Экспериментальные исследования энергопоглощающих свойств трубчатых перфорированных элементов при статическом сжатии
Статья посвящена экспериментальному исследованию характера деформирования энергопоглощающих элементов в виде перфорированных трубчатых образцов при испытаниях их на сжатие, определению максимальных остаточных деформаций и оценке энергоемкости этих элементов. Статтю присвячено експериментальному досл...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Техническая механика |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| Hauptverfasser: | , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2010
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88112 |
| 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: | Экспериментальные исследования энергопоглощающих свойств трубчатых перфорированных элементов при статическом сжатии / В.С. Гудрамович, М.Б. Соболевская, С.А. Сирота, М.Ф. Демешко, И.К. Хрущ, Д.В. Горобец, Ю.А. Клык // Техническая механика. — 2010. — № 3. — С. 91-99. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859907253045297152 |
|---|---|
| author | Гудрамович, В.С. Соболевская, М.Б. Сирота, С.А. Демешко, М.Ф. Хрущ, И.К. Горобец, Д.В. Клык, Ю.А. |
| author_facet | Гудрамович, В.С. Соболевская, М.Б. Сирота, С.А. Демешко, М.Ф. Хрущ, И.К. Горобец, Д.В. Клык, Ю.А. |
| citation_txt | Экспериментальные исследования энергопоглощающих свойств трубчатых перфорированных элементов при статическом сжатии / В.С. Гудрамович, М.Б. Соболевская, С.А. Сирота, М.Ф. Демешко, И.К. Хрущ, Д.В. Горобец, Ю.А. Клык // Техническая механика. — 2010. — № 3. — С. 91-99. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Техническая механика |
| description | Статья посвящена экспериментальному исследованию характера деформирования энергопоглощающих элементов в виде перфорированных трубчатых образцов при испытаниях их на сжатие, определению максимальных остаточных деформаций и оценке энергоемкости этих элементов.
Статтю присвячено експериментальному дослідженню характеру деформування енергопоглинаючих елементів у вигляді перфорованих трубчатих зразків при випробуваннях їх на стиск, визначенню максимальних залишкових деформацій та оцінці енергоємності цих елементів.
The paper deals with an experiment on deformation of energy-absorbing elements in the form of perforated tubular samples in compression tests, determination of maximal residual deformations and estimation of the power-intensity of these elements.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:00:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.3
В.С. ГУДРАМОВИЧ, М.Б. СОБОЛЕВСКАЯ, С.А. СИРОТА, И.К. ХРУЩ, М.А. ДЕМЕШКО,
Д.В. ГОРОБЕЦ, Ю. А. КЛЫК
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОПОГЛОЩАЩИХ
СВОЙСТВ ТРУБЧАТЫХ ПЕРФОРИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ПРИ СТАТИЧЕСКОМ СЖАТИИ
Статья посвящена экспериментальному исследованию характера деформирования энергопоглощаю-
щих элементов в виде перфорированных трубчатых образцов при испытаниях их на сжатие, определению
максимальных остаточных деформаций и оценке энергоемкости этих элементов.
Статтю присвячено експериментальному дослідженню характеру деформування енергопоглинаючих
елементів у вигляді перфорованих трубчатих зразків при випробуваннях їх на стиск, визначенню максима-
льних залишкових деформацій та оцінці енергоємності цих елементів.
The paper deals with an experiment on deformation of energy-absorbing elements in the form of perforated
tubular samples in compression tests, determination of maximal residual deformations and estimation of the
power-intensity of these elements.
Анализ существующих технических решений по защите скоростного и
высокоскоростного пассажирского поезда при аварийных столкновениях по-
казал, что обеспечение пассивной безопасности железнодорожного экипажа
предполагает создание в концевых частях его конструкции интегрируемых в
каркас кузова специальных жертвенных зон и энергопоглощающих элемен-
тов, которые при сверхнормативных ударных воздействиях должны разру-
шаться в первую очередь [1 – 8].
Примером успешного решения проблемы пассивной защиты пассажирского
вагона может служить разработка [8] бюро научных исследований Федеральной
администрации железной дороги США. На основе результатов научных иссле-
дований, конечно-элементных расчетов и ряда испытаний, выполненных в рам-
ках проекта State-Of-the-Art (SOA), создана новая конструкция пассажирского
вагона с жертвенной зоной. На рис. 1 показана концевая часть конструкции ва-
гона в разрезе центральной продольно-вертикальной плоскостью.
Энергопоглощающий элемент в конструкции крыши
(энергоемкость – 0,14 МДж)
Основной
энергопоглощающий
элемент
(энергоемкость –
1,36 МДж)
Сдвигаемое назад сцепное устройство
Рис. 1
(энергоемкость – 0,4 МДж)
В.С. Гудрамович, М.Б. Соболевская, С.А. Сирота,
И.К. Хрущ, Д.В. Горобец, Ю.А. Клык, 2010
91
Техн. механика. – 2010. – № 3.
Ферменная конструкция жертвенной зоны в качестве деформируемых
элементов может включать перфорированные трубчатые элементы. Для ана-
лиза характера их деформирования и оценки их энергопоглощающих свойств
проведены экспериментальные исследования на статическое сжатие ряда об-
разцов, изготовленных из малоуглеродистой стали в виде коротких труб пря-
моугольного поперечного сечения с дополнительными конструкционными
вырезами на стенках. В результате выполненных экспериментальных иссле-
дований проведен анализ особенностей упругопластического деформирова-
ния и разрушения образцов при сжатии, дана оценка уровня поглощаемой
при этом энергии, определены уровни нагрузок, при которых начинается пла-
стическое деформирование (Fp) и потеря устойчивости (Fy) образцов, по-
строены их экспериментальные диаграммы деформирования.
В соответствии с разработанной программой и методикой исследователь-
ских испытаний проведены экспериментальные исследования на сжатие сле-
дующих разработанных опытных образцов в виде коротких труб постоянной
толщины с различными вариантами перфорации их стенок:
без перфорации (образец № 1);
однократная перфорация на меньших гранях (образец № 2);
однократная перфорация на всех гранях (образец № 3);
двукратная перфорация на меньших гранях (образец № 4);
двукратная перфорация на всех гранях (образец № 5).
Испытания на сжатие рассматриваемых образцов проведено на
125-тонном прессе механическом в лаборатории статических испытаний от-
дела прочности, динамики и технологии изготовления конструкций Институ-
та технической механики НАН Украины и НКА Украины.
Ниже приведены результаты выполненных испытаний на сжатие рас-
смотренных экспериментальных образцов.
Образец № 1 выбран в виде стальной цельной трубы длиной 100 мм с
толщиной стенки 4 мм и прямоугольным поперечным сечением 6040 мм. На
рис. 2 приведены отдельные характерные формы при деформации образца, а
на рис. 3 – экспериментальная диаграмма деформирования образца № 1 при
сжатии. Для данного образца установлено, что его пластическое деформиро-
вание начинается при значении сжимающей нагрузки Fp = 200 кН, а при зна-
чении силы Fy = 415 кН происходит локальная потеря устойчивости нижней
половины трубчатого образца (рис. 3) с образованием одной волны со сторо-
ны нижней подвижной опоры пресса (рис. 2, б). Деформирование рассматри-
ваемого образца (рис. 2, в) происходит симметрично относительно его цен-
тральных продольных плоскостей с выпучиванием больших боковых граней
наружу, а меньших – внутрь. Как видно из рис. 3, в результате потери устой-
чивости нижней половины образца при сжатии его на 27 мм, нагрузка падает
практически по линейному закону до 140 кН, а затем вновь растет до уровня
400 кН при сжатии образца примерно на 51 % (51 мм) от исходной длины.
Далее в процессе деформации происходит потеря устойчивости верхней по-
ловины образца также с образованием одной волны, однако в отличие от по-
тери устойчивости нижней половины образца, выпучивание его больших бо-
ковых граней идет вовнутрь, а меньших – наружу. На рис. 2, г показано де-
формированное состояние образца до потери устойчивости верхней его поло-
вины, а на рис. 2, д – после нее. В результате потери устойчивости нижней
половины образца нагрузка падает и при сжатии его на 66 мм достигает
92
а) б) в)
г) д) е)
Рис. 2
Рис. 3
уровня 255 кН. На этом этапе наблюдаются разрывы в материале образца по уг-
ловым соединениям его граней. Дальнейшее сжатие экспериментального образ-
ца приводит к резкому возрастанию нагрузки и полному его сплющиванию
(рис. 2, е).
Эксперимент был остановлен при сжатии образца на 76 %. Сжимающия
нагрузка при этом достигла значения Fс = 430 кН. Установленный в результа-
те проведенного эксперимента уровень энергопоглощения при сжатии данно-
го образца составил 21 кДж.
Образец № 2. Геометрические параметры данного образца соответствовали
параметрам предыдущего, но, в отличие от него, он имел центральные сквозные
отверстия на меньших гранях с размерами 460 мм. На рис. 4 приведены харак-
терные деформированные формы образца при испытании на сжатие, а на рис. 5
– полученная экспериментальным путем диаграмма деформирования.
93
а) б) в)
г) д) е)
Рис. 4
Рис. 5
Пластические деформации появляются в данном образце при сжимаю-
щей нагрузке Fp = 160 кН (рис. 5). При значении сжимающей силы
Fy = 358 кН происходит общая потеря устойчивости рассматриваемого образ-
ца (рис. 4, б) в результате потери устойчивости его больших граней, которые
не имеют отверстий. Дальнейшее сжатие образца сопровождается сдвигом
его поперечных торцевых сечений в плоскости параллельной меньшим гра-
ням, имеющим сквозные отверстия. После потери устойчивости нагрузка па-
дает и при продольном перемещении 52 мм достигает значения Fс = 100 кН
(рис. 5). Эксперимент продолжался до полного разрушения образца, уровень
энергопоглощения при этом составил порядка 10 кДж.
94
Образец № 3. Геометрические параметры данного образца соответство-
вали параметрам предыдущего, но, в отличие от него, он имел, кроме цен-
тральных сквозных отверстий на меньших гранях с размерами 460 мм, до-
полнительные отверстия на больших гранях с размерами 2460 мм. Задание
таких параметров отверстий позволяло сделать все сечения боковых ребер
образца одинаковыми. На рис. 6 приведены результаты испытаний экспери-
ментального образца модели 3 на сжатие, а построенная на основе экспери-
ментальных данных диаграмма его деформирования приведена на рис. 7.
а) б) в)
г) д) е)
Рис. 6
Рис. 7
Установлено, что остаточные деформации в рассматриваемом образце по-
являются при сжимающей нагрузке Fp = 200 кН. При значении сжимающей си-
95
лы Fy = 218 кН и продольного перемещения 10 мм происходит общая потеря
устойчивости рассматриваемого образца (рис. 6, б), вызванная практически од-
новременной потерей устойчивости всех боковых ребер образца. Благодаря
выбранным размерам отверстий, дальнейшее сжатие экспериментального об-
разца не сопровождалось относительным сдвигом его поперечных торцевых
сечений. После потери устойчивости нагрузка падает и при продольном пере-
мещении 59 мм достигает значения Fс = 30 кН (рис. 7). Эксперимент продол-
жался до полного разрушения образца в результате разрывов на его меньших
гранях, как показано на рис. 6, е. Установлено, что уровень энергопоглощения
при сжатии образца № 3 составил величину порядка 5,5 кДж.
Образец № 4 был выбран в виде стальной трубы с прямоугольным попе-
речным сечением 6040 мм, длиной 180 мм и толщиной стенки 4 мм. Образец
имел центральные сквозные отверстия как на меньших гранях (размерами
860 мм в верхней половине и 460 мм в нижней половине), так и на боль-
ших гранях (размерами 2860 мм в верхней половине, 2460 мм в нижней
части). Параметры отверстий определялись из условия, чтобы все сечения
боковых ребер образца были одинаковыми. На рис. 8 приведены характерные
формы при сжатии данного образца, а на рис. 9 – диаграмма его деформиро-
вания.
а) б) в)
г) д) е)
Рис. 8
96
Рис. 9
Как следует из рис. 9, при значениях нагрузки до Fp = 150 кН наблюда-
ются упругие деформации образца. При значении сжимающей силы
Fy = 180 кН и продольного перемещения 3 мм происходит общая потеря ус-
тойчивости образца (рис. 8, б), вызванная потерей устойчивости всех боко-
вых ребер верхней половины образца, в которой расположены отверстия
большего размера. В отличие от результатов, полученных в предыдущем ис-
пытании образца № 3, при деформировании верхней части образца наблю-
дался сдвиг его торцевых сечений. После локальной потери устойчивости
верхней половины образца нагрузка падает и при продольном перемещении
55 мм достигает значения Fс = 20 кН (рис. 9). Дальнейшее сжатие образца со-
провождалось ростом нагрузки, однако, при силе сжатия 70 кН и продольном
перемещении 70 мм эксперимент был остановлен из-за возникшего перекоса
образца (рис. 8, д) и невозможности дальнейшего его продольного осевого
сжатия. Полученный в данном эксперименте уровень энергопоглощения при
сжатии образца составил 4 кДж.
Образец № 5 был аналогичен описному выше образцу № 4, но без сквоз-
ных отверстий на больших гранях. На рис. 10 показаны отдельные формы
деформаций при испытаниях на сжатие образца № 5, а на рис. 11 приведена
полученная экспериментальная диаграмма его деформирования.
Получено, что при значениях нагрузки до 150 кН наблюдаются упругие
деформации образца (рис. 11). При значении сжимающей силы Fy = 295 кН и
продольного перемещения 10 мм происходит общая потеря устойчивости рас-
сматриваемого образца (рис. 10, б), вызванная потерей устойчивости больших
граней верхней части трубы, которые не имеют отверстий. После потери ус-
тойчивости нагрузка резко падает и при продольном перемещении 15 мм дос-
тигает значения Fс = 130 кН (рис. 11). Дальнейшее сжатие экспериментального
образца № 5 сопровождается сдвигом его поперечных торцевых сечений в
плоскости меньшей грани, имеющей сквозное отверстие. При этом темп сни-
жения нагрузки замедляется. Сжимающая сила опускается до значения
Fс = 25 кН при продольном перемещении 45 мм. В отличие от результатов, по-
лученных для образца № 2, при деформировании верхней части образца № 5
наблюдался не только сдвиг его торцевых сечений, но и наклон эксперимен-
тального образца в плоскости меньшей боковой грани со сквозным отверстием.
Дальнейшее сжатие образца стало невозможным, и эксперимент был останов-
лен.
97
а) б)
в) г)
Рис. 10
Рис. 11
Уровень энергопоглощения при сжатии данного образца соста-
вил 5,5 кДж.
98
99
Выполненные экспериментальные исследования перфорированных труб-
чатых образцов из малоуглеродистой стали на статическое сжатие показали,
что после потери несущей способности образцов сжимающая нагрузка сни-
жается в три-четыре раза в результате появления зон пластической деформа-
ции на ребрах в местах, ослабленных перфорацией. Значительное влияние на
процесс развития пластических деформаций образцов оказывают их длина и
условия закрепления.
Отмеченные в результате экспериментальных исследований особенности
деформирования трубчатых образцов с различным видом перфорации целе-
сообразно использовать при организации жертвенных зон в конструкции же-
лезнодорожного экипажа скоростного пассажирского поезда. В случае ава-
рийного столкновения поезда с препятствием эти перфорированные трубча-
тые элементы позволяют организовать контролируемый характер разрушения
жертвенных зон и заданную схему перераспределения сил на несущие эле-
менты конструкции с целью пассивной защиты пассажиров и поездной бри-
гады от сверхнормативных ударных воздействий.
1. Подвижной состав повышенной безопасности при столкновениях // Железные дороги мира. – 2006. –
№ 4. – С. 49 – 55.
2. Пассивная безопасность пассажирского подвижного состава // Железные дороги мира. – 2007. – № 6. –
С. 61 – 65.
3. Прочность подвижного состава при соударении // Железные дороги мира. – 2000. – № 4. – С. 32 – 36.
4. Аллен Р. Передовые технологии для железнодорожного транспорта / Р. Аллен // Железные дороги мира.
– 2004. – № 10. – С. 43 – 44.
5. Беляев В. И. Разработка системы безопасности пассажирского поезда при аварийных соударениях /
В. И. Беляев, Ю. М. Черкашин, Д. А. Ступин // Транспорт : збірник наукових праць. – 2000. – Вип. 6. –
С. 11 – 13.
6. Кube R. Пассажирские вагоны – стоимость и комфорт / R. Кube // Железные дороги мира. – 2003. – № 4.
– С. 27 – 28.
7. Богомаз Г. И. Повышение безопасности пассажирского поезда при аварийных ситуациях / Г. И. Богомаз,
А. Д. Лашко, А. Н. Пшинько, О. А. Шкабров, Г. С. Игнатов // Залізничний транспорт України. – 2007. –
№ 4. – С. 44 – 48.
8. Tyrell D. Overview of a Crash Energy Management Specification for Passenger Rail Equipment / E. Martinez,
K. Jacobsen, D. Parent, K. Severson, M. Priante, A. B. Perlman // American Society of Mechanical Engineers. –
2006. – № RC2006-94044. – Р. 38 – 48.
Институт технической механики Получено 30.04.10,
НАН Украины и НКА Украины, в окончательном варианте 17.05.10
Днепропетровск
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-88112 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-9184 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:00:21Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гудрамович, В.С. Соболевская, М.Б. Сирота, С.А. Демешко, М.Ф. Хрущ, И.К. Горобец, Д.В. Клык, Ю.А. 2015-11-07T19:21:32Z 2015-11-07T19:21:32Z 2010 Экспериментальные исследования энергопоглощающих свойств трубчатых перфорированных элементов при статическом сжатии / В.С. Гудрамович, М.Б. Соболевская, С.А. Сирота, М.Ф. Демешко, И.К. Хрущ, Д.В. Горобец, Ю.А. Клык // Техническая механика. — 2010. — № 3. — С. 91-99. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88112 539.3 Статья посвящена экспериментальному исследованию характера деформирования энергопоглощающих элементов в виде перфорированных трубчатых образцов при испытаниях их на сжатие, определению максимальных остаточных деформаций и оценке энергоемкости этих элементов. Статтю присвячено експериментальному дослідженню характеру деформування енергопоглинаючих елементів у вигляді перфорованих трубчатих зразків при випробуваннях їх на стиск, визначенню максимальних залишкових деформацій та оцінці енергоємності цих елементів. The paper deals with an experiment on deformation of energy-absorbing elements in the form of perforated tubular samples in compression tests, determination of maximal residual deformations and estimation of the power-intensity of these elements. ru Інститут технічної механіки НАН України і НКА України Техническая механика Экспериментальные исследования энергопоглощающих свойств трубчатых перфорированных элементов при статическом сжатии Article published earlier |
| spellingShingle | Экспериментальные исследования энергопоглощающих свойств трубчатых перфорированных элементов при статическом сжатии Гудрамович, В.С. Соболевская, М.Б. Сирота, С.А. Демешко, М.Ф. Хрущ, И.К. Горобец, Д.В. Клык, Ю.А. |
| title | Экспериментальные исследования энергопоглощающих свойств трубчатых перфорированных элементов при статическом сжатии |
| title_full | Экспериментальные исследования энергопоглощающих свойств трубчатых перфорированных элементов при статическом сжатии |
| title_fullStr | Экспериментальные исследования энергопоглощающих свойств трубчатых перфорированных элементов при статическом сжатии |
| title_full_unstemmed | Экспериментальные исследования энергопоглощающих свойств трубчатых перфорированных элементов при статическом сжатии |
| title_short | Экспериментальные исследования энергопоглощающих свойств трубчатых перфорированных элементов при статическом сжатии |
| title_sort | экспериментальные исследования энергопоглощающих свойств трубчатых перфорированных элементов при статическом сжатии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88112 |
| work_keys_str_mv | AT gudramovičvs éksperimentalʹnyeissledovaniâénergopogloŝaûŝihsvoistvtrubčatyhperforirovannyhélementovpristatičeskomsžatii AT sobolevskaâmb éksperimentalʹnyeissledovaniâénergopogloŝaûŝihsvoistvtrubčatyhperforirovannyhélementovpristatičeskomsžatii AT sirotasa éksperimentalʹnyeissledovaniâénergopogloŝaûŝihsvoistvtrubčatyhperforirovannyhélementovpristatičeskomsžatii AT demeškomf éksperimentalʹnyeissledovaniâénergopogloŝaûŝihsvoistvtrubčatyhperforirovannyhélementovpristatičeskomsžatii AT hruŝik éksperimentalʹnyeissledovaniâénergopogloŝaûŝihsvoistvtrubčatyhperforirovannyhélementovpristatičeskomsžatii AT gorobecdv éksperimentalʹnyeissledovaniâénergopogloŝaûŝihsvoistvtrubčatyhperforirovannyhélementovpristatičeskomsžatii AT klykûa éksperimentalʹnyeissledovaniâénergopogloŝaûŝihsvoistvtrubčatyhperforirovannyhélementovpristatičeskomsžatii |