5. Степанова Л. Н, Рамазанов И. С., Канифадин К. В. Определение опасных источников сигналов акустической эмиссии по оценке энергии кластеров // Дефектоскопия. - 2010. - № 9. - С. 64-73.
6. Серьезное А. Н., Степанова Л. Н, Кабанов С. И. Акусти-ко-эмиссионная система для регистрации непрерывных и дискретных сигналов // Датчики и системы. — 2010. — № 8. - С. 55-59.
7. Серьезнов А. Н., Степанова Л. Н., Муравьев В. В. и др. Диагностика объектов транспорта методом акустической эмиссии. - М.: Машиностроение, Машиностроение-Полет, 2004. - 368 с.
Людмила Николаевна Степанова — д-р техн. наук, профессор, нач. сектора по разработке и производству акустико-эмиссион-ных и тензометрических систем ФГУП "Сибирский научно-исследовательский институт авиации имени С. А. Чаплыгина" (СибНИА им. С. А. Чаплыгина).
® (8-383) 227-88-69
E-mail: stepanova@stu.ru
Сергей Иванович Кабанов — канд. техн. наук, вед. научн. сотрудник сектора по разработке и производству акустико-эмис-сионных и тензометрических систем СибНИА им. С. А. Чаплыгина.
® (8-383) 278-70-31 E-mail: aergroup@ngs.ru
Илья Сергеевич Рамазанов — инженер сектора по разработке и производству акустико-эмиссионных и тензометрических систем СибНИА им. С. А. Чаплыгина.
® (8-383) 278-70-31
E-mail: aergroup@ngs.ru
Кирилл Владимирович Канифадин — канд. техн. наук, доцент кафедры "Электротехника, диагностика, сертификация" Сибирского государственного университета путей сообщений.
® (8-383) 328-05-11 □
УДК 621.3.083.8.551.54
ИЗМЕРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ПОВЕРХНОСТИ СТЕКЛОБЛОКА С ПОМОЩЬЮ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ
А. А. Казарян
Приводятся устройство и методика измерения взрывной ударной волны, воздействующей на поверхность стеклоблока. В качестве первичного преобразователя для измерения взрывной ударной волны применены тонкопленочные емкостные датчики давления.
Ключевые слова: стеклоблок, ударная волна, пленочный датчик, осколок стекла, дальняя зона, методика измерения, промежуточная зона.
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее перспективным направлением в решении проблемы безопасности живых организмов, предметов, ценностей, помещений является определение допустимых пределов выдержки нагрузок на стеклоблоки от взрывных ударных волн (ВУВ). При совершении взрыва в помещении или транспорте стеклоблоки являются наиболее уязвимым и опасным узлом, так как живые организмы, ценности больше всего страдают от осколков стеклоблоков и ударной взрывной волны.
Цель статьи — показать возможности расширения области применения многослойного взрывобезопасного стекла. Техническим результатом исследований являются высокоточные измерения полей давления на стеклоблоки в ближнем и дальнем полях во времени и в пространстве (системе координат х, у), а также возможность определения динамического давления ударной волны без разрушения или с разрушением стеклоблоков. Использование этих результатов позволит сократить затраты на проведение экспериментов с целью уста-
новления прочностных характеристик многослойного взры-вобезопасного стекла и других типов стеклоблоков.
Для решения поставленной задачи предлагается метод измерения ВУВ, в котором на поверхностях двух стекол стеклоблоков симметрично с их лицевой и тыльной стороны, а также на вершинах и между ободками наклеивают емкостные чувствительные элементы (ЕЧЭ). Мембрану емкостных чувствительных элементов от ударов ВУВ направляют в сторону ее распространения.
Рис. 1. Схема устройства измерения динамического давления:
1, 2 — стеклоблоки; 3—52 — емкостные ЧЭ; 53—55 — цилиндрические фигуры (образцы); 56 — специальный отсек (накопитель осколков); 57 — контрольная стеклянная панель; 58 — пленка облицовочная; 59 — источник взрывной волны; 60 — диафрагма; 61 — источник напряжения; 62 — резистор развязки; 63 — согласующий усилитель заряда; 64 — нормирующий усилитель напряжения; 65 — индикатор
Рис. 2. Структура идеальной взрывной волны
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
— разработана конструкция и технология изготовления тонкопленочных емкостных датчиков динамических нагрузок [1];
— разработано устройство и методика для экспериментальной проверки стеклоблоков [2, 3].
УСТРОЙСТВО СТЕНДА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВУВ
На рис. 1 изображена схема устройства для измерения динамического давления, имеющая вертикальную (сечение Б—Б) и горизонтальную проекции (сечение А—А). На рис. 2 показана структура идеальной взрывной ударной волны (ВУВ). Стеклоблок (см. рис. 1) состоит из двух стекол прямоугольной формы 1, 2, на обе поверхности стекол наклеены емкостные чувствительные элементы (ЕЧЭ) 3—22. На полу перед стеклоблоком (лицевая сторона) наклеены три ряда ЕЧЭ 23—37, в каждом ряду по пять штук. На полу за тыльной поверхностью стеклоблока также наклеены три ряда ЕЧЭ 38—52, в каждом ряду по пять штук ЕЧЭ (см. рис. 1, сечение А—А).
Число ЕЧЭ не ограничено и связано с условиями проводимого эксперимента. Кроме того, за тыльной поверхностью стеклоблока смонтированы три цилиндрических фигуры (образцы 53—55), изображающие цель поражения. Целью может быть живой организм, предмет и т. п. На каждом изображающем цель образце наклеены по одному и более ЕЧЭ: 40, 46, 52 (сечение А—А, Б—Б).
Имеется специальный отсек (камера — накопитель осколков) 56 с контрольной стеклян-
ной панелью 57 и пленкой (облицовкой) 58. На рис. 1 показаны источник ударной взрывной волны 59, диафрагма 60, источник напряжения 61, резистор развязки 62. Диафрагма из проволоки 60 образует с блоком 61 и резистором 62 цепь синхронизации. Устройство также содержит согласующие усилители
заряда 63 для каждого ЕЧЭ, многоканальный нормирующий усилитель напряжения 64 и индикатор 65. Стеклоблок скрепляют с помощью ободка 66.
На поверхность стекла наклеивают не менее пяти ЕЧЭ. На середину стекол наклеены ЕЧЭ 5, 10, 15, 20 для определения максимального значения
ударной волны, ЕЧЭ 3, 7, 8, 12, 13, 17, 18, 22 предусмотрены для определения опорных реакций между стеклом и ободком 66. ЕЧЭ 23—37, наклеенные на поверхности пола (с лицевой стороны стеклоблока) служат для регистрации ударной взрывной волны во времени на расстоянии 1,5; 3,0; 1,0 м. На один метр ниже кромки стеклоблока (см. рис. 1, сечение Б—Б) ЕЧЭ 38—52 предусмотрены для регистрации давления ударной волны от деформации первого стекла 1, которое передает давление второму стеклу 2. Они также должны регистрировать ударное давление от кусков стекол 1, 2 на поверхность контрольной стеклянной панели 57. Выбор типа ЕЧЭ с твердым или газообразным диэлектриком зависит от уровня ожидаемого давления ударной взрывной волны. Подробности конструкции ЕЧЭ рассмотрены в работе [1].
Для оценки воздействия осколков стекла на расстоянии до 3 м в отсеке 56 ЕЧЭ 38—52, облицованные пленкой 58, оклеены алюминиевой фольгой или бумагой для регистрации разлетающихся осколков стекла. При использовании алюминиевой фольги ЕЧЭ электрически изолируют от фольги. Толщина пенопласта 20...50 мм; толщина алюминиевой фольги 0,2...0,8 мм. Все требования структурной схемы устройства, выбор размеров, расположение ЕЧЭ, наклейка ЕЧЭ на поверхности стекла и т. д. осуществляют согласно руководящему документу [4].
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ
Представленная на рис. 2 структура ВУВ в воздухе называется падающей или проходящей. На рис. 2 ро — давление окру-
жающей среды до прохода ВУВ. В момент времени tа при прохождении ВУВ давление мгновенно резко повышается до максимального р+ + ро. Величина р+ представляет собой невозмущенное максимальное избыточное давление в падающей волне. Затем давление падает до давления окружающей среды за время Т+ и продолжает снижаться до величины ро — р-, возвращаясь к исходному давлению ро за общее время t = ta + + Т+ + Т-
£ .
Область 1+ ВУВ, в которой давление превышает давление окружающей среды ро, называют положительной фазой с продолжительностью Т+, область I- , где давление меньше ро, называют отрицательной фазой или фазой разряжения с продолжительностью Т- и амплитудой р- . Положительные 1+ и отрицательные I- удельные импульсы на единицу поверхности являются важными параметрами ВУВ и определяются как:
+ К +
1+ = | [Р(^) - Ро№
| [Ро - р(0]Л.
Динамическое давление определяют как # = 1 ру2, где р —
плотность газа за волной; у — массовая скорость газа за волной. Динамическое давление определяет лобовую ветровую нагрузку и, следовательно, возможное разрушение.
РАБОТА ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА
Взрывная ударная волна воздействует на диафрагму 60 и обрывает ее, проходит расстоя-
ние Я, где наклеены ЕЧЭ 23—37 (см. рис. 1, сечение А—А) и поступает на поверхность стекла 1, на которое наклеены ЕЧЭ 3—12. От удара ВУВ стекло 1 деформируется, ЕЧЭ 3—7 сжимаются, а ЕЧЭ 8—12 растягиваются и с их выходов регистрируют электрический сигнал, пропорциональный давлению ВУВ. Затем давление от деформации стекла 1, проходя расстояние с (см. рис. 1, сечение Б—Б), передается на поверхность стекла 2, деформирует его, при этом ЕЧЭ 13—17 сжимаются, а ЕЧЭ 18—22 растягиваются. В результате на их выходе появляется электрический сигнал, пропорциональный давлению от деформации первого стекла.
Зарегистрированное значение давления от деформации второго стекла передается в отсек 56. Это давление, одновременно преобразованное ЕЧЭ 38—52 в электрический сигнал, подают на входы усилителя заряда 63. С выхода усилителя согласованные сигналы одновременно через нормирующие усилители напряжения 64 попадают на индикатор 65 для хранения и дальнейшей обработки. При этом имеется временная синхронизированная связь между индикатором 65 и источником ВУВ 59 через диафрагму 60, резистор 62 и источник питания 61.
Давление ВУВ в ослабленном виде от деформации двух стекол стеклоблока может передать в отсек 56 порядка 40... 100 Па. Тогда ЕЧЭ 38—52 следует выбирать высокочувствительными с газообразным диэлектриком. Если задают большие уровни ВУВ, то стеклоблок разрушается и куски обломков стекла ударяют в пленку 58, оставляя следы, тогда ЕЧЭ 38—52 регистрируют ударное давление от обломков
а
+
(а + ^
стекла панели 57. И этот сигнал регистрируют в индикаторе 65. Затем анализируют состо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.