СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ НА УДАРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ДВУХФАЗНЫХ СРЕД И СТЕНД ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК G01M7/00 

Изобретение относится к испытательной технике и касается способов и устройств для испытания конструкций на ударное воздействие двухфазных сред, включающих газ и твердые частицы.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей путем воздействия на конструкцию ударной волны и твердых частиц.

На фиг.1 показан стенд для испытания конструкций на ударное воздействие двухфазных сред; на фиг.2 стакан; на фиг.3 вариант исполнения сменной юбки; на фиг.4 разрез А-А на фиг.1; на фиг.5 расчетная схема стенда.

Предлагаемый стенд содержит генератор высоконапорного газа, включающий камеру 1 с выходным отверстием 2, окаймленным стыковочным фланцем 3. В камере установлены электронагреватель 4 и обратный клапан 5, через который осуществляется заполнение полости А камеры газом, например воздухом, азотом. К фланцу выходного отверстия камеры герметично пристыковывается свободным торцом прямолинейная цилиндрическая труба 6 с внутренним диаметром d_Б, имеющая на противоположном свободном конце упоры 7.

Стенд также снабжен насадком, выполненным в виде цилиндрической обечайки 8 (внутренний диаметр d_к обечайки превышает наружный диаметр трубы), незаглушенной с одного торца и имеющей дно 9 с центральным круговым отверстием. Диаметр отверстия в дне не меньше наружного диаметра d_Б.н трубы. Насадок через отверстие в дне соосно с трубой устанавливается на свободном ее конце (со стороны упоров). При этом дно с наружной поверхностью трубы образует герметичное и жесткое соединение.

В стенке трубы в месте установки насадки выполнены сквозные перепускные отверстия 10, суммарная площадь которых F_ε (1,0-1,1)F_Б, где F_Б π d_Б²/4 площадь проходного сечения трубы диаметром d_Б. При этом отверстия расположены на уровне внутренней поверхности дна насадка. Через отверстия внутренняя полость Б трубы сообщается с внутренней полостью В обечайки насадка. При этом F_В (1-1,05) F_Б, где F_Б= (d2к

-d2б_.н)
Стенд также снабжен стаканом 11 с боковыми стенками, глухим дном 12 и цилиндрической сменной юбкой 13, установленной соосно со стаканом, обращенной в противоположную сторону относительно стенок стакана и скрепленной с ним, например, по резьбе. Сменные юбки отличаются одна от другой длиной цилиндрической образующей, конфигурацией свободного торца или обеими этими характеристиками. Стакан с юбкой подвижно установлены в трубе. Причем дно стакана обращено к камере и может совпадать с плоскостью стыковки трубы с камерой.

Благодаря уплотнениям поток газа между боковыми стенками стакана, юбки и стенкой трубы исключен. Во внутренней полости стакана на дне со стороны упоров трубы посредством легкоразрушаемого материала (например, посредством целлюлозы) закреплены твердые частицы 14, предназначенные для механического ударного нагружения конструкции 15, закрепленной на основании 16 стенда. Высота h стакана не превышает размера Н от упоров до отверстий h (0,5-0,6)Н. Суммарная длина юбки и стакана h₄ + h (0,55-1,2)Н. Юбка максимальной длины полностью перекрывает своими стенками пояс перепускных отверстий в стенке трубы. Толщина h₁ стенок стакана не менее высоты h₂ упоров. В стенках стакана установлены штифты 17, подпружиненные упругим элементом 18. Ось штифта установлена от торца стенок на расстоянии h₃ (0,6-0,7)˙h. В трубе на расстоянии h₃ от внутренней поверхности упоров выполнены сквозные пазы 19, размеры в осевом направлении которых превышают диаметры штифтов примерно в 1,5-2 раза, а в окружном направлении в 10-15 раз.

Стенд также снабжен обоймой, выполненной из наружного 20 и внутреннего 21 профилированных колец. Причем кольца концентрически установлены друг в друге профилированными поверхностями навстречу друг другу с образованием газового тракта кольцевого сопла. При этом кольца жестко соединены между собой радиальными стержнями 22. Внешний диаметр наружного профилированного кольца равен внутреннему диаметру d₃ обечайки насадки, а внутренний диаметр внутреннего кольца равен наружному диаметру d_Б.н трубы. Обойма установлена на наружной поверхности концевой части трубы и жестко герметично скреплена с ней и обечайкой насадка.

Для формирования ударной волны газовый тракт кольцевого сопла заглушен диафрагмой 23, изготовленной, например, из ацетата целлюлозы или из целлофана.

В стенке трубы у камеры выполнено отверстие 24, в котором герметично установлен толкатель 25. Причем центр отверстия 24 лежит на образующей поверхности трубы, являющейся осью паза.

В полости А камеры установлен датчик 26 давления, электрически связанный с исполнительным механизмом 27, который механически связан с толкателем, а также установлен датчик 28 температуры.

Упоры могут быть выполнены, например, в виде кольца, скрепляемого с трубой разъемными соединениями (резьбовыми).

Для установки стакана в начале трубы и в стенке трубы в одной плоскости с отверстием 24 выполнено дополнительное отверстие для установки щупа. Соответственно в стакане в плоскости, пеpпендикулярной оси стакана, в которой установлен штифт, выполнена кольцевая проточка 29 шириной, равной диаметру штифта. Во время работы стенда дополнительное отверстие в стенке трубы герметично закрыто пробкой 30.

В стенке обечайки насадка напротив паза, выполненного в стенке трубы, просверлено отверстие, герметично закрытое пробкой 31 и имеющее диаметр, равный длине паза.

Подготовка стенда к работе.

На дне стакана с помощью, например, целлюлозы закрепляют частицы 14, предназначенные для ударного нагружения испытуемой конструкции 15.

К стакану пристыковывают сменную юбку 13. При снятых упорах 7 и вывернутой пробке 30 стакан помещают в трубу 6 и перемещают его с помощью технологической штанги в сторону камеры 1 до тех пор, пока поверхность юбки 3 окажется напротив дополнительного отверстия в стенке трубы под пробку 30. Далее в это отверстие вставляют щуп до упора его в стенку юбки. Стакан перемещают дальше до попадания щупа в кольцевую проточку 29. С этого момента с помощью технологической штанги стакан начинают вращать вокруг своей продольной оси до момента попадания штифта 17 в отверстие 24. После этого дополнительное отверстие закрывается пробкой 30. Далее устанавливаются упоры 7 и пробка 31.

Через обратный клапан 5 от источника газа полость А камеры 1 (объем W_A) заполняют газом (например воздухом) до давления Р_нач.

После заполнения полости А камеры 1 газом с параметрами Р_нач и Т_нач. включается электронагреватель 4, в результате чего повышается температура и давление в полости А до величин Т_ОА и Р_ОА.

Режим работы стенда.

После расширения высоконапорного газа и фиксации стакана на штифтах 17 в конце трубы 6 в зависимости от длины юбки 13, формы ее свободного торца (количество открытых перепускных отверстий 10 зависит от формы свободного торца юбки и ее длины), наличия или отсутствия диафрагмы 23, а также в зависимости от расстояний, проходимых ударной волной и частицами 14 могут быть реализованы разные режимы работы стенда, а соответственно и различные режимы нагружения испытываемой конструкции.

Нагружение конструкции ударной волны совместно с летящими твердыми частицами с различной очередностью воздействия указанных факторов (сначала нагружение конструкции ударной волной, затем ударным воздействием твердых частиц; ударная волна и ударное воздействие частиц нагружают конструкцию одновременно; сначала ударное нагружение конструкции летящими частицами, затем нагружение ударной волной).

Этот режим работы стенда (нагружения конструкции) реализуется при наличии диафрагмы 23 и твердых частиц 14, закрепленных на дне 12 стакана, и при открытых перепускных отверстиях 10.

Нагружение конструкции высокоскоpостным потоком газа совместно с ударным воздействием летящих частиц.

Этот режим работы стенда (нагружения конструкции) реализуется при наличии твердых частиц 14, закрепленных на дне 12 стакана, при открытых перепускных отверстиях 10 и при отсутствии диафрагмы 23.

Нагружение конструкции только одним из перечисленных факторов: ударной волной, твердыми частицами, высокоскоростным потоком газа.

Режим нагружения конструкции ударной волной реализуется при наличии диафрагмы 23, при отсутствии частиц 14 и при открытых перепускных отверстиях 10.

Режим нагружения конструкции твердыми частицами реализуется при наличии частиц 14 и при перекрытых перепускных отверстиях 10 юбкой 13 стакана.

Режим нагружения высокоскоростным потоком газа реализуется при отсутствии частиц 14, диафрагмы 23 и при открытых перепускных отверстиях 10.

В период подготовки стенда для реализации одного из перечисленных режимов его работы проводятся расчеты режимов в зависимости от расстояния L по формуле
ΔT Δt-L где Δ t время создания условий для формирования ударной волны;
L расстояние, проходимое ударной волной (твердыми частицами);
С_s скорость ударной волны;
V_ч скорость твердых частиц.

Значение параметра L выбирается исходя из выполнения требований к величине Δ Т: Δ T > 0, Δ Т 0, Δ Т < 0.

Скорость ударной волны С_S и параметр Δ Т определяются расчетами.

Работа стенда.

При достижении давления Р_ОА в полости А от датчика 26 давления подается сигнал на исполнительный механизм 27, который воздействует через толкатель 25 на штифт 17, утапливая последний в стенку стакана 11. После этого стакан вместе с частицами 14 под действием силы давления газа начинает разгоняться в трубе 6 до скорости, равной требуемой V_t. В конце трубы 6 стакан ударяется об упоры 7, останавливается, а твердые частицы 14 со скоростью ≈V_t продолжают по инерции движение по направлению к испытуемой конструкции 15.

Когда штифты 17 стакана оказываются расположенными напротив сквозных пазов 19 в стенке трубы 6, то входят в них под действием упругих элементов 18, фиксируя стакан, чем предотвращается отскок стакана от упоров 7. Превышение размеров пазов 19 над диаметрами штифтов 17 выбрано из условия надежной фиксации стакана.

В зависимости от длины юбки и формы ее торца меняются момент начала процесса и время заполнения газом полости В из полости Б трубы 6 через перепускные отверстия 10, так как меняется площадь открытых отверстий 10, через которые реализуется это перетекание.

Для получения ударной волны необходима диафрагма 23, устанавливаемая в полости насадка перед обоймой или за обоймой и разрушаемая при достижении в полости В давления Р_В. Установка диафрагмы перед обоймой (перед кольцевым соплом) позволяет получить более высокую скорость ударной волны по сравнению со случаем, когда диафрагма установлена после кольцевого сопла.

В момент разрыва диафрагмы 23 из полости В через газовый тракт кольцевого сопла, образованного кольцами 20 и 21, сжатый газ при сверхкритическом перепаде давления Р_В/Р_н (где Р_н давление окружающей среды), устремляется в полость Г обечайки 8 насадка. При этом образуется ударная волна. Размер l₁ (2-3)d_к, где l₁ расстояние от выходного сечения кольцевого сопла до свободного торца обечайки 8, выбран из условия получения плоской ударной волны.

При отсутствии диафрагмы поток газа из полости В истекает в полость Г, где разгоняется до сверхзвуковой скорости. Обечайка 8 насадка в этом случае работает, как короткий выхлопной диффузор при давлении потока в полости В, равном Р_В. При таком режиме работы стенда испытуемая конструкция подвергается воздействию высокоскоростного газового потока с параметрами, соответствующими параметрам струи за прямым скачком уплотнения.

Количество труб 6 в стенде может быть любым. Оно определяется условиями нагружения. В зависимости от оснащения труб 6 обоймами, диафрагмами или без них можно варьировать характер непрерывного воздействия на испытуемую конструкцию твердых частиц и газового потока, например очередность воздействия.

Изобретение относится к испытательной технике и касается способов и устройств для испытаний конструкций на ударное воздействие двухфазных сред, включающих газ и твердые частицы. Цель изобретения расширение функциональных возможностей путем воздействия на конструкцию ударной волны и твердых частиц. Способ испытаний реализуется на стенде, содержащем цилиндрические стаканы 11 со сменой юбкой 13. Стенд также снабжен насадками, которые содержат цилиндрическую обечайку 8, а также обоймой, состоящей из наружного 20 и внутреннего 21 колец, скрепленных между собой стержнями. В состав стенда также входит генератор высоконапорного газа, выполненный в виде камеры 1, которая содержит обратный клапан 5, электронагреватель 4 и датчики 26 и 28 давления и температуры соответственно. К выходному отверстию камеры пристыкована труба 6, которая соосно установлена в круговом отверстии дна насадка. Обойма герметично установлена в кольцевом зазоре между наружной поверхностью трубы и внутренней поверхностью обечайки насадка и расположена между торцом и упорами трубы и поясом перепускных отверстий 10. На дне стакана закреплены твердые частицы 14. Элементы крепления испытуемой конструкции расположены перед открытым торцом насадка, а разрушаемая диафрагма 23 перекрывает газовый тракт кольцевого сопла. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ испытания конструкций на ударное воздействие двухфазных сред, основанный на формировании последовательных ударных волн и воздействии ими на испытуемую конструкцию, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем воздействия на конструкцию ударной волны и твердых частиц, на конструкцию дополнительно воздействуют движущимися твердыми частицами со сдвигом по времени по отношению к каждой ударной волне, при этом сдвиг по времени ΔT определяют по формуле

где Δt время создания условий для формирования ударной волны;
L расстояние, проходимое ударной волной (твердыми частицами);
C_s скорость ударной волны;
V_ч скорость твердых частиц. 2. Стенд для испытания конструкций на ударное воздействие двухфазных сред, содержащий основание с элементами крепления испытуемой конструкции, генератор высоконапорного газа с выходным отверстием и канал в виде цилиндрической трубы, присоединенной к выходному отверстию, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем воздействия на конструкцию ударной волны и твердых частиц, в конец трубы со стороны генератора помещен с возможностью перемещения по трубе цилиндрический стакан с глухим дном, внутри которого размещены твердые частицы, к дну стакана соосно с ним присоединена сменная цилиндрическая юбка с диаметром, равным диаметру стакана, на другой конец трубы надет насадок в виде цилиндрической обечайки с диаметром, большим диаметра трубы, жестко скрепленной с трубой торцовым дном с центральным отверстием и обоймой, выполненной в виде профилированных наружного и внутреннего колец, скрепленных с зазором между собой, герметично установленной в кольцевом зазоре между трубой и насадком, при этом на торце трубы со стороны насадка выполнены упоры, а на боковой поверхности трубы между обоймой и торцовым дном насадка расположен пояс перепускных сквозных отверстий. 3. Стенд по п. 2, отличающийся тем, что обойма закрыта разрушаемой диафрагмой. 4. Стенд по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что суммарная площадь перепускных отверстий равна 1 1,1 площади проходного сечения трубы.