Динамика удара - Зукас Дж. А.
Скачать (прямая ссылка):
1.2.4. ВЛИЯНИЕ КРИВИЗНЫ МИШЕНИ
Как уже обсуждалось в разд. 1.1.1, где были приведены соответствующие уравнения, кривизна мишени влияет и на величину, и на характер распределения поверхностных ударных давлений, а также на форму контактной площадки. Некоторые общие выводы о влиянии кривизны мишени на параметры процесса соударения для случая удара жесткой сферой по цилиндрической мишени (отмеченные Грещуком и Чао [16]) таковы: 1) контактная площадка имеет форму эллипса и приближается к круговой с увеличением радиуса цилиндра, 2) размеры контактной площадки убывают с уменьшением радиуса цилиндра,
3) максимум ударной нагрузки убывает вместе с радиусом цилиндра,
4) максимум поверхностного давления растет с уменьшением радиуса цилиндра и 5) длительность контакта растет с уменьшением радиуса цилиндра. Эти эффекты в свою очередь влияют на характер разрушения и протяженность области разрушения. Граничные условия для цилиндра также будут влиять на параметры удара и характер разрушения.
1.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящее время в литературе опубликовано мало экспериментальных работ, посвященных изучению реакций слоистых композитов на ударное воздействие. Появилось несколько публикаций, в которых выполнена оценка реакции на удар в ударных испытаниях композитных балок по методу Шарпи [1, 24] и в ударных испытаниях по методу Изо-да [6, 34]. Типы испытанных материалов включали композиты с полимерным заполнителем, армированные волокнами из стекла, бора и различных графитов, а также композиты с металлической матрицей (заполнителем). В работе [5] описано испытание по методу Шарпи, позволившее определить опытным путем величину энергии, требуемой для инициирования разрушения, величину поглощения энергии при распространении разрушения и величину энергии, приводящей к катастрофическому разрушению. В сборнике [2] одна из статей посвящена чувствительности к ударному разрушению графито-эпоксидных слоистых панелей, а в других сравниваются реакции металлов и композитов на Разрушение композитных материалов 37
баллистический удар. Эксперименты по исследованию реакции композитных пластин на ударное воздействие описаны в работах [16, 29, 33]. Работа [10] содержит экспериментальные результаты, относящиеся к реакции композитных цилиндров на ударное нагружение. Некоторые из наиболее существенных результатов, характеризующих поведение композитных пластин при ударе, описаны в разд. 1.3.1.
1.3.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА
Для установления характера разрушения и порогового значения энергии, порождающего ударное разрушение в графито-эпоксидных композитах, были выполнены ударные испытания с падающим шариком [16]. В опытах можно было менять армирующие волокна, материал заполнителя, ориентацию волокон, чередование слоев, толщину пластины и скорость удара. Схема испытательной установки показана на рис. 1.24. Некоторые из испытывавшихся пластин были оснащены датчиками деформации для измерения изменения деформации во времени. На рис. 1.25 показаны типичные осциллограммы (деформация - время), полученные в ударных испытаниях со стальной сферой диаметром 3,81 см композитных пластин из материала «Торнел» 300/5208 толщиной 3,5 мм с укладкой волокон [(0, - 60, 60)4]$ при скоростях удара 1,27 и 2,54 м/с. Две кривые на рис. 1.25 представляют собой выходные сигналы двух двухосных датчиков, размещенных на тыльных поверхностях пластин (противоположных месту удара). Помимо регистрации деформаций во времени проводились наблюдения характера разрушения при ударе. Результаты рассматриваются в следующих разделах.
/-электромагнит, соединенный с пусковым переключателем, 2-коническое гнездо для ударника, 3-сферический стальной ударник диамегром 38,1 мм, 4 - испытываемый образец (круглая пластина диаметром 76,2 мм), 5-внешние кольца, прижимающие образец к опоре, б-жесткая опора, 7-резиновые прокладки, 8 -жесткая рама, 9-жесткая подвижная консоль 38
Г лава 2
1 с
T
а
Рис. 1.25. Вызванные ударом деформации в пластине из композита «Торнел»
300/эпоксид.
a-V = 1,27 м/с, Л-25,4 мкм/см, І = 0,2 мкс/см, б-V= 2.54 м/с, h = 50,8 мкм/см, / = 0,2 мкс/см
1.3.2. НАБЛЮДАЕМЫЕ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ФОРМЫ РАЗРУШЕНИЯ
Согласно одному из допущений, принятых в теории удара, описанной в разд. 1.1, при малых скоростях удара реакция мишени на удар может быть рассчитана по квазидинамической, безволновой теории. Это допущение было признано приемлемым при определение ударной силы, площади контакта и длительности контакта, как это было показано выше при установлении соответствия теории с опытом по этим параметрам. Теперь осталось рассмотреть характер разрушения при низкоскоростном ударе. На рис. 1.26 показаны типичные картины разруше-
Статическое вдавливание Удар
«« Щщ
к Л
Р*5у1 к H
V= 137,2 м/с
Рис. 1.26. Разрушения в графите, подверженном статическому вдавливанию и удару стальным шариком диаметром 6,35 мм. Разрушение композитных материалов
39
ния в графите ATJ-S при низкоскоростном ударе и при статическом вдавливании. Оба испытания (цо статическому вдавливанию и удару) были выполнены с использованием стальных сфер диаметром 6,35 мм. Скорости удара в опытах рассчитывались по формуле (1.13), так чтобы динамическая нагрузка P была такой же, как и статическая нагрузка при вдавливании. Как видно из рис. 1.26, разрушения по виду аналогичны. Результаты такого же рода для пластин из псевдоизотропного композита «Торнел» 300/5208 представлены на рис. 1.27. Разрушения на тыльной поверхности и внутри пластины при статическом вдавливании и при ударе подобны. Дополнительные результаты о характере разрушения при ударе по композитным пластинам приведены на рис. 1.28-1.30. Все пластины были испытаны на установке, показанной на рис. 1.24. На рис. 1.28 показано разрушение на тыльной стороне композитных пластин, изготовленных из трех типов армирующих волокон: «Целион» GY70 (графитовые волокна со сверхвысоким модулем упругости), «Модмор» II (волокна умеренной прочности с высоким модулем упругости) и «Торнел» 300 (волокна высокой прочности с умеренным модулем упругости). Во всех трех случаях в качестве заполнителя использовался эпоксид «Нармко» 5208. До удара тыльные поверхности пластин покрывались меловой пудрой для визуализации трещин, возникающих при ударе. Соответствующая информация о пластинах и параметрах удара дана на рис. 1.28. При сравнении ударного разрушения пластин, изготовленных из трех различных материалов, выясняется, что пластина с волокнами «Торнел» 300 значительно превосходит по сопротивляемости разрушению пластины с волокнами GY70 или «Модмор» II. Отметим, что пластины с волокнами «Модмор» II были примерно на 20% толще, чем пластины с волокнами «Торнел» 300 или GY70. Таким образом, если бы пластины с волокнами «Модмор» II имели ту же толщину, что и другие пластины, следовало бы ожидать большего объема разрушений, чем показанный на рис. 1.28.
