В общем, виде принципиальная блок-схема ударной установки может состоять из следующих элементов (в соответствии с рисунком 1): испытуемого объекта, укрепленного на платформе или контейнере вместе с датчиком ударной перегрузки; средства разгона испытуемого объекта для сообщения ему необходимой скорости; разгон может осуществляться в результате свободного падения с определенной высоты или принудительно за счет энергии сжатого газа; тормозного устройства; регистрирующей аппаратуры для записи исследуемых параметров объекта и закона ударной перегрузки; датчика перегрузки; вспомогательных приборов для регулировки электрического режима испытуемого объекта, приспособления для измерения скорости в момент удара; источников питания, необходимых для работы испытуемого объекта и регистрирующей аппаратуры.

Рисунок 2.1.1 - Блок-схема ударного стенда

В некоторых случаях, когда оценивается, например, ударная прочность, схема установки может упрощаться, так как в этом случае исключаются источник питания и приборы регулировки.

Конструктивной основой ударного стенда является жесткая (обычно сварная) станина, снабженная направляющими. При разгоне объекта в результате свободного падения платформа (контейнер) фиксируется на определенной высоте Н и затем освобождается, приобретая к моменту соударения скорость. При принудительном разгоне путь движения объекта определяется длиной ствола установки; необходимая скорость создается за счет энергии сжатого газа, нагнетаемого в камеру до определенного начального давления. Специфические особенности ударных стендов в основном определяется возможностями тормозных устройств с точки зрения наибольших путей торможения объекта при ударе, а также наибольшей скоростью разгона (при заданной массе объекта). Эти технические характеристики стендов являются основными с точки зрения возможности воспроизведения заданных параметров ударных перегрузок.

Очевидно, что стенды обладают ограниченными возможностями, и поэтому полученные в результате расчета требуемые условия испытаний необходимо сопоставить с эксплуатационными характеристиками имеющегося в наличии оборудования. При этом необходимо также принимать во внимание и требование обеспечения прочности платформы и тормозного устройства.

Разнообразие нагружающих устройств и несоблюдение единого параметра испытания, отсутствие единой методики испытаний для всего диапазона изменения скорости деформирования затрудняют анализ и обобщение накопленных экспериментальных данных и снижают их научную и практическую ценность. В связи с этим представляет особый интерес разработка экспериментальных стендов и методики, единых для всего диапазона скоростей деформирования с единым параметром испытания.

2.2 Предмет экспериментальных исследований

Поведение материала под нагрузкой характеризуется функциональной связью напряжений и деформаций в локальном объеме материала. Эта связь устанавливается по результатам экспериментальных исследований путем сопоставления мгновенных значений напряжений и деформаций, соответствующих определенному объему материала.

При статических испытаниях такое сопоставление решается просто. Хотя непосредственное изменение напряжений и деформаций в одной и той же точке материала затруднено, медленное изменение нагрузки во времени, допускающее пренебрежение нестационарным распределением напряжений в цепи нагружения, связанным с волновыми процессами, позволяет измерить нагрузку на материал по ее величине в любой точке цепи нагружения.

Повышение скорости деформации вызывает появление нестационарного поля напряжений в образце и цепи нагружения, отличного от поля, возникающего при медленном статическом нагружении. Это затрудняет сопоставление усилий и деформаций в локальном объеме материала. Такие испытания требуют разработки специальных методов исследований и анализа результатов.

При высокоскоростных (динамических) испытаниях материалов чаще всего поддерживаются следующие так называемые параметры испытания: постоянная скорость деформации (), постоянный уровень нагрузки (), постоянная скорость нагружения () [1]. Это обусловлено методическими трудностями, связанными с волновыми эффектами в образцах, ограниченными возможностями экспериментальной техники, необходимостью обеспечить корректную трактовку и привязку к результатам статических испытаний. Каждый из этих параметров позволяет получить довольно специфическую информацию о механическом поведении материала под нагрузкой, которая не может с достаточной степенью точности быть отнесена на материалы, подвергающиеся импульсным нагрузкам в реальных условиях, в частности, на защитные преграды при воздействии кинетических ударников, где не может быть реализован ни один из вышеуказанных параметров нагружения, т.к. это воздействие является нестационарным.

В настоящее время определяющих уравнений состояния, позволяющих описать реологическое поведение материалов с учетом нестационарного режима нагружения – удара, нет, поэтому для выполнения расчетов используются упрощенные модели материала [2], не отражающие всей сложности поведения материала в процессе деформации и, следовательно, применимые для ограниченного диапазона условий нагружения. Успехи в построении уравнений состояния на основе физических механизмов пластической деформации, например на основе дислокационной модели пластического течения [3], имеют ограниченное значение. Зависимость сопротивления деформации от мгновенных условий нагружения (температура, скорость деформации и др.) и всей истории предшествующего нагружения, которая определяет изменение в процессе деформирования большого числа параметров, характеризующих микро- и макроструктуру материала, за исключением некоторых частных случаев, не позволяет в настоящее время дать количественную оценку инженерных характеристик сопротивления материала.

Таким образом, надежной основой для определения механических характеристик материалов при импульсном режиме нагружения и для построения уравнений состояния, пригодных для инженерных расчетов, являются результаты испытания образцов из исследуемого материала при режимах нагружения, близких к эксплуатационным. Обобщающие результаты таких экспериментальных исследований и построенные по ним эмпирические уравнения состояния, как правило, не учитывают в полной мере закономерности конкретных физических процессов пластической деформации, особенности ее развития вблизи поверхности, распределение по микрообъемам и т. д. [1]. Однако они имеют несомненную практическую ценность, поскольку с достаточной степенью точности устанавливают связь напряжений и деформаций в исследованном диапазоне режимов нагружения.

В связи с указанными недостатками существующих экспериментальных методик по исследованию процесса удара, предметом настоящего экспериментального исследования является: