Диссертация (1144175), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

Динамические испытания материалов3.2.1. Основные положения экспериментальной методикиПри исследовании динамических свойств исследуемых материаловприменялся метод Кольского в рамках реализации разрезного стержняГопкинсона (РСГ).Математическая модель РСГ представляет собой систему из трех стержней:двух бесконечно прочных и бесконечно длинных тонких стержней и "мягкого",очень короткого стержня–вставки (образца) между ними (рис. 3.1).Предпосылки и допущения метода Кольского следующие:ввиду очень малой длины образца по сравнению с длиной нагружающегоимпульса в образце в течение испытания реализуется одноосное напряженноесостояние с равномерным распределением напряжений и деформаций по егодлине (основная предпосылка метода).

Таким образом, несмотря на высокиескорости деформации образца, испытание может рассматриваться какквазистатическое. Кроме того, предел упругости мерных стержней долженбыть значительно выше предела текучести образца; при распространении волн вмерных стержнях отсутствует дисперсия; распределение профиля деформации впределах поперечного сечения стержня равномерное; поперечные колебаниячастиц стержня отсутствуют.В одном из стержней 2 с помощью ударника 1 возбуждается одномернаяупругая волна сжатия I(t), которая распространяется по стержням со скоростьюС.

Картина распространения волн в РСГ представлена на рис. 2.6 в видеЛагранжевой x~t диаграммы. При достижении образца 4 эта волна ввидуразницы площадей их поперечных сечений, а также акустических жесткостей Сматериалов стержня и образца расщепляется: часть ее отражается обратноволной R(t), а часть проходит через образец во второй стержень 5 волной T(t).Образец при этом претерпевает упругопластическую деформацию, в то времякак стержни деформируются упруго. Амплитуды и формы волн R(t) и T(t)определяются соотношением акустических жесткостей материалов стержней и86образца, а также реакцией материала образца на приложенную динамическуюнагрузку. Регистрируя тензодатчиками 3 и 6 эти упругие волны, удается поформулам, предложенным впервые Кольским, определить процессы измененияво времени напряжения, деформации и скорости деформации в образце.Рис.

3.1. Схема метода КольскогоПри выводе основных соотношений метода РСГ предполагается, чтонапряженно-деформированное состояние образца близко к однородному, ипроцессупругопластическогодеформированияобразцаподобенквазистатическому, но протекающему с высокими скоростями деформации. Изэтого условия на основании импульсов деформации, зарегистрированных встержнях, выводятся простые параметрические зависимости для определениянапряжения, деформации и скорости деформации в образце.При выводе формул все импульсы в стержнях условно считаютсясжимающими, т.е.

вектор их массовой скорости совпадает с направлениемраспространения волны и им условно присвоен знак плюс. Однако отраженныйимпульс обычно имеет полярность противоположную падающему, поэтому вформулы его следует подставлять со своим знаком.Из одномерной теории распространения упругих волн в полубесконечныхстержнях известно, что напряжение и деформация в волне связаны с массовойскоростью dU/dt простыми соотношениями [74]:871 dU;C dt R (t ) откуда смещение U(t) частиц в волнеtU (t )  C   I (t )  dt .0Схема нагружения образца импульсами сжатия в системе РСГ представлена нарис. 3.2.Рис.

3.2. Схема нагружения образцаНа основании последней формулы можно записать перемещения торцовстержней 1 и 2, примыкающих к образцу. Перемещение левого торца U 1 (t )складывается из перемещения U 1I (t ) , вызванного распространением импульсаI(t), и перемещения U1R (t ) , вызванного распространением импульса R(t):tttU 1 (t )  C   (t )  dt (C )   (t )  dt C   I (t )   R (t )  dtIR000Перемещение правого торца U 2 (t ) вызвано распространением импульса T(t):tU 2 (t )  C   T (t )  dt0Средняя относительная деформация образца длиной L0 будет равна: s (t ) U 2 (t )  U 1 (t )L0или, если выразить ее через импульсы в стержнях:C s (t ) L0 t0I(t )   R (t )   T (t )  dt .(3.1)88Отсюда скорость деформации образца:s (t ) C  I (t )   R (t )   T (t ) .L0(3.2)Для нахождения напряжения в образце следует рассмотреть усилия наторцах образца.

Средняя сила с учётом усилия на левом торце Р1(t) и Р2(t) направом равна P P1 (t )  P2 (t ), отсюда2 s (t ) среднее значение напряжения в образце:PEA I (t )   R (t )   T (t ) .0As 2 AS(3.3)Здесь AS0 представляет собой исходную площадь сечения образца. С достаточнойточностью можно считать, что силы на торцах образца равны. Отсюда следует,что I (t )   R (t )   T (t ) .(3.4)Подставив это выражение в (3.1), (3.2) и (3.3), получим более простые выражениядля вычислений напряжения, деформации и скорости деформации в образце,которые наиболее часто используются на практике:EA T (t ) ,AS0 s (t ) t s (t )  2C R (t )  dt ,L0 0s (t )  2C R  (t )L0(3.5)Переписав равенство (3.4) в виде  R (t )   T (t )   I (t ) и подставив в (3.5), получимеще один набор формул для подсчета напряжения и деформации образца [75]:tC s (t )  1 (t )  dt ,L0 0s (t ) C  1 (t ) ,L0 s (t ) EA 2 (t ) .2 AS0(3.6)89Таким образом, имеется возможность подсчета напряжений и деформацийв образце с использованием любых двух или всех трех импульсов в стержнях(всего 9 наборов формул).

При наличии всех трех импульсов можно, сравниваядиаграммы деформирования, полученные по разным наборам формул, оценитьточность выполнения основной предпосылки методики Кольского (3.4).Из полученных параметрических зависимостей s(t), s(t) и S (t ) какпараметр исключается время.Строится диаграмма деформирования s ~ sконкретного образца с известной зависимостью S ~  S .

Эта зависимостьиспользуется для контроля изменения скорости деформации в процесседеформирования или для оценки влияния истории изменения скоростидеформации на получаемую диаграмму образца при нагружении импульсомсложной формы. Кроме этого, зависимость  S ~  S может использоваться длядальнейшего построения динамической диаграммы материала S ~ S приS (t )  const , а с привлечением специального математического аппарата ивслучае, когда скорость деформации в процессе проведения испытаний неявляется постоянной.В ходе испытания с помощью тензодатчиков на мерных стержняхрегистрируется нагружающий импульс напряжения. Его форма, амплитуда идлительность задаются выбором длины, материала и скорости ударника.Контроль этого импульса позволяет оценить идентичность условий нагруженияиспытуемого образца и выявить влияние на поведение материала параметровнагружения.

И, наконец, регистрируемый отраженный и прошедший импульсынапряжения позволяют построить динамическую диаграмму нагружения.3.2.2. Экспериментальная установкаДля динамических испытаний металлов применялась экспериментальнаяустановка (рис. 3.3), реализующаяся метод РСГ [75], которая включает в себяпневматическое нагружающее устройство (газовая пушка калибром 20 мм) с90системой управления, комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры исменные комплекты разрезных стержней Гопкинсона диаметром 20 мм дляпроизводства испытаний при различных типах напряженно-деформированногосостояния.Рис.

3.3. Схема экспериментальной установки при испытании на растяжениеДля производства выстрела сжатый воздух нагнетается компрессором вкамеру пушки по магистралям с вентилями. Давление воздуха контролируетсяманометром.Последостижениятребуемогодавлениясрабатываетэлектромагнитный пневмоклапан и подает сжатый воздух в спусковую камерупушки. Это вызывает открытие затвора пушки и разгон ударника.Схема испытаний на растяжение и картина распространения волн в системеРСГ представлена на рис.

3.4. Система состоит из двух мерных стержней –нагружающего и опорного, оснащенных тензодатчиками. Между стержнямирасположен образец с резьбовыми головками и разрезное кольцо-вставка междуторцами стержней. При этом нагружающий стержень должен быть, по крайнеймере, в два раза длиннее опорного стержня, а последний имеет свободный заднийторец. При испытаниях продольный импульс сжатия за счет удара бойкаприлагается к левому концу первого мерного стержня и возбуждает в немупругую одномерную волну сжатия 11(t). Этот исходный импульс свободно91проходит через разрезное кольцо, и образец, не вызывая пластическойдеформации последнего (основная часть волны распространяется через кольцо,имеющее высокий предел текучести), во второй стержень волной 12(t) и,достигнув свободного торца этого стержня, отражается волной растяжения. Сэтого момента начинается основной цикл нагружения образца растягивающейнагрузкой, т.е.

этот растягивающий импульс является исходной падающейволной εI(t) для цикла растяжения образца. Импульс растяжения, достигнувобразца, частично проходит через него в первый стержень волной εT(t) ичастично отражается назад во второй стержень волной εR(t). Образец при этомпретерпевает пластическую деформацию, а кольцо не испытывает растяжения,так как оно не скреплено со стержнями.Рис. 3.4. Картина распространения волн в системе РСГ при испытаниях на растяжениеДля испытания прочных материалов используются стержни, изготовленныеиз высокопрочной стали с пределом текучести ~1,8 ГПа.

В случае испытаниймалопрочных и низкомодульных материалов применяются стержни изалюминиевого сплава Д16Т. Стержни закрепляются и центрируются втекстолитовыхподшипникахскольжения,позволяющихспомощью92регулировочных элементов производить юстировку их взаимного положения дляобеспечения соосности стержней между собой и с летящим ударником.Комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры включает приборыдля измерения параметров нагружения, аппаратуру регистрации параметровдеформирования и систему синхронизации запуска регистрирующих устройств(рис.3.3). Из параметров нагружения измеряется только скорость ударника.

Характеристики

Список файлов диссертации