DEFINITION DURABILITY OF REINFORCED CONCRETE MATRICES FOR EXPLOSIVE STAMPING BY TENSOMETRIC METHODS

Full Text

При изготовлении металлических крупногабаритных изделий экономически целесообразно использовать для формообразования энергию взрыва. В большинстве случаев данная технология используется для трудноштампуемых сверхпрочных металлов [1]. Достоинством методов взрывной штамповки является конструктивная простота, так как в качестве оснастки применяют только матрицы без пуансона, что приводит к снижению стоимости оснастки. Для сложных и крупносерийных изделий в основном используют матрицы из стали и чугуна. Для мелкосерийного производства экономически целесообразно использовать железобетонные матрицы из-за их относительной дешевизны изготовления. Потребность в небольших количествах изделий существует для отраслей оборонного комплекса, для производства аэрокосмической и авиационной техники [2]. Недостатком железобетонных матриц является их малая долговечность при импульсных (взрывных) нагрузках. При импульсных воздействиях в железобетонных матрицах образуются трещины в бетонном слое и локальные разрушения, что приводит к Г. В. Мурашкин, А. И. Снегирёва, Д. А. Кретов, Ю. В. Жильцов 5 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 невозможности дальнейшей эксплуатации. Поэтому разработка способов повышения долговечности железобетонных матриц является актуальной задачей на сегодняшний день. Известны работы, посвященные использованию железобетонных конструкций при многократно повторяющихся взрывных нагрузках [3, 4]. В работе [3] исследования проводились на небольших цилиндрах, затем результаты интерпретировались на реальную конструкцию железобетонной бронекамеры. В работе [4] рассматриваются железобетонные кольцевые матрицы, а также способы повышения их долговечности за счет увеличения прочности бетона. Изменение характеристик бетона достигается за счет создания давления на него с помощью пресса во время твердения. Применение пресса ведет к удорожанию себестоимости изделий, ограничивает изготовление большемерных конструкций, а также отменяет возможность изготовления матриц вблизи мест штамповки без их транспортировки. Цель исследования: повышение долговечности железобетонных матриц для взрывной штамповки за счет увеличения прочностных свойств бетона путем совершенствования технологии их изготовления и оптимизации конструктивных решений при сохранении относительно низкой их стоимости. Научно-исследовательская работа выполняется при поддержке федерального государственного бюджетного управления «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере». Полученные результаты будут применены при проектировании и изготовлении железобетонных кольцевых матриц для штамповки взрывом. Математическая модель, способы и результаты расчета, описание конструкции матрицы приведены в ранее опубликованных статьях [5-7]. В данной статье будет рассмотрен метод определения долговечности предлагаемых конструкций железобетонных матриц. Для проведения экспериментальных исследований была изготовлена железобетонная кольцевая матрица, конструкция которой защищена патентами [8, 9]. На данном этапе задачей исследования является настройка измерительного комплекса, отработка способа изготовления и проведение испытания образца нагрузкой от взрыва. Долговечность железобетонных матриц для штамповки взрывом характеризуется количеством циклов загружения при изготовлении определенного объема изделий без существенного изменения эксплуатационных свойств матрицы. Для определения искомой величины запланировано изготовить и испытать несколько серий натурных образцов железобетонных матриц. Показателем долговечности принято многократное загружение матрицы до обнаружения признаков разрушения конструкции. Для фиксации значений напряжений в момент взрыва на элементы матрицы были установлены тензорезисторы типа BE120-20AA-X-4cm (сопротивление 120 Ом, длина базы 20 мм). Общее число тензорезисторов - 18 шт.: из них 6 шт. расположены на наружном кольце, 6 шт. - на внутреннем и 6 шт. - на арматуре. Схема установки тензорезисторов представлена на рис. 1. Для фиксации тензорезисторов использовался клей БФ-2. Была выполнена подготовка мест установки тензорезисторов путем обработки металла шлифовальной шкуркой с последующим обезжириванием. Для коммуникации тензорезисторов к измерительному комплексу использовался медный провод диаметром 0,2 мм, длиной 500 мм (R=0,27 Ом), с дальнейшим подсоединением его к проводам измерительного комплекса (R= 8 Ом). После припайки тензорезисторы были покрыты водостойким лаком и дополнительно закрыты тонкими стальными защитными листами. После этого производилось бетонирование матрицы. Для приготовления бетонной смеси использовался состав как для бетона В30 на гранитном щебне крупностью до 20 мм, речном песке, портландцементе марки 400. Во время твердения бетонной смеси с помощью гидравлической камеры, встроенной в конструкцию матрицы, на бетон было приложено давление 1,3 МПа продолжительностью порядка 30 мин. Давление подавалось за счет закачивания в камеру гидравлического масла ручным гидронасосом НР01ЮА. Штуцер, через который подавалось масло в камеру, был оснащен обратным клапаном, чтобы исключить возможность выхода масла из камеры при эксплуатации и в момент взрыва. Для снятия показаний в момент взрыва использовался измерительный микропроцессорный тензометрический комплекс «Динамика-1». Быстродействие на канал составляет 20 кГц. Для определения чувствительности тензометрической системы к измеряемой величине и для проверки работы системы во всем диапазоне изменения входной величины была выполнена тарировка тензометрической аппаратуры. Для этого была изготовлена балка размером 360х30х5 мм, выполненная из высокопрочной стали марки 12Х18Н10Т. На балку было установлено 12 тензорезисторов (по 6 шт. на каждую сторону) из той же партии, что и на контрольном образце. На вход измерительной системы пода- Рис. 1. Схема установки тензорезисторов Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 6 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ вались определенные значения прогиба балки. Прогибы создавались с помощью специальной установки, представленной на рис. 2. Расчетная схема тарировочного образца соответствует балке на двух опорах с приложением двух сосредоточенных сил и образованием зоны чистого изгиба в центральной части балки. На выходе комплекс «Динамика-1» фиксировал сигналы системы на приложенные воздействия. Тарировка аппаратуры проводилась при постоянной температуре +20 °С. За измеряемую величину была принята относительная деформация. Предполагаемое изменение сопротивления тензорезистора было определено по формуле R Rk, (1) где R- изменение сопротивления тензорезистора, равное 0,72 Ом; R - сопротивление тензорезистора, равное 120 Ом; k - коэффициент калибровки (Gage Factor), равный 2,08;  - максимально допустимые относительные деформации, равные 0,3 %. Для полученного значения R были заданы соответствующие характеристики в настройках прибора «Динамика-1». Было выполнено 20 ступеней загружений до достижения балкой   0,13 %. На каждой ступени фиксировалось значение прогиба балки с помощью индикатора часового типа. Зная геометрические, физические характеристики и значение прогиба балки на двух опорах (при двух действующих на балку одинаковых по величине нагрузках, точка приложения которых удалена от опоры на расстояние a м) на каждом этапе загружения, относительные деформации можно определить по формуле (2) где fmax - прогиб балки, определяемый по индикатору часового типа; h - высота балки, равная 0,005 м; l - длина балки, равная 0,36 м. Зная значения относительных деформаций , были определены напряжения в балке:  E, (3) где E - модуль упругости балки, равный 1,98105 МПа. Показания индикатора часового типа и полученные данные по формулам (2) и (3) записаны в виде табл. 1. Показания измерительного комплекса «Динамика-1» представлены в табл. 2. По полученным данным был построен график (рис. 3), определяющий степень линейности деформаций от напряжений измерительной системы в ди- Рис. 2. Установка для проведения тарировочных испытаний апазоне изменения до  0,013 %. Таблица 1 Показания индикатора часового типа и величины, определяемые с помощью полученных данных Ступень загружения Показания прогибомера y·105, м Прогиб fmax, м Относительные деформации  Напряжения , отсчет  МПа 1 2 3 4 5 6 0 1050 - 0,00000 0,0000 0,00 1 1020 30 0,00030 0,0001 12,30 2 990 30 0,00060 0,0001 24,59 3 960 30 0,00090 0,0002 36,89 4 930 30 0,00120 0,0002 49,18 5 900 30 0,00150 0,0003 61,48 6 870 30 0,00180 0,0004 73,77 7 840 30 0,00210 0,0004 86,07 Г. В. Мурашкин, А. И. Снегирёва, Д. А. Кретов, Ю. В. Жильцов 7 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 Таблица 2 Показания измерительного комплекса «Динамика-1» и величины, определяемые с помощью полученных данных Ступень загружения Показания комплекса «Динамика-1», мкОм/Ом Среднее значение ПР датчик 1 датчик 2 … датчик 12 отсчет ПР ПР отсчет ПР ПР … отсчет ПР ПР 0 -193 0 0 191 0 0 … 260 0 0 0 1 -157 36 36 226 35 35 … 230 30 30 34 2 -128 29 65 263 37 72 … 195 35 65 67 3 -89 39 104 297 34 106 … 165 30 95 102 4 -54 35 139 334 37 143 … 132 33 128 137 5 -16 38 177 369 35 178 … 102 30 158 171 6 20 36 213 403 34 212 … 66 36 194 206 7 55 35 248 436 33 245 … 34 32 226 240 8 94 39 287 469 33 278 … -1 35 261 275 9 133 39 326 505 36 314 … -31 30 291 310 10 165 32 358 542 37 351 … -66 35 326 345 11 197 32 390 578 36 387 … -96 30 356 378 12 237 40 430 613 35 422 … -128 32 388 413 13 269 32 462 644 31 453 … -158 30 418 444 14 303 34 496 681 37 490 … -189 31 449 478 15 340 37 533 718 37 527 … -217 28 477 512 16 374 34 567 753 35 562 … -250 33 510 546 17 408 34 601 782 29 591 … -279 29 539 577 18 443 35 636 820 38 629 … -308 29 568 611 19 483 40 676 868 48 677 … -347 39 607 653 20 533 50 726 916 48 725 … -388 41 648 700 1 2 3 4 5 6 8 810 30 0,00240 0,0005 98,37 9 780 30 0,00270 0,0006 110,66 10 750 30 0,00300 0,0006 122,96 11 720 30 0,00330 0,0007 135,25 12 690 30 0,00360 0,0007 147,55 13 660 30 0,00390 0,0008 159,85 14 630 30 0,00420 0,0009 172,14 15 600 30 0,00450 0,0009 184,44 16 570 30 0,00480 0,0010 196,73 17 540 30 0,00510 0,0011 209,03 18 509 31 0,00541 0,0011 221,73 19 470 39 0,00580 0,0012 237,72 20 430 40 0,00620 0,0013 254,11 Окончание табл. 1 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 8 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Была выполнена аппроксимация полученного графика линейной функцией. Наклон и смещение линии регрессии были определены с помощью встроенных функций в системе Mathcad. В результате получено следующее выражение: Рис. 3. Тарировочный график Рис. 4. Относительные деформации железобетонной матрицы  0,363ПР 0,74. (4) С помощью полученного выражения стало возможным использовать результаты натурного эксперимента, при условии идентичности измерительной системы (одинаковые тензорезисторы, тип и длина соединительных проводов, температура окружающей среды). Для экспериментальных исследований был изготовлен образец матрицы, на котором проводилось испытание на нагружение взрывом с целью определения нормальной работы тензометрической системы. Образец матрицы подвергался единичному загружению зарядом весом 2 г (10 г/м). Комплексом «Динамика-1» было зафиксировано воздействие взрыва на конструкцию. Результаты обработаны, и с помощью вычислений по формулам (3) и (4) показания комплекса переведены в величины напряжений и относительных деформаций. Так как комплекс «Динамика-1» снимает показания каждые 510-5 с, то полученные экспериментальные данные представим в виде ломаной линии путем соединения точек на графике относительных деформаций железобетонной матрицы (рис. 4). График, полученный в результате теоретических расчетов [5-7], представим сплошной линией. Выводы. 1. На основе графиков, изображенных на рис. 4, можно сделать вывод, что максимальные значения теоретических и экспериментальных величин деформаций, а соответственно и напряжений, близки между собой. 2. Измерительный комплекс «Динамика-1» может быть применен при испытаниях основных серий натурных образцов, так как в диапазоне высоких скоростей нагружения, характерных для нагрузки от взрыва, позволяет фиксировать изменения деформаций материалов. 3. Изготовление образцов под давлением положительно влияет на долговечность конструкций железобетонных матриц, так как данный метод способствует увеличению плотности и прочности бетона и, как следствие, увеличению количества циклов воздействия импульсной нагрузкой.

About the authors

Gennady V. MURASHKIN

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Antonina I. SNEGIREVA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Dmitry A. KRETOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Yury V. ZHILTSOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files