Содержание к диссертации
Введение
1. Испытательный комплекс 13
1.1. Создание локальных импульсных нагрузок 13
1.2. Описание испытательного комплекса 15
1.3. Модели для испытаний 20
1.4. Общая методика испытаний 23
1.4.1. Определение параметров импульсного теплового потока 23
1.4.2. Споооб создания статических нагрузок 26
1.4.3. Измерение температуры при нестационарном нагреве 28
1.4.4. Порядок проведения испытаний 32
2. Поведение цилиндрических оболочек при локальном тепловом ударе 35
2.1. Методика эксперимента. Схема нагружения 35
2.2. Температурное поле цилиндрических оболочек при импульсном нагреве 36
2.3. Характер поведения оболочек при локальном тепловом ударе 46
2.4. Комбинированное нагружение оболочек тепловым ударом и отатяческими нагрузками 50
2.4.1. Осевое сжатие и тепловой удар 50
2.4.2. Внешнее давление и тепловой удар 59
2.4.3. Устойчивость оболочек при распространении тепла от зоны локального нагрвЕа 66
3. Поведение. оболочек при действии. локальной динамической нагрузки 72
3.1. Методика эксперимента 72
3.2. Напряженно-деформированное состояние оболочек при динамическом нагружении. Влияние граничных условий 76
3.3. Локальное выпучивание оболочек при неосесиммет-ричном динамическом нагружении 84
3.4. Определение критической динамической нагрузки 87
3.5. Поведение оболочек при действии локальной статической нагрузки 90
4. Исследование процесса волнообразования и времени выпучивания щдонддоеских оболочек при локальном тшловом ударе и комбинированном натрушений 93
4.1. Постановка задача. Особенности экспериментального изучения процессов выпучивания оболочек при локальной приложении нагрузки 99
4.2. Методика эксперимента 101
4.3. Выпучивание оболочек при локальном тепловом ударе 104
4.4. Изучение процеооа выпучивания при комбинированном нагружении 108
4.4.1. Ооевое сжатие. Низкие уровни отатичеоких нагрузок 108
4.4.2. Осевое сжатие. Высокие уровни статических нагрузок 111
4.4.3. Внешнее давление 113
4.4.4. Сравнительный анализ 115
Заключение 119
Литература 121
Приложения 131
- Определение параметров импульсного теплового потока
- Комбинированное нагружение оболочек тепловым ударом и отатяческими нагрузками
- Локальное выпучивание оболочек при неосесиммет-ричном динамическом нагружении
- Изучение процеооа выпучивания при комбинированном нагружении
Введение к работе
В реальных условиях эксплуатации современных летательных аппаратов наиболее ответственные конструктивные элементы испытывают сложные термооиловые воздействия как при установившихся,так и при нестационарных режимах.
Создание элементов кояотрукций летательных аппаратов (ЛА), предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях при обеспечении надежности в течение заданного ресурса времени, составляет одну из актуальных задач современной механики. В связи с этим, представляет интерес исследование влияния импульоного локального нагрева, поперечных локальных динамичеоких силовых воздействий на тонкостенные конструкции. Эти задачи являются предметом исследований функциональных возможностей корпусов ЛА, находящихся под действием внешних возмущений в условиях полета или аварийных посадок.
Однако теоретическим и экспериментальным исследованиям поведения ненагруженннх, либо находящихся в условиях стационарного нагружения, тонкостенных конструкций при нестационарных локальных тепловых и силовых воздействиях посвящено небольшое число исследований. Это объясняется как трудностями математического моделирования указанных процессов, так и особенностями решения поставленных задач. Не менее сложным оказывается и экспериментальное исследование, т.к. получить качественные и количественные оценки быстропротекающих процессов, создать уотановки, их имитирующие, - веоьма трудная задача.
Особенностью задачи о динамическом тепловом воздействии является необходимость исследования процессов, протекающих в различные, характерные для каждого из них, отрезки времени;
I) распространение волн деформаций;
2) развитие колебаний по основном? тону с последующим за- туханием;
3) развитие температурных деформаций в зоне нагрева и прогрев конструкции по толщине;
4) распространение температурной волны и связанного с ней напряженно-деформированного состояния.
Аналогичны процеооы и при динамичеоких локальных силовых воздействиях - волновая деформация и динамичеокое напряженно-деформированное состояние, возникающее вследствие колебаний. В обоих случаях нагружения возможно танке явление потери устойчивости, в результате чего происходит изменение формы оболочки.
Существующие исследования, основанные на различных математических моделях в рамках гипотез термоупругости, посвящены вопросам колебаний тонкостенных систем при нестационарном тепловом потоке / 86,88 /, определению напряженно-деформированного состояния конструкций / 39,40,41,62,63,64,70,79 /, локальной термоустойчивости / 23,24,25,60 /.
Несущая способность элементов конструкций при нестационарном нагреве изложена в монографии Писаренко Г.О, и др. / 65 /, а также в работах Третьяченко Г.Н., Дзюбы B.C. и др. / 27,28, 32,45,74,75 /.
Изучение устойчивости упругих систем при динамическом нагру-яении было начато Лаврентьевым М.А. и Ишлинским А.Ю. / 46 /, а затем продолжено Агамировым В.Л., Вольмиром А.С., Минаевым В.К. / 1,22 /. Так, в работе / I / на ооновании уравнений нелинейной теории пологих оболочек получено решение для шарнирно опертой оболочки, нагруженной монотонно возрастающим по линейному закону внешним давлением. При этом инерция осасимметричного движения не учитывалась. В последупцих работах было получено решение с учетом осесимметричного движения / 33 /, иоследовано влияние на чалъннх неоовершенстЕ / 77 /, линейного затухания / 78 /, вида граничных уоловий / 12 /, переменности толщины оболочки / 7 /.
Экспериментальное иооледованив влияния скорости нагружения, предварительного статического осевого сжатия и начальных несовершенств, а также геометрических и жесткостных параметров оболочек, характера закрепления при динамическом нагружении проведено в работах / 19,44,50,52 /. Некоторое несоответствие между расчетными и экспериментальными данными объясняется, очевидно, тем, что в экспериментах, как правило, нагружение производилось волной давления в жидкости, а Б расчетах, в большинство случаев, влияние нагружающей среды не учитывалось.
Одной из первых работ, в которых экспериментально изучалось поведение цилиндрической оболочки при воздействии на нее локального теплового удара, является исследование Моооаковского В.Й., Андреева I.B., Ободан Н.И., Замкового Л.Я. / 54 /. Авторами были зафиксированы локальные формы потери устойчивости в зависимости от энергии импульоа теплового потока. Влияние параметров подкрепления на устойчивость цилиндрической панели при действии теплового удара экспериментально изучалась в работе / 68 /. Оценке влияния силовых импульсных воздействий посвящены исследования Моссаковского В.И., Маневича Л.И., Прокопало Е.Ф. / 56, 57 /, в которых проанализировано поведение оболочек в зависимости от энергии возмущения, установлен характер взаимодейотвия статических нагрузок и локальных динамических воздействий.Устойчивость оболочек при действии локальных импульсных нагрузок исследовалась Кармишиннм А.В., Скурлатовым Э.Д. и др. / 34,35,58, 71,72 /.
Анализ показывает, что поведение тонкостенных систем при действии локального теплового удара или силового нагружения во взаимосвязи всех возникающих процеосов практически не изучено, причем экспериментальное изучение осложнено, в первую очередь, трудностями создания нагружакщих установок и измерительных комплексов. Между тем, для оценки несущей способности конструкции ЛА необходимо выделить "главные" и "неглавные" процеооы в каждый фиксированный интервал времени, хотя бы качественно установить их влияние друг на друга, оценить характер поведения оиотем в различные моменты времени. Актуальными представляются также исследования по определению несущей способности и характера поведения моделей отсеков ЛА при комбинированном нагружешш статическими нагрузками и импульсными температурными воздействиями. Такой анализ может быть проведен только экспериментальным путем.
Для экспериментального изучения нестационарных процеооов в оболочках при действии локальных воздействий важное значение имеет удачный выбор опособа создания нагрузки, поокольку необходимо учитывать как специфику эксплуатационной нагрузки, так и возможность наиболее точно моделировать ее в лабораторных уоло-виях. Существующие методы создания локальных динамических воздействий при яагружении цилиндрических оболочек можно условно разделить на механические, газодинамические, электрические. Важным для данного клаоса задач является необходимость выбора такого способа воздействия, при котором не нарушается герметичность тонкостенной конструкции.
Раоомотрим отличительные особенности способов создания локальных воздействий на тонкостенную конструкцию.
Экспериментальные исследования по динамическому нагружению тонкостенных конструкций проводились на установках копрового типа / 20 /, динамическая нагрузка задавалась изменением массы и высоты падения ударника. Отметим работы, в которых локальные динамические возмущения создавались о помощью шара, падающего с заданной высоты / 49,50 /. При создании динамических нагрузок широ тсое распространение получили методы, основанные на эффекте гид-1 роудара / 13,20,53 А Как и в установках копрового типа, параметры динамической нагрузки задавались варьированием массы груза и высоты его бросания Метод получил дальнейшее развитие на установках, в которых механический способ создания гидроудара был заменен электрическим. Импульсные нагрузки на оболочку создавались при разряде электрического конденсатора, электроды которого помещались в жидкость. По сравнению с механическим, электрический способ позволил увеличить скорость нагружения тонкостенной конструкции / 8,13,73 А
Из большого класса газодинамических методов выделим способы получения ударных волн при помощи взрывчатых веществ в открытом пространстве и в ударных трубках различных конструкций, а также устройства для метания твердых тел / 10,11,48 А
Среди электрических методов можно выделить способ создания локальной нагрузки о помощью пучка электронов / 90 / и метод взрывающихся проволочек / 69 А Б первом случав нагружвние конструкции импульсной нагрузкой осуществлялось пучком электронов, которые разгонялись в ускорителе, а затем направлялись на объект исследования. Во втором случае импульсная нагрузка создавалась разрядом конденсатора через токопроводящий элемент, погруженный в жидкость.
Приведенные выше способы позволяют, в основном, создавать простые локальные воздействия не обладают достаточной универсальностью.
Сопоставление различных методов, о помощью которых можно производить локальное динамическое нагружение тонкостенной конструкции, показывает, что выбор метода в наибольшей степени зависит от специфики нагрузки, которую необходимо моделировать в лабораторных условиях- В соответствии о выбранной классификацией наибольшими возможностями обладают электрические методы. Преимущества электрических методов заключаются, в первую очередь, в возможности регулирования нагружающим устройством в широком диапазоне нагрузки путем изменения электрических параметров. Кроме того, упрощается контроль этих величин, поскольку методика измерения и регистрации электрических сигналов хорошо отработана. В рамках выбранной классификации к элэктричеоким методам можно отнести способ создания динамических возмущений с помощью импульсного лазера / 6 /. Данный метод обладает значительной универсальностью и позволяет создавать как локальные температурные воздействия с большим градиентом, так и силовые динамические нагрузки, причем, изменение параметров внешнего возмущения в первом и во втором случаях ооущеотвляетоя регулировкой плотности энергии излучения ОКГ, что значительно упрощает методику проведения испытаний и измерений.
Проведенный анализ задач о локальных динамических термосиловых воздействиях и методах их иооледования позволил аформули-ровать цель настоящей работы:
1. Создание на основе стандартного оборудования испытательного комплекса для исследования поведения тонкостенных конструкций при локальных нестационарных тепловых и силовых воздействиях.
2. Изучение особенностей поведения оболочек при локальных динамических термосиловых воздействиях.
3. Оценка неоущей способности цилиндрических оболочек в условиях комбинированного нагружения статическими и локальными динамическими нагрузками.
4. Определение временных пределов применимости существующих упрощенных математических моделей, позволяющих оценивать напряженно-дсформированное состояние и устойчивость тонкостенных конструкций.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, приложений.
В первой главе приводится описание испытательного комплекса для исследования поведения тонкостенных конструкций моделей ЛА при действии локальных нестационарных тепловых и силовых воздействий. Описываются назначение и возможности отдельных блоков, входящих в измерительный кошілекс. Выделяются специфические особенности проведения экспериментальных исследований при локальном динамическом нагружении. Анализируется общая методика проведения испытаний и формулируются основные требования к моделям.
Во второй главе исследуется поведение цилиндрических оболочек при действии локального нестационарного нагрева. Определяется температурное поле цилиндрической оболочки при тепловом ударе. Изучаются различные формы локальной потери устойчивости в зависимости от размеров зоны нагрева и от энергетических характеристик теплового импульса. Оценивается влияние параметров локального теплового нагрева на неоущую способность моделей в условиях действия статических нагрузок.
В третьей главе исследуется поведение цилиндрических оболочек при действии локальных динамических нагрузок. Определяются условия закрепления оболочек, при которых возможна потеря устойчивости. Приводится сравнение о результатами локального ота-тического нагружения.
В четвертой главе приводятся результаты исследования временных характеристик выпучивания оболочек при локальном динамическом и комбинированном нагружениях (статичеокой и локальной динамической нагрузками). Определено характерное время для каждого процесса. Установлено, что время существования отдельных закритических форм равновеоия при потере устойчивости оболочек существенным образом зависит от плотности энергии теплового импульса, уровня статической нагрузки и сокращается по мере увеличения этих параметров.
В заключении, на основании проведенных исследований, сформулированы основные обобщающие выводы.
Б приложении к работе дано краткое опиоание методов измерений, применяемых в эксперименте. Там же приведены таблицы экспериментальных данных, полученных в исследовании. Представлены документы, подтверждающие практическую ценность работы.
Таким образом, научная новизна работы состоит в следующем:
- получены новые экспериментальные данные, на основании которых установлены основные типы процессов, приводящие к формоизменению ила к потере несущей способности тонкостенной конструкции при тепловом ударе и статическом нагружении, - локальная ( температурная ) и общая потеря устойчивости;
- определены зависимости критических нагрузок общей потери устойчивости от уровня подведенной энергии и размера области нагрева, установлены нижние границы несущей способности при рассматриваемых нагрузках по сравнению со статическим нагруженном;
- обнаружено явление потери устойчивости оболочки с запаздыванием, связанное с эффектом распространения тепла по поверхности и с немонотонной зависимостью критических нагрузок при неосасимметричной деформации от размера теплового пятна;
- установлено, что динамическое локальное нагружеяие оболочки, края которой закреплены от продольных смещений, вызывает локальную, а затем общую потерю устойчивости;
- выявлены характерные времена выпучивания для различных форм потери устойчивости, определяющие живучесть конструкции.
Материалы диссертационной работы докладывались на П (Ленинград, 1973 г.), X (Кутаиси, 1975 г,) и XII (Ереван, 1980 г.) Всесоюзних конференциях по теории оболочек и пластин, Всесоюзной конференции по механике оплошных сред (Ташкент, 1979 г.), У Всесоюзной конференции по экспериментальным исследованиям инженерных сооружений (Таллин, 1981 г }, Всесоюзных семинарах "Геометрические методы исследования деформаций и напряжений" (Челябинск, 1975 r#)t "Прикладные методы в задачах прочности"(под руководством академика АН СССР И.Ф. Образцова, Москва 1984 г.), на научных конференциях, посвященных итогам научно-исследовательской работы Днепропетровского государственного университета (1975-1985 гг.)» на межвузовском семинаре "Математические проблемы ме-ханики"(под руководством академика АН ТССР профессора В.И. Мое-саковского, Днепропетровск, 1978, 1981 гг.) По теме диссертации опубликовано 7 работ / 3,4,5,6,14,15,55 /•
Испытательный комплекс для исследования поведения тонкостенных конструкций при локальных нестационарных воздействиях используется при проведении экспериментальных научно-иосладовательских работ в Проблемной научно-исследовательокой лаборатории прочности и надежности конструкций Днепропетровского государственного университета. Результаты диссертационной работы внедрены в расчетную практику ЦНИИХМ (г, Москва), Экономический эффект от внедрения составляет 35 тыс. руб.
Автор выражает глубокую признательность научным руководителям работы, доктору технических наук, профессору Льву Вячеславовичу Андрееву и кавдвдату технических наук, старшему научному сотруднику Наталье Ильиничне Ободан за постоянное внимание к работе и болшую помощь.
Определение параметров импульсного теплового потока
Основными параметрами, характеризующими тепловой поток, являются энергия излучения, длительность и форма импульоа ОКГ. В ходе испытаний определялась плотность энергии излучения, характеризующая количество энергии, приходящейся на единицу площади нагрева. Для определения энергии излучения ОКГ луч от оптического квантового генератора (см. оптичеокув схему на рис. 1.2) направлялся на светоделительную пластину, где он разделялся на два луча. Болшая часть энергии лазерного излучения направлялась на цилиндрическую оболочку, а остальная часть через призму I, - на измерительную головку калориметрического измерителя лазерного излучения. Оболочка и измерительная головка устанавливались на таком расстоянии от еветоделительной пластины,чтобы оптические длины путей первого и второго луча были одинаковы. Вначале определялось соотношение энергии в первом и во втором потоках. Предварительно производилась проверка разброса энергии при фиксированном значении энергии накачки лазера. Как показали испытания, разброс энергии от импульса к импульсу не превышал 5 %ш Во всех проведенных экспериментах энергия лазерного излучения измерялась твердотельным калориметром ИКТ-Ім с аттенюа тором. При определении полной энергия луча ОКГ на основании замера энергии его части, отклоненной о помощью оветоделительной плаотины, было установлено, что Qj ъ20Цг ВД9 Qi - энергия ооновного светового потока, измеренная в точке установки оболочка; Qa, - энергия отклоненного светового потока. Результаты замеров приведены в таблице I.I ( QH - энергия накачки лазера, Q - полная энергия лазерного излучения). Удельная энергия излучения в ходе испытаний изменялась как величиной накачки лазера, так и фокусировкой лазерного излучения на объект испытаний. После испытаний на оболочке измерялся диаметр прогреваемого пятна, которое имело, как правило, форму круга, Иноіда, при малой плотности энергии лазерного излучения, контуры прогреваемой зоны были слабо различимы, В этом случае для определения диаметра пятна производился контрольный выстрел при большей энергии накачки лазера. В таблице 1.2 приведены значения плотности энергии лазерного потока W в зависимости от диаметра прогреваемого пятна Q .
Приведенные значения полечены путем изменения расстояния от оболочки до фокусирующей линзы при фиксированном значении накачки лазера (данные & 1-4, табл. 1.2) и постоянной плотности энергии Сданные № 5-8). Фокусное расстояние линзы F = 0,5 м. Для определения формы и длительности импульса ОКГ слабое излучение лазера со стороны глухого зеркала резонатора через кремниевый светофильтр и призму 2 направлялось на фотоэлектронный умножитель (см. рис. 1.2), преобразующий световой сигнал в электрический. В качестве преобразующего элемента использовался фотоумножитель ФЭУ-28. Сигнал с нагрузочного сопротивления ФЭУ поступал на вход запоминающего осциллографа С8-І2 и регистрировался. Класс и тип фотоприемника были выбраны с учетом спектрального состава лазерного излучения (длина волны излучения ГОС-І00І равна 1,06 мям), необходимого быстродействия (постоянная време ни ФЭУ составляет Т? 10"а о, что значительно меньше ожидаемой длительности измеряемого импульса) и удобства обработки выходного сигнала Установка светофильтра определялась необходимостью согласования интенсивности лазерного излучения и чувствительности фотоприемника, а также устранения влияния на ФЭУ излучения ламп накачки лазера. Для защиты от электромагнитных помех фото-приемник помещался в металлический экран. Типичные осциллограммы импульсов ОКГ приведены на рис. 1 4 (а - развертка 0.2 мо/деление ; б - 10 мкс/делеяие). Они показывают» что импульс имеет сложную микроструктуру и состоит из серии последовательных пичков различной интенсивности и длительности порядка 10" - 10 с. Огибаются серии пичков имеет крутой передний и более пологий задний фронт. За длительность импульса принята такая величина То , что энергия излучения лазера{3= 0,сТ к этому моменту составляет не менее 90 % полной энергии импульса. Для данного типа лазера эта величина равна 1,8+2 мс.
Комбинированное нагружение оболочек тепловым ударом и отатяческими нагрузками
В отличие от случая действия только теплового удара, потеря устойчивости оболочки при комбинированном нагружеяии может приводить не только к изменению первоначальной геометрии, но и к исчерпанию несущей способности.
В зависимости от уровня предварительного осевого сжатия можно получить различные формы потери устойчивости. Реализация тех же форм, что и при тепловом ударе, происходит: 1) для низких уровней энергии - при докритичеоких значениях: нагрузки; 2) для выооких уровней энергии - при низких уровнях нагрузки, не превшпащих 25 % от NKP , где JVKR - экспериментально определенное значение нагрузки потери устойчивости при осевом сжатии (рио. 2.11а, рис. 2.116).
При средних уровнях нагрузки (0,4 Мкр. + 0,6 Л/кр-) и среднем уровне энергии Q в процесое выпучивания происходит омена регулярных округлых вмятин, окружающих тепловое пятно, на две или четыре ромбовидные ЕМЯТИНЫ.
Для любого уровня энергии при нагрузках, превышанцих 0,6 JV p,, происходит общая потеря устойчивости о исчерпанием несущей способности. Б этом случае образуется пояс ромбовидных вмятин в зоне воздействия лазерного луча (рис, 2,Ив). Рассмотрим результаты испытаний в зависимости от схем нагру-жения (см. 2.1), которые приведены в таблицах (П.2.3 - П.2.7) и на рис. 2.12-2.15,
Б таблицах (П.2.3-П.2.4) результаты соответствуют нагруже-ниго оболочек по схеме I. Зависимость безразмерного параметра нагрузки К=$1/Мкр. (где J\l - значение осевой нагрузки в эксперименте) от величины jU , характеризующей размер зоны нагрева, представлена на рис. 2.12. Б качестве безразмерного параметра pi= d/Eu взято отношение диаметра зоны нагрева ц к длине вмятины вдоль дуги у= р t где ft определено в предположении, что вмятины являются квадратными / 20 /: На рио. 2,12 точками представлены результаты испытаний оболочек, для которых локальная термоуотойчивооть до начала нагружения осевой нагрузкой характеризовалась образованием ромбовидных вмятин (рис. 2.10а) в зоне нагрева, а треугольниками - округлых вмятин (рио. 2.10в).
Результаты испытаний, приведенные на графике (рис. 2.12), соответствовали такой энергии внешнего воздействия Q , при которой обеспечивалась длотнооть энергии теплового потока "W == = 6,5-Ю5 Дж/м2 +10 %, Кривая соответствует нижней границе области общей потери устойчивости оболочек, нагруженных по схеме I, о начальными ромбовидными вмятинами. Отметим, что при значениях 0,5 /м, 4,5 параметр критической нагрузки существенно зависит от величины относительной зоны нагрева, а при до 4,5 наблвдаетоя его стабилизация. На рис. 2.13 отражена зависимость параметра к от величины энергии внешнего воздействия Q Испытания проводилиоь при фиксированных значениях параметра зоны нагрева. Так, при (Ц = - 3,66 в диапазоне нагрузок 0,4 К«0,6 эта зависимость практически линейна. При увеличении зоны нагрева зависимость между указанными величинами становится существенно нелинейной. На рис. 2.14 (кривая I) приведены результаты испытаний при значении JH = 5,5. В этих испытаниях, как и ранее, регистрировалась общая потеря устойчивости. Испытания, результаты которых на графике обозначены треугольниками, прекращались, еоли на поверхности оболочки образовывалась серия локальных ромбовидных вмятин без исчерпания несущей способности. Кривая I на графике рис. 2.14 является нижней границей существования общих форм потери устойчивости.
Результаты испытаний оболочек по схеме нагружения И представлены в таблице П.2.5 и на рис. 2,14, кривая (2) (обозначены точками). Можно выделить следующие характерные моменты в поведении оболочки при испытаниях по охеме нагружения П. Установлено, что еоли зона нагрева мала (№, , I), предварительная осе вая нагрузка V 0,2 А/кр- не оказывает существенного влияния на параметр критической нагрузки К при изменении энергии теплового потока в интервале 150 Дж ) 300 Дк (ом. табл. П.2.7). В этом случае поведение оболочки было таким же, как и при нагру-жении по схеме I. С увеличением зона нагрева и энергии теплового потока 200 Дж С 1100 Дж в интервале изменения приложенных до нагрева оболочки нагрузок 0,2 Л/ 0,3 Mf/). наблюдается снижение параметра критической нагрузки, по сравнению со случаем на-груженая по схеме I, на 7-Ю %, Это иллюстрируют данные, приведенные на рис 2.14, Кривая (2) является нижней границей существования закритических форм равновесия общей потери устойчивости. Осевая нагрузка, приложенная до нагрева оболочки.в этих испытандях принималась раЕной 0,25 №р.
Аналогичная зависимость для рассмотренных ранее параметров, характеризующих нагружеяие оболочки, при использовании схемы Ш приведена на рис. 2.15, а данные напитаний - в таблице П.2.6. Кривая на графике уоловно проведена между точками, отражавшими потерю устойчивости с реализацией локальных температурных форм (обозначены кружками) и локальных форм, характерных для осевого сжатия (обозначены точками) о количеством ромбовидных вмятин от 4 до 6. Эксперименты, в которых зарегистрирована потеря устойчивости о замкнутым пояоом ромбовидных вмятин (общая потеря устойчивости), обозначены треугольниками. Звездочками отмечены испытания, в которых наблюдалось явление, условно названное "пооледейотЕием" (см. 2.4.3). Можно отметить, что характерной особенностью,приведенной на рис. 2.15 зависимости .является снижение на 10-15 % значения параметра нагрузки К при нагружении оболочки по схеме Ш, по сравнению со олучаем нагружеяия по схеме I, и на 5-7 % - по сравнению с яагружением по схеме П.
Локальное выпучивание оболочек при неосесиммет-ричном динамическом нагружении
Известно, что в зависимости от продолжительности процесса нагружения %н можно классифицировать типы деформирования: 1) квазистатический, 2) динамический, 3) импульсный. Такая классификация обычно связывается с временем собственных колебаний конструкции по низшему тону Тк » Первому типу деформирования соответствует Тн Тю второму - Сн Тк и третьему - н Ък Изменение параметра к позволяет моделировать широкий диапазон реальных видов нагруженвд: квазистатическое, внезапно приложенное давление, неограниченно продолжающееся нагружение и т.д. Время действия импульса отдачи для модельных оболочек о С Ю-3 с позволяет классифицировать действующую нагрузку как динамическую. Известно также / 21 /, что для широкого класса нагрузок при динамическом нагружении потеря устойчивости происходит по тем же, либо по более высоким, собственным формам и при больших критических нагрузках» чем в случае статического нагруже-ния. Тем не менее» нижней границей области устойчивости остается критическая нагрузка при статическом нагружении. Одной из трудностей, с которой приходится сталкиваться при проведении испытаний на динамическое нагружение, является измерение величины динамической нагрузки. Для приближенного определения этой величины можно использовать прием, коїда динамические свойства системы учитываются через коэффициент увеличения нагрузки к t равный отношению энергий, определенных в статических и динамических испытаниях. Такой прием может быть использован, если рассматриваются процессы, имеющие подобие. Сравнение форм потери устойчивости и поведение оболочки при статическом (раздел 3.5) и динамическом локаяьном поперечном нагружении показали их практическое подобие. Методика измерения энергий приведена в разделах 3.1 и 3.5. На рис. 3.13 представлена типичная зависимость "нагрузка-прогиб", определенная при статических испытаниях. По этому графику определялась энергия ACT, . Значения коэффициентов увеличения нагрузки к для оболочек серии 5 приведены в таблице 3.1.
Из приведенной таблицы следует, что коэффициент увеличения нагрузки практически не зависит от параметра относительной длины оболочки L/f . Среднеарифметическое значение коэффициента для оболочек данной серии равно 1,19. Для определения коэффициента динамичности к была проведена серая испытаний цилиндрических оболочек, нагруженных статическими : "; сосредоточенными нагрузками Эти результаты имеют также самостоятельное значение. Методика статических испытаний существенно не отличалась от проведенных экспериментов по динамическому нагрукению тонкостенных конструкций (см. П.З). Диаграммы "нагрузка-прогйб" для оболочек различной относительной длины приведены на рис. 3.13. На рис. 3.14 представлена зависимость прогиба в средней части оболочки от нагрузки,по-лученная с помощью индикаторов и теневого муарового метода. Характерная муаровая картина приведена на рис. 3.15. При достижении нагрузкой некоторого "критического" значения резко "хлопком" происходило образование мелких ромбовидних вмятин. Зафиксированы различные формы волнообразования: две в центре (рис. 3.16а) или по две у торцев оболочки (рис. 3.166) мелкие ромбовидные локальные вмятины, симметричные относительно образующей, в центре которой приложена оила. Было установлено, что на характер и расположение локальных вмятин влияют геометрические параметры оболочки. На рис. 3.17 приведены результаты испытаний оболочек для консольного закрепления (кривая I) и двохопорного опирання (кривая 2).
Анализ показывает, что при яагружешш радиальной сосредоточенной оилой потеря устойчивости с образованием локальных вмятин происходит за счет реактивных циклических напряжений сжатия,возникающих вследствие закрепления торцев. Это показали результаты тензометрии а сравнительные испытания тех же оболочек, но с подвижными в осевом направлений краями. Б этом случае смены форм равновесия не наблвдалось, а развивалось изгибное состояние в оболочке до полного эе разрушения. На рис З.І8-ЗЛ9 приведены результаты тензометрии, полученные в статических испытаниях. Зависимость продольных деформаций для семи точек, расположенных в сечении LM t от безразмерного параметра нагрузки приведена на рио. ЗЛ8. Видно, что за исключением узкой зоны, прилегающей к области нагружения, зависимость деформации от нагрузки практически линейная. Распределение продольных деформаций в сечении оболочки /4 приведено на рис. 3.20. Наблвдается совпадение полученных результатов со случаем динамического нагружения оболочки локальной нагрузкой (см. рис 3.5).
Изучение процеооа выпучивания при комбинированном нагружении
Для анализа влияния теплового удара на время и характер потери устойчивости при осевом сжатии были установлены с помощью скоростной киносъемки параметры процесса волнообразования, происходящего только при нагружении осевой нагрузкой. Полученные результаты хорошо согласуются с известными / 81,89 /. Установлено, что Еремя волнообразования составляет Пд = 3, + 3,5 мс, причем, происходит последовательная трансформация от локальной формы к общей, представляющей собой один или неоколько поясов ромбовидных вмятин. Время потери устойчивости практически мало зависит от размеров оболочки.
Далее были рассмотрены особенности деформирования оболочки в процессе нагружеяия ее тепловым потоком в зависимости от величины статической нагрузки Выделим низкие уровни, отвечающие нагрузкам ОД - 0t2 чЛ/кр, где Цкр - значение критической нагрузки, полученной при статических испытаниях для оболочек данной серии В проведенных испытаниях параметр плотности энергии W соответствовал среднему уровню 6-10 13-10 ДЖ/NT, Отличительной особенностью процесса выпучивания,по сравнению с испытаниями при "чистом" тепловом ударе, является уменьшение времени %н от начала ДЄЙОТЕИЯ теплового импульса до возникновения на поверхности оболочки различимых начальных вмятин. На кинограмме рис. 4.6 приведен процеоо выпучивания цилиндрической оболочки, нагруженной осевой нагрузкой, равной 0,15 За начало деформирования в данном случае можно принять время мо, коэда на поверхности оболочки появились лунки в центре пятна и мелкие вмятины в зоне, примыкающей к нему. Количество вмятин в зоне пятна зависело от величины прогреваемой площадки и, как правило, составляло 1-4. Необходимо отметить, что вмятины вне зоны прогрева располагались в непосредственной близости от пятна приблизительно под углами 45, 135, 225, 315 по отношению к образующей, проходящей через центр оболочки, а в некоторых случаях и под углами 90 и 270. Количество вмятин было от I до 6, Характерной особенностью про-цеооа было возникновение вмятин вокруг пятна почти одновременно с лунками в самом пятне, причем они сначала увеличивались, а затем некоторые из них уменшались и могли исчезнуть совсем.
Это, кстати, указывает на упругий характер дсформирования вне зоны нагрева. Весь процесс выпучивания в рассматриваемом олучае можно условно разделить на ДЕЄ стадии: а) образование начальных вмятин и их увеличение, а в не которых случаях, после достижения определенной величины, - их уменьшение. Продолжительность этой стадии 0,5 - 0,7 мс; к этому моменту времени максимальные прогибы достигали значения 20-25 толщин; б) уменьшение скорости роста вмятин. К моменту стабилизации их роста максимальный относительный прогиб достигал значения соДі ЗБ. Длительность второй стадии "" 0,7 - 0,8 мс.
Общее время выпучивания оболочки Тд , соответствующее низким уровням статических нагрузок, изменялось в диапазоне 1,3 Тд 1,6 мс. Таким образом, испытания при комбинированном нагружении оболочек с низким уровнем статических нагрузок показали, что время начала деформирования Хн меньше по сравнению о отмеченным при "чистом" тепловом ударе. При этом общее время локального выпучивания оболочек увеличивалось.
Процесс выпучивания оболочки для "W = 8,2 10 ДжДг при предварительном нагружении конструкции осевой нагрузкой, равной 0,6-0,8 JS/кр. (высокие уровни), иллюстрируется на рис. 4.7. Отметим дальнейшее уменьшение времени начала волнообразования по сравнению с низкими уровнями статических нагрузок, в рассматриваемом случае оно составило Сн = 0,3 мс. На приведенной кинограмме отчетливо прослеживается смена форм выпучивания. Если воспользоваться условным разбитием процесса выпучивания на стадии (см. 4.4.1), то первую стадию можно разделить, выделив деформирование в зоне нагрева и выпучивание в окрестностях этой зоны. Причем, время начала деформирования вне зоны нагрева было сдвинуто (запаздывало) по отношению к началу волнообразования в пятне нагрева на 0,2 мс. Начальные округлые лунки вокруг зоны нагрева трансформировались в ярко выраженные ромбовидные вмятины, характерные для осевого сжатия. Время выпучивания данной локальной формы Тд 1 5 мс. Вторая стадия выпучивания оболочки характеризовалась переходом от локальных вшітия, расположенных внутри зоны нагрева и вокруг нее» к регулярным (время выпучивания Гд I мс).
В рассматриваемом случае наблвдался последовательный непрерывный переход от локальной формы к регулярной. Поэтому общее время выпучивания: Т Т + Тдг 1 »5 МСф ЭТ0МУ моменту времени на поверхности оболочки образовывалось несколько замкнутых пояоов ромбовидных вмятин. На рис. 4.8 приведена качественная зависимость относительного прогиба OS/h от времени для двух характерных точек,расположенных в зоне нагрева (I) и в области образования регулярных вмятин (2). За "ноль" отсчета принято время начала действия теплового импульса
