Исследование процесса потери устойчивости гладких тонкостенных цилиндрических оболочек при локальном действии импульса излучения
Показано, что воздействие кратковременного импульса внешнего давления вследствие излучения лазера приводит к упругому деформированию оболочки во время действия импульса по коротковолновой форме на границе области нагружения. После окончания действия импульса оболочка продолжает движение по неосес...
Gespeichert in:
| Datum: | 2004 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2004
|
| Schriftenreihe: | Проблемы прочности |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47116 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование процесса потери устойчивости гладких тонкостенных цилиндрических оболочек при локальном действии импульса излучения / А.И. Костоглотов, В.В. Бендюков, В.В. Дерюшев, Л.А. Шевцова // Проблемы прочности. — 2004. — № 5. — С. 56-62. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-47116 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-471162013-07-09T23:21:17Z Исследование процесса потери устойчивости гладких тонкостенных цилиндрических оболочек при локальном действии импульса излучения Костоглотов, А.И. Научно-технический раздел Показано, что воздействие кратковременного импульса внешнего давления вследствие излучения лазера приводит к упругому деформированию оболочки во время действия импульса по коротковолновой форме на границе области нагружения. После окончания действия импульса оболочка продолжает движение по неосесимметричной форме. По достижении предельных перемещений происходит общая потеря устойчивости. Форма волнообразования общей потери устойчивости в окружном направлении определяется размером области нагружения. Показано, що під час дії короткочасного імпульсу зовнішнього тиску від випромінювання лазера має місце пружне деформування оболонки під час його дії за короткохвильовою формою в межах області навантаження. Після закінчення дії імпульсу оболонка продовжує рухатися по невісесиметричній формі. По досягненні граничних переміщень відбувається загальна втрата стійкості. Форма хвилеутворення загальної втрати стійкості в обводовому напрямку визначається розміром області навантаження. It is shown that action of a short-time external pressure pulse generated by laser emission results in elastic deformation of a shell during the pulse action by a short-wave form along the loading boundary. After termination of the pulse action, the shell motion continues in nonaxisymmetric form. As soon as the limiting values of displacements are attained, a total loss of stability occurs. The form of wave generation corresponding to the total loss of stability in circumereftial direction is controlled by the loading area dimensions. 2004 Article Исследование процесса потери устойчивости гладких тонкостенных цилиндрических оболочек при локальном действии импульса излучения / А.И. Костоглотов, В.В. Бендюков, В.В. Дерюшев, Л.А. Шевцова // Проблемы прочности. — 2004. — № 5. — С. 56-62. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47116 539.1 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Костоглотов, А.И. Исследование процесса потери устойчивости гладких тонкостенных цилиндрических оболочек при локальном действии импульса излучения Проблемы прочности |
| description |
Показано, что воздействие кратковременного импульса внешнего давления вследствие излучения
лазера приводит к упругому деформированию оболочки во время действия импульса по
коротковолновой форме на границе области нагружения. После окончания действия импульса
оболочка продолжает движение по неосесимметричной форме. По достижении предельных
перемещений происходит общая потеря устойчивости. Форма волнообразования
общей потери устойчивости в окружном направлении определяется размером области
нагружения. |
| format |
Article |
| author |
Костоглотов, А.И. |
| author_facet |
Костоглотов, А.И. |
| author_sort |
Костоглотов, А.И. |
| title |
Исследование процесса потери устойчивости гладких тонкостенных цилиндрических оболочек при локальном действии импульса излучения |
| title_short |
Исследование процесса потери устойчивости гладких тонкостенных цилиндрических оболочек при локальном действии импульса излучения |
| title_full |
Исследование процесса потери устойчивости гладких тонкостенных цилиндрических оболочек при локальном действии импульса излучения |
| title_fullStr |
Исследование процесса потери устойчивости гладких тонкостенных цилиндрических оболочек при локальном действии импульса излучения |
| title_full_unstemmed |
Исследование процесса потери устойчивости гладких тонкостенных цилиндрических оболочек при локальном действии импульса излучения |
| title_sort |
исследование процесса потери устойчивости гладких тонкостенных цилиндрических оболочек при локальном действии импульса излучения |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| publishDate |
2004 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47116 |
| citation_txt |
Исследование процесса потери устойчивости гладких тонкостенных
цилиндрических оболочек при локальном действии импульса
излучения / А.И. Костоглотов, В.В. Бендюков, В.В. Дерюшев, Л.А. Шевцова // Проблемы прочности. — 2004. — № 5. — С. 56-62. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Проблемы прочности |
| work_keys_str_mv |
AT kostoglotovai issledovanieprocessapoteriustojčivostigladkihtonkostennyhcilindričeskihoboločekprilokalʹnomdejstviiimpulʹsaizlučeniâ |
| first_indexed |
2025-07-04T06:46:28Z |
| last_indexed |
2025-07-04T06:46:28Z |
| _version_ |
1836697873435066368 |
| fulltext |
УДК 539.1
Исследование процесса потери устойчивости гладких тонкостенных
цилиндрических оболочек при локальном действии импульса
излучения
А. И. Костоглотов, В. В. Бендюков, В. В. Дерюшев, Л. А. Шевцова
Ростовский военный институт, Ростов-на-Дону, Россия
Показано, что воздействие кратковременного импульса внешнего давления вследствие излу
чения лазера приводит к упругому деформированию оболочки во время действия импульса по
коротковолновой форме на границе области нагружения. После окончания действия импуль
са оболочка продолжает движение по неосесимметричной форме. По достижении пре
дельных перемещений происходит общая потеря устойчивости. Форма волнообразования
общей потери устойчивости в окружном направлении определяется размером области
нагружения.
Ключевые слова: кратковременный импульс, давление, лазер, область нагру
жения, упругое деформирование.
В настоящее время известно большое количество экспериментальных
работ, посвященных исследованию динамической устойчивости тонкостен
ных оболочек при кратковременных нагрузках. Чаще всего при постановке
таких экспериментов рассматривались всестороннее [1], боковое [2] и в
редких случаях локальное воздействие импульса по поверхности конструк
ции с комбинацией статических нагрузок (осевое сжатие [3] и внутреннее
давление [4]). При этом импульс давления создавался различными спосо
бами [2], в том числе и излучением лазера [5]. Длительность нагрузки
варьировалась от единиц микросекунд до нескольких миллисекунд. Коротко
волновая форма потери устойчивости характеризуется образованием мно
жества регулярно расположенных вмятин, аппроксимируемых выражением
w = f cos n p , где f - амплитуда прогиба; p - угловая координата; n > > 1.
Длина волны выпучивания по окружности l y в несколько раз меньше
радиуса R [2] и определяется по остаточному деформированию после
воздействия. Однако не всегда по остаточному прогибу можно получить
реальную картину деформирования оболочки в процессе воздействия дина
мической нагрузки, что важно при оценке несущей способности тонко
стенных конструкций.
Экспериментальные данные о форме локальной потери устойчивости
оболочек в момент и после воздействия кратковременной нагрузки практи
чески отсутствуют. Это обусловлено значительными трудностями, связан
ными с необходимостью использования специальных методов для создания
таких нагрузок и регистрации форм деформирования оболочек в процессе
их воздействия.
В данной работе приводятся результаты экспериментального исследо
вания процесса выпучивания гладких цилиндрических оболочек при локали
зованном действии кратковременного импульса внешнего давления, созда
ваемого излучением лазера.
© А. И. КОСТОГЛОТОВ, В. В. БЕНДЮКОВ, В. В. ДЕРЮШЕВ, Л. А. ШЕВЦОВА, 2004
56 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2004, № 5
Исследование процесса потери устойчивости
М етодика эксперимента. Для визуальной регистрации процесса поте
ри устойчивости с помощью скоростной кинокамеры в качестве объекта
испытаний были выбраны цилиндрические оболочки из алюминиевой
фольги толщиной к = 0,03 мм с геометрическими параметрами Я /к = 1160;
Ц Я = 3, что позволяло получать большие прогибы ( / << к) при ограни
ченных энергетических параметрах лазера и достаточно точно регистриро
вать потерю динамической устойчивости при расшифровке кинограммы
процесса деформирования. Локальная динамическая нагрузка создавалась
излучением оптического квантового генератора ГОС-1001 с пассивным мо
дулятором добротности на химических красителях. Длина волны излуче
ния Я составляла 1,06 мкм.
Оболочки изготовляли из листовых заготовок с клеевым швом встык
через накладку в месте стыка. В торцах оболочки устанавливали жесткие
днища, с помощью которых испытуемые образцы закрепляли в специальном
устройстве, позволяющем изменять ее вертикальное положение по отноше
нию к оси распределения излучения источника. В эксперименте угол паде
ния излучения р варьировался от 0 до 70°.
Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на
рис. 1. Исследуемая оболочка 1, закрепленная в устройстве 2, располагается
на расстоянии 610 мм от излучателя 3, что позволяет с помощью линзы 4 с
фокусным расстоянием Б = 1000 мм на поверхности оболочки получить
круговую область нагружения диаметром d = 18-20 мм. Форма и длитель
ность импульса излучения регистрируются коаксиальным фотоэлементом
типа ФК15 5, на который излучение попадает от оптического клина 6, и
отображается на экране электронно-лучевой трубки прибора типа 6Л0Р-04
7. Энергия импульсов излучения измеряется преобразователем энергии типа
ТПИ-2М 8 и регистрируется с помощью микровольтнаноамперметра типа
Ф-111 9. Величина энергии генерируемого импульса излучения колеблется
от 17,5 до 20 Дж, длительность импульса излучения по полувысоте ампли
туды (по уровню 0,5) г = 60...70 нс.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
На рис. 2 приведена характерная осциллограмма импульса излучения.
Процесс деформирования оболочек в ходе потери динамической устойчи
вости регистрируется скоростной кинокамерой типа СКС-1М 10 (рис. 1).
Скорость киносъемки составляет 26000 кадр/с, что позволяет получить
задержку между кадрами 18,345 мкс.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 5 57
А. И. Костоглотов, В. В. Бендюков, В. В. Дерюшев, Л. А. Шевцова
• \
N\
\
42*SuiuZuy...... *1*4
Рис. 2. Характерная форма импульса излучения (развертка 5 нс/дел).
Результаты и их обсуждение. Для определения результата действия
лазерного излучения генератора ГОС-1001 на испытуемые модели опреде
ляется критерий Фурье Fo, представляющий собой безразмерное время
нагрева [6 ]:
а т
Fo - V ■
где а - коэффициент температуропроводности материала, равный для алю
миния 0,83 см /с.
Поскольку в исследуемом диапазоне длительностей импульса излуче-_3
ния Fo — 6,5-10 , результатом воздействия будет импульсный удар -
импульс давления высокой амплитуды и короткой длительности, действие
которого подробно изучено в [5]. Величина импульса давления при угле
падения излучения р — 0 по данным работы [7] при тех же условиях облу
чения, что и в рассматриваемой работе, равна I — 1,4 Па - с. При этом ампли
туда давления P max при р —0 может достигать 2-10 Па. Давление на
поверхности оболочки при разных углах падения излучения можно опреде
лить по зависимости [7]
I cos р
Р( р ) — ■
где £ о - площадь облучаемой поверхности при р = 0 .
Во всех исследуемых случаях при высокоскоростном нагружении обо
лочек локализованным импульсом внешнего давления, возникающим при
взаимодействии излучения с поверхностью мишени, появилась система
густо расположенных вдоль окружности гребневидных вмятин, вытянутых
по образующей оболочки на всю область нагружения. В результате рас
шифровки скоростной киносъемки обнаружено, что коротковолновая форма
потери устойчивости (рис. 3) образуется в момент воздействия импульса
давления (примерно на 20...30-й мкс после начала), а затем происходит
общая потеря устойчивости.
Трансформацию формы деформированной поверхности оболочки во
времени иллюстрирует рис. 4, где точками показаны экспериментальные
значения максимальных размеров появившейся вмятины вдоль образующей,
58 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2004, № 5
Исследование процесса потери устойчивости
сплошной линией - осредненные значения области потери устойчивости
при рабочей длине оболочки 110 мм. В области нагружения образовывалось
п — 11-12 волн по окружности и т — 2-3 полуволны в продольном направле
нии. Налагая на оболочку условие периодичности волнообразования, можно
определить форму волнообразования при коротковолновой неустойчивости,
которая в рассматриваемом случае будет следующей: п — 120-140, т —12—18.
После деформирования по указанной форме оболочка продолжает движение
внутрь по неосесимметричной форме (п = 11-12, т = 1). Из рис. 4, иллюстри
рующего изменение размеров области потери устойчивости с течением
времени можно определить период колебаний оболочки, который для иссле
дуемой оболочки при приведенных выше параметрах импульса излучения
равен приблизительно 1,2 мс. Эти экспериментальные результаты доста
точно точно совпадают с теоретическими расчетами для частоты и периода
собственных колебаний оболочки [8]. Теоретическое значение периода коле
баний оболочки при п = 12 и т = 1 равно 1,317 мс, что дает относительную
ошибку измерения менее 9%.
Рис. 3. Форма потери коротковолновой устойчивости оболочки в локальной области во время
воздействия импульса давления.
Аналогичная неосесимметричная картина выпучивания оболочки наблю
далась для оболочки с параметром толщины Я /к = 333 при более низкой
скорости нагружения [3]. Эти обстоятельства позволяют предположить, что
при теоретической оценке динамических прогибов оболочки в случае локаль
ного кратковременного воздействия импульса внешнего давления вначале
следует рассматривать область, ограниченную пространственным распреде
лением импульса, в которой в зависимости от скорости нагружения и
амплитуды давления количество волн в окружном направлении может на
порядок и более превышать количество волн статической потери устойчи
вости [3]. После потери устойчивости оболочки в области воздействия
импульса дальнейший характер деформирования очевиден - обечайка выпу
чивается внутрь с числом полуволн вдоль оси, равным единице, что типично
для оболочек средней длины, и числом волн в окружном направлении, не
превышающим отношения длины оболочки по окружности к диаметру
области воздействия импульса давления. Такие формы выпучивания оболоч
ки характерны для нагружения внешним динамическим давлением, равно
мерно распределенным по боковой поверхности оболочки, и теоретически
описываются методиками, представленными, например, в [2, 8].
0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 5 59
А. И. Костоглотов, В. В. Бендюков, В. В. Дерюшев, Л. А. Шевцова
Рис. 4. Трансформация формы потери динамической устойчивости оболочки во времени.
С увеличением угла падения излучения р > 25° симметрия располо
жения центрального пятна по длине оболочки нарушалась - область потери
устойчивости вытягивалась вдоль меридиана. При этом геометрические
размеры эллиптического пятна общей потери устойчивости оставались при
мерно одинаковыми. Картина деформирования оболочки в области, ограни
ченной пятном облучения, изменялась: количество волн в окружном направ
лении существенно уменьшилось, а вдоль меридиана оно осталось пример
но таким же. Например, при р = 30° в области нагружения форма волно
образования следующая: т = 3; п = 5-6. При р > 60° динамической потери
устойчивости в пределах области нагружения оболочки не происходило.
Очевидно, это связано, с одной стороны, с увеличением площади облу
чаемой поверхности, что приводит к уменьшению плотности мощности
воздействующего излучения д, с другой - довольно значительным влиянием
на импульс давления роста отражательной способности мишени в диапазоне
р = 45...60°. Все это приводит к существенному и резкому уменьшению
амплитуды давления [7, 9]. Ранее [9] показано, что при изменении коэф
фициента отражения Яотр на 30...40% величина импульса отдачи может
увеличиться (уменьшиться) в 2...2,5 раза. Еще весомее вклад коэффициента
отражения в импульс отдачи при изменении угла падения излучения. В
некоторых случаях импульс отдачи может измениться на порядок. Поэтому
сравнение данных различных экспериментов без привязки к конкретному
Я отр - довольно затруднительно.
В ы в о д ы
1. Воздействие кратковременного импульса внешнего давления при
водит к деформированию оболочки по коротковолновой форме в пределах
60 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 5
Исследование процесса потери устойчивости
области нагружения практически во время действия импульса. Форма волно
образования в месте воздействия определяется амплитудой импульса давле
ния, причем рост амплитуды приводит к увеличению волн в окружном
направлении.
2. После потери устойчивости в локальной области оболочка продол
жает движение по неосесимметричной форме, и по достижении предельных
перемещений, вызывающих пластическую деформацию, происходит общая
потеря устойчивости. Размеры центрального эллиптического пятна, харак
терного для потери устойчивости при боковом внешнем динамическом
давлении, определяются диаметром области нагружения вдоль окружности
и одной полуволной вдоль образующей оболочки.
3. С уменьшением угла падения излучения нарушается симметрия
расположения центрального локального пятна и наблюдается тенденция к
существенному уменьшению количества волн в окружном направлении. При
углах падения, превышающих 60°, локальной потери устойчивости не за
регистрировано, что, вероятно, объясняется резким ростом коэффициента
отражения мишени.
Р е з ю м е
Показано, що під час дії короткочасного імпульсу зовнішнього тиску від
випромінювання лазера має місце пружне деформування оболонки під час
його дії за короткохвильовою формою в межах області навантаження. Після
закінчення дії імпульсу оболонка продовжує рухатися по невісесиметричній
формі. По досягненні граничних переміщень відбувається загальна втрата
стійкості. Форма хвилеутворення загальної втрати стійкості в обводовому
напрямку визначається розміром області навантаження.
1. Королев В. П. Устойчивость цилиндрических оболочек при динами
ческом внешнем давлении // Прикл. механика. - 1977. - 8, № 1. - С. 116
- 119.
2. Кармишин А. В., Жуков А. И., Колосов В. Т. и др. Методы динамических
расчетов и испытаний тонкостенных конструкций / Под ред. А. В.
Кармишина. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.
3. Бендюков В. В., Дерюшев В. В. Динамическая коротковолновая неустой
чивость цилиндрических оболочек при локальном действии импульса
внешнего давления // Пробл. прочности. - 1995. - № 4. - С. 36 - 43.
4. Баскаков В. Н., Костоглотов А. И., Шевцова Л. А. Исследование
динамической устойчивости гладких цилиндрических оболочек // Там
же. - 1982. - № 5. - С. 31 - 33.
5. Лоборев В. М., Острик А. В., Петровский В. П., Чепрунов А. А. Методы
моделирования механического действия излучений на материалы и
конструкции. - Сергиев Посад: ЦФТИ МОРФ, 1997. - 75 с.
6. Исхаков Г. В., Журавлев А. Е. Прочность армированных пластиков и
металлов. - М.: Машиностроение, 1981. - 234 с.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 5 61
А. И. Костоглотов, В. В. Бендюков, В. В. Дерюшев, Л. А. Шевцова
7. Анисимов С. И., Имас Я. А., Романов Г. С., Ходыко Ю. В. Действие
излучения большой мощности на металлы. - М.: Наука, 1970. - 272 с.
8. Костоглотов А. И., Баскаков В. Н ., Шевцова Л. А. Возбуждение пара
метрических колебаний цилиндрической оболочки импульсами внеш
него давления // Прикл. механика. - 1983. - 22, № 3. - С. 103 - 108.
9. Walter W. T. Reflections changes of metals during laser irradiation // Laser
Application in Materials Processing. - 1979. - 198. - P. 1099 - 1117.
Поступила 28. 03. 2003
62 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2004, № 5
|