Ударный процесс и его характеристики

В механике ударом называют механическое взаимодействие материальных тел, приводящее к конечному изменению скорос­тей их точек за бесконечно малый промежуток времени. Физи­чески это конечный, достаточно малый промежуток времени — время удара Т, не превышающее наименьший период Т₀ = 2π/ω₀ собственных колебаний системы.

В процессе эксплуатации ЛА подвергается воздействию удар­ных нагрузок. При транспортировании ЛА причинами их воз­никновения являются неустановившиеся режимы движения транспортного средства. Ударные нагрузки возникают, напри­мер, при соударениях вагонов в момент начала движения или резкого торможения железнодорожного состава, при наезде автотранспортного средства на преграду, при взлете и посадке самолета. Наиболее интенсивные нагрузки действуют на кон­струкцию ЛА и его бортовые системы в полете: при старте, в момент отделения ступеней, при смене режима работы двига­тельной установки и т. д. Возникновение ударных нагрузок связано, как правило, с резким изменением ускорения, скорос­ти или направления движения ЛА. К ударным нагрузкам также относят импульсные воздействия на конструкцию ЛА различных ударных волн.

Различают силовое и кинематическое ударные воздействия на исследуемую систему, которые вызывают реакцию — удар­ное движение. Ударное движение определяется ударным ускорением, скоростью и перемещением. В совокупности такие воз­действия и реакции называют ударными процессами.

Ударные процессы могут быть одиночными, многократными (с периодической или случайной последовательностью ударов) и комплексными. Одиночные и многократные процессы могут воздействовать на ЛА в продольном, поперечном и любом промежуточном направлениях, а комплексные - в двух или трех взаимно перпендикулярных плоскостях одновременно.

Различают ударные процессы (рис. 2.1) простой формы (в виде короткого однополярного импульса) и сложной формы (в виде совокупности импульсов с наложенными колебаниями).

В отличие от простого удара ударное воздействие сложной формы (сложный удар) может охватывать несколько периодов собственных колебаний. В реальных условиях эксплуатации ЛА простой одиночный ударный процесс встречается редко. Однако простые одиночные ударные импульсы широко используются при проведении ударных испытаний. Наиболее часто в реаль­ных условиях эксплуатации ЛА имеет место сложный одиноч­ный ударный процесс, состоящий из простого ударного импуль­са с наложенными колебаниями.

Механический удар характеризуется быстрым выделением энергии, в результате чего возникают местные упругие или пластические деформации, волны напряжения и другие эффек­ты, которые в отдельных случаях могут приводить к наруше­нию функционирования бортовых систем или разрушению кон­струкции ЛА. Результаты воздействия удара на ЛА зависят от характеристик ударного воздействия и механических свойств конструкции. Простой удар может вызвать разрушение кон­струкции вследствие возникновения сильных, хотя и кратко­временных перенапряжений в материале. Сложный удар, со­провождающийся циклическими или знакопеременными пере­напряжениями, может привести к накоплению микродеформа­ций усталостного характера. Так как ЛА обладает резонансны­ми свойствами, то даже простой удар может вызвать колебательную реакцию в элементах конструкции, которая также со­провождается усталостными явлениями.

Меры защиты от вредного воздействия ударных нагрузок, как и от вибраций, делят на две группы. К первой группе от­носятся меры, направленные на обеспечение требуемой механи­ческой прочности и жесткости конструкции, ко второй — меры, нацеленные на изоляцию элементов конструкции или бортовых агрегатов от ударных воздействий. В последнем слу­чае применяют различные амортизирующие средства, изоли­рующие прокладки, компенсаторы и демпферы.

Различают два вида испытаний:

• испытания на ударную прочность;

• испытания на ударную устойчивость.

Испытания на ударную прочность проводят с целью проверки способности изделия противостоять разрушающему действию механических ударов, сохранять свои параметры в пределах, указанных в НТД.

Испытания на ударную устойчивость поводят с целью проверки способности изделия выполнять свои функции в условиях действия механических ударов.

Полностью устранить влияние ударов на конструкцию ЛА и его бортовые агрегаты невозможно, поэтому изделие должно быть достаточно прочным и устойчивым к воздействию удар­ных нагрузок. Ударной прочностью называют способность изде­лия выдерживать заданный уровень ударных нагрузок без раз­рушения. Ударную устойчивость определяют как способность изделия нормально функционировать, т. е. сохранять свои ос­новные параметры во время и после воздействия ударных на­грузок в пределах, указанных в нормативно-технических доку­ментах на изделие.

Основными характеристиками ударного процесса являются:

— законы изменения во времени ударного ускорения а(t),
скорости v(t), перемещения x(t) или перегрузки n(t);

— длительность ударного ускорения τ — время, в течение которого действуют мгновенные ускорения а одного знака, удовлетворяющие условию а > 0,1 а _п, где а _п — пиковое ударное

ускорение (рис. 2.2);

— длительность переднего фронта τ_ф ударного ускорения —интервал времени от момента появления ударного ускорения до
момента, соответствующего его пиковому значению (рис. 2.2);

— пиковое ударное ускорение а _п;

— импульс ударного ускорения J _п — интеграл от ударного
ускорения за время, равное длительности его действия;

— коэффициент наложения колебаний ударного ускорения
К _н.к — отношение полной суммы абсолютных значений приращений между смежными экстремальными значениями ударного ускорения к его удвоенному пиковому значению (рис. 2.3):

где п — число точек экстремума.

С целью облегчения воспроиз­водимости испытательных удар­ных воздействий и сопоставимос­ти результатов испытаний в каче­стве ударных воздействий широ­ко используют эталонные удар­ные импульсы. Они представляют собой ударные воздействия (уско­рения), законы изменения кото­рых во времени описываются простыми аналитическими функциями. Наиболее часто приме­няют эталонные ударные импульсы треугольной (пилообраз­ной), полусинусоидальной и трапецеидальной (прямоугольной) формы. В качестве примера приведем аналитические функции параметров движения для ударного импульса полусинусоидаль­ной формы. При нулевых начальных условиях (в момент вре­мени t = О начальная скорость v = О и начальное перемещение х = О) функциональные зависимости параметров движения от времени имеют вид

где амплитудные значения перемещения и скорости равны:

Спектральными характеристиками ударного процесса явля­ются амплитудный спектр Фурье (или частотный спектр) и ударный спектр. Амплитудный спектр Фурье F(f) представляет собой результат прямого преобразования Фурье временной зави­симости f(t) ударного воздействия (как правило, ударного уско­рения a(t)):

Ударный спектр S(t) определяется как зависимость макси­мального значения реакции (ускорения, скорости или переме­щения) последовательности резонаторов на ударное возбужде­ние от собственных частот резонаторов. При этом под резонато­ром понимают линейную консервативную колебательную систе­му с одной степенью свободы. В зависимости от интервала вре­мени, в котором наблюдается реакция резонаторов, различают три типа ударных спектров:

— начальный спектр S_H(f), определяемый по реакции резона­
торов за время ударного воздействия;

— остаточный спектр S₀(f), определяемый по реакции резонаторов после окончания ударного воздействия;

— полный спектр S _п (f) за время О < t < ∞, который находится как верхняя огибающая функций начального и остаточного спектров.

Амплитудный спектр Фурье и остаточный ударный спектр связаны соотношением