Способ формирования имитаторов частиц горных пород для испытания конструкций на ударную стойкость
Изобретение относится к способам формирования или изготовления имитаторов частиц горных пород, используемых для испытаний на ударную стойкость различных конструкций, которые могут быть подвергнуты высокоскоростному воздействию частиц грунта. С помощью таких имитаторов может быть осуществлено максимально близкое к натурному экспериментальное моделирование воздействия, например, частиц грунта, выбрасываемых из воронки промышленного взрыва, на различные объекты, которые могут оказаться в зоне действия последнего, а также метеоритных частиц на космические аппараты. Способ формирования имитаторов частиц скального грунта для испытания конструкций на ударную стойкость включает в себя отбор частиц по размерам, геометрической форме и некоторым физико-механическим характеристикам, для образования частиц производят подземный взрыв, а сбор частиц различных характерных размеров осуществляют с различного расстояния от центра взрыва в зоне дробления грунта, при этом для отбора частиц по физико-механическим характеристикам в каждой из них экспериментальным путем измеряют скорость распространения продольных волн Ср, затем расчетным путем по соответствующим корреляционным уравнениям в зависимости от Ср определяют совокупность следующих физико-механических характеристик: коэффициент Пуассона , пористость n, плотность
, прочность на одноосное сжатие
, после чего формируют имитаторы в каждом интервале размеров посредством отбора из всей совокупности частиц горных пород различной прочности таким образом, чтобы их распределение по прочности W(
) в каждом интервале размеров подчинялось зависимости типа
где
- средний характерный размер частицы, а величины Aj, Bi, mi и Ki (i = 1,2,3) выбираются в зависимости от геологического типа грунта, частицы которого предполагается имитировать, при этом различные типы грунтов условно подразделяют на три геологических типа: равнинную местность (i = 1), мелкосопочник (i = 2) и среднегорье (i = 3). 3 ил.
Изобретение относится к способам формирования или изготовления имитаторов частиц горных пород, преимущественно скального грунта, используемых для испытаний на ударную стойкость различных конструкций, которые могут быть подвергнуты высокоскоростному воздействию частиц грунта. С помощью таких имитаторов может быть осуществлено максимально близкое к натурному экспериментальное моделирование воздействия, например, частиц грунта, выбрасываемых из воронки промышленного взрыва, на различные объекты, которые могут оказаться в зоне действия последнего, а также метеоритных частиц на космические аппараты.
Суть задачи экспериментального моделирования указанного рода воздействия сводиться не только к воспроизведению необходимых кинематических параметров (скоростей и углов взаимодействия с мишенью), массы и геометрической формы частиц (ударников), но и максимально приближенных к натурным их физико-механических характеристик (ФМХ). Из специальной литературы 1 известно, что ударники в зависимости от цели могут изготавливаться из различных материалов: алюминия, стали, меди, свинца, стекла и т.д. Для моделирования, например, каменных материалов использовались имитаторы из алюминиевого сплава (стр. 199, /1/) в силу того, что его ударная адиабата близка к кривым Гюгонио для горных пород. Ударники могут изготавливаться различной геометрической формы: шар, куб, цилиндр и др., с заданной плотностью, твердостью и пористостью. Иными словами, можно сказать, что известный способ 1, принятый за ближайший аналог (прототип), формирования ударников, имитирующих частицы горных пород, включающий в себя отбор частиц по размерам, геометрической форме и ФМХ. Подготовленные таким образом ударники могут применяться для последующего использования, например, в разгонных устройствах баллистического типа при испытаниях различных конструкций на стойкость к воздействию высокоскоростных частиц грунта. К недостаткам ближайшего аналога можно отнести неточное воспроизведение в ударниках геометрической формы и ФМХ частиц горных пород, возникающих в результате, например, мощного промышленного или другого взрыва, и, как следствие, искажение результатов моделируемого ударного процесса, что может привести к ударному воздействию частиц грунта. Эти недостатки являются следствием упрощенного, часто не всегда оправданного, похода к выбору или способу изготовления ударников при: 1) выполнении ударников из материалов, условно близких к моделируемому только по отдельным механическим характеристикам, чаще всего по плотности, - на самом деле, результат ударного воздействия частицы при всех прочих равных условиях зависит от комплекса ее ФМХ; 2) не учете образующихся при взрыве трещин во внутренней структуре частиц горных пород, которые существенно снижают их прочностные и акустические характеристики, что, естественно, искажает моделируемый результат; по этой причине нежелательно использование в качестве ударников случайных частиц скальных пород, например, гранита, кварцита и т.п., собранных в обычных карьерах или на дневной поверхности земли, т.к. параметры повреждения нагруженных ими при испытаниях конструкций будут отличаться от реальных в большую сторону, что может привести к ложным выводам о фактической стойкости испытываемой конструкции, неоправданному повышению ее защищенности и, как следствие, увеличению ее массы, стоимости и т.д.; 3) использовании ударников правильной геометрической формы (куб, цилиндра, шар и т.д.), что особенно при скоростях соударения менее 1,5...3,0 км/с не обеспечивает адекватного моделирования воздействия частиц грунта при подлете к мишени своими острыми кромками, последние при этом являются характерным отличительным признаком осколков грунта скальных пород. Цель изобретения заключается в обеспечении максимально близкого к натурному экспериментального моделирования воздействия на испытываемых конструкции частиц грунта, образующихся в результате мощного взрыва, и, как следствие, достижении заданной стойкости защищаемых изделий минимально необходимыми (по массе, толщине и стоимости) конструктивными средствами. Грунтовые частицы, образующиеся при взрыве большой мощности, условно подразделяются по размерам на три класса. В первый класс, так называемый класс пылевых частиц, отнесены частицы с характерными размерами d<1 мм. Во второй, так называемый класс мелких частиц грунта, отнесены частицы с характерными размерами 1 мм < d < 10 мм. И в третий класс крупных частиц грунта - с характерными размерами в d > 10 мм. Причем, учитывая, что наибольшую опасность для конструкций с точки зрения возможных повреждений представляют частицы второго и третьего классов, характерные размеры отбираемых ударников должны находиться в диапазоне 1 мм < d < 100 мм. Имитаторы с размерами более 100 мм рассматривать не имеет практического смысла по следующим причинам: - вероятность формирования частиц большего размера достаточно мала; - разлетаются они на небольшие расстояния от центра взрыва, а оказавшийся вблизи взрыва какой-либо объект, например, пролетающий над зоной взрыва летательный аппарат, может быть поврежден другим поражающим фактором взрыва, например, ударной волной. При этом необходимо отметить, что более опасными с точки зрения ударного воздействия на конструкции в силу их повышенной прочности и твердости являются частицы скального грунта по сравнению с частицами мягких пород, например, глины. Реализация способа формирования имитаторов частиц скального грунта для испытаний конструкций на ударную стойкость осуществляется следующим образом. Для образования частиц производят подземный взрыв, а сбор частиц различных размеров осуществляют с различных расстояний от центра взрыва в зоне дробления грунта (фиг. 1). Подземный (заглубленный) взрыв необходим для того, чтобы раздробить твердые скальные породы, залегающие преимущественно на некоторой глубине под слоем мягких непрочных пород. После взрыва с различного расстояния от его центра в зоне дробления грунта собирают частицы разных характерных размеров. При этом для отбора имитаторов в каждом из них экспериментальным путем определяют скорость распространения продольных волн Cp, например, по стандартной ультразвуковой методике с использованием прибора УК-1ОП, для чего на частицах грунта формируют две плоскопараллельные грани, на которые наносится слой изоляции для лучшего контакта поверхности частицы и датчика прибора. Затем расчетным путем по соответствующим корреляционным уравнениям в зависимости от Cp определяют совокупность следующих ФМХ: коэффициент Пуассона![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/957.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/963.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/963.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/957.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/963.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/4/40933.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/957.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/957.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/957.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/4/40934.gif)
где
Cp - в км/с;
0,5 < Cp < 6,25. Для Cp < 1,0 км/с, где порода выветрена до состояния плотноупакованного песка, указанная зависимость переходит в падающую до значений
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/957.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8776.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/4/40935.gif)
где коэффициент Q = 14,6 - 3,7 Cp + 2,14 C2p и является константой для определенного генетического типа пород, а коэффициент
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/4/40936.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/4/40937.gif)
где
W(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/963.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/4/40938.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/963.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/4/40939.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/4/40940.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/4/40941.gif)
где величины Ai, Bi, mi, Ki (i = 1, 2, 3) выбираются в зависимости от условного геологического типа грунта, частицы которого предполагается имитировать, при этом для равнинной местности (i=1), мелкосопочника (i=2) и среднегорья (i=3) они принимают соответственно значения
A1 = 195, A2 = 190, A3 = 185;
B1 = 215, B2 = 280, B3 = 510;
m1 = 1,4; m2 = 1,2; m3 = 0,8;
K1 = 1,0; K2 = 0,8; K3 = 0,8. Таким образом, с помощью предлагаемого способа могут быть получены имитаторы частиц скального грунта с ФМХ, максимально приближенными к характеристикам осколков грунта, образующихся при взрыве большой мощности. С помощью таких имитаторов с использованием соответствующих баллистических стендов можно обеспечить получение достоверных экспериментальных данных с фактической стойкости различных конструкций к ударному воздействию частиц грунта. Литература. 1. Коллективная монография "Высокоскоростные ударные явления", поде ред. В.Н.Николаевского. М.: Мир, 1973. 2. Выявление закономерностей изменчивости прочностных и акустических характеристик грунтов по глубине массивов. Отчет по НИР "Литомарж", 1991, ЦФТИ МО РФ. 3. Определение законов распределения крупных частиц скального грунта по прочностным и акустическим характеристикам. Отчет по ОКР "Грунт-МИТ", 1991, ЦФТИ МО РФ. 4. Бахвалов Н.С. Численные методы, т.1, М.: Наука, 1975. 5. Савич А.И. и др. Сейсмоакустические методы излучения массивов скальных пород. М.: Недра, 1969. 6. Савич А.И., Лаврова Л.Д. Оценка упругих свойств скальных пород по данным комплекса разночастотных модификаций сейсмоакустики, В сб. тр. Гидропроекта N 21, М., 1971. 7. Замышляев Б.В., Евтерев Л.С., Модели динамического деформирования и разрушения грунтовых сред. М.: Наука, 1990.
Формула изобретения
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/963.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/963.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/4/40942.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/4/40943.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/4/40944.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/4/40945.gif)
а величины Ai, Bi, mi и Ki (j=1,...n) выбираются в зависимости от условного геологического типа грунта, частицы которого предполагается имитировать, при этом различные типы грунтов условно подразделяют на n геологических типов. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что грунты подразделяют на три (n=3) геологических типа: равнинную местность (j=1), мелкосопочник (j=2) и среднегорье (j= 3), при этом величины Ai, Bi, mi и Ki соответственно принимают равными:
А1= 195, А2=190, А3=185; В1=215, В2=280, В3=510; m1=1,4, m2=1,1, m3=0,8; K1=1,0, K2=0,8, K3=0,8.9
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3