Динамика проникания жесткого вращающегося индентора в грунт

Проблема проникания различного вида и назначения инденторов в деформируемые преграды актуальна и многопланова. Например, в военной технике существует класс боеприпасов (пули стрелкового оружия, артиллерийские снаряды, мины, боевые части ракет) проникающего типа, боевая эффективность которого существенно зависит от глубины, на которой находится боеприпас в преграде в момент его подрыва. Причём, важно уметь достоверно прогнозировать не только положение боеприпаса в преграде, но и время, за которое он достигает этого положения, для соответствующей установки взрывательного устройства. Кроме того, иногда бывает важно спроектировать головную часть боеприпаса таким образом, чтобы полная глубина его проникания в преграду (то есть глубина проникания до полной остановки боеприпаса) была максимальной [ 7, 8, 9, 14,42, 45, 56, 59].

Или ещё пример. В строительной технике и в обработке металлов давлением актуально проектировать инденторы типа «карандаши», сваи, пуансоны таким образом, чтобы при их забивании в грунты или при глубокой прошивке отверстий сила лобового сопротивления преграды была бы возможно минимальной, так как это снижает энергоёмкость процесса и повышает запас прочности индентора [ 31, 41, 52, 53 ].

И, наконец, в последние годы развивается направление, связанное с контактным исследованием свойств поверхностей планет солнечной системы — необходимо, чтобы удар и проникание индентора в грунт планеты был, с одной стороны, возможно более мягким, с другой — глубоким, чтобы обеспечить сохранность бортовой регистрирующей и передающей аппаратуры, а также максимальную информативность эксперимента [ 10, 11, 18 ].

Экспериментальным и теоретическим моделированием проникания инденторов в деформируемые преграды исследователи занимаются уже более столетия, но особенно интенсивно это направление развивается последние пятьдесят лет. Следует отметить работы в этом направлении таких отечественных и зарубежных учёных, как Н. В. Майевский, Н. А. Забудский, Жакоб де Марр, Г. И. Покровский, А. Тейт, А .Я. Сагомонян, Х. А. Рахматулин, Н. К. Снитко, Г. М. Ляхов, С. С. Григорян, Ю. В. Хайдин, В. А. Велданов, B.JI. Баранов, Ю. С. Ветчинкин, В. Н. Щитов и др.

В настоящей работе развивается и обобщается подход к задаче проникания жёсткого ударника в грунт, сформулированный и реализованный в работах B. J1. Баранова, И. В. Лопы и В. Н. Щитова [ 7, 9, 10 ]. Обобщение производится в направлении учёта влияния контактных сил трения на поверхности взаимодействия индентора и грунта при записи интегральных сил лобового сопротивления преграды, учёта зависимости сил трения от нормального давления и относительной скорости проскальзывания трущихся поверхностей. Также используется более общий вид зависимости нормального давления на контактной поверхности от скорости «набегания» преграды. Впервые вычленяется и анализируется влияние вращательного движения индентора на параметры проникания. Решается задача оптимизации формы головной части индентора.

Структурно диссертация состоит из введения, четырёх разделов и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

По итогам выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований были получены следующие результаты и сделаны следующие выводы:

1. Разработаны физическая и математическая модели проникания жёстких вращающихся инденторов в грунты, учитывающие: a) полиномиальный характер зависимости нормального давления на контактной поверхности от нормальной компоненты скорости набегания преградыb) наличие трения на контактной поверхности «индентор-преграда» с коэффициентом, зависящим от относительной скорости проскальзывания трущихся поверхностейc) влияние вращательного движения и плоского притупления вершины головной части на формирование силы лобового сопротивления.

2. Предложен и реализован на практике экспериментально-теоретический способ определения численных значений физических констант, характеризующих динамические свойства грунтов и входящих в структуру силы лобового сопротивления. Определены численные значения констант для ряда реальных грунтов.

3. Работоспособность предложенных моделей продемонстрирована на примерах решения прямых задач проникания. В частности: a) впервые произведена количественная оценка влияния вращательного движения индентора на параметры его проникания в преградуb) расчёты показали, а эксперимент подтвердил, что полная глубина проникания индентора в преграду с увеличением скорости вращательного движения возрастает на 3,., 7%, причём наиболее значительно этот эффект проявляется при относительно небольших (до 300 м/с) скоростях проникания, а при дальнейшем увеличении скорости поступательного движения это влияние ослабевает. c) показано, что учёт сил трения на контактной поверхности при проникании существенно влияет на параметры проникания и уменьшает погрешность определения полной глубины проникания индентора в 1,5,., 2 раза.

4. В рамках системы обоснованных упрощающих гипотез сформированы и решены на примерах пуль стрелкового оружия проникающего типа задачи оптимального проектирования геометрических параметров головных частей инденторов двух типов: конических и ожи-вальных, включающих выбор оптимального радиуса притупления вершины головной части.

5. Проведена проверка адекватности результатов расчётов по предлагаемым моделям результатам экспериментов и получено их удовлетворительное соответствие.

6. Полученные решения и рекомендации на их базе доведены до уровня возможности их практического использования в конструкторской практике и используются на предприятиях отрасли, в частности, в ЦНИИТМ, г. Климовск, при проектировании и отработке новых перспективных образцов пуль стрелкового оружия, в том числе и принятых на вооружение в Российской Армии.

Основными направлениями дальнейших исследований в рассматриваемом направлении следует считать:

1. Обобщение и развитие моделей на случаи проектирования головных частей инденторов для проникания в тонкие преграды, толщина которых меньше высоты головной части индентора (каски, бронежилеты). Критерием оптимизации в этих случаях должна являться остаточная кинетическая энергия индентора после полного пробития преграды.

2. Решение задачи оптимального проектирования головных частей жёстких инденторов для случаев, когда высота головной части меньше, но соизмерима с полной глубиной проникания индентора в преграду. В этом случае влияние этапа заглубления головной части индентора в преграду будет существенным, а при малых глубинах — определяющим.

3. Обобщение и развитие моделей на случае проектирования головных частей инденторов, проникающих в прочные преграды, когда проникание сопровождается деформированием и частичным разрушением головной части. При этом разрушение головной части должно быть «управляемым», не допускающим вскрытия каморы индентора в процессе пробития преграды.