Устройство и способ определения параметров проникания метаемого тела в преграду

Устройство и способ определения параметров проникания метаемого тела в преграду

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области технологий исследования прочностных характеристик материалов, в которых оснащенные измерительными системами устройства используются для количественной оценки характеристик реологических сред (конструкционных материалов и природных геологических пород) в процессе проникания устройств в эти среды. Первичная информация о параметрах проникания, получаемая с применением таких устройств, содержащих в своем составе метаемые измерительные тела - зонды, различается в зависимости от применяемых измерительных систем.

Основной информацией является история нагружения метаемого тела (зонда) в виде изменений (во времени или с глубиной внедрения зонда в среду) величин параметров проникания, характеризующих процесс взаимодействия среды с проникающим в нее зондом. Это могут быть, например, изменение величин отрицательных ускорений, воздействующих на зонд, или прямо пропорциональных им перегрузок, испытываемых зондом при торможении его в среде (Определение динамического предела текучести методом электрической регистрации/ О.Е.Ячник, А.М.Ручко, М.Ю.Сотский, В.М.Миляев// Тр. МВТУ. Вопросы физики взрыва и удара. - 1981, - Вып.3, №358); изменение скорости внедрения зонда; изменение механических деформаций либо напряжений в материале зонда; изменение давлений на поверхности зонда; изменения распределения давлений вдоль головной части зонда (Сотский М.Ю. Методика прочностных испытаний материалов при динамическом нагружении // Оборонная техника. - 1995. - №4); и др. Знание истории нагружения зонда позволяет устанавливать значения динамических прочностных характеристик исследуемой преграды или среды, а также и изменение указанных значений с увеличением начальной скорости внедрения зонда в среду. Актуальность этих знаний возрастает как для традиционных конструкционных материалов в связи с закономерным увеличением скоростей их деформирования в реализуемых процессах, так и для вновь разрабатываемых материалов, технологий и конструкций. Для выявления особенностей реализуемых процессов и повышения при этом информативности измерений важным также является получение первичной информации непрерывно от начала внедрения зонда до полной остановки его исследуемой средой (или до пробития либо разрушения исследуемой преграды).

Известен зонд для исследования свойств грунта (RU №2111476, G 01 N 3/30, 3/48, E 02 D 1/00, 20.05.98 г.), используемый в строительстве и горном деле для определения физико-механических и прочностных свойств грунтов. Зонд состоит из носовой части, расширяющейся под углом к продольной оси, и содержащего регистрирующую аппаратуру корпуса, несущего передающую аппаратуру и узел проводной связи отделяющегося хвостовика-стабилизатора с радиоантенной. Над исследуемой зоной зонд сбрасывается с носителя, под действием силы тяжести разгоняется и внедряется в грунт. Хвостовик-стабилизатор с радиоантенной отделяется на поверхности от корпуса с регистрирующей аппаратурой, продолжающего движение в глубь грунта, замеряя его параметры. По разматывающемуся кабелю узла проводной связи информация передается на внешнюю приемную аппаратуру. Начальная скорость внедрения таких зондов в преграду ограничена скоростью свободного падения зонда, в то время как современные технологии применения конструкций и материалов требуют знания о величинах динамических характеристик материалов в диапазоне сверхзвуковых начальных скоростей внедрения, в частности, определяемых диапазоном артиллерийских скоростей метания тел из ствольных систем - 350...1800 м/с.

Известен также свободно падающий реологический пенетрометр (US №4492111, G 01 N 3/00, Н.кл. 73/84, 75/9, 75/85, 324/323, 08.06.1985 г.) с сенсорами и телеметрической аппаратурой на борту для передачи сигнала об определяемых характеристиках исследуемой почвы в процессе проникания пенетрометра в исследуемый грунт или другую реологическую среду, т.е. среду, обладающую вязкостью, пластичностью, упругостью и пр. В описании к этому изобретению показана возможность определять первичную информацию о процессе проникания как историю нагружения пенетрометра в грунте в виде изменения во времени отрицательных ускорений, воздействующих на пенетрометр при его торможении, а затем путем двукратного интегрирования вычислить изменение глубины внедрения пенетрометра в грунт во времени процесса. Затем, сопоставляя показания сенсоров в соответственные моменты времени, строят для исследуемого грунта графики изменения с глубиной грунта таких характеристик как температура, влажность грунта и пр. Существует, следовательно, и принципиальная возможность определения по изменениям перегрузок, испытываемых пенетрометром, соответствующих изменений силы сопротивления исследуемого грунта прониканию в него пенетрометра. Однако известный пенетрометр не обладает необходимыми техническими возможностями для определения характеристик среды при скоростях встречи пенетрометра со средой, превышающих скорость свободного падения, или при взаимодействии с геологическими породами и конструкционными материалами, прочностные характеристики которых значительно превосходят прочностные характеристики грунтов.

Известно устройство с бортовым измерительным оборудованием для проведения испытаний на удар (Динамика удара: Пер. с англ. / Зукас Дж. А., Николае Т., Свифт Х.Ф. и др. - Мир, 1985. - 296 с., ил., стр.130...132, рис.3.14), с применением которого была выполнена серия экспериментов по соударению по нормали (т.е. под прямым углом встречи метаемого тела с преградой) стальных стержней со стальными мишенями со скоростью 1 км/с. Регистрировалась история нагружения стержня в виде зависимости деформации стержней от времени. По этой первичной информации определялись и другие динамические прочностные характеристики материала стержня и процесса его взаимодействия, например зависимости динамического напряжения и скорости частиц от деформации сжатия стержня. Входящие в измерительную систему датчики деформации в виде датчиков сопротивления из фольги устанавливались на расстояниях 20, 40 и 60 мм от вершины головной части стержня и подключались к тонким металлическим контактным пластинам, расположенным на переднем торце пластмассового поддона. Перед соударением неподвижные заостренные контактные стержни пронизывали контактные пластины, замыкая соответствующие измерительные каналы линии электрической связи измерительной цепи системы, которая существовала в течение времени, за которое поддон смещался приблизительно на 100 мм. При высоких скоростях (1 км/с) полная запись зависимости деформации от времени получалась только для сечения стержня, расположенного на расстоянии 20 мм от вершины головной части стержня. Остальные датчики разрушались образующимися осколками прежде, чем деформации достигали больших значений. Поэтому возможности известного устройства ограничены указанными условиями и не позволяют применить его для исследования проникания метаемых тел в прочные преграды, так как для этих процессов при высоких скоростях встречи (в диапазоне сверхзвуковых и артиллерийских значений скоростей) характерны и высокие значения перемещения метаемых тел относительно преград.

Настоящее изобретение направлено на повышение значений верхнего предела диапазона скоростей, при котором возможно определение истории нагружения метаемого тела в процессе его проникания в прочную преграду, а также повышение эффективности проведения измерений при высоких значениях скорости метания исследуемого тела за счет обеспечения надежности получения результата при необходимости непрерывной регистрации параметров проникания от начала процесса до полной остановки тела либо разрушения преграды или тела, так как уменьшается потребное количество испытаний для получения необходимых данных о реализованном процессе или примененных материалах. Техническим результатом при решении данной задачи является также предотвращение обрыва либо замыкания провода электрической связи, соединяющего движущийся с высокой скоростью и испытывающий высокие значения перегрузок бортовой измерительный узел с регистрирующей аппаратурой, до момента прекращения взаимодействия метаемого тела и преграды.

Достигаются указанные результаты вследствие того, что устройство определения параметров проникания метаемого тела в преграду выполнено в виде сборки, содержащей метаемое тело, установленное в отделяемом поддоне с дном, в метаемом теле размещен измерительный узел и, по меньшей мере один провод узла электрической связи, соединенный одним концом с отделяемым поддоном, а другим - с измерительным узлом, и улавливатель отделяемого поддона, предназначенный для подключения измерительного узла через измерительные каналы линии электрической связи к регистрирующей аппаратуре, при этом отделяемый поддон выполнен с возможностью обеспечения электрического соединения с улавливателем при их соударении.

Метаемое тело может быть выполнено с полостью, открытой со стороны донного среза, а провод электрической связи размещен в указанной полости.

Провод узла электрической связи может быть размещен в отделяемом поддоне.

Сборка может быть снабжена отделяемым полым переходником, размещенным между метаемым телом и дном отделяемого поддона, при этом провод узла электрической связи размещен в полости указанного переходника.

Улавливатель отделяемого поддона может быть установлен перед преградой на расстоянии, обеспечивающем замыкание отделяемого поддона на улавливатель до начала проникания метаемого тела в преграду.

Провод узла электрической связи может быть сформирован в виде компактного пространственного образования с возможностью формоизменения образования в пространстве без нарушения электрической проводимости.

Указанные результаты достигаются также способом определения параметров проникания метаемого тела в преграду, в котором осуществляют метание сборки, содержащей метаемое тело, установленное в отделяемом поддоне с дном, измерительный узел, размещенный в метаемом теле, и, по меньшей мере, один провод узла электрической связи, соединенный одним концом с отделяемым поддоном, а другим - с измерительным узлом, обеспечивают разъединение отделяемого поддона с метаемым телом на улавливателе отделяемого поддона, подключенном через измерительные каналы линии электрической связи к регистрирующей аппаратуре, с одновременным осуществлением замыкания отделяемого поддона на указанный улавливатель и производят регистрацию параметров проникания метаемого тела в преграду.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:

на фиг.1 изображено устройство для определения параметров проникания метаемого тела в преграду;

на фиг.2 - пример осуществления сборки, снабженной отделяемым полым переходником, и размещения ее в метательном устройстве;

на фиг.3 - пример осуществления устройства, реализуемый в случае, когда преграда обладает электропроводимостью;

на фиг.4 проиллюстрирован пример осуществления способа определения параметров проникания метаемого тела в преграду;

на фиг.5 дан рисунок остаточной картины деформирования дюралюминиевой преграды толщиной 80 мм и затормозившегося в преграде стального закаленного метаемого тела с диаметром корпуса 10 мм, длиной 75 мм и конусообразной головной частью, с углом при вершине 30 градусов;

на фиг.6 - регистрируемая на цифровом осциллографе первичная информация о процессе проникания с реализованными на фиг.5 исходными данными;

на фиг.7 - информация об изменении скорости проникания тела (V(t)) и изменении глубины внедрения (l(t)).

Как показано на фиг.1, устройство для определения параметров проникания метаемого тела в преграду содержит метаемое тело 1 с размещенным в нем измерительным узлом 2, установленное в отделяемом от метаемого тела поддоне 3 с дном 4 и выполненное с полостью в донной части метаемого тела. Измерительный узел соединен проводом 5 узла электрической связи, размещенным в полости, с указанным отделяемым поддоном 3, выполненным с обеспечением возможности электрического соединения с улавливателем 6 отделяемого поддона. Вся конструкция, включающая элементы, обозначенные позициями 1...5, представляет собой сборку 7, предназначенную для метания в направлении неподвижной преграды 8. Улавливатель отделяемого поддона подключен к регистрирующей аппаратуре 9 измерительными каналами 10 линии электрической связи. При этом предпочтительно размещать улавливатель перед лицевой поверхностью преграды на расстоянии (L), выбираемом из условия обеспечения начала механического и электрического контакта отделяемого поддона с лицевой поверхностью улавливателя до начала контакта метаемого тела с лицевой поверхностью преграды. Улавливатель отделяемого поддона выполнен со сквозным отверстием с размерами, обеспечивающими перемещение метаемого тела в направлении к преграде без контакта с указанным улавливателем и с обеспечением механического и электрического контакта отделяемого поддона с улавливателем во время передачи электрического сигнала от измерительного узла при проникании тела в преграду.

Отделяемый поддон может быть выполнен с полостью в дне 4 отделяемого поддона 3 со стороны, обращенной к метаемому телу 1, для размещения в полости дна поддона провода 5 узла электрической связи. Сборка может быть выполнена и с образованием полости для размещения провода узла электрической связи между наружной поверхностью метаемого тела 1 и внутренней поверхностью поддона 3, при этом минимальный диаметр сечения внутренней поверхности поддона превышает максимальный диаметр тела на величину, определяемую конструктивными размерами узла электрической связи.

При реализации процессов с определением параметров проникания в преграду метаемых тел с малым удлинением корпуса нет необходимости сохранения заданных заранее конструктивных размеров метаемого тела или в процессах с образованием выплеска частиц с лицевой поверхности преграды, сборка может быть снабжена полым переходником 11 (фиг.2), который устанавливается между донным срезом 12 метаемого тела 1 и дном 4 поддона 3 с возможностью разъединения с телом и с поддоном и в котором размещен провод 5 узла электрической связи, соединенный электрически с измерительным узлом 2 и поддоном 3. Как показано на фиг.2, метание сборки 7 устройства для определения параметров проникания метаемого тела в преграду, которая в данном примере реализации сборки 7 включает позиции (1-5, 11), производят с помощью метательного устройства 13, например ствольного пневмопорохового.

Если преграда выполнена из электропроводящего материала (фиг.3), то один из измерительных каналов 10 линии электрической связи с регистрирующей аппаратурой 9 может быть электрически подключен к преграде 8, вследствие чего образуется еще один канал линии электрической связи за счет формирования непрерывного электрического контакта корпуса проникающего тела с материалом преграды в каверне. Дополнительные измерительные каналы линии электрической связи могут быть также образованы делением отделяемого поддона на электрически изолированные друг от друга сектора, соединением одним концом с каждым сектором отдельного провода узла электрической связи и соединением других концов указанных проводов с измерительным узлом. При этом улавливатель отделяемого поддона также должен быть выполнен с соответствующим количеству секторов отделяемого поддона числом электрически изолированных друг от друга зон, улавливающих соответственные сектора отделяемого поддона.

В случае определения параметров проникания метаемого тела в неэлектропроводящую преграду для создания замкнутой электрической цепи следует организовать два измерительных канала линии электрической связи, для чего необходимо отделяемый поддон выполнить из двух электрически изолированных секторов, подсоединить к каждому из секторов отдельный провод 5 узла электрической связи, а улавливатель отделяемого поддона также разделить на две электрически изолированные зоны.

Если преграда представляет из себя многослойную комбинированную конструкцию, включающую слои из неэлектропроводящего материала, то для повышения надежности определения параметров проникания метаемого тела в такую преграду также следует организовать, по меньшей мере, два измерительных канала линии электрической связи. Такая же необходимость возникает и в случаях, когда наружная поверхность корпуса метаемого тела выполнена из неэлектропроводящего материала.

Определение параметров проникания метаемого тела 1 в преграду 8 осуществляется в следующей последовательности. Производится ориентирование направляющего элемента метательного устройства 13 (фиг.2) и положения метаемой сборки 7 в метательном устройстве в направлении отверстия в улавливателе отделяемого поддона 6. Сборке 7 придают в метательном устройстве заданную скорость (Vc) встречи метаемого тела 1 с преградой 8. Метаемое тело проходит без соприкосновения с улавливателем 6 в отверстие в нем, а отделяемый поддон 3 с дном 4 тормозится после того, как он касается своим передним торцом лицевой поверхности улавливателя, при этом метаемое тело удаляется от отделяемого поддона, а провод 5 узла электрической связи начинает изменять первоначально заданную ему в сборке пространственную форму, увеличивая длину указанного узла пропорционально увеличению расстояния между метаемым телом и отделяемым поддоном. Одновременно осуществляется электрическое соединение поддона 3 с улавливателем 6 и, соответственно, подключение измерительного узла 2 к измерительным каналам 10 линии электрической связи с регистрирующей аппаратурой 9. На этом этапе осуществляется окончательная подготовка устройства к регистрации параметров проникания метаемого тела 1 в преграду 8. В момент начала проникания головной части метаемого тела в преграду (фиг.4, вверху) в измерительном узле 2 возникает электрический сигнал, отражающий параметры проникания тела в преграду, который передают по проводу 5 узла электрической связи на отделяемый поддон 3, подключенный уже к этому моменту времени, как показано выше, к регистрирующей аппаратуре 9. В периоде торможения метаемого тела в преграде до полной остановки в ней (фиг.4, внизу) происходит видоизменение первоначально заданной формы провода 5 узла электрической связи в пространстве между дном отделяемого поддона 4 и донным срезом 12 метаемого тела 1, съем и передача информации о величине и изменении во времени параметров проникания метаемого тела в преграду к регистрирующей аппаратуре 9 и регистрирация информации непрерывно в течение всего времени процесса проникания. Тормозящийся и деформирующийся отделяемый поддон 3 (фиг.4) улавливается и задерживается на период времени протекания процесса проникания (пробития, разрушения) преграды 8 (комбинации, набора преград) на улавливателе отделяемого поддона 6 с обеспечением непрерывности электрического контакта отделяемого поддона с улавливателем и электрического соединения провода 5 узла электрической связи с отделяемым поддоном 3.

В предлагаемом устройстве провод 5 узла электрической связи может быть выполнен в виде компактно сформированного образования с возможностью его формоизменения и трансформирования по длине в пространстве, при этом первоначально заданная геометрическая форма образования определяется формой и размерами полости в сборке, механическими и конструктивными параметрами проводов узла и может быть изначально задана путем механического скрепления участков провода между собой с возможностью их разъединения без нарушения электрического контакта между участками провода.

Предлагаемое изобретение реализовано при подготовке к проведению полунатурных испытаний метаемых тел, проникающих в преграду с начальной скоростью, превышающей скорость распространения звука в воздухе. Полунатурные испытания предполагают реализацию процессов проникания в преграды подобных натурным физических моделей, размеры которых уменьшены по сравнению с натурными не более чем в 10 раз. Такое ограничение позволяет реализовывать в полунатурных процессах тот же порядок скоростей деформирования материалов проникающих тел и материалов преград, что и в натурных. Диаметр корпуса метаемого тела составлял величину 10 мм и выше, а скорость встречи с преградами реализована в испытаниях в диапазоне артиллерийских скоростей 700...1200 м/с.

Геометрическая форма метаемого тела для одного из вариантов реализации процесса с определением параметров процесса его проникания в преграду представлена на фиг.5. Заданное метаемое тело - высокопрочный, выполненный из закаленной стали заостренный цилиндрический ударник длиной 75 мм, диаметром 10 мм и углом при вершине конической головной части 30 градусов показан после его торможения в дюралюминиевой преграде толщиной 80 мм при соударении по нормали к преграде со скоростью встречи (Vc), равной 780 м/с. Пунктирной линией отмечено положение донной части ударника относительно преграды в момент начала проникания вершины головной части ударника в преграду. Ударник содержал чувствительный элемент измерительного узла 2 в виде измерительного преобразователя ускорений, конструктивно аналогичного известному пьезоэлектрическому акселерометру (RU №1741082, G 01 Р 15/09, 29.12.88 г.) и закрепляемого на донном срезе ударника. При заданных начальных условиях ударник проникал в преграду на глубину (l_max), фиксируемую по конечному положению донного среза внедрившегося ударника относительно лицевой поверхности преграды и составившую значение 60 мм, не изменяя своих размеров, т.е. испытывая при проникании только упругие деформации. В результате проведения испытаний определена первичная информация о параметрах проникания ударника в преграду в виде истории нагружения такого ударника в дюралюминиевой преграде, которая представлена на фиг.6 непрерывной регистрацией отрицательных ускорений торможения во времени (dV/dt(t)), действующих на донном срезе ударника в зоне закрепления чувствительного элемента измерительного узла 2 (фиг.5) в течение всего времени их действия (tд) в процессе проникания ударника в преграду, составившего величину 143 мкс, от момента прихода волны нагрузки к чувствительному элементу (начало регистрации ускорений на фиг.5) до момента спада воздействия нагрузки на чувствительный элемент измерительного узла до нуля в результате прекращения перемещения ударника относительно преграды (окончание процесса проникания). При заданных конструктивных параметрах тела и преграды и начальных условиях их взаимодействия максимальная амплитуда ускорения торможения (-dV/dt_max) достигла значения -12000000 м/с·с и, соответственно, значение перегрузки (n_max), которую тело испытывало в этот же момент времени, превышало 1200000 отн.ед. Доверительный интервал результата измерений значения ускорения в любой момент на осциллограмме (Сотский М.Ю. Оценка видов воздействия на мишень снабженных пьезоакселерометрами уменьшенных моделей // Оборонная техника, - 1998. - №1-2) определяется заданной доверительной вероятностью и для условий проведения испытаний не превышает 12% при задании значения доверительной вероятности равным 0,95.

По этой первичной информации, которая, в данном случае, напрямую отражает величину и изменение силы, действующей со стороны преграды на проникающий в нее упругодеформируемый ударник в процессе взаимодействия с преградой до полной остановки в ней (один из основных определяемых в испытаниях параметров проникания), строятся путем последовательного интегрирования первичной кривой на фиг.6 кривые изменения скорости ударника (V(t) на фиг.7) в месте закрепления на донном срезе (фиг.5) чувствительного элемента измерительного узла и изменения во времени положения в пространстве донного среза ударника. Учитывая глубину проникания вершины головной части ударника в преграду за время пробега упругой волны нагрузки по длине корпуса ударника к чувствительному элементу измерительного узла, можно построить также кривую изменения во времени глубины внедрения ударника в преграду (l(t)) на фиг.7). Максимальная глубина внедрения (lmax), вычисленная с использованием регистрируемой осциллограммы, составила величину 59,2 мм.

Кроме проведенных испытаний, выявивших практическую осуществимость предлагаемого изобретения не только в представленном случае, но и при проникании тел в сложные, разнесенные между собой на некоторое расстояние преграды, проводилась также проверка функционирования измерительного канала линии электрической связи непрерывно во времени проникания метаемого тела в преграду. В электрическую цепь канала вместо измерительного узла подключался источник постоянного тока, далее осуществлялись все операции предлагаемого способа и было установлено, что измерительный канал линии электрической связи функционирует без нарушения электрической цепи от момента касания телом преграды и в течение промежутка времени, превышающего время проникания тела в преграду.

1. Устройство определения параметров проникания метаемого тела в преграду, включающее сборку, содержащую метаемое тело, установленное в отделяемом поддоне с дном, измерительный узел, размещенный в метаемом теле, и, по меньшей мере, один провод узла электрической связи, соединенный одним концом с отделяемым поддоном, а другим - с измерительным узлом, и улавливатель поддона, предназначенный для подключения измерительного узла через измерительные каналы линии электрической связи к регистрирующей аппаратуре, при этом отделяемый поддон выполнен с возможностью обеспечения электрического соединения с указанным улавливателем поддона при их соударении.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что метаемое тело выполнено с полостью, открытой со стороны донного среза метаемого тела, при этом провод узла электрической связи размещен в указанной полости.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что провод узла электрической связи размещен в отделяемом поддоне.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сборка снабжена отделяемым полым переходником, размещенным между метаемым телом и дном отделяемого поддона, при этом провод узла электрической связи размещен в полости указанного переходника.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что улавливатель поддона установлен перед преградой на расстоянии, обеспечивающем замыкание отделяемого поддона на улавливатель поддона до начала проникания метаемого тела в преграду.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что провод узла электрической связи может быть сформирован в виде компактного пространственного образования с возможностью трансформирования по длине без нарушения электрической проводимости.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит метательное устройство, например, ствольное пневмопороховое.

8. Способ определения параметров проникания метаемого тела в преграду заключающийся в том, что осуществляют метание сборки, содержащей метаемое тело, установленное в отделяемом поддоне с дном, измерительный узел, размещенный в метаемом теле, и, по меньшей мере, один провод узла электрической связи, соединенный одним концом с отделяемым поддоном, а другим - с измерительным узлом, обеспечивают разъединение отделяемого поддона с метаемым телом на улавливателе поддона, подключенном через измерительные каналы линии электрической связи к регистрирующей аппаратуре, с одновременным осуществлением замыкания отделяемого поддона на указанный улавливатель поддона и производят регистрацию параметров проникания метаемого тела в преграду.