усреднения поперечных колебаний на регистрируемой экспериментальной осциллограмме.Выбор площади поперечного сечения стержневой части бойка в зависимос ти от заданной площади поперечного 53 10сечения наконечника по условию3)оЬеспечивает устранение искажений,связанных с отражением импульса-нагрузки на границе наконечник - стержневая часть.Кроме того, использование операции предварительной калибровки измерительной цепи устройства в динамическом режиме сводит до минимумапогрешности, обусловленные колебани.вми напряжения питания моста. постоянного тока и чувствительности осциллографа, что повышает точностьобработки сигнала, полученного с тензорезисторов,В результате общая погреиность.определения усилия внедрения Ьойкапо предлагаемому способу в любой момент времени испытания не превышает54, что в несколько раз точнее, чемпри использовании способа-прототипа.Подписнос 1 4 ВНИИПИ Заказ 69 7( 5 ТиражФФ илиал ППП "Патент", г. Ужгород,1040353 4 Риг. К Р 7 ектная, 4Ф