МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 4 • 2014
УДК 539.374
© 2014 г. Ю. К. БИВИН
РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛАСТИН
ПРИ НОРМАЛЬНОМ УДАРЕ ЖЕСТКИМ КОНИЧЕСКИМ ТЕЛОМ
Рассматривается пробивание алюминиевых пластин при нормальном ударе жестким коническим телом. Использовались пластинки из сплавов Д16АТ и АМЦМ. Определяется баллистический предел в зависимости от толщины пластинки и ее материала, а также угла конусности пробивающего тела. Устанавливаются механизмы разрушения для различных комбинаций этих параметров.
Ключевые слова: разрушение пластин, нормальный удар, коническое тело, формы разрушения, баллистический предел.
1. Введение. Изучению разрушения металлических пластин при ударе жесткими телами различной формы посвящено значительное количество работ, обзор которых представлен в [1—3]. В результате экспериментальных исследований выявлены наиболее часто встречающиеся на конечной стадии пробивания формы разрушения пластин. На основании этого принят ряд расчетных схем пробивания пластин в зависимости от их толщины и материала, а также формы ударяющего тела. Так образование лепестков связывалось с ударом заостренным телом (коническим или оживальным). Эксперименты, в которых это было установлено, проводились на пластинах из алюминиевых и стальных сплавов. В дальнейшем использование в опытах пластинок из титанового сплава [4] показало, что и при ударе коническим телом возможно развитие разрушения с образованием и выбиванием пробки. Эта особенность связывалась с прочностными характеристиками материала пластинки. В [5] изложены результаты пробивания конусом с углом раствора 60° пластинок из жесткого алюминиевого сплава, близкого по своим характеристикам к отечественному сплаву Д16АТ. В этом случае отмечено пробивание с образованием лепестков. Однако, как показали исследования, приведенные в [6, 7], параметрами, определяющими вид разрушения, являются не только указанные характеристики процесса. Существенную роль играют граничные условия пластин в зоне удара. Влияет также скорость соударения, приводящая к пробиванию пластины. Важную информацию дают эксперименты, в которых скорости удара меньше баллистического предела, но близки к нему. В этом случае можно выявить начало и развитие разрушения, что позволяет представить более полную картину возникновения конечных форм пробития пластин.
Целью представленных экспериментов было определить баллистический предел и вид разрушения при ударе коническим телом по нормали к алюминиевым пластинкам из жесткого и пластичного сплава.
2. Постановка эксперимента. В представленной работе использовались пластинки из сплавов Д16АТ (жесткий аъ = 420 МРа, с, = 275 МРа, 8 = 13%) и АМЦМ (пластичный съ = 130 МРа, а^ = 50 МРа, 8 = 22%). Удар производился по свободным пластинкам толщиной от 1 до 8 мм. Размер пластинок и расстояние точки удара до ее края были выбраны такими, чтобы результаты испытаний не зависели от граничных условий.
Фиг. 1
Использовались конические тела массой 4 г с цилиндрической частью длиной и диаметром С = 10 мм, равным диаметру основания конуса. Углы конусности 2а были в пределах 18°—180°. Разгон тел осуществлялся с помощью пневмопушки калибром 10 мм. Измерение скорости вылета тела из ствола производилось оптическим методом с использованием высокочастотных фотодиодов марки ФД10Г, расстояние между которыми по пути движения тела было 100 мм. Фотодиоды напрямую были подключены к осциллографу ЬеСгоу типа ^ауе8иг!ег 24X8 с полосой пропускания 200 МГц. Момент перекрытия луча света, поступающего на фотодиоды, фиксировался на осциллограммах двумя импульсами, расстояние между которыми во времени определялось скоростью движения пули.
3. Сплав Д16АТ. На фиг. 1 показана зависимость баллистического предела Уь различных конических тел от толщины пластинки. По оси абсцисс толщина в мм, по оси ординат — скорость в м/с. Точкой отмечен результат для конуса 2а = 18 °, прямым крестом — 2а = 30 °, треугольником — 2а = 60 °, кружком — 2а = 90°, косым крестом — 2а = 120квадратом — 2а = 180Абсолютное значение минимальной скорости, при которой пробивается пластинка, не так важно, поскольку она зависит от массы тела. Но интересно взаимное расположение баллистических пределов для тел, отличающихся только по углу а. Заметно отличаются лишь результаты при угле конусности 2а = 18 °. В остальных случаях они не сильно разнятся. На графике сплошной линией показана зависимость для сферы той же массы и диаметра. Она очень близка к результатам для конуса 2а = 90°.
На фиг. 2 показано изменение баллистического предела с изменением а для пластинок различной толщины из Д16АТ (штриховые линии). По оси абсцисс угол в градусах, по оси ординат — скорость в м/с. Нижняя кривая для пластинки толщиной к = 1 мм, средняя — к = 2 мм, верхняя — к = 3 мм. Можно отметить, что при 60° < 2а < 90° значения Уь минимальны. Когда 2а > 90° или 2а < 60°, баллистический предел увеличивается особенно резко, когда 2а < 30
Виды разрушения пластин из Д16АТ при пробитии показаны на фиг. 3. При угле 2а = 18 ° разрушение начинается и происходит не вдоль образующей конуса, а вдоль направляющей. В результате из пластинки выбиваются частички колечек в виде ско-
Фиг. 2
бочек. На фиг. 3, а показан застрявший в пластинке конус в окружении таких скобочек. Лепестков вокруг отверстия нет.
При пробитии конусом 2а = 30° образуется множество необычных лепестков вокруг отверстия. Их форма похожа на разорванные пополам скобочки. Разрывы на поверхности конуса происходят под углом к образующей. На фиг. 3, Ь показан вид разрушения пластинки толщиной И = 0.3!. Трещины от основания лепестков расходятся примерно па 2!.
На фиг. 3, c показана форма разрушения пластинки И = 0.49! при ударе конусом 2а = 60 ° с начальной скоростью У0 = Уъ. Отверстие раскрывается пятью лепестками. Верхняя часть лепестка, которая образуется на поверхности контакта пластинки с конусом, треугольная из-за того, что разрыв на поверхности конуса происходит вдоль его образующей. При ударе тем же конусом со скоростью У0 = 0.78Уъ характер разрушения показан на фиг. 3, d. Конус при остановке не погрузился полностью в пластинку. Образовались четыре взаимно перпендикулярные трещины, в отличие от случая удара со скоростью У0 = Уъ, когда разрушение происходит с образованием пяти трещин. Наблюдается обычное дробление разрушения с ростом скорости деформаций, которая определяется скоростью удара. У пластинки со стороны, противоположной удару, по углам треугольной части лепестков образуются по две расходящиеся трещины. Диаметр, на котором они останавливаются в данном случае, в 2.5 раза больше диаметра конуса.
Когда по пластинке ударяет конус с углом 2а = 90°, вид разрушения определяется ее толщиной. При И < 1.35 мм в процессе пробивания образуются лепестки. При И > 1.5 мм разрушение начинается с выбивания пробочки. Ее диаметр зависит от толщины пластинки, как это показано на фиг. 4. С такими пробочками на носке конусы пролетают сквозь пластинку при У0 > Уъ. Толщины пластин на фиг. 4 следующие: a — 1.9 мм; Ь — 2.9 мм; c — 3.85 мм; d — 4.9 мм; e — 7.85 мм. Диаметр пробочки при И < 0.5с! всего на 0.07 больше удвоенной толщины пластинки. Можно полагать, что в этих условиях контур пробочки формируется в момент, когда в процессе деформирования пластинки она входит в контакт с поверхностью конуса с диаметром основания, который он имеет на расстоянии от вершины, равном 2И. Когда 2И > ! диаметр пробочки фактически не зависит от толщины. Это видно на фиг. 4. Как они формируются еще на стадии, когда и0 < Уъ, показано на фиг. 3, e и 3, f. Видно, что формирование пробоч-
Фиг. 5
ки привязано к диаметру основания конуса. Для окончательного ее отделения от пластинки при 2И > ! необходимо, чтобы конус внедрился на глубину больше своей высоты, что видно на фиг. 3, f. Глубина этого погружения должна быть такой, чтобы в части слоя между поверхностью конуса и внешней стороной пластинки возникла зона, в которой касательные напряжения превзошли предел прочности на сдвиг. Из сравнения толщин этого слоя при 2И = ! и 2И = 1.6! можно заключить, что с увеличением толщины пластинки толщина этого слоя стабилизируется.
После отделения от пластинки пробочки, пока ее диаметр меньше диаметра основания конуса, дальнейшее расширение отверстия происходит путем образования радиальных трещин. Части пластинки между трещинами отгибаются движущимся конусом, как показано на фиг. 3, g. Когда толщина пластинки равна или больше радиуса основания конуса, уже при У0 < иъ формируется пробочка диаметром чуть большим диаметра пули, как видно на фиг. 3, e (И = 0.5!) и 3, f (И = 0.8!). Форма отверстия на выходе пули в этом случае показана на фиг. 3, h при 2И = ! и фиг. 3, i при 2И = 1.6!. Видно, что трещин вокруг него нет.
Если баллистические пределы шара и конуса 2а = 90°, как отмечалось, близки, то размеры пробочек выбиваемых ими из пластинок одинаковой толщины заметно отличаются. Это видно из сравнения фиг. 4 и фиг. 5, где представлены шары диаметром, равным диаметру основания конуса, с надетыми на них чашечками, образовавшимися при пробитии пластинки (фиг. 5, a — И = 0.19! и фиг. 5, Ь — И = 0.49!). У шара диаметр выбиваемой чашки мало меняется с изменением толщины пластинки. Он увеличива-
Фиг. 6
Фиг. 7
ется от 0.65! при к = 0.19! до 0.8! при к = 0.5сС. Поэтому из пластинки толщиной к = 0.19! конус 2а = 90° выбивает пробку диаметром меньшим, чем шар, а при к > 0.8! — большим. Пробитие шаром пластинок толщиной даже к < 0.1сС, как из Д16АТ, так и из АМЦМ, всегда сопровождается выбиванием чашечки.
На фиг. 6 показано сплошной линией изменение максимального диаметра пробоч-ки в мм и ее массы в граммах, штриховой с изменением толщины пластинки в мм (ось абсцисс) при ударе конусом 2а = 90°. Видно, что как только перестает увеличиваться диаметр чашки с увеличением толщины пластинки, падает темп роста ее массы. Можно ожидать, что и масса при дальнейшем увеличении толщины перестанет расти.
Конусы с углом раствора 2а = 120° выбивают из пластинок толщиной в пределах 0.1сС < к < 0.3! чашечки диаметром, равным диаметру основания конуса. Верхнее значен
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.