Экспериментальное изучение процессов проникания осесимметричных тел в мягкие грунтовые среды

Важность изучения явлений соударения и проникания вполне очевидна. Традиционно изучение этих проблем является актуальным в связи с запросами военной техники. Однако в последние годы интерес к проблеме ударного взаимодействия твердых тел чрезвычайно возрос, в связи с участившимися террористическими актами и техногенными катастрофами, в результате которых население, обслуживающий персонал опасных производств, здания, сооружения и отдельные части оборудования подвергаются ударным воздействиям.

Ударное взаимодействие характеризуется сложными по своей физической природе процессами, сопровождающимися целым рядом различных явлений: образованием упругих, упруго-пластических, ударных волн, волн разгрузки, фазовыми превращениями, разрушением и сильным формоизменением соударяющихся тел и сред, кратерообразованием и т. д. Для решения этих проблем используются аналитические и численные методы прикладной математики и методы экспериментальной механики деформируемого твердого тела. На сегодняшний день имеется достаточно хорошо изученный класс задач явлений удара, для которых получены основополагающие экспериментальные результаты, выполнены аналитические и численные решения.

Большой вклад в развитие современных методов и средств для исследования проблем динамики удара внесли такие известные ученые нашей страны, как Л. В. Альтшуллер, Н. Н. Давиденков, Ф. Ф. Витман, Н. А. Златин, А. А. Ильюшин, В. А. Степанов, Г. В. Степанов, С. А. Новиков и другие, а также зарубежные ученые А. Браун, Дж. Дафи, Р. Дэвис, Ж. Дювал, Р. Грэхем, Д. Кларк, Г. Кольский, Дж. Кэмпбелл, М. Форрестол, Г. Ховер и другие.

Однако, вследствие сложности физической природы явлений удара, а также ввиду большого разнообразия различных по своей физической природе материалов, которые участвуют в процессе соударения, отсутствуют единые представления и модели, всесторонне описывающие ударные явления в широком диапазоне изменения скоростей удара.

Для грунтовых сред трудности исследования процессов ударного взаимодействия и проникания обусловлены многообразием их физико-механических свойств. Грунты являются многокомпонентными средами и различаются структурой, размерами твердых частиц скелета, содержанием воды и воздуха. В последние несколько десятилетий достигнуты значительные успехи в изучении поведения грунтовых сред при динамическом нагружении. Большой вклад в это внесли Н. А. Златин, В. А. Степанов, С. А. Новиков, Г. В. Рыков, Х. А. Рахматулин, A.M. Врагов, и др.

Однако проблема ударного взаимодействия твердых тел с грунтовыми средами исследована не полностью. Несмотря на очевидные успехи в решении задач проникания в грунтовые среды теоретическими методами, ощущается явная нехватка экспериментальных результатов. Получены теоретические (аналитические и численные) и экспериментальные решения некоторых классов задач соударения. Основополагающие результаты в исследовании процессов проникания осесиммет-ричных тел в грунтовые среды получены в работах Ю. К. Бивина, Ю. Н. Бухарева, В. В. Викторова, С. С. Григоряна, А. Я. Сагомоняна, У. Аллена, М. Форрестола и других.

Однако анализ существующих работ показывает, что процессы проникания и соответствующие им. закономерности ударного взаимодействия деформируемых тел с грунтами экспериментально изучены недостаточно: основные результаты исследования проникания деформируемых твердых тел в грунты получены для относительно низких скоростей удара (10−100 м/с). В этом диапазоне, в основном, получены зависимости глубины проникания от времени, максимальной глубины проникания от скорости удара. К тому же эти результаты получены только для некоторых грунтов и модельных сред, для ударников простейших форм. Реже встречаются данные относительно зависимостей сил сопротивления внедрению от скорости удара, физико-механических свойств грунта, от формы проникающего тела.

В связи с этим задачи исследования закономерностей процесса проникания осесимметричных тел в грунтовые среды, устанавливающих связи интегральных характеристик (глубина проникания, силы сопротивления внедрению и т. д.) с физико-механическими свойствами преград, с геометрией ударника, скоростями соударения, представляются актуальными и своевременными.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является создание обоснованных экспериментальных методик и установление на их основе закономерностей процессов проникания осесимметричных деформируемых тел в грунтовые среды.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи.

1. Разработаны и реализованы проекты газовых пушек калибра 20 мм и 57 мм, позволяющих в лабораторных условиях решать задачи ударного взаимодействия при скоростях удара 10−500 м/с.

2. Развиты методики прямого и обращенного эксперимента для определения основных параметров взаимодействия ударников с мягкими грунтовыми средами. Выполнен теоретический анализ этих методик, обоснованы границы их применимости.

3. Проведены экспериментальные исследования, получены систематические данные, характеризующие основные зависимости проникания ударников различной формы в мягкие грунты в диапазоне скоростей удара от 45 до 460 м/с.

Научная новизна.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

— Разработан комплекс экспериментальных методик, аппаратных и приборных средств для исследования процессов ударного взаимодействия твердых деформируемых тел и элементов конструкций с мягкими грунтами. Проведен теоретический анализ созданных методик, определены границы их применимости.

— В результате выполненных систематических экспериментальных исследований получены зависимости, связывающие основные характеристики ударного взаимодействия (глубина проникания, интегральные нагрузки) с формой ударяющего тела и скоростью удара.

Практическая ценность.

Разработанные и созданные комплексы методических и аппаратных средств регистрации опытных данных и экспериментальные результаты используются в ряде научно-исследовательских организаций: РФЯЦ-ВНИИЭФ, РФЯЦ-ВНИИТФ, ЦНИИ Материалов, НПО «Специальные материалы» и др.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается тщательным выбором и анализом методов и средств экспериментальных исследований, совпадением полученных в работе результатов с данными зарубежных и отечественных авторов.

Основные положения, представляемые к защите:

1. Разработка оригинального комплекса методических и технических средств для экспериментального изучения процессов ударного взаимодействия твердых деформируемых тел с мягкими грунтами в прямой и обращенной постановках при скоростях удара 10−500 м/с.

2. Экспериментально-теоретическое обоснование методик прямого и обращенного эксперимента, позволяющих определять зависимости глубины проникания твердых тел в грунтовые среды от времени, интегральных нагрузок, коэффициента сопротивления.

3. Экспериментальные закономерности процесса проникания в мягкие грунты ударников различной формы, таких как полусфера, конус, сфероконус. цилиндр в диапазоне скоростей 45−460 м/с. 8.

Автор выражает искреннюю благодарность своим руководителям: профессору д.ф.-м.н. В. Г. Баженову и д.т.н. А. М. Брагову за постоянное внимание и помощь в работе.

Также автор весьма признателен сотрудникам НИИ механики:

— кандидатам технических наук А. К. Ломунову и Е. Е. Русину, ведущему инженеру В. Б. Коробову, младшим научным сотрудникам П. В. Деменко и И. В. Сергеичеву за многолетнее сотрудничество и помощь в работе,.

— кандидатам физико-математических наук С. В. Крылову и В. Л. Котову за помощь в расчетном обосновании методик испытаний,.

— другим сотрудникам НИИ механики.

Автор благодарен сотруднику федерального ядерного центра ВНИЭФ B. I I. Гам .дури ну за многолетнюю’поддержку, ценные советы и замечания.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработаны и реализованы комплексы методических и аппаратных средств экспериментального исследования основных закономерностей ударного взаимодействия осесимметричных деформируемых тел с мягкими грунтами. В основу работы этих комплексов положены две методики измерения основных параметров удара: прямой эксперимент с использованием скоростной киносъемки и обращенный эксперимент, с применением техники мерного стержня. Использование двух взаимодополняющих методик изучения процессов ударного взаимодействия позволило существенно расширить границы экспериментальных исследований и значительно повысить их информативность.

2. С помощью программного комплекса «Динамика-2» осуществлено численное моделирование прямого и обращенного эксперимента. Показано, что данная программа позволяет с достаточной для практических расчетов точностью моделировать процессы взаимодействия деформируемых твердых тел с грунтовыми средами. Для прямого эксперимента выявлено, что предположение о постоянстве коэффициента сопротивления формы выполняется с достаточной степенью приближения на квазистационарной фазе проникания, а его значения, вычисленные по результатам высокоскоростной фотосъемки, определяются с погрешностью не более 20−25%. Для обращенного эксперимента показано, что при отсутствии пластических деформаций в ударнике и мерном стержне методика позволяет надежно и с высокой точностью определять силовые характеристики процесса проникания полусферических и конических ударников при углах более 60°, как на квазистационарном, так и на переходном участке внедрения.

3. Проведены исследования процессов проникания ударников с различными головными частями (полусфера, конус, сфероконус, цилиндр) в песок в диапазоне скоростей 45−460 м/с. Получены кинограммы процесса проникания ударников, дающие наглядное представление об основных особенностях процессов движения ударника и грунтовой массы. На основании обработки теневых фотографий.

143 построены зависимости глубины проникания от времени. По этим данным вычислены коэффициенты сопротивления формы на квазистационарной стадии внедрения. Получены временные зависимости этого коэффициента, а также его зависимости от скорости удара. Для квазистационарной стадии отмечено удовлетворительное совпадение коэффициентов сопротивления, полученных на основе прямого эксперимента и проведенных численных расчетов с использованием пакета программ «Динамика-2» .

4. На основании обращенных экспериментов получены зависимости интегральных нагрузок, коэффициента сопротивления внедрению от скорости удара, формы головных частей и физико-механических свойств грунтов. Отмечено, что зависимости интегральных нагрузок от скорости для песка и пластилина описываются квадратичными соотношениями вида: F = AV2 +BV + C. Выявлено практическое отсутствие влияния гранулометрического состава и сильное влияние влажности песка на характеристики процесса проникания.