Влияние анизотропных свойств среды и электромагнитных полей на процесс проникания твердых инденторов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ НАН АРМЕНИИ

На правах рукописи

ВАНЦЯН АНУШАВАН АРИСТАКЕСОВИЧ

ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПНЫХ СВОЙСТВ СРЕДЫ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ПРОЦЕСС ПРОНИКАНИЯ ТВЕРДЫХ ИНДЕНТОРОВ

Специальность-01,02.04-Механика деформируемого твердого

тепа

Г Б 01 1 0 ФЕВ 1998

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук.

ЕРЕВАН 1997г

Работа выполнена в Институте механики НАН Армении

Научный консультант: д.ф.м.н.

Багдоев А.Г.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Поручиков В.Б.

доктор технических наук, профессор

Дидух Б.И.

доктор технических наук,

профессор Евтерев Л

Ведущая организация: Институт проблем механики РАН

Защита состоится 13 февраля 1998г. в 16 часов на заседании Диссертационного Совета Д.053.05.03 при МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы Горы, МГУ, главное здание, механико-математический факультет, аудитория 16-10

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке механико-математического факультета МГУ

Автореферат разослан " Л 1998г.

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор физико-математических наук С.В.Шешенин

Общая характеристика работы

Актуальность. Интерес к данной области, возникшей достаточно давно и продиктованный требованиями военной техники,, резко возрос в годы второй мировой войны. Однако по мере усложнения как военной, так и гражданской техники к поведению материалов в условиях кратковременного нагружения предъявляются все более жесткие требования.

Явление соударения изучается целым рядом классических дисциплин. Многие задачи о соударении и проникании с малыми скоростями (менее 250 м/с) относятся к области интересов динамики конструкций. Проникание здесь тесно связано с общей деформацией конструкций, характерные времена нагружения при этом составляют миллисекунды. С увеличением скорости соударения до 0.5+2 км/с общая деформация конструкции становится второстепенной, первостепенное значение приобретает поведение материала в небольшой зоне (обычно 2+3 диаметра индентора) вблизи места соударения. На разных стадиях соударения проявляются влияние скорости, геометрии, состава материала, скорости деформации, локального пластического течения и разрушения.

Указанные особенности явления намного осложняются в задачах, когда процесс проникания сопровождается другими физическими явлениями, связанными с импульсными электрическими токами и магнитными полями. Дополнительные сложности возникают и при решении задачи проникания в анизотропные среды.

Научная новизна. В работе рассмотрены следующие задачи.

а) Проникание индентора с произвольным углом раствора заострения при вершине и имеющего форму криволинейного тела вращения, переходящего в цилиндр, в упругую изотропную среду.

б) Применение гипотезы плоских сечений и гипотезы нормальных сечений в квазистатической и динамической задачах проникания с учетом анизотропных и хрупких свойств среды.

в) Экспериментальное исследование проникания твердого индентора в изотропные и анизотропные среды.

г) Экспериментальное изучение и теоретические оценки в задачах проникания твердого индентора в металлические среды и грунты при наличии постоянных и переменных электромагнитных полей.

В ходе решения указанных задач выяснились следующие факты.

а) Оптимальным выбором отношения параметров анизотропии для трансверсально изотропной среды можно вдвое уменьшить глубину проникания индентора.

б) Приданием вращения индентору можно уменьшить напряжения, действующие на него, и, следовательно, увеличить глубину проникания.

в) При внедрении инденторов с малыми скоростями задачу нельзя рассматривать как осесимметричную, особенно при определении формы свободной поверхности.

г) С помощью разрядного тока энергией порядка 400дж можно вдвое погасить энергию индентора порядка ЗОООдж, уменьшив при этом глубину проникания в два раза.

д) В исследованной схеме проникания с разрядом разрядный ток в металлах распределяется на приповерхностные и приосевые токи.

е) При вибрационном проникании сваи наложением противофазных электромагнитных полей и постоянного тока можно в сотни раз увеличить скорость проникания во влажные грунты, затратив при этом дополнительно порядка 1/1000 энергии вибрации.

Апробация результатов . Материалы диссертации докладывались на

- семинаре ИПМ АН СССР, Москва, 1981г,

- семинаре кафедры газовой и волновой динамики МГУ, 1981 г,

- семинаре ИМ МГУ, 1981г,

третьем всесоюзном симпозиуме "Теоретические вопросы магнитоупругости", Цахкадзор, 1984т,

всесоюзных семинарах "Современные вопросы физики и приложения" Москва, !984г, 1987г,

всесоюзных школах "Проблемы динамики взаимодействия деформируемых сред". Горис, 1984г, 1987г, Бюракан, 1990г,

всесоюзном семинаре "Современные вопросы механики и технологии машиностроения", Москва, 1986г,

- VI всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике. Ташкент, 198бг,

- общем семинаре физико-технического отделения HAH РА, 1990г,

- международной конференции по теоретической и прикладной механике, Ереван, 1994г,

- конференции, посвященной 65-летию кафедры теоретической механики ЕрГУ, Ереван, 1994г,

- общем семинаре ИМ HAH РА, 1996г,

- общем семинаре кафедры общей физики ЕрГУ, Ереван, 1995т,

- общем семинаре ИППФ HAH РА, 1996г.

Публикации. По материалам диссертационной работы

опубликовано 38 статей и тезисов докладов. Имеется одно авторское свидетельство. Список работ приводится в конце автореферата.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Она занимает 191 страниц машинописного текста, содержит 79 фигур, 10 таблиц и список литературы из 158 наименований.

Содержание работы

Во введении дается подробный обзор современного состояния проблемы и исследований, связанных с тематикой диссертации. Отмечаются работы Алексеева H.A., Алексеевского В.П., Аллена У., Алояна М.А., Арешяна Г.Л., Бабича И.Ю., Багдоева А.Г., Беклемишева H.H., Бунимовича А.И., Бровмана М.Я., Вольмира A.C., Гольдсмита В., Гопкинса Г., Григоряна С.С., Гридневой Г.А., Гришкова C.B., Гузя

A.Н., Дзако М., Задояна М.А., Земцова М.П., Зверевой С.Г., Зволинского Н.В., Звягина A.B., Зукаса Дж., Илюшина A.A., Ионова

B.Н., Ишлинского А.Ю., Карпиноса Д.М., Качанова Л.М., Киселева

A.Б., Кишкина С.Г., Клипина A.A., Климова K.M., Ковалева Т.Г., Кнопфеля Г., Колесникова В.А., Кондакова С.Ф., Крисгенсена Р., Кубенко В.Д., Кукуджанова В.Н., Лагутина A.C., Марьямова А.Н., Меньшикова Г.П., Месчяна С.Р., Милейко С.Т., Музыченко В.П., Мруза 3., Огибалова П.М., Оденова В.А., Ожогина В.Н., Ольшака В., Победря Б.Е., Подъяпольского Г.С., Попова С.Н., Постнова В.И., Рахматулина Х.А., Рехга Р.Ф., Римского В.К., Сабодаша П.Ф., Сагомоняна А.Я., Салганика Р.Л., Саркисяна O.A., Сахацкой И.К., Седова Л.И., Спицына

B.А., Троицкого O.A., Трушкова В.Г., Тучинского Л.Н., Флитмана Л.М., Фомина В.М., Фудзии Т., Хилла Р., Черепанова Г.П., Шапиро Г.С., Яковлева А.П., Якуниной Г.Е., Backman М.Е., Barton, Bishop R.E., Byers R.K., Chabai, Bogy D.B., Downey H.A., Eringen C., Forrestall M.J., Herrmann R.G., Lee L.M., Longcope D.B., Mark L., Morton M.E., Rodney F., Recht, Sedgwick R.T., Tate A., Wagner H., Woodward R.L.

В первой главе, состоящей из пяти параграфов, на основе известной гипотезы плоских сечений дается описание решения одномерной квазистатической задачи о проникании тонкого твердого индентора в первоначально упругую изотропную среду.

Фиг.1

При проникании тонких ииденторов для малой величины коэффициента трения между средой и индентором при выделении главной части решения в уравнениях среды оставляются лишь производные по радиальной координате.

В предположении, что позади фронта разрушения имеется пластическое течение среды, из уравнения несжимаемости, условий на фронте разрушения и уравнения равновесия определяются скорости частиц и напряжения как в пластической среде, так и на инденторе.

С использованием значения радиального напряжения и закона сухого трения вычисляется сила сопротивления прониканию. Получены простые формулы для определения глубины проникания индентора. Хотя в третьей главе решается динамическая задача для более общего случая, а именно для анизотропной среды, цель квазистатического решения заключается в определении применимости квазистатической теории.

В пятом параграфе экспериментально определена область скоростей проникания, при которых допускается осесимметричное решение.

Во второй главе даются приближенные и численные решения задачи о проникании нетонких инденторов в изотропные среды с использованием гипотезы нормальных сечений. В первом параграфе

дается решение задачи о проникании индентора в форме оживала. Для определения скоростей частиц среды получена система уравнений. Для индентора в форме конуса, переходящего в цилиндр, полученная система решается аналитически. Во втором параграфе дается поправка условий неразрывности скоростей и напряжений на фронте пластического течения, дается численное решение системы трансцендентных уравнений для скоростей. Проводится подробный анализ для полей напряжений.

В третьей главе при решении задачи о проникании индентора в анизотропные среды приняты те же кинематические допущения, что и для изотропной среды.

В первом параграфе задача рассматривается для тонкого индентора. Рассмотрена трансверсально-изотропная среда. На основе принятых допущений получены напряжения как в среде так и на инденторе. Показано, что при т5Г —» 2т5Х> СТ^ —» да, где Т5Г - предел текучести среды в радиальном направлении, а Т5Х-предел текучести в направлении проникания. Так как указанный результат является одним из основных в работе, был проделан тщательный анализ этого эффекта. В частности, показана необходимость строгого неравенства Х5Г<2т5х, в противном случае нарушается замкнутость кривой пластичности.

Во втором параграфе задача рассматривается при отказе от гипотезы плоских сечений. Показано, что хотя бесконечность в

выражении для (5^ устраняется, С7ГГ имеет порядок 1/Зт2(3, т.е. опять получаются большие значения радиального напряжения.

В четвертом параграфе решена задача о проникании вращающегося индентора в трансверсально-изотропную среду. Показано, что вращение приводит к значительному уменьшению радиального напряжения. Здесь также показано, что особенность в радиальном напряжении имеет место до угла при вершине конуса -60°.

В пятом параграфе дается решение динамической задачи проникания твердого индентора в первоначально упругую трансверсально-

изотропную среду. Задача решена только для "бесконечного" конуса. Получены формулы для определения глубины проникания, скорости и ускорения индентора в процессе проникания. Построены подробные графики, показывающие зависимость глубины проникания, скорости и ускорения от анизотропии среды и угла раствора конуса.

В шестом параграфе численно решается задача о проникании не тонкого конуса по гипотезе нормальных сечений. Для малых углов, как и следовало ожидать, результаты, полученные по обеим теориям, совпадают. Получены поля напряжений и перемещений, а также формула для определения глубины проникания. Рассмотрено поведение напряжений в зависимости от Т!Г / тж для разных углов раствора конуса. Показано, что для малых углов раствора особенность напряжений около вершины индентора более существенна.

В седьмом параграфе рассмотрена задача о проникании в хрупкую среду. Вначале предполагается, что вблизи индентора имеются меридианальные трещины. Принимается, что на фронте разрушения кольцевые растягивающие напряжения равны пределу прочности на растяжение. Далее предполагается, что существует область трещин впереди области пластичности. Найдены величины, определяющие фронты пластичности и трещин.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования проникания твердого индентора в металлы и композиты. Были использованы образцы из алюминия, дюраля, меди, бронзы и чугуна. Чугун рассматривался как хрупкая среда. Размеры образцов превышали размеры проникающего индентора в 10-20 раз. В качестве

индентора использовалось стальное тело массой 9.6 х 10~3кг, скоростью ~800м/с.

В первом параграфе дается описание методики определения границы между упругой и пластической областями, приводятся графики зависимости твердости Нв от координат. В таблице 1 приводится сравнение теоретических и экспериментальных результатов. На фиг. 2 показана зависимость Нв от координат г и х. Как видно из фиг. 3,

кривые относительных твердостей с увеличением радиальнои координаты снижаются и, начиная с некоторой точки, становятся почти горизонтальными, т.е. свойства материала приближаются к упругому состоянию.

106 102

90 4-; 110 106" 102 -

1.3 3.9 6.5 9.1 x 10"

94

1.3 3.9 6.5 9.1_ х 10"

<'о

'уог

'■1

/0\г

110 м

Фиг. 2

0 0

Фиг. 3

Начало горизонтальной части кривых принималось границей упругой и пластической областей. Граница упругой и пластической областей определялась также сравнением отпечатков алмазной пирамиды микротвердомера. В окрестностях кратера отпечатки пирамиды имели форму искаженного четырехугольника (фиг. 4), а вдали от кратера-форму квадратов (фиг. 5). Этим путем также определялась граница упругой и пластической областей.

Таблица 1

величина

Гтах Гтах Гщах 4(81+С,ДГ)

материал К| теор. теор. эксп. теор. эксп.

ХИН хЮ-2 х10"г

дюраль 0.15 4.45 3.28 4.5 7 4.55 0.54

латунь 0.25 3.82 2.19 2.2 9 4.86 0.85

медь 0.23 3.14 2.72 3 9 4.32 1.08

алюминий 0.15 14.4 10.53 10 10 2.0 4

чугун 0.25 2.9 1.89 2.1 - - -

бронза 0.3 5.9 3.59 3 10 1.6 1.2

В таблице 1 показаны расчетные и опытные величины.

В третьем столбце приведенной таблицы показаны значения максимальной глубины проникания по формуле, полученной в предположении, что трение на цилиндрической части индентор.а и среды отсутствует, а в четвертом столбце - значения теоретического расчета, в котором учтено трение между цилиндрической частью индентора и средой. Далее приведены значения величин = Г5 / Гк и ц(£5 + суЛТ)/т52, вторая из которых - диссипация энергии на фронте

пластического течения. Наконец, ю - коэффициент трения между индентором и средой.

На фиг. 6 и 7 приведены графики зависимости глубина-скорость /(К0), полученные Форресталом на основе одномерной теории

и экспериментальных данных для твердых инденторов формы оживала, переходящего в цилиндр. На основе данных для индентора и среды, приведенных в работе Форрестала, по формуле, полученной в настоящей работе, были вычислены значения /тах для скоростей, с которыми были проделаны эксперименты и вычислены глубины проникания Форресталом (кривые 5, 6 на фиг. 6, 7).

Кривые 1, 2 на фиг. 6 соответствуют цилиндрической модели движения среды, кривые 3, 4 - сферической модели. Точками обозначены экспериментальные данные. На фиг.7 приведены аналогичные графики для индентора формы конуса, переходящего в цилиндр.

Г мм 300

250

200

150

100

50

/ /' 2-

/ /

0.02_ - "и

3, V 'к,- ).02

6 • \ 5

'1 к, = 0.1

Г мм 300

250

200

150

100

50

4 \

3 / V К'"/ -у

2 >2 . т /

| 6_$ /\ ' X

! 1. | |'* ' у РГ и 1.1

0.4 0.6 0.8 1 0 1.2 1.4 4>(км/с) 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2М)(км/с) Фиг. 6 Фиг. 7

Во втором параграфе приводится подробное описание эксперимента с изготовлением слоистых образцов, моделирующих трансверсально изотропную среду с заданными свойствами. Показано,

что изменением толщин и упруго пластических параметров отдельных слоев удается получить широкий диапазон изменения основного параметра что Дает возможность провести подробное

сравнение экспериментальных результатов с теоретическими. Образцы изготавливались таким образом, чтобы отношение Х5Г / Т5Х изменялся в широком диапазоне, от 1 до 8. Кинематические параметры индентора были те же, что и для экспериментов с изотропными образцами.

Таблица 2

Материалы хЮ-Ша хЮ-3Па х10-зПа хЮ-зПа /-4« У шах х Ю-'м гЫ 4с У шах х10"3м

РЫ.6+А12 250 840 578 250 2.3 18 6.3

РЫ.6+А14 250 1200 883 250 3.5 10 6.4

А11.6+А12 1600 840 1 178 1200 1 7.2 7.8

РБ2+А16 250 840 693 250 2.8 13 6.7

РЬ6+А12 250 840 397 250 1.6 20 5.8

РЬ0.8+А14 250 1200 1000 975 1 4.5 6.2

РЫ.6+А16 250 840 666 250 2.6 12 6.8

РЬ6+А110 250 3000 1968 250 8 4.5 4.3

РЬ2+А110 250 3000 2500 300 8.3 4.0 3.8

РЬ2+А10.8 250 1600 925 705 1.2 8 6.9

У образцов, для которых значения величины находились в пределах 1.6т5( -ь3.5ти> наблюдалось весьма значительное уменьшение глубины проникания в композит по сравнению с глубинами проникания в изотропные образцы с пределами текучести тг1 или Т5,. В таблице 2 приведены результаты экспериментов по прониканию твердых инденторов массой 0.1кг и начальной скоростью ~800м/с в слоистые композиты, моделирующие трансверсально изотропную среду.

В первом столбце указаны сочетания металлов, после названия

металла указана толщина слоя в миллиметрах. Во втором и третьем столбцах указаны пределы текучести металлов, в четвертом- приведены значения х1г композитов, подсчитанные согласно модели Фойхта

Т5г= (Т8|Ь| + '^г'ъУ(Ь, + ^г)' где Ь,, Ь2 толщины слоев, т8„ ха-пределы текучести соответствующих металлов. т определяется экспериментально - измерением предела текучести пакета по направлению оси ОХ. Шестой столбец показывает отношение Т1Г /Т51, являющееся основным параметром исследуемого эффекта. В седьмом столбце приводятся значения Гтах для изотропной среды, а восьмом -для композита.

Разброс параметров в экспериментах был незначителен -5-^10%.

Из анализа экспериментальных данных выяснилось, что при проникании в слоистые среды в случае Т^ / ~ 2 происходит сильное затупление индентора и увеличение пластической области вдоль радиальной координаты. В случаях, когда 1.6 < Т1Г / Ти < 3.5 , происходило даже искривление индентора. Как видно из таблицы 2, в случае Х1г / ~ 1 (когда среда по своим свойствам приближается к изотропной) и при Т5г / х!х ~ 8 эффекта уменьшения глубины проникания почти не наблюдается. Таким образом, можно сделать вывод, что уменьшение глубины проникания в слоистые композиты происходит не за счет слоистости вообще, а за счет оптимального выбора параметров пакета. Можно полагать, что при таком выборе слоев происходит достаточно равномерное распределение давления в кратере, т.е. происходит поглощение энергии проникающего индентора в объёме большой области пластичности.

Во время экспериментов наблюдалось, хотя и редко, расслоение пакета. Это можно объяснить тем, что из-за слоистости среды возникает поглощение энергии также и за счет появления упругих поверхностных волн, распространяющихся по слоям и приводящих к расслоению.

В третьем параграфе описывается технология изготовления слоистых образцов.

В пятой главе приводятся результаты экспериментального изучения влияния импульсных токов, постоянных и переменных электрических и электромагнитных полей на процесс проникания инденторов в металлы и грунты. В первом параграфе, как и в предыдущих главах, дается обоснование необходимости развития данной тематики. Во втором параграфе предлагается схема увеличения защитных свойств преграды с помощью разрядного тока, создающего в окрестности точки попадания индентора дополнительные напряжения, увеличивающие сопротивляемость преграды.

Для создания указанных условий в точке попадания индентора и в процессе проникания была предложена схема, приведенная на фиг. 8, где 1 - образец, 2 - тонкая металлическая пластина, 3 - индентор, 4-конденсаторный блок, 5-воздушный зазор или изоляционный материал. В момент попадания на образец индентора, пробившего до этого тонкую пластину, замыкается цепь и происходит разряд конденсаторного блока. При этом разрядный ток будет идти через пяастину, индентор и преграду.

I

--!-1--1-1-V*-» -5

1 2 3 4 '5x10 С

Фиг. 8

Фиг. 9

Эксперименты проводились на цилиндрических образцах из дюраля и алюминия. Проникающий индентор имел начальную скорость ~800м/с, массу 9.6х10-3кг, начальный радиус стального

сердечника был равен Змм. В проведенных экспериментах времена разрядки конденсаторного блока составляли ~ 10-5-=-1СИс, что было зафиксировано с помощью запоминающего осциллографа (фиг. 9).

Таблица 3

Наименование материала Максимальная глубина проникания

Теоретическое Экспериментальное

н«=о Н„#0 Н9=0 Не*0

С=0.02Ф С=0.06Ф С=0.02Ф С=0.06Ф

Алюминий 0.1053 0.009 0.061 0.10 0.089 0.059

Дюраль 0.0445 0.03 0.02 0.045 0.028 0.019

Из результатов экспериментов (таблица 3), в частности, следует, что при напряжении 220в и емкости конденсаторного блока С=0.02Ф уменьшение глубины составляет 40% (фиг. 10), а при С=0.06Ф-60% (фиг. 11). Фиг. 12 показывает глубину проникания при отсутствии тока. Для алюминиевых образцов эффект уменьшения глубины проникания был -20%. Это объяснялось тем, что время замыкания цепи (/-А)/ v, где / длина индентора, Д-зазор между преградой и экраном, К-средняя скорость прохождения индентора через зазор, для алюминиевых образцов меньше времени разрядки конденсаторного блока. В частности, при /=17хЮ'3м, Д^ЗхЮ-'м.К-ВООм/с имеем (1-А)/У-~1.5х10'5с, что меньше времени разрядки конденсаторного блока (~4-ь5х 10"5с), следовательно, не вся энергия конденсаторного блока была использована. Это и наблюдалось экспериментально. После эксперимента было замечено также, чго стреляный индентор был заметно затуплен по сравнению с индемтором, проникавшим без тока (фиг. 10, 1 1,12), что приводило к увеличению лобового сопротивления.

Фиг. 10.

Фиг. 1 1.

Фиг. 12.

Рассматриваемая задача является многофакторной, поскольку необходимо учитывать изменения механических свойств среды и индентора из-за токов, а также учитывать в уравнениях деформируемой электропроводящей среды электронно-пластические эффекты. Кроме того, из-за наличия осевых токов имеется так называемый пинч-эффект, который приводит к увеличению силы сопротивления и играет большую роль, по крайней мере в начальной стадии проникания, из-за большой величины плотности токов.

Представляет интерес более детальное объяснение этого явления путем изучения электромагнитных и механических факторов, влияющих на рассматриваемый процесс. В этих целях были проведены эксперименты как по самому изучаемому явлению, так и по выяснению характера изменения в преграде пондеромогорных сил (пинч-эффекта).

С этой целью в настоящей работе был проделан эксперимент по изучению уменьшения предела текучести алюминиевой проволоки диаметром Змм при прохождении через нее импульсного тока плотностью 105-106А/м2. Схема проведенного эксперимента показана на фиг. 13.

В момент растяжения проволоки как в упругой, так и в пластической областях диаграммы подавался импульсный ток.

Фиг. 13

Фиг. 14

Наблюдалось падение механического напряжения (фиг. 14) как в упругой области, так и при пластическом течении. Указанный эффект в упругой области можно объяснить пинч-эффектом. Следует отметить, что появление пинч-эффекта в пластической области вовсе не исключает электронно-пластического эффекта, что экспериментально было подтверждено другими авторами.

Вполне возможно, что эти два эффекта имеют место одновременно. Согласно экспериментов по прониканию инденторов в металлические среды при наличии импульсных токов, а также качественным оценкам, которые приводятся в дальнейшем, оба эффекта имеют одинаковый порядок влияния , и только учет двух эффектов - электронно-пластического и пинч-эффекта дает хорошее соответствие с результатами эксперимента.

С целью выявления влияния магнитного поля только в виде пинч-эффекта были проделаны эксперименты по прониканию абсолютно жестких инденторов (карбид-вольфрамовый сплав) в металлические среды при тех же условиях. Наблюдалось уменьшение глубины проникания на ~15%+20%, тогда как в экспериментах со стальными инденторами уменьшение глубины было ~40%+50%. Отсюда можно сделать вывод, что остальные ~20%+30% падают на долю электронно-пластического эффекта.

В третьем параграфе дается описание экспериментального определения распределения плотности токов при импульсном разряде в металлах. Это было необходимо для вычисления Амперовой силы

|Д0] х Н. Определение распределения импульсного тока внутри металлических преград представляет интересную задачу как в прикладном, так и теоретическом отношениях в области физики разрядных процессов.

Были проделаны эксперименты по определению распределения плотности тока как внутри цилиндрических металлических образцов, так и по тонким металлическим пластинкам. В качестве образцов были взяты материалы из дюраля, алюминия, стали и меди. Разнообразие материала было взято с целью проверки влияния электропроводимости среды на распределение тока. Исследовалось также влияние напряжения конденсаторного блока на распределение токов. С целью определения падения напряжения между двумя параллельными плоскостями, находящимися на разном растоянии от торцов цилиндрического образца и на разном растоянии от оси, проводилось зондирование в шести точках. Схема приведена на фиг. 15.

ДО

' ш

Л V

40

30

20

10

250у 200у 150У ЮОу

5(Н< >

О г

Фиг. 15 Фиг. 16

По значениям амплитуд импульсов построены графики ](г) (фиг. 16). Как видно из фиг. 16, ток в основном сосредоточен вблизи оси (низкочастотные) и на поверхности (высокочастотные) образца. Аналогичные графики были построены для других материалов с разными параметрами конденсаторного блока. Измерения указанных параметров вдоль оси ОХ показывают, что линии, вдоль которых

/ксогШ, почти паралельны оси ОХ, то есть в теоретических расчетах можно предполагать , что д] / дх « д] ! дг.

В четвертом параграфе дается приближенный теоретический расчет влияния импульсного тока на процесс проникания. Для совместного решения уравнений электродинамики и механики сплошной среды сделаны некоторые упрощающие предположения. В частности, для преодоления соответствующих трудностей можно воспользоваться полученными в опытах графиками о характере распределенности плотности тока, следовательно, и о магнитном поле. Вначале было сделано два упрощающих предположения: 1 в пластической

области, 2- ]—А/г. При этом в уравнении пластического движения среды следует добавить слагаемое, соответствующее току, т.е. записать его в виде

О,

дг г

решение которого, после удовлетворения условиям на инденторе и условию перехода в упругое решение, примет вид

" I 5 2 7т 2

о„ = -

т. 1 + +

.-2 2

й , На/ г]

4

Й-,

2

, при у = )

Согласно экспериментов размеры области, по котором/ течет приосевой ток, таковы: г, = 4хЮ~3м, также /=2х105А, / = 10 5с, так

что Яэ=—-~9х106А/м, На^ = 4х 108Г1а ~ 1 ,3т5 (для 27с г 2

дюраля). Полученное магнитное давление оказалось соизмеримым с механическим напряжением <3^ ~5т5.

Подсчет нормальной силы, действующей на затупленный индентор с площадкой поперечного сечения 0.6x10-^м2 для давления р = 3л/3т5 в

области пластического течения, показывает, что она того же порядка, что и проекция на ось боковых сил от механических напряжений.

Для задачи с наличием импульсного тока принято, что сЮ / ей мало. Следует также отметить, что в упругой области предполагалось

7=0.

В пятом параграфе рассмотрена задача определения полей перемещений и напряжений в проводящей среде при наличии импульсного тока. Полученные решения верны в случае упругих деформаций.

В шестом параграфе дается сравнение экспериментальных результатов и теоретических оценок по определению распределения плотности разрядного тока внутри металлических цилиндрических образцов.

Приводятся также результаты численных расчетов Амперовой силы Ц0] х Н на основании экспериментальных кривых для }(г). В таблицах приведены значения С^, полученные с предложенными разными моделями.

В седьмом параграфе экспериментально изучается задача о вибропроникании твердого металлического индентора в электропроводящие грунты при наличии переменных и постоянных токов. Выяснилось, что внедрение свай и труб во влажные грунты можно улучшить не только применением постоянного тока, что известно как влияние электроосмоса. Изучено влияние амплитуды и частоты колебания индентора на скорость проникания при наличии токов. Показано, что параметр У/А(0 - почти постоянная величина для данного грунта. Применение в опытах и постоянных, и переменных токов показало, что при этом происходит расширение частотной кривой вблизи резонансных частот.

В восьмом параграфе экспериментально изучается проникание индентора во влажные грунты при наличии переменных электромагнитных полей с учетом сдвига фаз вибрации индентора и

переменного ЭМП. Установлено, что с применением противофазной вибрации индентора и среды скорость внедрения можно увеличить в несколько сотен раз. Среду можно вибрировать, пропуская через индентор и среду переменный электрический ток. При этом за счет Амперовой силы среда вибрирует в радиальном направлении, периодически сжимая и разрежая (за счет упругих сил) грунт вокруг индентора. Если сдвиг фаз согласовать так, чтобы индентор проникал в разреженную среду, то в зависимости от степени разрежения можно существенно увеличить скорость проникания. На фиг. 17 показана схема проведения эксперимента. На катушку 1, сердечником которой является индентор 2, подается переменный ток из генератора 3, усиливаемый в усилителе 4. Через индентор и среду подается усиленный в усилителе 6 электрический ток той же частоты, но сдвинутый по фазе.

Фиг. 17

Одновременно сигналы от подаваемого на среду тока и взятого от закрепленного на инденторе датчика 7, подавались на двухлучевой осциллограф 8 для определения истинного сдвига фаз подаваемых электрических сигналов. На самописце 9 снимались диаграммы (глубина-время). Из генератора 3 можно было получить дискретный сдвиг фаз двух электрических сигналов. Для более плавного сдвига фаз была смонтирована дополнительная ЬЯС цепь 10, которая дала возможность в пределах ~±Т/20 плавно изменять сдвиг фаз. Из

датчика 7 сигнал также подавался на прибор II для определения амплитуды колебания индентора. С помощью амперметров 12, 13 и вольтметров 14, 15 измерялась энергия подаваемых на вибратор и среду электрических сигналов. Эксперименты были проведены как при резонансных для системы 1, 2, 5 частотах, так и вне резонансных частот. На фиг. 18 показаны диаграммы »!>-?.

Фиг. 18.

Кривые 1, 2, 3 для частот соI = 18, СО 1=45, ©1=26 при /=0 (отсутствие тока в среде). Кривые 4, 5, 6 показывают зависимость 51-/ для тех же частот, соответственно, и /=0.03А при сдвиге фаз 170°-5-175°, т.е. на среду подается сигнал, опережающий движение индентора примерно на полпериода. Малую разницу (~5°-г10°) от полупериода можно объяснить релаксацией. Кривые 7, 8, 9 показывают зависимость 51-/ при однофазном процессе, когда в момент движения индентора в направлении проникания происходит сжатие среды. Как видно из графиков, в зависимости от сдвига фаз колебаний индентора и среды можно в несколько раз увеличить или уменьшить скорость проникания индентора, затратив при этом энергию порядка 1/1000 от потребляемой энергии вибрации индентора. Несимметричное

расположение кривых 7, 8, 9 и 4, 5, 6 относительно кривых 1, 2, 3 можно объяснить тепловым эффектом, который имеет место независимо от сдвига фаз. В настоящих экспериментах амплитуда колебаний индентора изменялась в пределах 4х10м-5+6х10-5м. Резонансная частота указанной системы была ~26Гц, подаваемый ток -0.03А. Из результатов эксперимента выяснилось также, что в зависимости от электромеханических параметров системы вибратор-среда сдвиг фаз колебаний вибратора и подаваемого на среду переменного тока меняется, однако при помощи предлагаемой схемы всегда можно достигнуть оптимального сдвига фаз, приводящего к увеличению скорости проникания индентора.

-------1=0 1

\

\ 1 = 0 Аф = 0 10 +эт <аТ

I.

I, БШ СйТ^^^^^ I, вишТАф^О"--

' 10 +1, эт юТ 1 Лср ~ 180° Дф ~ 180° "

^ (глубина) ________!

Фиг. 19

Интересный результат был получен, когда на среду подавался ток /о + ЛБтсо/, при этом отрицательный полюс был соединен с индентором. Выяснилось, что соответствующий сдвиг фаз вибраций индентора и среды сильно способствовал проявлению электроосмоса. При этом наблюдалось резкое увеличение скорости проникания индентора. Из графиков на фиг. 19 нетрудно определить, что скорость

проникания увеличивалась в несколько сотен раз, при этом Д<р~180°.

Во время экспериментов мощность вибратора составляла

150vx5A=750bt, тогда как на среду подавалась 0.1 mvx 12mA= 1.2х I СИвт

мощности.

За эту работу получено авторское свидетельство на изобретение.

Заключение

Результаты выполненных исследований можно представить

следующими краткими положениями.

1. Для инденторов с углом раствора при вершине конуса до ~0.2рад с достаточной точностью можно применить одномерную квазистатическую модель.

2. Оптимальным выбором отношения параметров анизотропии для трансверсально - изотропных преград можно вдвое уменьшить глубину проникания индентора.

3. С помощью вращения индентора можно существенно увеличить глубину проникания индентора.

4. С помощью разрядного тока конденсаторной батареи можно вдвое увеличить защитные свойства преграды.

5. Разрядный ток в металлических цилиндрах распределяется на приповерхностные и приосевые токи.

6. При вибрационном проникании индентора с помощью противофазных электромагнитных полей в сотни раз можно увеличить скорость проникания во влажные грунты, потратив при этом дополнительно очень малую энергию.

Литература

1. Багдоев А.Г., Ванцяи A.A. Проникание тонких тел в упругие среды. Изв. АН Арм. ССР, Механика, 1981, т. 34, N1, с. 3-15.

2. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Проникание тонкого тела в металлы и грунты. Изв. АН Арм. ССР, Механика, 1981, т. 34, N3, с. 25-28.

3. Ванцян A.A. Определение глубины проникания тонкого тела в металлы. ДАН Арм. ССР, 1981, г. 72, N2, с. 95-102.

4. Ванцян A.A. Теоретические и экспериментальны результаты проникания в металлы. Е., Изд. АН Арм. ССР, 1981, 273 с.

5. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Проникание тонкого тела в различные среды. Механика, IV конгресс, Варна 1981.

6. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Проникание тонких тел в металлы. МТТ, 1982, N2, с. 191.

7. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Проникание тонкого тела в упругие анизотропные среды. Изв. АН Арм. ССР, Механика, 1983, т. 36, N6, с. 23-30.

8. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Влияние разрядных токов конденсаторов на механические явления в образцах. III Всесоюзный симпозиум "Теоретические вопросы магнитоупругости", Е., 1984, 178 с.

9. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Влияние импульсных токов на механические явления. Современные вопросы физики и приложения., Москва, 1984, с. 55.

10. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Влияние разрядных токов на динамические процессы в металлических образцах. Проблемы динамики взаимодействия деформируемых сред, Е., 1984, 349с.

11. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Влияние анизотропных свойств металла и импульсных токов на проникание. Современные вопросы механики и технологии машиностроения. М, 1986.

12. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Проникание тонкого тела в пластическую среду с учетом анизотропных свойств и импульсных токов. VI Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике, Ташкент, 1986, с. 69.

13. Багдоев А.Г., Ванцян A.A., Пахалов В.Б. Определение

распределения токов и упругих полей при импульсном разряде в металлах. Изв. АН Арм. ССР, Механика, 1986, т. 39, N1.

14. Багдоев А.Г., Ванцян A.A., Григорян М.С. Проникание индентора в анизотропные среды. Современные проблемы физики и ее приложения. Москва, 1987, с. 93.

15. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Исследование проникания тонкого твердого тела в трансверсалыю-изотропную среду. Изв. АН Арм. ССР, Механика, 1987, т. 40, N4, с. 3-6.

16. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Проникание вращающегося тела в трансверсально-изотропную и электропроводящую среду. Проблемы динамики взваимодействия деформируемых сред. Е., 1987, 291с.

17. Ванцян A.A. Проникание тупого конуса, переходящего в цилиндр, в первоначально упругую среду. "Проблемы динамики взаимодействия деформируемых сред", Е., 1987, 291с.

18. Ванцян A.A., Петросян Т.Л. Экспериментальное исследование проникания конуса, переходящего в цилиндр, в грунты. "Проблемы динамики взаимодействия деформируемых сред", Е., 1987, 291с.

19. Ванцян A.A. Вибропроникание твердых металлических тел в электропроводящие грунты при наличии переменных или постоянных токов. Изв. АН Арм. ССР, Механика, 1987, т. 40, N5, с. 40-45.

20. Ванцян A.A., Григорян М.С., Мхитарян A.M. Проникание тонких твердых тел в анизотропные металлические среды и в изотропные при наличии импульсных токов. Некоторые вопросы прикладной аэродинамики. Сборник научных трудов. Киев, 1987, с. 62-67.

21. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Зависимость пластических свойств среды и проникающего тела от параметров коденсаторного блока. Изв. АН СССР, МТТ, 1988, т. 41, с. 179-180.

22. Багдоев А.Г., Ванцян A.A., Григорян М.С., Мхитарян A.M. Теоретические и экспериментальные исследования проникания тонкого тела в слоистые металлические среды. Сб. трудов. Моделирование полета и аэродинамические исследования. Киев, 1988, 156 с.

23. Багдоев А.Г., Ванцян A.A., Григорян М.С. Влияние анизотропных

свойств металлических образцов на проникание. Изв. АН Арм. ССР, Механика, 1988, т. 41, N6, с. 28-34.

24. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Влияние разрядных токов на механические явления в металлических образцах. Изв. АН СССР, МТТ, 1988, с. 179.

25. Багдоев А.Г., Ванцян A.A., Григорян М.С. Исследование особенности напряжений в анизотропной пластической среде, при проникании конуса. Изв. АН Арм. ССР, Механика, 1989, т. 42, N4, с. 52-57.

26. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Проникание тонкого тела в трансверсально-изотропную среду с вращением. Изв. АН СССР, МТТ, 1989, с. 187-189.

27. Арешян Г.Л., Ванцян A.A., Пилипосян Г.Т. Теоретическое и экспериментальное изучение распределения разрядных токов в цилиндрических образцах. Изв. АН РА, Механика, 1991, т. 44, N1, с. 37-43.

28. Багдоев А.Г., Ванцян A.A., Маргарян Дж.М. О задаче проникания тонкого твердого тела в магнитоупругую среду. Труды международной конференции по теоретичнской и прикладной механике. Е., 1994.

29. Ванцян A.A. Об осесимметричности задачи проникания и внедрения твердых острых тел вращения в металлические среды. Труды международной конференции по теоретической и прикладной механике. Е., 1994.

30. Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Исследование проникания тонкого заостренного твердого индентора в трансверсально-изотропную среду. Изв. АН РФ, МТТ, 1995, N4, с. 110-113.

31. Багдоев А.Г., Ванцян A.A., Хачатрян Б.К., Хачатрян Л.А. Решение динамической задачи проникания твердых тел в трансверсально-изотропную среду по гипотезе нормальных сечений. Конференция, посвященная 65-летию кафедры теоретической механики ЕрГУ, 1995.

32. Ванцян A.A., Мовсисян A.A., Хачатрян Б.К. Экспериментальное изучение влияния электромагнитных полей на проникание твердых

тел в металлы и грунты. Конференция, посвященная 65- летию кафедры теоретической механики ЕрГУ, 1995.

33. Ванцян A.A. Авторское свидетельство Ць-696. Способ внедрения электропроводящих труб и свай. 1996.

34. Ванцян A.A., Мовсисян A.A. Проникание индентора в грунты при наличии переменных электромагнитных полей. Изв. HAH РА, Механика, 1996, N3.

35. Асатрян В.Л., Багдоев А.Г., Ванцян A.A. Решение динамической задачи проникания твердого конуса в первоначально упругую, трансверсально-изотропную среду. Изв. HAH РА, Механика, 1996, N4.

36. Багдоев А.Г., Ванцян A.A., Хачатрян Б.К., Хачатрян Л.А. Динамическая задача проникания твердого индентора в анизотропные среды по гипотезе нормальных сечений. Изв. HAH РА, Механика, 1997, N1.

37. Три работы опубликованы в спец. литературе.