УДК 620.17.678
И.И. Аникьев, М. И. Михайлова, А. С. Списовский, Е. А. Сущенко,
А.А. Ципко
РЕАКЦИЯ ПЯТИСЛОЙНОЙ СТЕКЛОПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ ПАНЕЛИ НА СТАТИЧЕСКУЮ И УДАРНОВОЛНОВУЮ НАГРУЗКИ
Необходимость создания оболочечных конструкций, устойчивых к воздействию динамических нагрузок, делает актуальными задачи рас чета пространственных конструкций при воздействии на них нестацио нарных волновых полей. Для подобных процессов труден выбор физиче ской модели, рассмотрение же математической задачи, как правило, приводит к решению систем нелинейных дифференциальных уравнений. Теоретическое описание процессов деформирования особенно сложно в случае расчета многослойных оболочек из нетрадиционных материалов. В связи со сказанным особое значение приобретают экспериментальные данные, полученные в условиях нагружения, близких к натурным.
В данной статье приведены результаты экспериментального исследо вания деформированного состояния плоской пятислойной стеклополиэти леновой панели при воздействии на нее статических нагрузок различного уровня; описано поведение панели при падении на одну из ее лицевых поверхностей ударной волны в воздухе; даны сравнительные характерис тики деформированного состояния при статической и динамической на грузках.
Необходимость использования армированного кварцевой стекло тканью полиэтилена в качестве конструкционного материала и выбор пятислойной структуры панелей обусловлены специфическими требова ниями к некоторым видам изделий, когда определяющими являются ди электрические и радиотехнические характеристики композитного мате риала.
Исследованная панель прямоугольного очертания представляет собой пятислойную конструкцию с одной средней пластиной и двумя наружными обшивками, между кото рыми расположены два слоя ячеистого заполнителя. Обшивки и средняя пластина из готовлены из стеклопластика на основе стеклоткани ТС 8/3-К-ТО и полиэтилена марки ТУ 38102116-77. Толщина обшивок — 1,2 мм, средней пластины — 0,5 мм. Ячеистый заполнитель образован укладкой четырехсекционных полиэтиленовых коробочек разме ром в плане 40X40 мм (каждая из секций — 20X20 мм), изготовленных литьем из полиэтилена указанной выше марки. Коробочки укладывались рядами, открытыми тор цами в сторону средней пластины, при этом между рядами помещались равные с ними по высоте пластинки стеклополиэтилена толщиной 0,84 мм. В двух слоях ячеистого заполнителя указанные пластинки располагались во взаимно перпендикулярных нап равлениях. Сборка обшивок и заполнителя в пятислойную панель осуществлялась пу тем последовательной термической сварки отдельных слоев друг с другом. Общая толщина панели — 58,5 мм.
Нагружение панели осуществляли в условиях жесткого защемления с двух корот ких сторон. Практически защемление реализовали следующим образом. Предвари тельно торцевые полиэтиленовые коробочки с коротких сторон заливали эпоксидным составом холодного отверждения на глубину ~ 18,5 мм. Затем панель вклеивали между двумя стальными рамками эпоксидным клеем холодного отверждения. Рамки
изготовляли из сплошной листовой стали марки 65Г, внутренний размер рамок 139X Х210 мм, внешний — 182X246 мм. F F F
На лицевые поверхности панели наклеивали тензорезисторы, так что их центры лежали на линии, соединяющей середины двух коротких сторон панели. С каждой сто роны было наклеено по 11 датчиков от защемленного края до ее середины, при этом использовали тензорезисторы типа 2ФКПА-3-100ГВ (ГОСТ 2116—76) с базой 3 мм. Расстояние между центрами датчиков не превышало 10 мм.
Подготовленную таким образом панель вместе с рамкой помещали в специальное гнездо измерительной секции, схематическое изображение которой дано на рис. 1.
Ри проведении статических испытаний панель с одной стороны подвергалась
|
|
|
Рис. i. Измерительная секция: 1 — |
|
|
|
стеклополиэтиленовая панель; 2 — |
|
|
|
стальные рамки; 3 — измерительная |
|
|
|
секция; 4 — падающая волна; 5 — |
|
|
|
пьезодатчик для запуска регистри |
|
|
|
рующей аппаратуры; 6 — датчик ско |
|
|
|
рости; 7 — датчик давления. |
\ |
3 |
v |
\ |
|
2 |
|
действию сжатого воздуха, подаваемого в тонкую резиновую оболочку, помещенную в одну из частей измерительной секции так, что ее смещение со всех сторон, кроме па нели, жестко ограничивалось. Сжатый воздух внутрь резиновой оболочки подавали из баллона, давление измеряли манометром со шкалой до 1 кгс/см2 (ГОСТ 2405—63) с погрешностью измерения 0,6%. Тензорезисторы включали по мостовой схеме, измере ние разности потенциалов проводили вольтамперметром ВК2-20. Погрешность измере ния деформаций не более ±10%. При каждом фиксированном уровне нагрузки изме ряли прогиб свободной обшивки панели в одной точке, расположенной на пересечении ее диагоналей. Прогиб фиксировали дважды — сразу после подачи заданного уровня давления и через 15 мин, при этом использовали стрелочный индикатор с ценой деле ния 0,01 мм.
В процессе проведения опытов при нагруженном состоянии панели фиксировали условные нули всех мостов. Затем панель нагружали давлением 0,1 • 105 Па, измеряли прогиб и изменения разности потенциалов на тензорезисторах, снова записывали вели чину прогиба, после чего' давление увеличивали на 0,1 • 105 Па и все измерения повто ряли. Наибольшая статическая нагрузка равнялась 0,8 • 105 Па.
Начальный прогиб обшивки, зафиксированный сразу после подачи заданного уровня нагрузки, продолжал увеличиваться и в течение при мерно 15 мин достигал предельного значения.
Относительные деформации е элементов нагруженной (рис. 2—а) и свободной (рис. 2—б) обшивок панели, начиная от защемленного ее края до середины (7=0,5), показаны при восьми уровнях статического нагружения Р сплошными линиями. На рисунках каждой кривой постав лено в соответствие число, равное Р • 10-5 Па.
Отметим, что деформированное состояние стеклополиэтиленовой па нели имеет сложный, быстро изменяющийся по координате характер. На длине обшивки в 2—4 см деформации могут изменяться от - 2 ,2 - 10-3 до 1*1(Н (см. рис. 2—б, Р = 0,8*105 Па), причем от защемленного края к
2,0гЕ-Ю5 А
Рис. 2. Относительные деформации нагруженной (а) и свободной (б) обшивки панели от защемленного края панели до ее середины.
центру обшивки наблюдается чередование растянутых и сжатых элемен тов. На рис. 2—а двумя вертикальными черточками на оси абсцисс пока зано положение стеклополиэтиленовых пластинок (толщина 0,84 мм), вложенных между рядами полиэтиленовых коробочек. Указанные плас тинки перпендикулярны плоскости обшивок, а также линии, вдоль кото рой наклеены тензорезисторы.
Сопоставление кривых рис. 2 и структуры заполнителя приводит к следующему выводу: на фоне общего прогиба панели наблюдаются бо лее мелкие местные прогибы, проникающие через всю толщину панели от нагруженной до свободной обшивок. Локальные вмятины, имея малый радиус кривизны, приводят к сравнительно большим местным знакопере менным деформациям, а их проникновение через все слои панели сле дует из разнополярности сигналов пар датчиков, наклеенных на одина ковом расстоянии от края с двух сторон панели.
Для исследования поведения панели при падении на нее ударной волны упомянутая выше измерительная секция присоединялась к газо динамической ударной трубе [1] того же внутреннего сечения, так что секция становилась частью канала ударной трубы. Секция высокого дав ления (камера) ударной трубы длиной около 1 м отделялась от секции низкого давления (канала) непроницаемой перегородкой (диафрагмой) толщиной 0,1—0,4 мм. В камеру компрессором нагнетался воздух до про рыва диафрагмы, в результате чего по каналу, заполненному воздухом при атмосферном давлении, распространялась волна сжатия. Длина ка нала вместе с измерительной секцией равна 4 м, исследуемая панель располагается на расстоянии 360 см от диафрагмы. По мере распростра нения вдоль канала волна сжатия становится все более крутой и при подходе к панели имеет скачкообразный плоский фронт давления, за ко торым следует зона квазистационарного течения с постоянным давле нием Р за фронтом длительностью порядка 5* 10-3 с.
При ударно-волновом испытании в измерительной секции на расстоя нии 60 см от лицевой поверхности панели располагался пьезодатчик (см. рис. 1), сигнал которого использовался для запуска регистрирующей ап паратуры. Давление в падающей волне, направление движения которой указано стрелками (см. рис. 1), а также в волне, отраженной от панели, фиксировалось с помощью пьезодатчика давления, расположенного на расстоянии порядка 10 мм от поверхности панели. В датчике давления были использованы два чувствительных элемента ЦТС-19 диаметром 1,5 мм, толщиной 0,3 мм; диаметр датчика в готовом виде 4 мм, сопро тивление 2 • 10® Ом.
Сигнал пьезодатчика подавался на предусилитель с высоким входным сопротивлением ( ~ 330 *10® Ом) на базе интегральных микросхем А142УЭ841 и А2К140УД1Б. Полоса пропускания предусилителя 0-т-2,8х X 10® Гц, коэффициент усиления 30. Регистрация велась на осциллографе С1-18 с полосой пропускания О-М • 10® Гц.
Тарировка пьезодатчика проводилась на той же установке путем ре гистрации свободно распространяющейся в канале ударной волны с од новременной записью скорости ее фронта. Типичная осциллограмма дав ления имеет вид прямоугольной ступеньки, при этом длительность нуле вой линии определяется временем распространения фронта волны от запускающего до тарируемого датчиков. Резкий скачок соответствует приходу фронта волны к пишущему датчику, а следующая затем почти горизонтальная линия луча показывает, что давление за фронтом оста ется примерно постоянным, равным скачку давления во фронте волны АР. При тарировке чувствительность датчика определялась как отно
шение |
|
AVJAP=K, |
(1). |
где ДУ — величина сигнала, В; АР — величина скачка давления, Па.
расстоянии порядка 10 мм от поверхности панели. Типичная осцилло грамма давления приведена на рис. 3. На кадре слева видна нулевая ли ния, затем скачок давления, вызванный приходом падающей ударной волны к регистрирующему датчику. После скачка давление остается по стоянным, пока к датчику не приходит фронт волны величины Рот, отра женной от панели и распространяющейся навстречу потоку воздуха за фронтом Рг падающей ударной волны. Давление Р0т за фронтом второго скачка характеризует нагрузку, действующую на поверхность панели. Опыты показали, что после отражения давление вблизи панели остается примерно равным давлению во фронте Р0т. принтом реализовался ва риант, в котором длительность действия этой нагрузки равнялась
5-10-3с.
Отношение Рот/Рг, полученное при обработке осциллограмм, с точ ностью ±10% совпадает с теоретической зависимостью [1]
|
7+1 |
|
|
РОТ |
7 -1 |
7+1 |
( 3) |
Р2 |
|
||
1+ |
Pi_ |
||
|
7 - 1 |
Р2 |
|
Вывод формулы (3) проведен для случая отражения волны амплитудой Ръ распространяющейся по покоящемуся газу с давлением Рi, от абсо лютно жесткой неподвижной стенки.
Таким образом, в исследованном диапазоне волн со скачком давле ния за фронтом не более 0,4* 105 Па нагрузка, действующая на поверх ность стеклополиэтиленовой панели в процессе взаимодействия ее с вол ной ступенчатого профиля, с точностью ±10% может быть определена из закона отражения таких же волн от абсолютно жесткой неподвижной преграды. Указанный результат согласуется с данными работы [2].
При регистрации процесса деформирования элементов обшивок па нели тензорезисторы включались по потенциометрической схеме по пять в каждой серии опытов. Сигнал каждого тензорезистора подавался на предусилитель с входным сопротивлением 10 МОм и коэффициентом уси ления 20. Регистрация велась на пятилучевом электронном осциллографе С1-33 (полоса пропускания 20 — 5* 106 Гц).
Типичные осциллограммы показаны на рис. 4. Общая длительность развертки 6 - 10-3 с (номера тензорезисторов, с которых регистрировался сигнал, приведены на рисунке). Опыт проведен при взаимодействии па нели с волной, скачок давления во фронте которой 0,13* 105 Па. Напом ним, что длительность течения за фронтом падающей и отраженной волн равна примерно 5 мс.
Деформации различных элементов нагруженной и свободной обши вок панели при падении ударной волны носят характер затухающих ко лебаний, причем период колебаний равен примерно 1,4«К)-3 с. Макси мальные деформации развиваются почти одновременно во всех элемен тах примерно через 800 мкс от момента соприкосновения фронта волны с обшивкой панели. Отметим, что недостаточно широкая в области низ ких частот полоса пропускания регистрирующих каналов искажает ре альный процесс, являясь причиной спада сигналов тензорезисторов к нулевому уровню. В действительности, при условии, что нагрузка на об шивку панели продолжает оставаться такой же, как давление за фрон том отраженной волны, деформации обшивок панели после затухания колебаний становятся равными величинам, реализующимся при статиче ской нагрузке той же величины.
С одной и той же панелью после статических испытаний было прове дено около 100 опытов, в которых она подвергалась действию волн со скачком давления на фронте от 0,1 • 105 до 0,4* 105 Па. При совпадении амплитуд давления получались практически совпадающие осцилло граммы деформации. Это обстоятельство свидетельствует о том, что ис
следуемая панель достаточно хорошо восстанавливает свои свойства после взаимодействия с ударной волной.
При обработке осциллограмм из всей серии была выбрана группа из девяти опытов с давлением на фронте волны AP/Pi = 0,21±10%, затем
проводилось измерение максимальных величин деформаций в 22 точках панели.
Данные обработки приведены на рис."'2, где кривые, обозначенные буквой D (динамика), являются эпюрами максимальных деформаций внешних поверхностей обшивок панели со стороны падения ударной волны (см. рис. 2—а) и с ненагруженной стороны (см. рис. 2—б). По скольку в падающей волне давление превышало атмосферное на вели чину ЛР = 0,21*105 Па {Р?/Рi = l,21), давление в отраженной волне, на грузку которой воспринимает обшивка панели, равнялось 0,45 • 105 Па [см. формулу (3)].
Анализ эпюр рис. 2 показывает, что при действии ударной волны стеклополиэтиленовая панель почти полностью повторяет форму, возни кающую при статическом нагружении. При этом, как правило, сигналы тензодатчиков, наклеенных друг под другом с противоположных сторон, находятся в противофазе. Деформации, возникающие при падении удар ной волны, в два раза и более могут превышать статические деформации при воздействии нагрузки, численно равной скачку давления (Рот—Pi) за отраженной ударной волной.
Выводы. 1. Исследованные плоские панели, жестко защемленные с двух сторон, при взаимодействии с ударной волной отражают как абсо лютно жесткие неподвижные преграды.
2.При действии статической нагрузки панель приобретает форму, при которой на фоне общего прогиба наблюдается образование несколь ких волн, пронизывающих всю толщину панели и связанных с внутрен ней структурой заполнителя.
3.При падении ударной волны на панель обе обшивки — нагружен ная и свободная — начинают деформироваться и развивают максималь ные прогибы почти одновременно, причем во времени деформации имеют сложный нестационарный характер.
4.Эпюры динамических деформаций качественно повторяют таковые
вслучае статических испытаний.
5.Максимальные деформации, возникающие в обшивках, как пра вило, более чем вдвое превышают деформации, соответствующие стати ческой нагрузке, равной скачку давления за фронтом отраженной удар ной волны.
|
|
С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы |
|
|
1. |
Ударные |
трубы. Сб. статей /П од |
ред. Рахматулипа X. А., |
Семенова С. С. М., |
1962. |
699 с. |
И. И. Отражение слабых |
ударных волн в воздухе |
от плоских преград |
2. |
Аникьев |
|||
из различных материалов. — Прикл. механика, 1979, т. 15, № 6, с. 128—131.
Институт механики АН Украинской ССР, |
Поступило в редакцию 21.06.82 |
Киев |
|