При проектировании изделий, эксплуатирующихся в условиях взрывных или ударных нагрузок, а также при математическом моделировании подобных явлений крайне важным является адекватное представление о динамических свойствах используемых материалов. Это связано с тем, что большинство конструкционных сплавов, пластиков и композитов в условиях высокоскоростного деформирования проявляют иные свойства, чем при квазистатическом нагружении, в частности, диаграммы нагружения и предельные параметры могут существенно отличаться от статических [1-5]. Применительно к области газотурбостроения характерными примерами проблем, в которых реализуется динамическое высокоскоростное нагружение и требующих соответствующей корректировки задания материальных свойств, являются задача об удержании оборвавшейся лопатки внутри корпуса газотурбинного двигателя и исследование на «птицестойкость» [6-7]. Дополнительной особенностью этих задач является то, что в них процессы динамического деформирования проходят при повышенных температурах.
Несмотря на то, что в последние годы количество публикаций, посвященных экспериментальным исследованиям динамического поведения материалов, неуклонно увеличивается, получение надежных экспериментальных данных для конкретных материалов остается значительной проблемой. Что касается информации о свойствах материалов при динамическом нагружении в условиях повышенных температур, то публикации на этот счет носят лишь единичный характер, а надежная общепринятая методика проведения такого рода испытаний не создана и еще находится в стадии разработки [8-9].
В настоящее время наиболее востребованной в России и за рубежом экспериментальной методикой для исследования динамического поведения материалов при скоростях деформаций порядка 102-104 с-1 является метод Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона (РСГ) [10-11]. Изначально предназначенный только для испытания на одноосное сжатие, метод постоянно совершенствовался и на сегодняшний день существуют сжимающий, растягивающий, крутильный, сдвиговой и двухосный варианты метода РСГ, а также модификации, позволяющие исследовать динамическое трение, динамический эффект Баушингера и динамические предельные характеристики в зависимости от вида напряженного состояния [12-13]. Основными преимуществами этого подхода является наличие надежной методологии определения НДС в образце и построения динамических диаграмм нагружения, а также простота изготовления самих образцов. Основные положения метода Кольского приведены в Главе 1.
Определение механических свойств материалов. Условия прочности ...
... adm , τ adm – соответственно допускаемые нормальные, допускаемые касательные напряжения. Допускаемое напряжение связывают с механическими свойствами материала детали и определяют по формуле σ adm = σu / n, (4) где σ ... кгс/мм2 ; НВ – твердость по Бринеллю. При других режимах испытания после букв НВ указывают условия испытания в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузку и продолжительность выдержки ...
Данная работа посвящена экспериментальному исследованию динамического поведения титанового сплава ВТ3-1 по методу Кольского на сжатие при скоростях деформаций порядка 103 с-1 в диапазоне изменения температуры образцов 20-300о С. Исследования проводились в НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова с использованием коммерческой роботизированной экспериментальной установки для динамических испытаний материалов по методу Кольского при повышенных температурах. На этой установке реализована наиболее совершенная в настоящее время схема проведения высокотемпературных динамических испытаний, основанная на использовании удаленной от оси мерных стержней нагревательной печи с автоматизированной системой управления всеми этапами эксперимента (загрузка-выгрузка образца из печи, подведения мерных стержней к образцу, посылка, инициирующего вылет ударника, пускового импульса).
Характеристики экспериментальной установки приведены в Главе 2. При использовании такого подхода главной проблемой является учет неоднородности температурного состояния в образце в течение испытания, возникающего при его выгрузке из печи и при контакте с холодными мерными стержнями. Методика проведения температурных испытаний по методу Кольского, разработанная в НИИ механики МГУ, приведена в Главе 3.
В Главе 4 приведены данные и результаты экспериментов на сжатие по методу Кольского для образцов из титанового сплава ВТ3-1. Построены динамические диаграммы нагружения и определены предельные материальные характеристики при скоростях деформаций порядка 103 с-1 в диапазоне изменения температуры образцов 20-300о С. Характер деформации и разрушения образцов контролировался с использованием высокоскоростной видеосъемки и представлен в отчете.
1. Основные положения метода Кольского с разрезным стержнем
Гопкинсона для исследования динамических свойств
материалов
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. Предпосылки и допущения метода Кольского следующие:
- ввиду очень малой длины образца по сравнению с длиной нагружающего импульса в образце в течение испытания реализуется одноосное напряженное состояние с равномерным распределением напряжений и деформаций по его длине (основная предпосылка метода).
Таким образом, несмотря на высокие скорости деформации образца, испытание может рассматриваться как квазистатическое;
- предел упругости мерных стержней должен быть значительно выше предела текучести образца;
- при распространении волн в мерных стержнях отсутствует дисперсия;
- распределение профиля деформации в пределах поперечного сечения стержня равномерное;
- Рис.1.1 — поперечные колебаний частиц стержня отсутствуют.
В одном из стержней 3 с помощью ударника 1 возбуждается одномерная упругая волна сжатия εI(t), которая распространяется по стержням со скоростью С. Картина распространения волн в РСГ представлена на рис 1.1 в виде Лагранжевой x~t диаграммы. При достижении образца 5, эта волна ввиду разницы площадей их поперечных сечений, а также акустических жесткостей ρС материалов стержня и образца расщепляется: часть ее отражается обратно волной εR(t), а часть проходит через образец во второй стержень 6 волной εT(t).
Кольская сверхглубокая
... для подобного оборудования. Общий вид буровой Кольской сверхглубокой (этот и другие снимки можно посмотреть в фотогалерее веб-сайта НПЦ «Кольская сверхглубокая») Скважина стала и самой глубокой в Европе ... и показать участникам конгресса работу в натуре и добытые образцы породы. К конгрессу издали монографию "Кольская сверхглубокая". На выставке Геоэкспо красовался большой стенд, посвященный работе СГ ...
Образец при этом претерпевает упругопластическую деформацию, в то время как стержни деформируются упруго. Амплитуды и формы волн εR(t) и εT(t) определяются соотношением акустических жесткостей материалов стержней и образца, а также реакцией материала образца на приложенную динамическую нагрузку. Регистрируя тензодатчиками 4 и 7 эти упругие волны, удается по формулам, предложенным впервые Кольским, определить процессы изменения во времени напряжения, деформации и скорости деформации в образце.
При выводе основных соотношений метода РСГ предполагается, что поскольку образец имеет малую длину, а время прохождения волны по длине образца существенно меньше длительности нагружающего импульса, то напряженно-деформированное состояние образца близко к однородному, и процесс упругопластического деформирования образца подобен квазистатическому, но протекающему с высокими скоростями деформации. Для этого условия можно вывести простые параметрические зависимости определения напряжения, деформации и скорости деформации в образце на основании импульсов деформации, зарегистрированных в стержнях.
При выводе формул все импульсы в стержнях условно считаются сжимающими, т.е. вектор их массовой скорости совпадает с направлением распространения волны и им условно присвоен знак плюс. Однако следует помнить, что отраженный импульс обычно имеет полярность противоположную падающему, поэтому в формулы его следует подставлять со своим знаком.
Из одномерной теории распространения упругих волн в полубесконечных стержнях известно, что напряжение и деформация в волне связаны с массовой скоростью dU/dt простыми соотношениями:
t
1 dU
ε I (t ) = ⋅ ; откуда смещение U(t) частиц в волне U( t ) = C ∫ ε I ( t ) ⋅ dt
C dt 0
Схема нагружения образца импульсами сжатия в системе РСГ
Рис.1.2 представлена на рис. 1.2. На основании последней формулы можно записать перемещения торцов стержней 1 и 2, примыкающих к образцу. Перемещение левого торца U1 ( t ) складывается из перемещения U1I ( t ) , вызванного
распространением импульса εI(t), и перемещения U1R ( t ) , вызванного распространением импульса εR(t):
t t t U1 ( t ) = C ∫ ε I ( t ) ⋅ dt +(−C) ∫ ε R ( t ) ⋅ dt =C ∫ ε I ( t ) − ε R ( t ) ⋅ dt
0 0 0
Перемещение правого торца U 2 ( t ) вызвано распространением импульса εT(t):
t
U 2 ( t ) = C ∫ ε T ( t ) ⋅ dt Средняя относительная деформация образца длиной L0 будет равна:
U 2 ( t ) − U1 ( t )
ε s (t) =
L0 или, если выразить ее через импульсы в стержнях:
∫ [ε ]
t
C
ε s (t ) = I
(t ) − ε R (t ) − ε T (t ) ⋅ dt (1.1)
L0 0
Отсюда скорость деформации образца:
⋅ (ε I ( t ) − ε R ( t ) − εT ( t ) )
C
ε s ( t ) = (1.2)
L0
Для нахождения напряжения в образце следует рассмотреть усилия на торцах образца. Усилие на левом торце Р 1 (t) складывается из сжимающего усилия P1I ( t ) , вызванного импульсом εI(t), а усилие на правом торце вызвано импульсом εT(t).
Тогда с учетом закона Гука (стержни имеют высокий предел упругости и деформируются упруго):
Изготовление стержней COLD-BOX-AMIN-методом
... 15 предприятий для изготовления стержней и форм для отливок из всех видов сплавов, в том числе углеродистых и легированных сталей. ... большой выбор оборудования для процессов, связанных с применением ХТС. Это стержневые комплексы, линии опочной и безопочной формовки, ... обладали бы аналогичными технологическими свойствами(прочность, скорость отверждения, живучесть и т. д.). Снижение содержания связующей ...
[
P1 ( t ) = EA ε I ( t ) + ε R ( t ) ; ] P2 ( t ) = EAε T ( t ) ,
где Е и А — соответственно модуль Юнга и площадь поперечного сечения
P1 ( t ) + P2 ( t ) стержней. Средняя сила равна P= , отсюда среднее значение напряжения в образце:
σs ( t ) =
P
=
EA I
A s 2AS0
[
ε ( t ) + ε R ( t ) + εT ( t ) . ] (1.3)
Здесь A S0 представляет собой исходную площадь сечения образца. Как уже было отмечено, напряженное состояние образца ввиду малости его длины и большой длительности падающего импульса практически однородно, поэтому с достаточной точностью можно считать, что силы на торцах образца равны. Отсюда следует, что
ε I ( t ) + ε R ( t ) = ε T ( t ) /]. (1.4) Подставив это выражение в (1.1), (1.2) и (1.3), получим более простые выражения для вычислений напряжения деформации и скорости деформации в образце, которые наиболее часто используются на практике:
EA
σ s (t) = ε T (t)
A S0
t
2C R
L 0 ∫0
ε s (t) = − ε ( t ) ⋅ dt (1.5)
2C R
ε s ( t ) = − ⋅ ε (t)
L0
Переписав равенство (2.4) в виде ε R ( t ) = ε T ( t ) − ε I ( t ) и подставив в (1.5), получим еще один набор формул для подсчета напряжения и деформации образца. В обобщенном виде набор формул записать можно следующим образом:
t
2C
L 0 ∫0
ε s (t) = − ε1 ( t ) ⋅ dt
2C
ε s ( t ) = − ⋅ ε1 ( t ) (1.6)
L0
EA
σ s (t) = ε 2 (t)
A S0
Здесь вместо зависимостей ε 1 (t) и ε 2 (t) может быть подставлено одно из трех выражений соответственно: для вычисления деформации для вычисления напряжения ε1 ( t ) = ε I ( t ) − ε R ( t ) − ε T ( t ) ε 2 (t) = ε I (t) + ε R (t) + ε T (t)
( ε1 ( t ) = 2 ⋅ ε I ( t ) − ε T ( t ) ) (
ε 2 (t) = 2 ⋅ ε I (t) + ε R (t) ) (1.7) ε1 ( t ) = −2 ⋅ ε R ( t ) ε 2 (t) = 2 ⋅ ε T (t)
Таким образом, имеется возможность подсчета напряжений и деформаций в образце с использованием любых двух или всех трех импульсов в стержнях (всего 9 наборов формул).
С одной стороны это удобно, когда по каким либо причинам не удалось достоверно зарегистрировать один из импульсов, а с другой стороны при наличии всех трех импульсов можно, сравнивая диаграммы деформирования, полученные по разным наборам формул, оценить точность выполнения основной предпосылки методики Кольского (1.4).
Следует отметить, что наиболее точными являются формулы (1.1-1.3), в то время как наиболее удобными и простыми являются формулы (1.5), поэтому именно они чаще других применяются на практике для построения диаграммы деформирования.
Далее из полученных параметрических зависимостей σ s (t), ε s (t) и ε S ( t )
исключается время, как параметр, и строится диаграмма деформирования σ s ~ε s конкретного образца с известной зависимостью ε S ~ ε S . Эта зависимость используется для контроля изменения скорости деформации в процессе деформирования или для оценки влияния истории изменения скорости деформации на получаемую диаграмму образца при нагружении импульсом сложной формы. Кроме этого зависимость ε S ~ εS может использоваться для дальнейшего построения динамической диаграммы материала σ S ~ε S при ε S ( t ) ≈ const с привлечением специального математического аппарата в случае,
Измерительные приборы для проведения статических испытаний конструкций
... для теории и практики современного строительства. 1. Испытания строительных конструкций статической нагрузкой Экспериментальные исследования сводятся к измерению деформаций, возникающих при приложении нагрузки. Конструкция деформируется в зависимости от схемы приложения и ...
когда по тем или иным причинам скорость деформации в процессе проведения испытаний не является постоянной.
Для построения истинной диаграммы деформирования при больших деформациях значения напряжения и деформации корректируются. Для этого в формулы методики вместо исходной площади поперечного сечения образца A S0 следует подставить ее текущее значение, определяемое из условия равенства объемов образца в деформированном и недеформированном состоянии:
A s0
As ( t ) =
1 ± εs ( t )
Причем знак минус берется при сжатии, а плюс — при растяжении. Тогда истинное напряжение рассчитывается по формуле:
σsИ ( t ) = σs ( t ) ⋅ (1 ± εs ( t ) ) . (1.8) Для подсчета деформации использовано понятие суммарной относительной или истинной (логарифмической) деформации:
ε sИ ( t ) = ln 1 ± ε s ( t ) ) (1.9)
Таким образом, при построении динамической диаграммы сначала подсчитываются технические значения деформации и напряжения в образце, (например, по формулам (1.6)), а затем эти величины корректируются в соответствии с формулами (1.8) и (1.9) и строится истинная диаграмма. Для малых степеней деформации (менее 0.15) истинная и техническая величина деформаций практически совпадают.
В ходе испытания с помощью тензодатчиков на мерных стержнях регистрируется нагружающий импульс напряжения (деформации), форма, амплитуда и длительность которого задаются выбором длины, материала и скорости разгоняемого в стволе газовой пушки ударника. Контроль этого импульса позволяет оценить идентичность условий нагружения испытуемого образца (с целью выявления разброса свойств), либо выявлять влияние на динамическое поведение исследуемого материала какого-либо параметра нагружения.
Кроме того, регистрируются отраженный от образца и прошедший через него импульсы напряжения (деформации), являющиеся «откликами» материала на приложенную нагрузку и позволяющие построить динамическую диаграмму испытуемого образца.
2. Описание экспериментальной установки для исследования
динамических свойств материалов при повышенных
температурах по методу Кольского
Для исследования динамического поведения материалов при повышенных температурах использовался коммерческий экспериментальный комплекс, поставленный фирмой THIOT INGENIRIE (Франция) и смонтированный в НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова. Основу комплекса составляет экспериментальная установка, реализующая метод Кольского на основе разрезного стержня Гопкинсона (РСГ), которая включает в себя пневматическое нагружающее устройство (газовую пушку) с системой управления и пуска, комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры и комплект разрезных стержней Гопкинсона диаметром 20 мм.
Газовая пушка с системой управления и пуска Launcher производства THIOT INGENIRIE калибра 21мм с длиной ствола 2м с максимальным расчетным давлением в камере высокого давления 140атм и максимальным рабочим давлением 30атм обеспечивает широкий диапазон скоростей ударника – от 5 до 40м/с.
Комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры состоит из системы высокоскоростного сбора данных с генератором импульсов Genesis 7 фирмы HBM (Германия) (количество каналов – 4, частота обмена данными – 120 кгц), лазерной оптической системы измерения скорости ударника VMS600 фирмы Symes (Франция) (точность 99,7%) и управляющего компьютера фирмы HP с установленным набором специализированного программного обеспечения (HOPKINSON BARS TREATEMENT SOFTWARE фирмы THIOT INGENIRIE и Perseption (Perception Software, США).
Расчет электрической печи сопротивления периодического действия
... В данной курсовой работе проведем расчет муфельной электропечи для отпуска изделия. 1. Тепловой расчет Цель теплового расчета электрических печей сопротивления определение оптимальных ... температуры нагревателя Материал нагревателя Рекомендуемая температура, оС Максимально допустимая температура, оС Непрерывный режим работы Прерывистый режим работы Непрерывный режим работы Прерывистый режим работы ...
Набор сменных мерных стержней включает стержни диаметром 20мм из высокопрочной мартенситной стали, алюминия и поликарбоната, выбор которых зависит от акустической жесткости испытуемого образца. Длина передающих мерных стержней составляет 2 м, длина опорных стержней – 2 м и 1 м для испытаний на сжатие и растяжение соответственно.
В комплект установки включен набор ударников диаметром 20 мм (из высокопрочной стали, алюминия и поликарбоната) различной длины – от 100 мм до 800 мм.
Рис.2.1. Схема экспериментальной установки для испытаний на сжатие
Работа установки осуществляется следующим образом (рис.2.1).
Для производства выстрела сжатый воздух (азот) из камеры высокого давления через редуктор закачивается в рабочую камеру. Давление в рабочей камере задается с пульта управления и контролируется с точностью до 0.01 атм. Предусмотрено две системы управления пуском сжатого воздуха из рабочей камеры в ствол – ручной и автоматический. Автоматический запуск используется в основном для проведения температурных испытаний на сжатие с предварительным нагревом образца в печи.
После запуска воздух из рабочей камеры поступает в ствол (1) и разгоняет ударник (2) до необходимой скорости. Для измерения скорости используется оптическая лазерная система, датчики которой размещены на дульном срезе ствола.
Стержни, передающий (3), опорный (5) и демпфирующий (7), закрепляются на регулируемых опорах и центрируются в тефлоновых подшипниках скольжения, позволяющих с помощью регулировочных элементов производить юстировку положения стержней для обеспечения соосности стержней между собой и летящим ударником.
Измерение деформаций в эксперименте на сжатие производится с помощью наклеенных на боковую поверхность стержней на расстоянии 1 м от образца (4) тензодатчиков (6).
Сигналы с тензодатчиков поступают в систему высокоскоростного сбора данных с генератором импульсов и далее в компьютер для последующей обработки с использованием специализированного программного обеспечения.
Для проведения температурных испытаний экспериментальная установка дополнительно оснащена полностью автоматизированной и роботизированной системой управления экспериментом на сжатие фирмы THIOT INGENIRIE с использованием удаленной от осей мерных стержней нагревательной печи R50/250/12 NaberTherm (Германия) (до 1200оС).
Для измерения температуры в эксперименте используется инфракрасный лазерный пирометр Optris LT фирмы Optris GMBH (Германия) (диапазон измерения температуры от -50 оС до 975 оС).
Схема проведения эксперимента на сжатие при повышенных температурах показана на рис.2.2 и состоит из 5 шагов.
На этапе инициализации печь разогревается до необходимой температуры. С пульта управления задается давление в рабочей камере и время разогрева образца в печи. Образец в форме таблетки диаметром от 5 до 10мм помещается в лапы захвата-манипулятора, а стержни располагаются в предписанном положении, не препятствующем помещению образца в печь, и зафиксированы пневмотормозом.
Обеспечение прочности змеевиков трубчатых печей как цельной конструкции
... комплексе ANSYS. Цель работы: Разработать расчетную модель змеевика трубчатой печи, позволяющую оценить прочность любой конструкции змеевиков с учетом термосилового нагружения. Разработать критерии ... свою очередь подразумевает повышение эффективности работы печи в целом. 1 Конструкция и принцип действия трубчатых печей Классификация печей Классификация печей — это упорядоченное разделение их ...
1. Инициализируется запуск автоматической программы проведения
эксперимента.
2. Образец с помощью манипулятора загружается в печь.
3. Через заданное на пульте время образец выгружается из печи.
4. К образцу при помощи одноосных манипуляторов подводятся стержни.
5. На последнем этапе одновременно выполняются команды на раскрытие
лап захвата образца, отведение тормозов от мерных стержней и спуска
затвора газовой пушки. Рис.2.2. Схема проведения динамических испытаний с предварительным нагревом образца
Для альтернативного измерения деформаций в образце при проведении экспериментов использовалась высокоскоростная система визуализации деформаций методом корреляции цифровых изображений. Аппаратнопрограммный комплекс анализа деформаций включает 2 высокоскоростных камеры HighSpeedStar 8 производства фирмы LaVision (Германия) (разрешение при скорости съемки 150000 кадров в секунду – 256х144 пикселей), высокоскоростной контроллер и управляющий компьютер со специализированным программным обеспечением DaVis производства фирмы LaVision. Рис.2.3. Общий вид экспериментальной установки для испытаний на сжатие при
высоких температурах
3. Методика проведения температурных динамических
испытаний на сжатие по методу Кольского
В экспериментальном комплексе НИИ механики МГУ для проведения высокотемпературных испытаний на сжатие по методу Кольского реализована схема, использующая удаленную печь для нагревания исследуемого образца до заданной температуры (рис. 3.1).
печь высокоскоростные
камеры
захваты
Рис. 3.1. Установка для проведения высокотемпературных динамических испытаний
с удаленной печью
При этом образец помещается в печь автоматически при помощи специальных роботизированных захватов и затем таким же образом устанавливается между разрезными стержнями установки. Таким образом, за время испытания происходит активный теплообмен образца с окружающей средой и контактирующими с ним стержнями. Поэтому стандартная методика Кольского в данном случае требует доработки для оценки степени однородности состояния образца [13].
Весь процесс можно разделить на несколько этапов:
1) квазистатическое нагревание образца в печи до заданной температуры;
2) перемещение образца с постоянной скоростью в рабочую зону между
разрезными стержнями Гопкинсона;
3) подведение стержней к образцу (контакт);
4) открытие захватов и инициализация ударного импульса в
эксперименте;
5) собственно эксперимент на динамическое сжатие.
На каждой стадии необходимо решить температурную (термомеханическую) задачу для определения полей температур, деформаций и напряжений внутри образца для оценки степени их неоднородности. В каждом случае, следовательно, требуется решить уравнение теплопроводности
∂T
∇ ⋅ k∇T + q = ρc (3.1)
∂t с граничными условиями различного вида в зависимости от типа теплообмена с окружающей средой: а) задана температура на поверхности тела
T Γ
= T ( x, y , z , t ) (3.2) б) теплоизолированная поверхность
∂T
=0 (3.3)
∂n Γ
в) конвективный теплообмен
q = h(T − T∞ ) (3.4) г) излучение
Опытное изучение свойств материалов: назначение и виды испытаний. ...
... деформаций применяют специальные приборы (тензометры), имеющие высокую чувствительность. Подробное описание испытательных машин и приборов можно найти в специальных руководствах. Для статического испытания требуется (как минимум) 2 идентичных образца, ... является условным, так как в зависимости от условий испытания (скорость нагружения, температура) и вида напряженного состояния хрупкие материалы ...
Q = Afσ (T14 − T24 ) (3.5) д) температурный контакт
q = hс (T1 − T2 ) (3.6)
На самом деле такие параметры, как коэффициент теплопередачи h , контактная проводимость hс и коэффициент эмиссии f являются неизвестными величинами, и их значения зависят от многих факторов, таких как температура поверхности, неровности и цвет поверхности, контактные давления, толщины пограничного слоя, чисел Рейнольдса и Нюссельта набегающего потока и др. В некоторых простейших случаях существуют соотношения, позволяющие адекватно задавать данные величины. Однако для реальных задач единственным способом их определения является экспериментальное исследование. В работе было проведено большое количество тепловых испытаний с целью получения экспериментальных данных о граничных условиях. На первом этапе квазистатического нагревания образца было выполнено термометрирование захватов по всей длине при различных значениях температуры печи (рис.3.2).
Полученные данные позволили определить коэффициент теплопередачи материала захватов (высокопрочная мартенситная сталь INOX 310s) в зависимости от температуры.
Рис. 3.2. Термометрирование захватов при различных температурах печи
На следующем этапе автоматического перемещения образца из печи в область между разрезными стержнями производился съем информации с помощью инфракрасного температурного датчика, пирометра (рис. 3.3), установленного над рабочей зоной РСГ установки. Такой способ измерения данных позволяет в реальном времени наблюдать изменения температуры на поверхности образца на протяжении всего эксперимента с момента его установки между стержнями. Также на полученном графике отчетливо видны стадии испытания, отвечающие моментам подведения стержней, открывания захватов и началу динамического сжатия образца.
Рис. 3.3. Температурные данные с пирометра
В дальнейшем на каждом этапе решение температурной задачи производилось при помощи метода компьютерного моделирования в среде LSDyna. Начальное температурное состояние системы было получено путем решения квазистатической задачи неявным методом (рис. 3.4).
Для моделирования материала держателя и образца использовалась стандартная модель в среде LS-Dyna *MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMAL [14,15] с заданием температурных свойств при помощи карты *MAT_THERMAL_ISOTROPIC_TD_LC. В качестве граничных условий рассматривался конвективный теплообмен с окружающей средой (*BOUNDARY_CONVECTION_SET).
Кривая зависимости коэффициента теплопередачи как функции температуры получена в результате сопоставления экспериментальных и численных данных (рис. 3.5).
Рис. 3.4. Моделирование квазистатического нагревания
Рис. 3.5. Коэффициент теплопередачи на стадии нагревания
На втором этапе при движении захватов из печи осуществляется более интенсивный теплообмен с окружающим воздухом, что приводит к изменению значений коэффициента теплопередачи (рис. 3.6).
Этой стадии соответствует численное моделирование динамической температурной задачи. При этом реальное перемещение держателей моделируется путем задания граничных условий в виде кусочно-постоянных функций времени.
Рис. 3.6. Коэффициент теплопередачи на этапе перемещения образца из нагревателя в рабочую
область между стержнями
Наконец, выполняется численное решение о термическом контакте образца со стержнями и, в заключение, производится моделирование этапа, отвечающего открытию захватов (рис. 3.7).
Деформация грунтов и осадка фундаментов
... и др. Разработка вопросов оценки деформаций грунтов и расчета осадки фундаментов, начатая за рубежом К. Терцаги, ... нагрузку от фундаментов приходится передавать на более плотные грунты. Однако при правильном прогнозе совместной деформации грунтов и ... задачи разработки методов прогноза с требуемой точностью совместной деформации надземных конструкций и основания. Наиболее сложно решаются вопросы ...
а) начальное нагревание
б) выход из печи
в) останов
г) подведение стержней
Рис. 3.7. Моделирование температурной задачи при автоматизированном процессе подачи
образца
Финальное температурное состояние образца в момент динамического сжатия представлен на рис. 3.8.
Рис. 3.8. Температурное состояние образца к моменту динамического сжатия
Разброс температуры вдоль образца не превышает 15 %. Однако центральная рабочая область находится практически в однородном температурном состоянии. 4. Данные и результаты температурных динамических тестов на сжатие образцов из ВТ3-1
В настоящей работе проводилось исследование механических свойств материала ВТ3-1 в динамических тестах на сжатие (вплоть до разрушения) по методу Кольского в диапазоне температур 20 … 300 °С при характерных скоростях деформаций ~ 1000 с-1. Для этого заказчиком были изготовлены цилиндрические образцы высотой 5 мм диаметром 5 мм (указаны номинальные размеры).
Ранее авторами была разработана обобщенная методика [13] проведения высокотемпературного РСГ эксперимента, использующего для нагревания удаленную печь и роботизированную систему подачи образцов. В данном исследовании было произведено уточнение и дальнейшее развитие методики с учетом исследуемого материала. В главе 4 отчета показано, что рекомендованные размеры образцов (5×5 мм) удовлетворяют основным гипотезам метода Кольского, а именно, в них в ходе эксперимента реализуется однородное температурное состояние в рабочей области.
Одной из основных целей НИР было определение предельной деформации образцов при одноосном сжатии. Титановый сплав ВТ3-1 является высокопрочным материалом с высокими предельными характеристиками. В испытании по методу Кольского нагружение осуществляется при помощи газовой пушки калибра 21мм с длиной ствола 2м с максимальным расчетным давлением в камере высокого давления 140атм и максимальным рабочим давлением 30 атм, что обеспечивает широкий диапазон скоростей ударника- от 5 до 40м/с. Длина ударника и величина давления в камере позволяют варьировать амплитуду и длительность импульса нагружения. Экспериментальным путем было выявлено, что оптимальным в настоящем исследовании является использование ударника длиной 600 мм, что обеспечивает поддержание в образце требуемых скоростей деформаций и позволяет довести его до разрушения.
Поскольку при использовании удаленной печи за счет активного теплообмена с окружающей средой в процессе испытания происходит существенное охлаждение образца, то для достижения необходимой температуры к моменту динамического сжатия было необходимо подобрать значения начального разогрева образцов в печи. С этой целью была выполнена термическая калибровка системы на одном из изготовленных образцов путем выполнения фиктивного эксперимента (с нулевым давлением) и фиксацией падения температуры на образце в реальном времени при помощи пирометра. Результаты замера температур представлены на рис. 4.1.
начало
деформирования
300
T=100 T, °С 200
T=150 (Tпечи=300)
150 T=200 (Tпечи=350)
Т=300 (Тпечи=470)
50
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
t, c
Рис. 4.1. Падение температур в образце до необходимого уровня. Калибровка печи.
Параметры проведенных динамических тестов приводятся в таблице 1. Результаты (диаграммы нагружения образцов) проведенных тестов при разных значениях температур представлены на рисунках 4.2 — 4.5
Таблица 1. Параметры экспериментов по методу Кольского
Длина, Диаметр, Давление, Температура, скорость деформаций,
№ V, м/с Примечания
мм мм Bar °С с-1
разрушение, ε=17%, съемка с
1 4.91 4.90 4.00 26 10.91 1300
одной камеры, без калибровки
2 4.90 4.90 4.00 26 10.87 1300 разрушение
3 4.86 4.99 4.01 26 10.86 1300
4 4.92 5.00 4.03 90 10.84 1380 разрушение, ε=18%
5 5.04 4.93 3.91 100 10.06 1200 разрушение, ε=25%, Т ниже
разрушение, ε=22%, Т ниже, белый
6 4.88 4.95 3.80 200 10.57 1450
образец
1400 разрушение, ε=22%, съемки нет,
7 4.84 4.94 3.72 200 10.44
белый образец
разрушение, ε=23%, Тпечи=300,
8 4.95 5.00 3.60 200 10.03 1250
черный образец
разрушение, ε=19%, образец не
9 5.24 4.99 3.59 200 10.11 1200
спекся, Тпечи=350, Тобразца=210
10 4.94 4.97 3.52 300 9.07 1100 разрушения НЕТ
появляется несквозная трещина,
11 5.21 4.94 3.70 300 9.82 1250
ε=22%
12 4.85 4.94 3.80 300 10.04 1400 разрушение, ε=17%
ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ
3000
Диаграммы нагружения образцов при 2500
комнатной температуре
2000
Образец №1 1500
Образец №2
Образец №3 1000 скорость деформаций 0
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 ε, %
- 500
Рис. 4.2. Диаграммы нагружения образцов при Т = 20 °С 3000
Диаграммы нагружения образцов при
Т=100°С 2500
2000
Образец №4
Образец №5 1500
скорость деформаций (№4)
скорость деформаций (№5) 1000 0
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 ε, %
Рис. 4.3. Диаграммы нагружения образцов при Т = 100 °С
ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ
2500
Диаграммы нагружения образцов при
Т=200°С 2000
Образец №6 1500
Образец №7
Образец №8
Образец №9 1000
скорость деформаций (№7)
скорость деформаций (№9)
0
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 ε, %
Рис. 4.4. Диаграммы нагружения образцов при Т = 200 °С 2500
Диаграммы нагружения образцов при
Т=300°С 2000
Образец №10
Образец №11 1500
Образец №12
скорость деформаций 1000 (№10)
скорость деформаций
(№11)
500 скорость деформаций
(№12)
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 ε, %
Рис. 4.5. Диаграммы нагружения образцов при Т = 300 °С
ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ
3000
Диаграммы нагружения образцов
Т=20 2500
Т=100
2000
Т=200
Т=300 1500
скорость деформаций
(Т=20) 1000 скорость деформаций
(Т=100)
скорость деформаций
(Т=200)
скорость деформаций
(Т=300)
ε, %
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00
Рис. 4.6. Кривые нагружения ВТ3-1 в диапазоне температур 20…300 °С
На рис. 4.7 представлены результаты статических испытаний образцов в диапазоне температур 20…500 °С (эксперименты проведены в ЦИАМ им. П. И. Баранова)
Рис. 4.7. Кривые нагружения ВТ3-1 в диапазоне температур 20…300 °С
ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ
Сравнение результатов статических и динамических тестов показывает, что титановый сплав ВТ3-1 обладает высокой степенью скоростного упрочнения (увеличение предельных характеристик до 1,5 раз).
Кроме того, дальнейший анализ показывает, что динамические диаграммы нагружения имеют падающий участок. Такой эффект объясняется развитием начальных дефектов в образце вплоть до полного разрушения и потери несущей способности. Началу падающего участка соответствуют значения деформаций 18…22 %, причем не наблюдается какой-либо зависимости от температуры испытания. Эти значения рекомендуется принимать в качестве величины предельной деформации (в запас) в последующих исследованиях.
На рис. 4.8 представлены исследуемые образцы в начальном, деформированном и разрушенном состоянии.
а) образцы до испытаний
б) деформированный (слева) и разрушенные образцы
Рис. 4.8. Исследуемые образцы до и после испытаний
ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ
На рис. 4.9 изображена характерная кинограмма процесса динамического сжатия образца вплоть до разрушения.
t=0c
t = 0,00069 c
t = 0,00081 c
t = 0,00374 c
Рис. 4.9. Характерная кинограмма процесса динамического нагружения
ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ
Заключение
Работа выполнена в полном объеме в соответствии с Техническим заданием.
Проведен цикл экспериментальных исследований по определению динамических свойств титанового сплава ВТ3-1 при повышенных температурах с использованием модифицированного для температурных испытаний метода Кольского. Испытания проводились на новом экспериментальном оборудовании НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова, включающем автоматизированный и роботизированный экспериментальный комплекс для исследования динамических свойств материалов по методу Кольского при повышенных температурах, а также высокоскоростную систему визуализации деформаций методом корреляции цифровых изображений.
В рамках проведенного исследования отработана методика проведения динамических температурных испытаний с использованием удаленной от осей мерных стержней нагревательной печи. Проведено детальное термометрирование системы захват-образец на наиболее критичных с точки зрения температурного состояния этапах эксперимента: выгрузки образца из печи и подведения к нему холодных стержней. Неоднородность температурного состояния в образце оценивалось методом компьютерного моделирования. По результатам анализа показано, что в цилиндрических образцах с D=5 мм и L=5 мм температурное состояние можно считать однородным за исключением малых областей на границе контакта с мерными стержнями. Это позволяет использовать для расшифровки НДС в образце основные гипотезы метода Кольского.
По результатам проведенных экспериментов построены динамические диаграммы нагружения и определены предельные характеристики на сжатие при характерной скорости деформаций порядка 1000 с-1 при температурах образца 20, 100, 200 и 300 °С.
ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ
Установлено, что титановый сплав ВТ3-1 обладает высоким динамическим упрочнение (порядка 1.5).
Практически все образцы удалось довести до разрушения. В исследованном диапазоне температур характер разрушения образцов был одним и тем же (характерный скол под углом 45 градусов к оси образца).
Анализ диаграмм нагружения, а также материалы высокоскоростной видеосъемки показали, что потеря несущей способности образца происходит при деформациях порядка 30%, в то время как старт процесса развития трещины примерно соответствует началу падающего участка диаграммы и соответствует деформации 18-20%. При этом зависимости предельной деформации от температуры не выявлено.
ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ
Список литературы 1. Кольский Г. Исследования механических свойств материалов при больших
скоростях нагружения //Механика. – Вып. IV. – М. : ИЛ, 1950. –c. 108-119 2. Николас Т. Поведение материалов при высоких скоростях деформаций.
Динамика удара. Под. Ред. Зукаса Дж. и др. – М.: Мир. 1985. С. 198-256. 3. Моссаковский П.А, Антонов Ф.К., Костырева Л.А., Ломакин Е.В., Брагов
А.М, Константинов А.Ю, Колотников М.Е. Моделирование поведения титанового сплава ВТ20 при ударном взаимодействии // Вестник Нижегородского Государственного Университета им. Н.И. Лобачевского. Издательство ННГУ, Нижний Новгород, 2011, №1, с. 129-132. 4. Моссаковский П.А., Антонов Ф.К., Колотников М.Е., Костырева Л.А. О
критериях разрушения металлов при динамическом нагружении // Вестник Нижегородского Государственного Университета им. Н.И. Лобачевского. Издательство ННГУ, Нижний Новгород, 2011. №4, часть 4, с. 1639-1641 5. Mossakovsky P.A., Antonov F.K., Bragov A.M., Konstantinov A.Yu.,
Kolotnikov M.E., Kostyreva L.A. On Fracture Criterion of Titanium Alloy under Dynamic Loading Conditions // Proceedings of the 8th European LS-DYNA Users Conference, Strasbourg — May 2011. 6. Моссаковский П.А., Антонов Ф.К., Костырева Л.А., Ломунов А.К.,
Баландин В.В., Константинов А.Ю., Филиппов А.Р. Исследование пробиваемости корпусов КНД из композиционных материалов // Отчет НИИ механики МГУ №5061, 2009. 7. Моссаковский П.А., Антонов Ф.К., Костырева Л.А., Брагов А.М., Ломунов
А.К., Баландин В.В., Константинов А.Ю., Филиппов А.Р. Разработка расчетных методов оценки непробиваемости легких металло композиционных корпусов //Отчет НИИ механики МГУ №5131-11, 2011. 8. Apostol M., Vuoristo T., Kuokkala V.T.: High temperature high strain rate
testing with a compressive SHPB. J de Physique IV 110, 459-464 (2003).
ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ
9. Chen, W., Song, B.: Temperature dependence of a NiTi shape memory
alloy’s superelastic behavior at a high strain rate. J. Mech. Mater. Struct. 1, 339-356 (2006) 10. Chen, W., Song, B. Split Hopkinson (Kolsky) Bar : Design, Testing and
Application. Mechanical Engineering Series, Springer (2010) 11. Bragov, A.M., Lomunov, A.K.: Methodological aspects of studying dynamic
material properties using the Kolsky method. Int. J. Impact Eng. 16, 321-330 (1995) 12. Брагов A.M., Ломунов A.K. Модификация метода Кольского для
определения динамического коэффициента трения // Вестник Нижегородского Государственного Университета им. Н.И. Лобачевского. Издательство ННГУ, Нижний Новгород, 2008, №6, с. 125-130 13. P. A. Mossakovsky, L. A. Kostyreva, F. K. Antonov, A. V. Inyuhin
Experimental investigation and fe modeling of the high temperature dynamic properties of metal in the kolsky method / // Proceedings of the 9th European LS-Dyna Conference. — 2013 14. LSTC, «LS-DYNA KEYWORD USERS MANUAL», volume 1 version 971
R6.1.0, August 2012 15. LSTC, «LS-DYNA Material Models», volume 2 version 971 R6.1.0, August
2012.
