Способ определения усилия внедрения бойка Советский патент 1983 года по МПК G01L5/00 

2 о Спосо(5 поп,1 отличающийся тем, что в качестве стержневой части бойка используют металлический стержень с внешними продольными пазами о

3. Способ по п. 1 , о т л и ч а и и с я тем, что в качестве стержневой части бойка используют набор

параллельных металлических стержней, помеченных в кожух и соединенных между соЬой материалом с низкой акус тической жесткостью.

4 Способ по п., 3, о т л и ч а ющ и и с я тем, что в качестве материала с низкой акустической жесткостью используют парафин.

Изо(5ретение относится к измерительной технике, в частности к способам определения усилия внедрения бойка в преграду, и может найти применение при динамических, испытаниях конструкционных материалов. Известен способ определения усилия внедрения бойка, заключающийся в том, что боек, прикрепленный к массивному контейнеру, соударяют с неподвижной преградой в виде плиты (например, сбрасывают контейнерс бойком на плиту) и с помощью закрепленного на контейнере высокочастотного . пьезоэлектрического датчика регистРИР.УЮТ ускорение контейнера. По полученной экспериментальной кривой измеяения ускорения во времени рассчитывают усилие внедрения бойка в преграду l. Недостатком этого способа является низкая точность, обусловленная тем, что усилие рассчитывают по ускорению движущегося тела, принимая его абсолютно жестким, Тое. считая, что .ускорение всех точек бойка и контейнера одинаковое Однако при внедрении с высокой скоростью распределение по телу ускорений отличается от однородного и является результатом распространения в теле волн нагрузки, их отражения от свободной поверхности и взаимодействия между собой. Поэтому регистрация ускорения одной из точек дви У1Чегося тела позволяет рассчитывать усилие ударного внедрения с погрешностью, возрастающей с ростом неоднородности распределения, ускорений; имеюи1ей место при повышении скорости внедрения. Вследствие этого при скоростях нагружения более 10 м/с способ неприемлем. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения усилия внедрения бойка, заключающийся в том, что боек, содержащий наконечник и стержневую tl часть, соударяют .в испытательной установке с преградойJрегистрируют параметр, по которому рассчитывают усилие внедрения. При этом боек разгоняют в стволе установки до скоростей 1001000 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- ленйя усилия внедрения 2 . . Однако регистрируемая кривая может быть получена толькодля начального периода внедрения, а точность определения сопротивления материала внедрению бойка составляет 15-20. Причем достижение такой точности возможно только при относительно длинном участке кривой путь - время. Известный способ также не учитывает волновой характер нагружения бойка (ускорение торца бойка принимается за ускорение всех точек движущегося тела), что вносит 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 преградой и регистрируют параметр, по которому рассчитывают усилие внедрения, подвижно установленному в испытатель ной установке бойку ударяют преградой путем сообщения последней заданной скорости разгона, а в качестве параметра, по которому рассчитывают усилие внедрения, измеряют упругую д формацию .поверхности стержневой части бойка, размеры которой выбирают из следую1.цих условий: :.,o.HHvF-b длина; максимальный расчетный поперечный размер;. плсмцадь поперечного сечения; tn - длительность испытания; FI площадь поперечного сечения наконечника бойка на границе со стержневой частью; Е,Ь - модули упругости материала соответственно стержневой части и наконечника бойка; р,р1- плотности материала соответственно стержневой части и н конечника бойка С - скорость звука в материале стержневой части. В качестве стержневой части бойка используют металлический стержень с внешними продольными пазами. В качестве стержневой части бойка используют набор параллельных металлических стержней, помещенных в кожух и соединенных между собой материалом с низкой акустической жесткос тью,. . В качестве материала с низкой акустической жесткостью используют, парафин. На фиг, 1 приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - схема калибровки измерительной цепи устройства; на фиг. 3 - схема бойка со стержневойчастью, вып9лненной в виде набора па раллельных металлических стержней; на фиг. k - разрез А-А на фиг. 3; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 6 - схема бойка со стержневой частью, выполненной с внешними продольными пазами; на фиг. 7 - разре В-В на фиг. 6о Ствол 1 устройства служит для с6общения заданной скорости VQ подвижной преграде 2. На конце ствола креплен фланец 3 к которому на шпил ках 4 прикреплен опорный диск 5. На диске 5 закреплен неподвижный боек 6 с наконечником 7 и стержневой частью О, выполненный, например, как едимое целое из термообработанной легированной стали. Размеры стержневой части 8 бойка 6 выбирают из указанных условий, при этом в качестве максимального расчетного поперечного раз- мера D цилиндрической стержневой части бойка используют ее диаметр с} , На боковой поверхности стержневой части 8 ()ойка 6 на расстоянии 1,5-2 ее диаметра от наконечника 7 наклеены тензорезисторы y(Ri) типа 1ЖБ-5-100. Тензорезисторы 9 являются одним из плеч моста 10 постоянного тока, соединенного с осциллографом 11. В состав моста 10 постоянного тока входит калибровочное сопротивление 12 (R2) f подключения которого параллельно тензорезисторам 9 имеется кнопка 13 с контактами k и 15 Контакт 15 кнопки 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 измерительной цепи в динамическом режиме. .Для этого нажимают кнопку 13, при ера ()атывании которой замыкаются контакты 1 и 15, причем контакт 1 замыкается через заданный промежуток времени после срабать1вания контакта 15. При этом запускается развертка осциллографа 11, а параллельно тензорезисторам 9 включается калибровочное сопротивление 12. В результате создается разбаланс моста 10 постоянного, тока, и образующийся вследствие этого на выходе моста постоянного тока электрический сигнал подается на осциллограф ,11. Калибровочную осциллограмму фотографируют, после чего осциллограф снова включают в ждущий режим. : . Далее подвижную преграду 2, выполненную, например, в виде стакана, разгоняют по-стволу 1 баллистической установки до скорости, обеспечивающей заданную силу удара, и ударяют ею по неподвижному бойку 6. В результате соударения преграды 2 с наконечником 7 последний нагружается импульсом, который проходит в стержневую часть 8, вызывая ее упругую деформацию, регистрируемую с помощью тензорезисторов 9 Изменеуие сопротивления тензорезисторов 9 под действием импульса нагру ки вызывает разбаланс моста 10 посто янного тока, а образующийся при этом электрический сигнал поступает на вхрд осциллографа 11, с трубки которого фотографируется э.кспериментальная осциллограмма. Затем проводят обработку калибровочной и экспериментальной осциллограмм. Вначале рассчитывают величину изменения сопротивления л Jeнзoрезисторов 9, вызванного параллельным подключением к ним калибровочного сопротивления 12, изсоотношения ЙЧ-Р do известному соотношению ,, &RI R7ir где К - коэффиц Гент тензочувствитель ности тензорезисторов, указанный зав дом-изготовителем, определяют величи ну относительной деформации €. упруг гой стержневой части 8 бойка 6, coot ветствующую изменению сопротивления ,uR,. Затем на экспериментальной осциллограмме определяют в миллиметрах ее ординату ур, соответствующую усилию внедрения р в определенный момен времени, а на калибровочной осциллограмме - ее ординату Y, соответствуюи ую относительной деформации |, после чего из пропбрции . ЛрЕр определяют относительную деформацию Чр . упругой стержневой Чк части 8 бойка 6, соответствующую уси лию внедрения,р в определенный момент времени. По известному соотношению Р « , определяют усилие, действуЮщее в стержневой части 8 бойка 6, равное усилию внедрения бойка в преграду 2. Полученное значение усилия используют для расчетов на прочность конструкций, подверженных;, ударному нагружению. Использование предлагаемого спо соба с применением бойка 6, наконечник 7 которого выполнен за одно цело со стержневой частью 8 сплошного поперечного сечения, будет эффективным при соблюдении всех трех .указанных условий выбора размеров стержневой части бойка. Так,при длительности ис-. пытания, т.е. промежутке времени, в течение которого регистрируют, усилие внедрения (5ойка, t .0 мкс и площади попе{)ечного сечения, наконечника На границе со стержневой частью бойка f 78,5 мм диаметр d стержневой части 8 бойка 6 из условий (2) и (З) равен 10 мм, В случае необходимое ти исследовать при той же длительности испытания боек-с большей пло11:|адью поперечного сечения наконечника, например с Ff 1256 мм , диаметр стержневой части 8 бойка 6, равный по условию (ЗУ мм, не удовлетворяет условию (2 (в раза превышает допустимыйразмер di Ю мм). . Выполнение условия (.2) обеспечивает частоту поперечных колебаний стержневой части 8, возникаюи их при внедрении бойка 6 в подвижную преграду 2, при которой возможно их усреднение и, следовательно, точная регистрация деформации р (усреднение возможно, когда период этих поперечных колебаний на порядок меньше длительности испытания i,) . Когда для стержневой части 8 сплошного поперечного сечения бойка 6 одновременное выполнение условий {2} и ((З) не представляется возможным (например, при заданных ty 20 мкс и F 1256 мм) предлагается вариант конструкциибойка 6 (фиг. З), стержневую часть 8 которого изготавливают из набора тонких параллельных металлических стержней 17, соединенных между собой для предотвращения потери продольной устойчивости материалом 18 с низкой акустической жесткостью,, например парафином, и помещенных в кожух 19. В этом случае тензорезисторами, наклеенными только на одном из стержней 17, регистрируют упругую деформацию этого стержня, диаметр d которого является максимальным расчетным поперечным I размеромD в условии (2) ( d.2- мм), а общая площадь поперечного сечения всех тонких мetaлличecкиx стержней 17 удовлетворяет условию (З)). Усилие- , внедрения бойка 6 равно произведению усилия, действующего в одном тонком металлическом стержне 17 на их количество в .наборе, образующем стержневую часть 8. Особенностью этого варианта конструкции бойка 6 является наличие в наконечнике 7, прикрепленном, например.

путем приклеивания к стержневой части 8, продольных внешних пазов 20, обеспечивающих на границе наконечник - стержневая часть в соответствии с условием (3) согласование пло- 5 щадей поперечных сечений наконечника 7 ( Р и набора тонких металличесKVix стержней 17(F) . Такая конструкция бойка обеспечивает точное определение усилия при его внедрении в по- О движнуо преграду .2,

При другом варианте конструкции бойка 6, обеспечиващем в силу одновременного выполнения условий (2) и (З) точность регистрации расчетного 15 параметра при больших площадях поперечного сечения наконечника F,j в месте его соединения, например, с помощью склеивания со стержневой частью и малых длительностях испытаниями 20 (например, при тех же 1256 мм и ii4 - 20 мкс), в качестве стержневой части 8 используют металличес- : кий стержень с внешними продольными пазами 21 6, 7У. При этом в ка-25 честве максимального расчетного поперечного размера 1) стержневой части 8 используют наибольший размер из d-jjjh или Ъ , который для указанных условий испытания не должен превы- jo шать 10 мм.

Как и при варианте, показанном на фиг. 3, наконечник 7, бойка 6 выполг-; . ней с продольными пазами 20, обеспечивающими в соответствии с условием 3) согласование плои(ади его поперечного сечения Г с площадью поперечного сечения F стержневой части В на границе с последней. При изготовлении из одногй материала . наконечник 7 и стержневая часть 8 могут быть выполнены как единое целое.

Во всех трех вариантах конструкции бойка (фиг. 1, 3 и 6)) длину стержневой части выбирают из условий (1).

Такая длина в течение длительности иcпытaния -tu обеспечивает регистрацию экспериментальной осциллограммы без ее искажения наложением про-, дольной волны нагрузки, отраженной т закрепленного на опорном диске 5 50 конца стержневой части .8 бойка 6, поскольку время пробега продольной упругой волны удвоенной длины стержневой части бойка превышает длительность испытания iy ,55

Выполнение условия .(З) обеспечиват прохождение образующегося при содарении неподвижного бойка б-с подвижной преградой 2 импульса нагрузки из наконечника 7 в стержневую часть 8 без его отражения на границе наконечник - стержневая часть. Такое отражение привело бы к тому, что при переходе импульса нагрузки из наконечника в стержневую часть этот импульс разделился бы на отраженную вблну и волну, про1иед1иую в стержневую часть, вследствие чего зарегистрированная деформация стержневой части не соответствовала бы действительному/ усилию внедрения бойка.

В случае, если элементы бойка выполнены из одного материала, то площади поперечных сечений наконечника F|M стержневой части Г на границе их раздела равны. Если же наконечник 7 и стержневая часть 8 бойка 6 выполнены из материалов с разными значениями плотности р, р и модуля упругости, Е , например, наконечник изготовлен из вольфрама (р, Л,2 Е 19,3lt) kr/MMj , а стержневая . часть - из стали ( р Е 2,1 Ю кг/мм) , то площади их поперечных сечений на границе раздела. в соответствии с условием (3) будут разнымио Так, в случае выполнения бойка из вольфрама и стали при заданной площади поперечного сечения наконечника Г 1256 мм площадь поперечного сечения стержневой части F должна быть равна 279 мм .

При предварительной калибровке измерительной цепи устройства в динамическом режиме величину, калибровочно-/ го сопротивления 12 выбирают такой, чтобы вызываемый им разбаланс моста 10 постоянного тока был примерно равен разбалансу ov, упругого деформирования 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 бойка 6.

Преимуществом предлагаемого способа является высокая точность оп0еде- ; ения усил{ я внедрения бойка благодая регистрации упругой деформации тержневой части бойка, которая неосредственно связана с величиной силия внедрения. Такая точность обес ечивается учетом волновых процессов бойке, что позволяет избежать доолнительных погрешностей, которые еизбежно возникают при обработке

регистрируемого параметра, косвеннсу связанного с усилием внедрения.

Учет волновых процессов основан на использовании бойков с подобранными конструкцией и размерами стержневой части Так, выбор длины стержневой части бойка по условию 1) обеспечивает устранение искажащего влияния продольной упругой волны нагрузки, отраженной от конца стержневой части, соединенной с опорным диском, на регистрируемую экспериментальную осциллограмму Выбор максимального расчетного поперечного размера стержневой части бойка по условию (2| ,. обеспечивает возможность усреднения поперечных колебаний на регистрируемой экспериментальной осциллограмме. Вы(5ор пло1чади поперечного сечения стержневой част.и бойка в зависимоети от заданной плосцади поперечного

л

Г

сечения наконечника по условию (3) обеспечивает устранение искажений, связанных с отражением импульса-нагрузки на границе наконечник - стержневая часть.

Кроме того, использование операции предварительной калибровки измерительной цепи устройства в динами ческом режиме сводит до минимума погрешности, обусловленные колебаниями напряжения питания моста постоянного тока и чувствительности осциллографа, что повышает точность обработки сигнала, полученного с тензорезисторов.

В результате общая погрешность определения усилия внедрения бойка по предлагаемому способу в любой момент времени испытания не превышает 5, что в несколько раз точнее, чем при использовании способа-прототипа.

е

Г

1Г

z

/

м I

I

U.

U

«.J

/1-А

&ff

Фиг.

2Q 7 N

ф1/г.д

lA

/

mi/i.ff.