Воздействие ударной нагрузки

В механике абсолютно твердого тела удар рассматривается как некоторый скачкообразный процесс, продолжительность которого бесконечно мала.

Механический удар – это кратковременное механическое воздействие твердых тел при их столкновении между собой и сопутствующие этому процессу явления.

Во время удара в точке соприкосновения соударяющихся тел возникают большие, но мгновенно действующие силы, приводящие к конечному изменению количества движения.

В реальных системах всегда действуют конечные силы в течение конечного интервала времени, и соударение двух тел связано с их деформацией вблизи точки соприкосновения и распространением волны сжатия внутри этих тел.

Продолжительность удара зависит от многих физических факторов:

- упругих свойств материалов соударяющихся тел;

- формы и размеров тел;

- относительной скорости сближения и др.

Изменение ускорения во времени принято считать импульсом ударного ускорения или ударным импульсом, а закон изменения ускорения во времени – формой ударного импульса.

К основным параметрам ударного импульса относят пиковое ударное ускорение (перегрузку), длительность действия ударного ускорения и форму ударного импульса.

Под реакцией изделия на воздействие ударного импульса понимают его отклик на это воздействие. Результат воздействия удара (реакция изделия) зависит от его динамических свойств – массы, жесткости и частоты собственных колебаний.

Различают несколько видов реакции изделия на удар:

- баллистический (квазиамортизационный);

- квазирезонансный;

- статический (квазистатический).

Реакция на удар линейной механической системы с одной степенью свободы при отсутствии демпфирования:

Уравнение движения изделия при отсутствии потерь на трение:

m + Cx = CF_осн

где: m и - масса и ускорение изделия; C – жесткость пружины; х – смещение изделия при ударе; F_осн – ударная сила импульса.

Искажение формы ударного импульса длительностью τ происходит вследствие наложения колебаний, возникающих в механической системе стол – приспособление – изделие.

Для удобства анализа воздействия на изделие ударной нагрузки строят огибающие изменений ускорения

=d²x/dt².

Отклик изделия на воздействие ударного импульса во времени можно условно разбить на два участка:

- текущий отклик – отклик в течение времени действия ударного импульса;

-отклик последействия – отклик после окончания ударного импульса.

Обозначим:

T_o – период собственных колебаний изделия;

a_m1 – максимальное положительное ускорение во время удара;

a_m2 – максимальное положительное ускорение после удара;

a_m3 – максимальное отрицательное ускорение во время удара;

a_m4 – максимальное отрицательное ускорение после удара

a_n - ускорение воздействующего ударного импульса.

Тогда:

при T_o>> τ - имеет место баллистический режим возбуждения, когда a_m2< a_n ;

при T_o ≈ τ - имеет место квазирезонансный режим возбуждения, когда a_m1> a_n;

при T_o<< τ - наблюдаем статический режим возбуждения, когда a_m3= a_n и изделие повторяет воздействующий ударный импульс, а после окончания действия ударного импульса имеют место остаточные колебания с собственной частотой изделия.

Результаты испытаний на практике оценивают по максимальному значению ускорения отклика так как замечено, что отрицательные значения ускорения во время действия ударного импульса меньше положительных, а после действия ударного импульса отрицательные ускорения либо меньше, либо равны положительным значениям.

Если вместо значений ускорения по оси ординат откладывать отношение

μ= a_m/ a_n

называемое коэффициентом динамичности, а по оси абсцисс – обобщенную частоту (безразмерную величину) f_oτ , то получим графики, именуемые в НТД ударными спектрами. На этих графиках можно выделить:

- баллистическую (μ<1) область, когда результаты испытаний зависят от длительности и формы ударного импульса;

- квазирезонансную область – часть спектра от верхней границы баллистической области до обобщенной частоты, при которой μ ≈1. Международная электротехническая комиссия рекомендует принимать за верхнюю границу f_oτ = 10, но на практике достаточно принимать f_oτ=5 , что соответствует μ=1,2. Квазирезонансная область отражает самый тяжелый режим испытания, при котором наблюдаются наибольшие коэффициенты динамичности и наиболее достоверно определяется запас прочности изделия;

- статическая (μ ≈1) область – остальная часть спектра, когда результаты испытаний не зависят ни от формы ударного импульса, ни от его длительности. Испытание на воздействие ударных нагрузок в статической области равноценно испытанию на воздействие линейного ускорения бесконечной длительности.

Характеристики режимов испытания.

Различают два вида испытаний на ударную нагрузку:

- на ударную прочность;

- на ударную устойчивость.

Цель испытаний на ударную прочность – проверка способности изделия противостоять разрушающему воздействию механических ударов, сохраняя свои параметры. Испытания на ударную устойчивость проводят с целью проверки способности изделия выполнять свои функции в условиях действия механических ударов.

При испытаниях на ударную нагрузку изделия подвергают воздействию либо одиночных, либо многократных ударов, частота следования которых должна быть такой, чтобы можно было выполнить контроль проверяемых параметров. Основные характеристики режимов испытания при многократном воздействии ударов (пиковое ударное ускорение и общее число ударов) задаются в соответствии со степенью жесткости испытаний.

Пример характеристики режимов для микроэлектронных устройств[Л.1]

Форма ударного импульса как одна важнейших характеристик должна регламентироваться в технических условиях.

Самым опасным является трапецеидальный импульс, поскольку он имеет наиболее широкую область квазирезонансного возбуждения и наибольший коэффициент динамичности в этой области. Однако, ударный импульс такой формы трудно воспроизводится в лабораторных условиях.

Пилообразный импульс позволяет достигнуть наилучшей воспроизводимости испытаний, так как из-за несимметричности его остаточный спектр является непериодическим. Получить такой импульс еще труднее, чем импульсы другой формы.

Полусинусоидальный ударный импульс чаще всего используют на практике – его формирование наиболее просто реализуется при минимальных затратах.

Длительность τ действия ударного импульса, вызывающего резонансное возбуждение, задается в зависимости от значения нижней резонансной частоты f_o изделия, например:

Направление воздействий ударов устанавливают в зависимости от конкретных свойств испытываемого изделия.

Ударную прочность оценивают по сохранению целостности конструкции (отсутствие трещин, нарушение электрических контактов и т.д.).

Испытания на ударную устойчивость рекомендуется проводить после испытания на ударную прочность или совмещать их. Но в отличие от испытаний на ударную прочность, второй вид испытаний проводят под электрической нагрузкой, Контроль параметров изделия при этом производят в процессе удара для проверки работоспособности изделия и выявления ложных срабатываний.

Устройства для испытаний.

Ударные стенды классифицируют по следующим признакам:

- по характеру воспроизводимых ударов – стенды одиночных и многократных ударов;

- по способу получения ударных нагрузок – стенды свободного падения и принудительного разгона;

- по конструкции тормозных устройств – с жесткой или пружинящей наковальней, с амортизирующими прокладками, со сминающимися деформируемыми тормозными устройствами и т.д.

Для испытания на одиночные удары служат стенды копрового типа, а на многократные – кулачкового типа (воспроизводящие удары полусинусоидальной формы).

В стендах копрового типа энергия, необходимая для создания удара, накапливается в результате подъема стола с закрепленным на нем изделием на заданную высоту. Кинетическая энергия, накопленная при разгоне, гасится в результате соударения стола с неподвижной преградой. Длительность ударного воздействия складывается из длительности торможения ударяющего тела (активный этап удара) и длительности восстановления упругих деформаций соударяющихся тел (пассивный этап). Ускорение определяется скоростью соударения и зависит от высоты падения. В конце торможения ударяющего тела скорость соударения падает до нуля, а ударное ускорение достигает максимального значения.

Стенды копрового типа с жесткой наковальней используют для получения ударных импульсов с большим ударным ускорением и очень малой длительностью (единицы мкс).

Ударная перегрузка, длительность и форма ударного импульса как в стендах копрового типа, так и в стендах кулачкового типа регулируется в широких пределах с помощью амортизирующих прокладок.

Кроме механических применяют электродинамические и пневматические ударные стенды. В электродинамических стендах ударный импульс создается пропусканием импульса тока через подвижную катушку, а в пневматических ударное ускорение получают при соударении стола со снарядом, выпущенным из пневматической пушки.

При измерении параметров удара необходимо регистрировать ускорение, длительность и форму импульса, а в отдельных случаях относительную амплитуду и частоту наложенных колебаний и время нарастания ударного ускорения.

Для регистрации быстротечных процессов при воздействии ударных импульсов традиционно используют осциллографы, а также специальные аналого-цифровые измерители с устройствами запоминания мгновенных значений контролируемых параметров. Пример такого устройства – узел хранения и выборки в стенде лабораторной работы №5.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: