RU2426079C1

RU2426079C1 - Способ измерения давления

Info

Publication number: RU2426079C1
Application number: RU2009143947/28A
Authority: RU
Inventors: Акоп Айрапетович Казарян (RU); Акоп Айрапетович Казарян; Виктор Владимирович Подлубный (RU); Виктор Владимирович Подлубный
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-08-10
Also published as: RU2009143947A

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения динамических нагрузок. Техническим результатом является высокая точность измерения полей давления на стеклоблоке и возможность определения динамического давления ударной волны и осколков стекла на тыльной поверхности стеклоблока. Способ измерения динамических нагрузок, в котором на поверхностях двух стекол стеклоблоков наклеивают емкостные чувствительные элементы. Мембрану емкостных чувствительных элементов направляют в сторону распространения взрывной ударной волны. Выделяют из полезного сигнала сигналы шумов и помехи. Определяют коэффициенты преобразования каналов. По результатам градуировки измерения определяют ожидаемое значение измеряемого избыточного давления. Возникающее избыточное давление преобразуют в электрический сигнал емкостными чувствительными элементами. Сигнал согласуют усилителем заряда, усиливают, нормируют в нормирующем усилителе напряжения и регистрируют. По выбранному типу стеклоблока определяют массу заряда источника взрывной ударной волны. Выбирают величину избыточного давления Р_изб от взрывной ударной волны По уровню этого давления выбирают емкостные чувствительные элементы давления, наклеенные на поверхности панели из стекла, находящиеся на полу отсека. По уровню избыточного давления ударной волны, возникающей от деформации стекол, выбирают тип емкостных чувствительных элементов, находящихся внутри камеры-накопителя осколков. Взрывную ударную волну, проходящую на расстоянии R, ослабляют. После выбора источника взрывной ударной волны по наружному диаметру оболочки Д выделяют три зоны распространения взрывной ударной волны: ближнюю, промежуточную и дальнюю. Определяют, в какой зоне находится каждый емкостной чувствительный элемент. Для разрушения стеклоблока расстояние между источником взрывной ударной волны и стеклоблоком выбирают таким, чтобы стеклоблок находился в промежуточной зоне. Определяют степень распределения давления взрывной ударной волны внутри отсека и на образцах. За стеклоблоком в камере-накопителе осколков определяют область, доминирующую в ударно-волновом течении. 2 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения динамических нагрузок, т.е. пульсаций звуковых, ударных, взрывных, ветровых давлений, импульсных кратковременных, в повторно кратковременных режимах в звуковом диапазоне частот, в области авиационной акустики и других объектах народного хозяйства от воздействия воздушной ударной волны.

Известен способ измерения давления на поверхности стеклоблока.

Способ измерения динамических нагрузок на поверхности стеклоблока реализуют на базе тонкопленочных емкостных чувствительных элементов (ЕЧЭ). Для проверки в качестве нагрузки стеклоблока выбирают имитатор-птицу или идентор (замазку) для удара со стеклоблоком. На поверхности стеклоблока определяют область максимального и минимального давления при ударе идентора под разным углом (от 22 до 90°) относительно стеклоблока. На поверхности стеклоблока давление измеряют в дискретных точках с размерами ЕЧЭ от 4×6 мм до 6×9 мм. Например, на поверхности стеклоблока самолета выбрано 55 шт. дискретных точек.

Такое решение в указанном способе позволяет измерять распределение полей динамического давления при воздействии воздушной ударной волны без дренирования стеклоблока (см. патент РФ №2073222, «Имитатор измерения пульсации давления при воздействии идентора», авторы: Казарян А.А., Мильков В.Г., Лукичев Б.Н., 1997).

Недостаток этого способа заключается в том, что при ударе и разрушении стеклоблока трудно определить степень защиты живых организмов и ценностей на тыльной стороне стеклоблока. Способ не определяет силы ударной волны, возникающей от кусков стекла разрушенного стеклоблока. Отсутствует возможность регистрации ударной волны от места взрыва до стеклоблока, т.е. возможность измерять максимальное (в ближнем поле) и минимальное (в дальнем поле) значения ударной волны.

Наиболее близким к изобретению техническим решением, принятым за прототип, является способ измерения давления от воздействия ударной волны (см. пат. РФ №2049315, «Устройство для измерения давления», авторы Казарян А.А., Мильков В.Г., Лукичев Б.Н., 1995). В стеклоблоке, состоящем из двух стекол, на обеих поверхностях стекол в дискретных точках наклеивают тонкопленочные ЕЧЭ для измерения ударной взрывной волны. На первом стекле также в центре и на краях наклеивают тензодатчики для определения деформации и опорных реакций.

С выходов ЕЧЭ, наклеенных на обе поверхности первого стекла, измеряют сигнал, пропорциональный ударной взрывной волне. С выходов ЕЧЭ, наклеенных на обе поверхности второго стекла, измеряют сигнал, пропорциональный давлению от воздействия ударной волны, от отклонения первого стекла. В качестве источника ударной волны выбирают ударную трубу с мягким идентором. Сигнал с выхода ЕЧЭ согласуют с усилителем заряда, затем усиливают, нормируют сигнал в усилителе напряжения. Нормированный сигнал подают на индикатор для дальнейшей обработки. Причем измерительные каналы ЕЧЭ до измерения градуируют, определяют коэффициенты преобразования каналов и регистрируют в индикаторе. На основе полученных результатов строят эпюру давления на поверхностях двух стекол стеклоблока.

Такой способ позволяет измерять динамическое давление на поверхностях стекол стеклоблока от воздействия воздушной ударной волны без дренирования стекла и без дополнительных крепежных деталей для крепления ЕЧЭ.

Недостаток предложенного способа заключается в том, что отсутствует возможность определить уровень ударной волны и степень разрушения за стеклоблоком живых организмов и материальных ценностей.

Задачей изобретения является расширение области применения многослойного взрывобезопасного стекла. Техническим результатом является высокая точность измерения полей давления на стеклоблоке в ближнем и дальнем полях во времени t и пространстве (система координат х, y) и возможность определения динамического давления ударной волны и осколков стекла на тыльной поверхности стеклоблока. Использование этого метода также позволяет сократить затраты на проведение эксперимента с целью установления прочностных характеристик многослойного взрывобезопасного стекла и других типов стеклоблоков.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в способе измерения давления, в котором на поверхностях двух стекол стеклоблоков симметрично на лицевых и тыльных поверхностях стекол, а также на их вершинах и между ободками наклеивают емкостные чувствительные элементы, центр стеклоблока и источника взрывной ударной волны соосны, причем мембрану емкостных чувствительных элементов от ударов взрывной ударной волны направляют в сторону ее распространения, проводят градуировку емкостных чувствительных элементов при ударном давлении Р_у=(0,3÷0,5)Р_изб, где Р_изб - избыточное давление, в качестве задатчика давления выбирают ударную трубу, выделяют из полезного сигнала сигналы шумов и помехи, определяют коэффициенты преобразования каналов, по результатам градуировки измерения определяют ожидаемое значение измеряемого избыточного давления как:

; где U₃÷U₅₂ - измеренное напряжение пропорционально давлению

; S₃÷S₅₂ - коэффициенты преобразования каналов, возникающее избыточное давление преобразуют в электрический сигнал емкостными чувствительными элементами, затем сигнал согласуют усилителем заряда, усиливают, нормируют в нормирующем усилителе напряжения и регистрируют, отличающийся тем, что по выбранному типу стеклоблока определяют массу заряда источника взрывной ударной волны, затем из директивных материалов выбирают величину избыточного давления Р_изб от взрывной ударной волны, по уровню этого давления выбирают емкостные чувствительные элементы давления, наклеенные на поверхности панели из стекла, находящиеся на полу на расстоянии R между источником взрывной ударной волны и стеклоблоком, по уровню избыточного давления ударной волны, возникающей от деформации стекол, выбирают тип емкостных чувствительных элементов, находящихся внутри камеры-накопителя осколков, взрывную ударную волну, проходящую на определенном расстоянии R, ослабляют согласно зависимости

и после выбора источника взрывной ударной волны по наружному диаметру оболочки Д и по характеру их действий выделяют три зоны распространения взрывной ударной волны, при этом ближнюю зону R_Д=2Д²/λ выбирают в зависимости от наружного диаметра оболочки Д и длины волны источника взрыва λ, в промежуточной зоне R_Д<Р_п≤R, давление

находится между давлениями

, где

- возмущенное максимальное избыточное давление ВУВ, Р₀ - давление окружающей среды, определяют время прохождения ВУВ промежуточной зоны t_n как

где

- момент времени максимального значения взрывной ударной волны,

- продолжительность положительной ВУВ, и дальнюю зону Rd, то есть R_Д<Rd≥R, затем определяют, в какой зоне находится каждый емкостной чувствительный элемент, причем для разрушения стеклоблока расстояние между источником взрывной ударной волны и стеклоблоком выбирают таким, чтобы стеклоблок находился в промежуточной зоне R_n, определяют степень защищенности и распределения давления взрывной ударной волны внутри отсека и на образцах, при этом образцы располагают симметрично относительно друг друга по направлению возникающей деформации стекол, затем за стеклоблоком в камере-накопителе осколков определяют область, доминирующую в ударно-волновом течении, при этом неравномерности в распределении избыточного давления заметны вблизи образцов, когда U_S·t≥4H, где U_S - скорость распространения взрывной ударной волны в камере-накопителе осколков в промежутке времени t; Н - высота образцов, при значении U_St>6H область, доминирующая в ударно-волновом течении, ослабевает вокруг образцов, и образцы практически не обтекаются потоком газа.

На фиг.1a изображена блок-схема и на фиг.1б изображена структурная схема устройства для измерения динамического давления, состоящая из вертикальной (сеч.Б-Б) и горизонтальной проекций (сеч. А-А). На фиг.2 показана структура идеальной взрывной ударной волны.

На фиг.1б структурная схема устройства содержит стеклоблок, состоящий из двух стекол прямоугольной формы 1, 2. На обе поверхности двух стекол 1, 2 наклеены ЕЧЭ 3÷22. На полу перед стеклоблоком (лицевая сторона) наклеены три ряда ЕЧЭ 23÷37, в каждом ряду по пять штук. На полу за тыльной поверхностью стеклоблока тоже наклеены три ряда ЕЧЭ 38÷52, где в каждом ряду тоже по пять штук ЕЧЭ (фиг.1б, сеч. А-А). Число ЕЧЭ не ограничено и связано с условием проводимого эксперимента. Кроме того, за тыльной поверхностью стеклоблока смонтированы три цилиндрических фигуры - образцы 53÷55, изображающие цель поражения. Целью может быть живой организм, предмет и т.д. На каждом изображающем цель образце тоже наклеено по одному и более ЕЧЭ 40, 46, 52 (сеч. А-А, Б-Б, фиг.1б). Специальный отсек (камера - накопитель осколков) - 56 с контрольной стеклянной панелью 57 и пленкой (облицовкой) 58. На фиг.1а - источник ударной взрывной волны 59, диафрагма 60, источник напряжения 61, резистор развязки 62. Диафрагма из проволоки 60 образует с источником напряжения 61 и резистором 62 цепь синхронизации. Устройство также содержит согласующие усилители заряда 63 для каждого ЕЧЭ, многоканальный нормирующий усилитель напряжения 64 и индикатор 65. Стеклоблок скрепляют с помощью ободка 66.

На поверхность стекла наклеивают не менее пяти ЕЧЭ. На середину стекол наклеены ЕЧЭ 5, 10, 15, 20 для определения максимального значения ударной волны. ЕЧЭ 3, 7, 8, 12, 13, 17, 18, 22 предусмотрены для определения опорных реакций между стеклом и ободком 66. ЕЧЭ 23÷37, наклеенные на поверхности пола (с лицевой стороны стеклоблока), предусмотрены для регистрации ударной взрывной волны во времени на расстоянии 1,5; 3,0; 1,0 м. На один метр ниже кромки стеклоблока (фиг.1, сеч. Б-Б) предусмотрены ЕЧЭ 38÷52 для регистрации давления ударной волны от деформации первого стекла 1, которое передает давление второму стеклу 2, а также для регистрации ударного давления от кусков стекол 1, 2 на поверхности контрольной стеклянной панели 57. Выбранный тип ЕЧЭ с твердым или газообразным диэлектриком зависит от уровня ожидаемого давления ударной взрывной волны. Подробности конструкции ЕЧЭ в книге А.А.Казаряна «Пленочные датчики давления», стр.92-94, 2006 г.

Для оценки воздействия осколков стекла на расстояние до 3 м в отсеке 56 ЕЧЭ 38÷52, на которых расположена пленка 58, оклеены алюминиевой фольгой или бумагой для регистрации разлетающихся осколков стекла. При использовании алюминиевой фольги ЕЧЭ электрически изолируют от фольги. Толщина пенопласта 20-50 мм; толщина алюминиевой фольги 0,2-0,8 мм. Все требования структурной схемы устройства, выбор размеров, расположение ЕЧЭ, наклейку ЕЧЭ на поверхности стекла и т.д. осуществляют согласно руководящему документу «Методика испытаний защитных взрывобезопасных стекол при воздействии воздушной ударной волны» (РД77-73.99-03-2001).

На фиг.2 представлена структура взрывной ударной волны (ВУВ) в воздухе. Такие волны называют падающими или проходящими. На фиг.2 Р₀ - давление окружающей среды до прохода ВУВ. В момент времени t_a при прохождении ВУВ давление мгновенно резко повышается до максимального

. Величина

представляет собой невозмущенное максимальное избыточное давление в падающей волне. Затем давление падает до давления окружающей среды за время

и продолжает снижаться до величины

, возвращаясь впоследствии к исходному давлению Р₀ за общее время

. Область

ВУВ на фиг.2, в которой давление превышает давление окружающей среды Р₀, называют положительной фазой с продолжительностью

Область

где давление меньше Р₀, называют отрицательной фазой или фазой разряжения с продолжительностью

и амплитудой

. Положительные

и отрицательные

импульсы на единицу поверхности удельные импульсы являются важными параметрами ВУВ и определяются как:

Динамическое давление определяют как:

, где ρ - плотность газа за волной; V - массовая скорость газа за волной. Динамическое давление определяет лобовую ветровую нагрузку и, следовательно, возможное разрушение.

Устройство функционирует следующим образом:

ВУВ поступает на диафрагму 60 и обрывает ее, проходит расстояние R, где наклеены ЕЧЭ 23÷37 (фиг.1б, сеч. А-А) и поступает на поверхность стекла 1, на котором наклеены ЕЧЭ 3÷12. От удара ВУВ стекло 1 деформируется, ЕЧЭ 3÷7 сжимаются, а ЕЧЭ 8÷12 растягиваются и с выходов регистрируют электрический сигнал, пропорциональный давлению ВУВ. Затем давление от деформации первого стекла, проходя расстояние с (на фиг.1, см. Б-Б), передается на поверхность второго стекла 2, деформируется стекло 2 и здесь ЕЧЭ 13÷17 сжимаются, а ЕЧЭ 18÷22 растягиваются. Вследствие этого на их выходе появляется электрический сигнал, пропорциональный давлению от деформации первого стекла. Зарегистрированное значение давления от деформации второго стекла передается в отсек 56. Это давление, одновременно преобразованное ЕЧЭ 38÷52 в электрический сигнал, подают на входы усилителя заряда 63. С выхода усилителя заряда согласованные сигналы одновременно через нормирующие усилители напряжения 64 передают на индикатор 65 для хранения и дальнейшей обработки. При этом имеется временная синхронная связь между индикатором 65 и источником ВУВ 59 через диафрагму 60, резистор 62 и источник напряжения 61. Давление ВУВ в ослабленном виде от деформации двух стекол стеклоблока может передать в отсек 56 порядка 40÷100 Па. Тогда ЕЧЭ 38÷52 следует выбирать высокочувствительными с газообразным диэлектриком. Задают большие уровни ВУВ, стеклоблок разрушают и куски обломков стекла ударяют пленку 58, оставляя следы, и ЕЧЭ 38÷52 регистрируют ударное давление от обломков стекла панели 57. И этот сигнал регистрируют в индикаторе 65. Затем анализируют состояние стеклянной панели 57 после ударов обломков стеклоблока.

Все используемые блоки и электрорадиоэлементы стандартные отечественного или зарубежного производства. Расстояние между ЕЧЭ и усилителем заряда ~0,3÷50 м и более, а расстояние между согласующими усилителями заряда и нормирующими усилителями напряжения не менее 100 м. Расстояние с между двумя стеклами 1, 2 стандартное, в зависимости от предназначения выбранного стеклоблока. Расстояние в между ЕЧЭ выбирают, исходя из условия проводимого эксперимента (минимальное ~8÷10 мм). Высота Н трех образцов 53÷55 в отсеке 56 от 0,8÷1,2 м, диаметр цилиндра ~0,5÷0,8 м.

В зависимости от расстояния между источником ВУВ 59 и стеклоблоком согласно директивным материалам РД-77-7399-01-2001 «Стекла защитные взрывобезопасные» (в дальнейшем ГОСТ Р 5113 8-98 с соответствующими изменениями) величина удельного импульса ВУВ будет 10; 20; 25; 55 Па/с, при этом соответственно возникает давление ВУВ такой величины: 6,5; 15; 25; 65; 200 кПа при массе заряда 2 кГ и другие давления, соответствующие нормам зарубежных стран. Массу заряда можно выбирать такой, чтобы пакет стекла не разрушать или разрушить с целью определения влияния обломков стекла на живые организмы, материалы, ценности и на стратегические объекты.

Принцип работы устройства следующий. При воздействии ВУВ и при изменении динамического давления на величину ΔР диэлектрическая пленка ЕЧЭ 3÷52 деформируется, изменяется С ЕЧЭ. Изменение этой емкости приводит к изменению емкости на величину ΔС. По этому изменению судят о величине давления. Сигнал снимается с выходов ЕЧЭ 3÷52 фиг.1 пропорционально приращению емкости

и напряжению поляризации U, т.е.

. Это напряжение подают на входы усилителей заряда 63, затем усиливают в нормирующем усилителе напряжения 64 и подают на индикатор 65. ЕЧЭ поляризуют напряжением постоянного тока от 10 до 200 В из блока питания 61.

Способ реализуют следующим образом. Испытание для оценки защитных свойств, в частности взрывобезопасного стекла согласно руководящему документу РД77-7399-03-2001 проводят в специальном устройстве, имитирующем взрывы и воздействие поражающих факторов, на открытой местности, в замкнутых и полузамкнутых помещениях. На фиг.1 устройство представляет собой полузамкнутое помещение. Источник давления ВУВ 59 располагают на оси симметрии стеклоблока. Для ясности и сокращения трудоемкости анализируют результаты испытания с правой стороны. Измерение избыточного давления осуществляют на расстоянии от 1 до 30 м в зависимости от выбранного типа источника ВУВ.

1. Выбирают испытуемый защитный стеклоблок, состоящий из двух стекол 1, 2 промышленного назначения из органического стекла (по ГОСТ 10667) или внутренних слоев стекол 1, 2 из поливинилбутиральной пленки по ГОСТУ 9438 и других полимерных, силикатных материалов, которые отличают по типу и составу материала, механическим и оптическим характеристикам. Выбирают толщину стекол от одного до нескольких десятков мм, например панели размерами 1000×1000 мм.

2. Согласно выбранному типу стеклоблока и согласно РД77-7399-02-2001 «Стекла защитные взрывоопасные» и ряда заданных уровней давления ударной взрывной волны 6,5; 15; 25; 65; 200 кПа выбирают массу заряда источника взрывной ударной волны 59. Затем по выбранному максимальному значению давления ВУВ выбирают ЕЧЭ 3÷22, наклеенные на поверхностях двух стекол 1, 2 стеклоблока, и ЕЧЭ 23-37, наклеенные на поверхности поля между источником ВУВ 59 и стеклом 1, находящимися на расстоянии R друг от друга (1,5 м, 3 м, 1,5 м, фиг.1, сеч. Б-Б). При этом учитывают, что под давлением ВУВ после удара в центр стеклоблока, стекла деформируются. Давление ВУВ в значительно ослабленной форме поступает в отсек 56. При этом ЕЧЭ 38÷52 выбирают согласно величине ослабленного (от деформации стеклоблоков) давления ВУВ.

Перед испытанием согласно ГОСТ Р51136-98 стеклоблок закрепляют на месте установки, представляющем собой жесткую раму (в натуре) и обеспечивающем:

- прочную связь стеклоблока с основанием устройства;

- стеклоблок направляют перпендикулярно к источнику ВУВ;

- равномерное прижатие образца к вертикальной плоскости.

3. Мембрану ЕЧЭ 3÷7; 13÷17 направляют в сторону подающей давление ВУВ (от источника ВУВ 59), ЕЧЭ 8÷12 и 18÷22 направляют навстречу давлению ВУВ, возникающему от деформации стекол 1, 2 соответственно, т.е. мембрана ЕЧЭ наклеена на тыльной поверхности стекол 1, 2.

4. После завершения монтажных работ осуществляют градировку каждого канала в отдельности:

а) без подачи давления ВУВ в покое устройства при поляризованном состоянии ЕЧЭ измеряют шумы в каждом канале U_ш.

б) выбирают источник давления ВУВ, например, ударную трубу, оснащенную эталонным датчиком. В качестве идентора - воздух (газ) или мягкий идентор из замазки. Давление градировки Р_г ВУВ задают не более Р_у=(0,3÷0,5)Р_изб.; где Р_изб. - ожидаемый уровень давления ВУВ на поверхности стекла.

в) задают на устройство давление градировки ВУВ Р_г≠0, и на выходе ЕЧЭ регистрируют сигналы, смешанные с шумами, помехами и с выходов всех ЕЧЭ через усилители заряда 63 и нормирующий усилитель напряжения 64 регистрируют на индикаторе. Для получения достоверных результатов эксперимент могут повторять не менее трех раз.

г) на основе существующей методики из измеренного общего сигнала, смешенного с шумами и помехами, выделяют полезный сигнал градировки U_г. При этом определяют коэффициенты преобразования каждого канала в отдельности и регистрируют в индикаторе, т.е.

;

; где U_Г3, …, U_Г52 - напряжение на выходе измерительных каналов [мВ]; S₃, …, S₅₂ - коэффициент преобразования каналов

.

5. После завершения градировки измерительных каналов устройство готово для проведения измерения давления ВУВ.

ЕЧЭ 23÷37 регистрируют давление ВУВ, возникающее от источника 59. Давление с амплитудой

ВУВ, проходя в воздухе расстояние R, представляет собой максимальное невозмущенное избыточное давление, которое превышает давление окружающей среды Р₀ в положительной фазе T⁺ и давление ВУВ, которое меньше давления окружающей среды Р₀ в промежутке времени T^-, и с амплитудой

находится в отрицательной фазе фиг.2. Далее давление

в момент времени больше t_a регистрируют ЕЧЭ 3÷7 до времени

. Затем ЕЧЭ 8÷12; 13÷23 регистрируют давление ВУВ от деформации стекла 1. Избыточное давление ВУВ от деформации стекол 1, 2, проходя отсек 56, регистрируют ЕЧЭ 38÷52. Преобразованное в электрический сигнал избыточное давление ВУВ через усилители заряда и нормирующий усилитель напряжения подают на индикатор для дальнейшей обработки, т.е. имеем на выходе каналов сигнал от U_3ш до U_52ш. И из этих сигналов выделяют сигналы шумов и помех и получают U₃÷U₅₂ - напряжение на выходе каналов, смешенное с шумами. Затем избыточное давление ВУВ в каждом канале

определяют

; и так определяют отрицательное давление (разрежение).

6. Распределение полей избыточного давления ВУВ между источником 59 и первым стеклом 1, на поверхностях двух стекол и в отсеке 56 определяют, пользуясь известным общим правилом, что ВУВ, проходящая определенное расстояние R, ослабляется как:

от центра источника ВУВ, например, R=1 м … 10 м и больше. Возникновение положительной и отрицательной фазы избыточного давления ВУВ зависит от величины плотности энерговыделения источника ВУВ. При малой амплитуде давление в отрицательной фазе становится сравнимым с амплитудой положительной фазы.

7. После выбора источника ВУВ 59 и, зная наружный диаметр оболочки Д ВУВ и то, что взрывные волны ослабевают по мере распространения, по характеру их действия выделяют три зоны: а) Первая зона, ближняя, имеет протяженность R_Д и определяется по формуле R_Д=2Д²/λ, где λ - длина ВУВ, близкая к источнику ВУВ, т.е. выбирают зону сильного взрыва. В этой зоне давление ВУВ столь велико, что внешнее давление, т.е. противодавление, не учитывают; б) выбирают промежуточную зону Rп, представляющую в основном практический интерес. В промежуточной зоне R_Д<R_П≤R, избыточное давление

ВУВ достаточно велико для того, чтобы произвести ощутимые разрушения в интервале времени

в) определяют дальнюю зону вслед промежуточной зоне (зона слабого взрыва), находящуюся на расстоянии R_Д<Rd≥R. Дальняя зона имеет протяженность от R до ∞. Практически расстояния R, Rd, R_Д, R_П выбирают в зависимости от условий проводимого эксперимента.

Согласно теории волновых процессов, если на некотором расстоянии (например, в близкой зоне) известна зависимость избыточного давления от времени, то не вызывает трудности построить аналогичную зависимость и для дальнего поля (на больших расстояниях).

Таким образом, в зависимости от времени в зоне слабого взрыва (в дальнем поле) тоже возникают два более слабых пика (чем в ближней зоне) давления, от избыточного

до разрежения

(отрицательного) фиг.2.

8. После выбора источника ВУВ, уточнения ближней, промежуточной, дальней зон определяют расстояние R между источником ВУВ и стеклоблоком. Затем определяют расположение ЕЧЭ 23÷37 на стеклоблоке и в отсеке 56, а именно в каком поле находятся - ближнем, промежуточном или дальнем. Известно, что во взрывной волне идеального источника ВУВ имеется отрицательная фаза, а его амплитуда избыточного давления мала по сравнению с амплитудой положительной фазы избыточного давления. Разрушение, вызываемое отрицательным избыточным давлением, незначительное.

9. Определяют максимальное значение взрывной нагрузки на плоские и жесткие поверхности стеклоблока и другие участки устройства от падения ВУВ. Так: считают, что при этом скорость воздуха (газа) за фронтом отраженной ВУВ неподвижна, и давление существенно больше, чем давление на фронте, подающем ВУВ. Согласно фиг.2 импульс отраженной ударной волны i_r определяют как:

, где Р_r(t) - максимальное избыточное давление в нормальной отраженной волне от времени t; T_r - время действия отраженной волны или длительность фазы сжатия; t_a - момент взрыва источника ВУВ.

Более точно, зависимость i_r-импульса отраженной волны от расстояния определяют с помощью выражения Бейкера в случае сильных ударных волн

, где М_Т - сумма масс заряда ВУВ. В случае слабых ударных волн, когда газ принимают идеальным используют зависимость между максимальным избыточным давлением в отраженной волне P_r и избыточной амплитудой падающей ударной волны P_S как:

, где

;

- максимальные избыточные давления в падающей P_S и отраженной P_r волнах соответственно; i_r - импульс отраженной ВУВ, i_S - импульс падающей ВУВ,

,

- нормализированные значения параметров. Практически верхнюю амплитуду отраженной волны трудно установить, отношение

.

Зависимость импульса отраженной ВУВ от малых и больших расстояний R=R_Д÷∞ от источника ВУВ осуществляют ЕЧЭ 3÷52 и следует иметь в виду, что во всех участках устройства импульс падает с увеличением расстояния по закону

.

При падении ВУВ на поверхность стекла газ тормозится, образуются скачки уплотнения и затем, возможно, растекаются вдоль поверхности. В окрестности точки могут образовываться струи газа и возникают пики максимального давления (нагрузки).

10. Определяют степень защищенности и распределения давления ВУВ внутри отсека 56 и на цилиндрических образцах 53÷55. Образцы располагают симметрично относительно друг друга по направлению давления ВУВ, возникающей от вызываемой деформации колебаний стекол 1, 2. Так: определяют область, доминирующую в ударноволновом течении, и неравномерности в распределении давления заметны вблизи образцов 53÷55, когда значение U_S·t≥4H, где U_S - скорость распространения ВУВ в отсеке 56 в промежуток времени t; H - высота образцов. При значении U_St≥6H область, доминирующая в ударноволновом течении, ослабевает вокруг образцов, и образцы практически не обтекаются потоком газа. Показано, что когда безразмерная частота ВУВ

, то возникает подобласть, где давление ВУВ, возникающее от деформации стекол, повышается за счет отражения ВУВ от стенки отсека. Цилиндрические фигуры, расположенные в отсеке на расстоянии от стеклоблока 1 и между собой на расстоянии 2 м, 3 м (сеч. А-А, Б-Б). В результате взаимодействия процессов дифракции и отражения эпюра давления ВУВ при τ→∞ затухает, и поток газа на поверхности образцов, практически становится однородным (Неавтомодельные режимы воздействия ударных волн на тела. Стр.243-249. Книга «Воздействие ударных волн и струй на элементы конструкций». Авторы В.Н.Ляхов, В.В.Подлубный, В.В.Титаренко. - М.: Машиностроение, 1989, 391 с.).

Доказано, что увеличения давления на жестких поверхностях стекол, образцов в отсеке и на полу могут возникать при околозвуковых скоростях ВУВ установившегося стационарного потока за ВУВ. А также наличие участков на жестких поверхностях с большим углом наклона к направлению распространения ВУВ вызывает увеличение нагрузки. Наличие неровности на поверхности тела приводит к значительному усечению неравномерного распределения полей давления. При фиксированном постоянном значении параметров ВУВ при тепловыделении на фронте волны снижается нагрузка, а при теплопоглощении - повышается нагрузка на поверхности тела.

11. Допускают, что взрыв происходит над плоской поверхностью тела. При этом рассматривают отражение сферической ВУВ, т.е. главной ударной волны перед телом при обтекании его сверхзвуковым стационарным потоком, которая образуется в результате взрыва в точке В на высоте Н₁ над плоской поверхностью (фиг.1, сеч. Б-Б). В момент времени t₀=0 ВУВ_S достигает на поверхности и отражается от нее сначала образованием одной отраженной ВУВ_R, т.е. регулярное отражение при t₀≤t≤t₁, а затем с образованием ВУВ_R и

нерегулярное отражение при t>t₁, во времени и т.д. (подробное описание регулярных и нерегулярных отражений выходит за предел текста изобретения).

12. Для определения степени повреждения от осколков стекла стеклоблока источник ВУВ располагают ближе к стеклоблоку так, чтобы стеклоблок находился в промежуточной зоне, т.е. в зоне возникновения максимального значения избыточного давления ВУВ_S в зависимости от времени t в интервале t_a>t≥t_a+T⁺ фиг.2. Вследствие удара ВУВ_S на стеклоблок стекло разрушается, осколки попадают на ЕЧЭ 38÷52, оставляют следы на поверхности пленки 58. При этом ударная сила осколков в ЕЧЭ преобразуется в электрический сигнал, который усилители заряда и напряжения передают на индикатор для дальнейшей обработки и хранения, с учетом геометрического расположения образцов 53÷55. Расстояние от пола 1 м; расстояние от стеклоблоков 1 м, между образцами 53, 54 и 55 h=2 м, h=3 м соответственно.

Стекло считают выдержавшим воздействие ВУВ, если осколки стекла не поражают контрольную панель 57, расположенную в отсеке, и осколки не летели дальше, чем на 7,5 м от него, согласно РД77-7399-02-2001.

С этой целью в лабораторных условиях были градуированы ЕЧЭ, наклеенные на поверхности стеклоблока с размерами 300×300×50 мм. В качестве источника взрывной ударной волны была выбрана ударная труба УТ-4. Размеры ЕЧЭ 6×9 мм с твердым диэлектриком. Коэффициент преобразования ЕЧЭ при давлении 1 Па (расчетное), толщина пленки 12 мкм;

. Коэффициенты преобразования четырех измерительных каналов на лицевой поверхности

, а на тыльной поверхности . После градуировки ЕЧЭ стеклоблок был испытан в специальной установке, где задатчиком давления являлась пневматическая ударная труба. В качестве заряда было выбрано 200 г замазки. Скорость идентора из замазки 20 и 60 м/с. Расстояние между стеклами с=30 и 60 см соответственно, максимальный уровень давления от удара идентора 60 м/с при с=30 см составлял 25÷270 кПа с длительностью импульса 4,5-53 мс, а при расстоянии с=60 см - 13÷230 Па с длительностью импульса от 5,4÷8,5 мс.

Измерительная аппаратура разработана в ЦАГИ. Коэффициент усиления усилителя заряда 20; коэффициенты усиления нормирующего усилителя напряжения 25; 50; 100; 400. В качестве индикатора был выбран двухканальный запоминающий осциллограф типа С9-8.

Изобретение позволяет повысить технико-экономическую эффективность за счет определения допустимых пределов выдержки нагрузок от ВУВ стеклоблоков, других строительных материалов. Определить степень защищенности живых организмов, ценностей внутри помещения при совершении террористических актов. Также изобретение позволяет определить прочностные характеристики летательных аппаратов.

Claims

Способ измерения динамических нагрузок, в котором на поверхностях двух стекол стеклоблоков симметрично на лицевых и тыльных поверхностях стекол, а также на их вершинах наклеивают емкостные чувствительные элементы, центр стеклоблока и источника взрывной ударной волны соосны, причем мембрану емкостных чувствительных элементов от ударов взрывной ударной волны направляют в сторону ее распространения, выделяют из полезного сигнала сигналы шумов и помехи, определяют коэффициенты преобразования каналов, по результатам градуировки измерения определяют ожидаемое значение измеряемого избыточного давления как
где U₃÷U₅₂ - измеренное напряжение пропорционально давлению
; S₃÷S₅₂ - коэффициенты преобразования каналов, возникающее избыточное давление преобразуют в электрический сигнал емкостными чувствительными элементами, затем сигнал согласуют усилителем заряда, усиливают, нормируют в нормирующем усилителе напряжения и регистрируют, отличающийся тем, что по выбранному типу стеклоблока определяют массу заряда источника взрывной ударной волны, затем выбирают величину избыточного давления Р_изб от взрывной ударной волны, по уровню этого давления выбирают емкостные чувствительные элементы давления, наклеенные на поверхности панели из стекла, находящиеся на полу отсека на расстоянии R между источником взрывной ударной волны и стеклоблока, по уровню избыточного давления ударной волны, возникающей от деформации стекол, выбирают тип емкостных чувствительных элементов, находящихся внутри камеры-накопителя осколков, взрывную ударную волну, проходящую на расстоянии R, ослабляют согласно зависимости
и после выбора источника взрывной ударной волны по наружному диаметру оболочки Д выделяют три зоны распространения взрывной ударной волны: ближнюю, промежуточную и дальнюю, при этом ближнюю зону R_Д=2Д²/λ выбирают в зависимости от наружного диаметра оболочки Д и длины волны источника взрыва λ, в промежуточной зоне R_Д<R_П≤R, давление
находится между давлениями
где
возмущенное максимальное избыточное давление взрывной ударной волны, Р₀ - давление окружающей среды, определяют время прохождения взрывной ударной волны промежуточной зоны t_n как
, где t_a - момент времени максимального значения взрывной ударной волны,
- продолжительность положительной взрывной ударной волны, затем определяют, в какой зоне находится каждый емкостной чувствительный элемент, причем для разрушения стеклоблока расстояние между источником взрывной ударной волны и стеклоблоком выбирают таким, чтобы стеклоблок находился в промежуточной зоне R_П, определяют степень распределения давления взрывной ударной волны внутри отсека и на образцах, при этом образцы располагают симметрично относительно друг друга по направлению возникающей деформации стекол, затем за стеклоблоком в камере-накопителе осколков определяют область, доминирующую в ударно-волновом течении.