Экспериментальное определение полей динамических деформаций в металлических и композитных пластинах при ударе
Автор: Нихамкин М.Ш., Воронов Л.В., Болотов Б.П.
Статья в выпуске: 2, 2015 года.
Бесплатный доступ
Цель исследования состоит в разработке и верификации методики экспериментального определения динамических полей деформации при изучении процессов ударного повреждения и разрушения пластин. Разработана экспериментальная установка, реализующая динамическое нагружение исследуемой пластины при высокоскоростном столкновении с ударником и определение полей динамических деформаций на поверхности пластины. Использован метод корреляции цифровых изображений (Digital Image Cоrelation) в сочетании со скоростной видеосъемкой, реализованный в аппаратно-программном комплексе Vic-3D. Проведены две серии экспериментов, различающиеся материалом и размерами исследуемых пластин-образцов, материалом и скоростью ударника. Приведены результаты экспериментального определения полей динамических деформаций на поверхности алюминиевой пластины при высокоскоростном соударении со сферическим стальным ударником и пластины из углепластика при соударении с ледяным ударником. Результаты представлены в виде покадровой записи полей компонент тензора динамических деформаций и временных зависимостей для деформаций в отдельных точках пластины. Реализованы скорости деформации до 1,5*·10 3 с --1. Получена оценка деформации при высокоскоростном разрушении исследованного углепластика. Достоверность полученных методом корреляции цифровых изображений результатов подтверждена непосредственным измерением остаточных деформаций в пластине. Описанная методика позволяет получать детальную экспериментальную информацию о процессах высокоскоростного деформирования металлов и композиционных материалов. Эта информация представляет интерес для экспериментальной верификации моделей деформационного поведения и разрушения материалов при высоких скоростях деформации. В частности, она дает возможность получать необходимые для верификации моделей деформирования и деформационных критериев разрушения данные при двухосном напряженном состоянии. Методика может быть использована для отработки расчетных методов и экспериментального изучения закономерностей баллистического повреждения и разрушения ответственных элементов конструкций типа пластин, в частности, при повреждении посторонними предметами деталей самолетов и двигателей, пробивании бронезащиты.
Высокоскоростной удар, баллистическое повреждение, динамические деформации, поле деформаций, метод корреляции цифровых изображений, бесконтактное определение деформаций
Короткий адрес: https://sciup.org/146211554
IDR: 146211554 | УДК: 620.17 | DOI: 10.15593/perm.mech/2015.2.06
Experimental finding of dynamic deformation fields in metal and composite plates under impact
The purpose of research is to develop and verify methods of experimental determination of the dynamic strain fields in the study of impact damage and destruction of the plates. An experimental rig that realizes dynamic load of the studied plate at high-speed impact with a projectile and determination of dynamic strain fields on the plate surface is developed. The method is based on digital image correlation procedure in combination with a high-speed video recording that implemented using hardware-software Vic-3D complex. The investigation is performed in two series of experiments with different materials and dimensions of the test plates and with different materials and speed of the projectile. The experimentally obtained fields of the dynamic strain for the high-speed impact of the aluminum plate and a spherical steel projectile and for the carbon fiber plate and ice projectile are presented. The results are presented in the form of time-lapse recording of the tensor component fields of dynamic deformation and time dependences of deformations at certain points of the plate. The implemented deformation rate is up to 1,.5· * 103 sec --1. The state of strain for carbon-fiber composite during high speed destruction is obtained. The reliability of the digital image correlation method results is confirmed by direct measurement of residual deformations in the plate. The described method provides detailed experimental data about the processes of high-speed deformation for metals and composite materials. This data is of interest for experimental verification of deformation and destruction models behavior of materials at high strain rates. In particular, it provides an opportunity to obtain the necessary data for verification of deformation models and failure criteria of deformation under biaxial stress state. This method can be used for mathematical models testing and experimental investigation of the ballistic damage and destruction dependences of critical structural elements in cases of foreign objects damage of aircraft and engines parts or armor piercing.
Список литературы Экспериментальное определение полей динамических деформаций в металлических и композитных пластинах при ударе
- Кобылкин И.Ф., Селиванов В.В. Материалы и структуры легкой бронезащиты. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2014. -191 с.
- Белов Н.Н., Копаница Д.Г., Югов Н.Т. Математическое моделирование динамической прочности конструкционных материалов. Физика ударных волн. Динамическое разрушение твердых тел//SST. -2010. -Т. 3. -318 с.
- Компьютерное моделирование пробивания составных преград из керамики на металлической подложке/А.В. Андреев, В.В. Милявский, Ф.А. Акопов, Г.С. Безручко, Л.Б. Боровкова, Г.Е. Вальяно //Исследовано в России. -2011. -С. 469-479. -URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2011/035.pdf.
- Динамика удара/Дж.А. Зукас, Т. Николас, X.Ф. Свифт, Л.Б. Грещук. -М.: Мир, 1985. -296 c.
- Наумов И.В., Болюх В.Ф., Бреславский Д.В. Деформирование и разрушение пластин при нагружении цилиндрическим ударником//Механiка та машинобудування. -2010. -№ 1. -С. 107-116.
- Hudak S.J., Chell G.G. A Damage Tolerance Approach to FOD Based on the ‘Worst Case Notch’ Concept//Proceedings of the 4th National Turbine Engine High Cycle Fatigue Conference, Monterey, CA, 1999. -Р. 14-19.
- Nowell D., Duó P., Stewart I.F. Prediction of fatigue performance in gas turbine blades after foreign object damage//International Journal of Fatigue. -2003. -Vol. 25. -P. 963-969.
- Foreign Object Damage to Fan Rotor Blades of Aeroengine. Part II: Numerical Simulation of Bird Impact/Yupu Guan, Zhenhua Zhao, Wei Chen, Deping Gao//Chinese Journal of Aeronautics. -2008. -Vol. 21. -P. 328-334.
- Spanrad S., Tong J. Characterization of foreign object damage (FOD) and early fatigue crack growth in laser shock peened Ti-6AL-4V aerofoil specimens//Procedia Engineering. -2010. -Vol. 2. -Iss. 1. -P. 1751-1759. -URL: http://www.elsevier.com/elsevier-products/procedia
- Нихамкин М.Ш., Воронов Л.В., Семенова И.В. Экспериментальное исследование процесса повреждения лопаток ГТД посторонними предметами//Авиационная промышленность. -2010. -№ 3. -C. 16-19.
- Нихамкин М.Ш., Семенова И.В., Любчик О.Л., Гладкий И.Л. Моделирование повреждения посторонними предметами полых лопаток вентилятора ГТД//Известия Самарского научного центра РАН. -2011. -T. 13, № 1(2). -C. 326-329.
- Нихамкин М.Ш., Воронов Л.В., Любчик О.Л. Моделирование методом сглаженных частиц повреждения посторонними предметами полой лопатки вентилятора газотурбинного двигателя //Труды МАИ. -2013. -№ 71. -С. 8. -URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=46954
- Dietenberger M., Buyuk M., C-D Kan. Development of a high strain-rate dependent vehicle model. LS-DYNA Anwenderforum, Bamberg. 2005. -B-III-1-10.
- Моделирование поведения титанового сплава ВТ20 при ударном взаимодействии/Е.В. Ломакин, А.М. Брагов, А.Ю. Константинов, М.Е. Колотников, П.А. Моссаковский, Л.А. Костырева, Ф.К. Антонов//Вестник Нижегород. гос. ун-та им. Н.И. Лобачевского. -2011. -№ 1. -C. 129-132.
- Методы исследования свойств материалов интенсивных динамических нагрузках/под общ. ред. М.В. Жерноклетова; РФЯЦ-ВНИИЭФ. -Саров, 2005. -428 с.
- Review of experimental techniques for high rate deformation and shock studies/J.E. Field, S.M. Walley, W.G. Proud, H.T. Goldrein, C.R. Siviour//International Journal of Impact Engineering. -2004. -No. 30. -P. 725-775.
- Брагов А.М., Кадони Э., Крушка Л. Современные методы динамических испытаний материалов//Вестник Нижегород. ун-та им. Н.И. Лобачевского. -2011. -№ 4 (5). -C. 2039-2040.
- Совместное влияние температуры и скорости деформации на предел текучести сплава Э110/П.В. Федотов, Л.П. Лошманов, А.В. Костюхина, А.В. Салатов, О.А. Нечаева, М.М. Астахов//Заводская лаборатория. -2012. -Т. 78, № 6. -С. 54-59.
- Qasim H.S. Strain Rate Effect on the Failure Strain and Hardness of Metallic Armor Plates subjected to High Velocity Projectile Impact//Journal of Engineering Science and Technology. -2006. -Vol. 1. -No. 2. -P. 166-175.
- Gupta N.K., Iqbal M.A., Sekhon G.S. Experimental and numerical studies on the behavior of thin aluminum plates subjected to impact by blunt-and hemispherical-nosed projectiles//Int. J. Impact. Eng. 2006. -Vol. 32. -P. 1921-1944.
- Small caliber projectiles ting steel plates, numerical calculations and physical characterizations of constitutive models/B. Bernhardsson, S. Mousavi, P. Appelgren, S. Leonardsson//Proceedings of the 27th International Symposium on Ballistics. Freiburg, Germany, April 22-26. 2013. -P. 1334-1354.
- Сапожников С.Б. Форенталь М.В. Определение динамического предела текучести методом индентирования листовых образцов//Динамика машин и рабочих процессов: сб. докл. всерос. науч.-техн. конф. 13-15 октября 2004 г. -Челябинск, 2005. -С. 137-138.
- Форенталь М.В. Динамика локального деформирования и разрушения металлической пластины//Вестник Южно-Урал. гос. ун-та. -2009. -№ 33. -С. 4-11.
- Экспериментальная верификация моделей деформационного поведения и высокоскоростного разрушения титанового сплава ВТ6/М.Ш. Нихамкин, Л.В. Воронов, О.Л. Любчик, И.Л. Гладкий//Известия Самар. науч. центра РАН. -2011. -T. 13, № 4(4). -С. 991-997.
- Validation of Ti-6AL-4V Alloy Mechanical Behavior Models for Conditions of Impact Damage of Turbine Engine Fan Blade/Nikhamkin M., Voronov L., Semenova I., Lubchik O.//Advanced Materials Research. -2013. -Vol. 746. -P. 422-427.
- Michael A. Sutton, J.-J. Orteu, Hubert W. Schreier. Image Cоrrelation for Shape, Motion and Deformation Measurements//Basic Concepts, Theory and Applications. -Springer Sciance+Business Media, LLC, 2009. -250 р.
- Технологии и задачи композиционных материалов для создания лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя/А.Н. Аношкин, В.Ю. Зуйко, Г.С. Шипунов, А.А. Третьяков//Вестник ПНИПУ. Механика. -2014. -№ 4. -С. 5-44. DOI: DOI: 10.15593/perm.mech/2014.4.01
