Experimental and computational blast resistance assessment of fiberglass samples.pdf Материалы в составе корпусных конструкции кораблей в ходе эксплуатации могут подвергаться различным видам нагрузок, одним из которых являются высокоинтенсивные динамические нагрузки, обусловленные взрывным воздействием. В последнее время для изготовления корпусных конструкций кораблей все большее применение находят полимерные композиционные материалы (ПКМ). Сопротивляемость этих материалов воздействию нагрузок в существенной мере зависит от применяемого армирующего материала и связующего, от способа армирования, технологии изготовления и др. Наиболее широко в настоящее время сопротивляемость ПКМ рассматривается применительно к условиям статического и квазистатического нагружения и в значительно меньшей степени - к условиям взрывного воздействия. Однако для выбора перспективных ПКМ для корпусных конструкций кораблей такие исследования представляют интерес. В настоящей работе рассматривается сопротивляемость ПКМ при воздействии неконтактного подводного взрыва. Взрывосопротивляемость ПКМ исследовалась, в частности, в работах [1-6], при этом значительное внимание уделялось получению экспериментальных данных. В работе [1] испытания проводились в открытом водоеме, где образцы подвергались воздействию зарядов взрывчатого вещества (ВВ) различной массы. В [3, 5] для имитации подводного взрыва использовалась коническая ударная труба, в которой микрозарядом ВВ генерируется плоская подводная ударная волна. В [4, 6] для этой цели использовалась цилиндрическая труба, где ударная волна создается при помощи удара о воду тяжелого поршня. Наряду с проведением испытаний в [2-6] разрабатывались аналитические методы и компьютерные модели воздействия подводной ударной волны на ПКМ, что позволяло верифицировать результаты расчетов и получить дополнительную информацию о параметрах деформирования образцов. Основными целями данной работы являлись: - получение экспериментальных данных по взрывосопротивляемости образцов ПКМ из стеклопластика в условиях неконтактного подводного взрыва; - применение методов компьютерного моделирования для анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) образцов применительно к условиям испытаний. Материал и образцы для испытаний Испытывались образцы ПКМ на основе квадраксиальной стеклоткани 64009 (армирование 0°/+45о/90о/-45°), производитель фирма Ahlstrom (Финляндия) и винилэфирного связующего DION FR 9300, производитель фирма Reichhold (Швеция), изготовленные методом инфузии. Были изготовлены и испытаны 4 группы образцов. В каждой группе образцы имели примерно одинаковые характеристики. Между группами они различались толщиной и соответственно поверхностной массой. Основные характеристики образцов представлены в табл. 1. Образцы представляли собой круглые пластины. Радиус пластин - 300-400 мм. Каждая пластина имела 18 отверстий для болтового закрепления. Радиус установки болтов - 250 мм. Таблица 1 Основные характеристики образцов № группы Количество Толщина, Плотность, Поверхностная Число образцов образцов 5, мм р, кг/м3 масса, m, кг/м2 слоев 1 6 7.91-8.75 1740-1860 14.71-15.23 10 2 5 7.36-7.40 1960-1990 14.49-14.69 10 3 5 5.18-5.20 1970-2000 10.20-10.40 7 4 5 3.66-3.75 1990 7.28-7.46 5 Постановка эксперимента Испытания проводились во взрывной камере ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Схема взрывной камеры представлена на рис. 1, а. Испытания образцов проводились по схеме «вода - воздух», т.е. с противоположной взрыву стороны располагалось пространство, заполненное воздухом. Во всех опытах заряд располагался напротив центра образца на фиксированном расстоянии (300 мм), варьировалась масса заряда Q (от 8 до 90 г). Использовался заряд ВВ цилиндрической формы с отношением высоты к диаметру равным 1,0, тротиловый эквивалент заряда по удельной энергии взрыва равнялся ~ 1. В соответствии с зависимостями [7] расчетные параметры ударной волны, действующей на образец в опытах, составляли: максимальное давление на фронте pm = 35-85 МПа, постоянная экспоненциального затухания 6 = (2.0-3.1)-10-2 мс. Для проведения опыта собирался макет в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1, б. Образец фиксировался между матричным основанием (тюбингом) и прижимной металлической планкой. Диаметр рабочего поля образца, закрепленного на матричном основании, составлял 400 мм. Собранный макет подвешивался вертикально во взрывной камере, которая заполнялась водой так, чтобы кромка воды возвышалась над верхней кромкой макета не менее чем на 1.0 м. В процессе испытаний производилась запись деформаций на тыльной (противоположной взрыву) поверхности образца и давления взрыва в свободной воде. Тензорезисторы для записи деформаций в радиальном и кольцевом направлении устанавливались в центре образца и в разных точках окружности r = 125 мм. В результате испытаний для каждой группы образцов определялась масса заряда ВВ, соответствующая различному объему разрушений. Объем разрушений образцов оценивался по трем характерным признакам: 1 - разрушение связующего (визуально данный признак фиксировался как изменение цвета - побеление -участка образца в средней части после опыта); 2 - разрыв отдельных волокон; 3 - сквозное разрушение (образование пробоины). Резиновая прокладка Прижимная планка Рис. 1. Взрывная камера и макет для испытаний в сборе: а - взрывная камера: 1 - макет для испытаний, 2 - заряд ВВ; b - схема макета для испытаний в сборе Fig. 1. Explosion chamber and dummy assembly: (a) explosion chamber: 1, dummy; 2, explosive charge; (b) dummy assembly В соответствии с указанными признаками устанавливались три уровня взрывосопротивляемости образцов. В качестве меры взрывного воздействия для обобщения результатов испытаний образцов с различной поверхностной массой - относительная масса заряда ВВ, где mBB - "ВВ m использовалась величина р = ■ масса заряда ВВ на единицу рабочей площади образца, кг/м ; m - поверхностная масса образца, кг/м2. Таким образом, относительная масса заряда, при которой реализуется начало того или иного типа разрушений, является показателем удельной взрывосопротивляемости образцов. Результаты испытаний На рис. 2 приведены фотографии, демонстрирующие характерные признаки разрушения образцов, а в табл. 2 - полученные на основе анализа экспериментальных данных величины в для различных уровней взрывосопротивляемости образцов. Рис. 2. Характерные виды разрушения образцов: а - разрушение связующего, вид на тыльную поверхность (Q = 8 г, р = 0.44 %, 5 = 7.32 мм, m = 14.49 кг/м2); b - разрыв волокон трех слоев с тыльной стороны (Q = 70 г, р = 3.83 %, 5 = 7.40 мм, m = 14.50 кг/м2); c - пробоина, вид на лицевую поверхность (Q = 55 г, р = 4.20 %, 5 = 5.20 мм, m = 10.40 кг/м2) Fig. 2. Typical damage patterns of the samples: (а) binder failure at Q = 8 g, в = 0.44 %, 5 = 7.32 mm, m = 14.49 kg/m2 (a rear side view); (b) disruption of the fibers of three layers at Q = 70 g, в = 3.83 %, 5 = 7.40 mm, m = 14.50 kg/m2 (a rear side view); (c) shot hole at Q = 55 g, 5 = 4.20 %, 5 = 5.20 mm, m = 10.40 kg/m2 (a front side view) Таблица 2 Взрывосопротивляемость испытанных групп образцов № группы образцов Поверхностная масса, кг/м2 Относительная масса заряда р для различных уровней взрывосопротивляемости, % Р1 Р2 Р3 1 14.71-15.23 =0.52 =3.13 =4.38 2 14.49-14.69 3.83 3 10.20-10.40

Скачать электронную версию публикации