Динамика проникания жесткого вращающегося индентора в грунт тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Хромов, Игорь Викторович

• Хромов, Игорь Викторович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хромов, Игорь Викторович

Введение.

I. Анализ состояния проблемы. Цель и задачи исследования

II. Определение интегральных силы лобового сопротивления и момента трения при проникании инден-тора в грунт.

2.1. Решение задачи для случая поступательного движения индентора.

2.1.1. Определение текущего значения элементарной силы сопротивления преграды.

2.1.2. Определение текущего значения интегральной силы сопротивления преграды.

2.2. Решение задачи для случая поступательно-вращательного движения индентора в преграде.

III. Связанная задача поступательно-вращательного движения индентора в преграде.

3.1. Экспериментально-теоретический способ определения 42 численных значений физических констант для грунтов, входящих в структуру уравнений движения индентора.

3.1.1 Описание схемы проведения и результаты экспериментов

3.1.2 Определение численных значений констант для конкретных грунтов и преград.

3.2. Оценка влияния вращательного движения инденторов и трения на параметры проникания.

IV. Частные случаи решения обратной задачи оптимального проектирования головных частей инденто

4.1. Оптимизация геометрических параметров конических головных частей инденторов.

4.2. Вариационная задача оптимизации геометрических параметров оживальных головных частей инденторов.

4.3. Сопоставление результатов расчётов с экспериментальными данными и выработка практических рекомендаций.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика проникания жесткого вращающегося индентора в грунт»

Проблема проникания различного вида и назначения инденторов в деформируемые преграды актуальна и многопланова. Например, в военной технике существует класс боеприпасов (пули стрелкового оружия, артиллерийские снаряды, мины, боевые части ракет) проникающего типа, боевая эффективность которого существенно зависит от глубины, на которой находится боеприпас в преграде в момент его подрыва. Причём, важно уметь достоверно прогнозировать не только положение боеприпаса в преграде, но и время, за которое он достигает этого положения, для соответствующей установки взрывательного устройства. Кроме того, иногда бывает важно спроектировать головную часть боеприпаса таким образом, чтобы полная глубина его проникания в преграду (то есть глубина проникания до полной остановки боеприпаса) была максимальной [ 7, 8, 9, 14,42, 45, 56, 59].

Или ещё пример. В строительной технике и в обработке металлов давлением актуально проектировать инденторы типа «карандаши», сваи, пуансоны таким образом, чтобы при их забивании в грунты или при глубокой прошивке отверстий сила лобового сопротивления преграды была бы возможно минимальной, так как это снижает энергоёмкость процесса и повышает запас прочности индентора [ 31, 41, 52, 53 ].

И, наконец, в последние годы развивается направление, связанное с контактным исследованием свойств поверхностей планет солнечной системы - необходимо, чтобы удар и проникание индентора в грунт планеты был, с одной стороны, возможно более мягким, с другой - глубоким, чтобы обеспечить сохранность бортовой регистрирующей и передающей аппаратуры, а также максимальную информативность эксперимента [ 10, 11, 18 ].

Экспериментальным и теоретическим моделированием проникания инденторов в деформируемые преграды исследователи занимаются уже более столетия, но особенно интенсивно это направление развивается последние пятьдесят лет. Следует отметить работы в этом направлении таких отечественных и зарубежных учёных, как Н.В. Майевский, Н.А. Забудский, Жакоб де Марр, Г.И. Покровский, А. Тейт, А .Я. Сагомонян, Х.А. Рахматулин, Н.К. Снитко, Г.М. Ляхов, С.С. Григорян, Ю.В. Хайдин, В.А. Велданов, B.JI. Баранов, Ю.С. Ветчинкин, В.Н. Щитов и др.

В настоящей работе развивается и обобщается подход к задаче проникания жёсткого ударника в грунт, сформулированный и реализованный в работах B.J1. Баранова, И.В. Лопы и В.Н. Щитова [ 7, 9, 10 ]. Обобщение производится в направлении учёта влияния контактных сил трения на поверхности взаимодействия индентора и грунта при записи интегральных сил лобового сопротивления преграды, учёта зависимости сил трения от нормального давления и относительной скорости проскальзывания трущихся поверхностей. Также используется более общий вид зависимости нормального давления на контактной поверхности от скорости «набегания» преграды. Впервые вычленяется и анализируется влияние вращательного движения индентора на параметры проникания. Решается задача оптимизации формы головной части индентора.

Структурно диссертация состоит из введения, четырёх разделов и заключения.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Хромов, Игорь Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

По итогам выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований были получены следующие результаты и сделаны следующие выводы:

1. Разработаны физическая и математическая модели проникания жёстких вращающихся инденторов в грунты, учитывающие: a) полиномиальный характер зависимости нормального давления на контактной поверхности от нормальной компоненты скорости набегания преграды; b) наличие трения на контактной поверхности «индентор-преграда» с коэффициентом, зависящим от относительной скорости проскальзывания трущихся поверхностей; c) влияние вращательного движения и плоского притупления вершины головной части на формирование силы лобового сопротивления.

2. Предложен и реализован на практике экспериментально-теоретический способ определения численных значений физических констант, характеризующих динамические свойства грунтов и входящих в структуру силы лобового сопротивления. Определены численные значения констант для ряда реальных грунтов.

3. Работоспособность предложенных моделей продемонстрирована на примерах решения прямых задач проникания. В частности: a) впервые произведена количественная оценка влияния вращательного движения индентора на параметры его проникания в преграду; b) расчёты показали, а эксперимент подтвердил, что полная глубина проникания индентора в преграду с увеличением скорости вращательного движения возрастает на 3,., 7% , причём наиболее значительно этот эффект проявляется при относительно небольших (до 300 м/с ) скоростях проникания, а при дальнейшем увеличении скорости поступательного движения это влияние ослабевает. c) показано, что учёт сил трения на контактной поверхности при проникании существенно влияет на параметры проникания и уменьшает погрешность определения полной глубины проникания индентора в 1,5,., 2 раза.

4. В рамках системы обоснованных упрощающих гипотез сформированы и решены на примерах пуль стрелкового оружия проникающего типа задачи оптимального проектирования геометрических параметров головных частей инденторов двух типов: конических и ожи-вальных, включающих выбор оптимального радиуса притупления вершины головной части.

5. Проведена проверка адекватности результатов расчётов по предлагаемым моделям результатам экспериментов и получено их удовлетворительное соответствие.

6. Полученные решения и рекомендации на их базе доведены до уровня возможности их практического использования в конструкторской практике и используются на предприятиях отрасли, в частности, в ЦНИИТМ, г. Климовск, при проектировании и отработке новых перспективных образцов пуль стрелкового оружия, в том числе и принятых на вооружение в Российской Армии.

Основными направлениями дальнейших исследований в рассматриваемом направлении следует считать:

1. Обобщение и развитие моделей на случаи проектирования головных частей инденторов для проникания в тонкие преграды, толщина которых меньше высоты головной части индентора ( каски, бронежилеты ). Критерием оптимизации в этих случаях должна являться остаточная кинетическая энергия индентора после полного пробития преграды.

2. Решение задачи оптимального проектирования головных частей жёстких инденторов для случаев, когда высота головной части меньше, но соизмерима с полной глубиной проникания индентора в преграду. В этом случае влияние этапа заглубления головной части индентора в преграду будет существенным, а при малых глубинах - определяющим.

3. Обобщение и развитие моделей на случае проектирования головных частей инденторов, проникающих в прочные преграды, когда проникание сопровождается деформированием и частичным разрушением головной части. При этом разрушение головной части должно быть «управляемым», не допускающим вскрытия каморы индентора в процессе пробития преграды.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хромов, Игорь Викторович, 2004 год

1. Алексеевский В.П. К вопросу о проникании стержня в преграду с большой скоростью // Физика горения и взрыва. 1966. - № 2. - с. 57, ., 62.

2. Аллен У., Мейфилд 3., Моррисон Г. Динамика проникания снаряда в песок // В сб. переводов "Механика". 1957. - № 6. - с. 23,., 27.

3. Багдоев А.Г., Ванцян А.А. Проникание заостренных тел в металлы и грунты // Известия АН Арм ССР. Серия "Механика". - 1981. - т. XXXIV.-№3.-с. 25, .,38.

4. Балакин В.А. Трение и износ при высоких скоростях скольжения / М.: Машиностроение. 1980. - 134 с.

5. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях / Под ред. Н.А.Златина и Г.И. Мишина. М. Наука. -1974.-344 с.

6. Баранов B.JL, Бобров В.М., Хромов И.В., Щитов В.Н. Способ определения динамических свойств грунтов / Патент РФ. № 2736804. -13.04.03.

7. Баранов B.JL, Зубачев В.И., Лопа И.В., Щитов В.Н. Некоторые вопросы проектирования пуль стрелкового оружия / Тула: ТулГУ. -1996. 116 с.

8. Баранов В.Л., Иванов В.Н., Лопа И.В., Турыгин Ю.А., Хромов И.В., Щитов В.Н. Некоторые вопросы проектирования боеприпасов проникающего типа / Тула : ТулГУ. М.: ЦНИИТМ. - 2002. - 225 с.

9. Баранов В.Л., Лопа И.В., Вариационная задача минимизации силы лобового сопротивления индентора // В кн. "Известия ТулГУ" Серия "Математика, механика, информатика". - 1995. - Том 1. - Вып. 2. -с. 18,., 23.

10. Баранов B.JI., Лопа И.В., Христов Х.И., Чивиков З.Ч. Вариационная задача оптимизации формы головной части планетного индентора / В кн. "Аэрокосмические исследования в Болгарии". София: Болгар-екая Академия Наук. - 1995. - Кн. 12. - с. 146, .,149.41

11. Баранов В.Л., Мардиросян Г. Связанная задача оптимизации параметров пенетраторов для межпланетных исследований // В кн. "Прикладные задачи газодинамики, механики деформируемых и неде-формируемых твердых тел". Тула: ТулГУ. - 1996. - с. 35,., 39.

12. Баранов В.Л.,-Полтев П.А. Феноменологическая модель разрушения упруго-вязкопластических материалов // В кн. "Проблемы механики неупругих деформаций. К 80-летию проф. Л.А. Толоконникова". -Тула: ТулГУ. 2003. - с. 100,.108

13. Баранов В.Л., Сапрыкин Б.В. Оценка влияния изменения формы головной части бронебойного боеприпаса в процессе проникания набронепробиваемость // Вопросы оборонной техники. Сер. 4. - Вып.7. 1985.-с. 21,., 25.л

14. Баранов В.Л., Хромов И.В., Щитов В.Н. Определение интегральной силы сопротивления вращающегося боеприпаса при проникании в грунт // В кн. "Известия ТулГУ. Проблемы специального машиностроения". Вып. . - 2004. - с.

15. Бобров В.М., Хромов И.В., Щитов В.Н. Пуля. / Патент РФ. № 2195626.-27.12.02.

16. Бунимович А.И., Якунина Г.Е. О форме тел вращения минимальногоп сопротивления, движущихся в пластически сжимаемой и упругопластической средах // В кн. "Прикл. мат. и мех." М.: 1987. - № 3. -с. 496,., 503.

17. Велданов В.А., Наумов А.Н. Особенности движения пенетратора с газовым демпфером полезной нагрузки // Оборонная техника. 1996. -№ 1.-е. 37,., 39.

18. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю. Изнашивание при ударе / М.: Машиностроение. 1982. - 274 с.

19. Гаркунов Д.Н. Триботехника / М.: Машиностроение. 1989. - 417 с.

20. Гладков Н.А., Хайдин Ю.В., Ячник О.Е. К вопросу определения скорости проникания деформирующегося стержня в преграду // Труды МВТУ. 1982. - № 387. - с. 117,., 124.

21. Григорян С.С. Некоторые вопросы математической теории деформирования и разрушения горных пород // В кн. "Прикл. мат. и мех.". 1967. - т. 31. - Вып. 4. - с. 31,., 37.

22. Григорян С.С. Об основных представлениях динамики грунтов // В кн. "Прикл. мех. и мат.". 1960. - т. 3. - Вып. 6. - с. 74,., 79.

23. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы / М.: Наука. 1973.-228 с.

24. Ефимов М.Г. Курс артиллерийских снарядов / М.: Оборонгиз. -1939.-320с.

25. Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы прикладной математики / М.: Наука. 1972. - 592 с.

26. Ионов В.Н., Огибалов П.М. Прочность пространственных элементов конструкций (Динамика и волны напряжений) / М.: Высшая школа. -1980.-440 с.

27. Калиткин Н.А. Численные методы / М.: Наука. 1978. - 512 с.

28. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталеймашин / М.: Высшая школа. 1991. - 319 с.

29. Котляревский В.А., Румянцева Р.А., Чистов А.Г. Расчеты удара ^ штампа по грунтовому массиву с использованием различных моделей упругопластических сред в условиях плоской деформации / Изв. АН СССР. МТТ. - 1977. - № 5. - с. 317,., 328.

30. Котов А.И., Нарожная З.В., Рыков Г.В., Сутырин Н.П. Экспериментальные исследования сжимаемости песчаных грунтов и условия пластичности при кратковременных динамических нагрузках / В кн. "Прикл. мех. и техн. физика". 1976. - № 5. - с. 72, .,77.

31. Кравец В.Г. Динамика уплотнения грунтового массива взрывом / Киев: Наукова думка. 1979. - 217 с.

32. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ / М.: Машиностроение. 1971. - 324 с.

33. Красников Н.Д. Динамические свойства грунтов и методы их опре-v деления / Л.: Стройиздат. 1970. - 371 с.

34. Ляхов Г.М. Волны в грунтах и пористых многокомпонентных средах /М.: Наука. 1982. -288 с.

35. Ляхов Г.М. Основы динамики взрывных волн в грунтах и горных породах / М.: Недра. 1974. - 192 с.

36. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на ФОРТРАНе / М.: Мир. 1974. - 613с.

37. Мельников В.В., Рыков Г.В. О влиянии скорости деформирования на сжимаемость лессовых грунтов / В кн. "Прикл. мех. и техн. физика". 1965.-№2.-с. 92, .,96.

38. Михалюк А.В., Черный Г.И. Экспериментально исследование условия пластичности сжимаемых грунтов при динамическом нагруже-нии // В кн. "Прикл. мат. и техн. физика". 1970. - № 2. - с. 38,., 43.

39. Остапенко Н.А., Романченко В.И., Якунина Г.Е. Оптимальные формы пространственных тел с максимальной глубиной проникания в плотные среды // В кн. "Прикл. мех. и техн. физика". 1994. - № 4.Ф44