ОБОРУДОВАНИЕ В ИСТОРИИ КАФЕДРЫ

Лаборатория фотоупругости

В 1962 г. был заключен первый договор между НИИПМ и Пермским университетом на выполнение кафедрой механики университета исследований на уменьшенных моделях напряженно-деформированного состояния ракетных двигателей твердого топлива от действия температуры. Эти исследования продолжались в течение 25 лет, до перестройки.

Проблема состояла в том, что для новых конструкций еще не были разработаны достаточно надежные и опробованные численные методы расчета. Поэтому экспериментальное исследование на моделях имело двоякую цель – оценка напряженно-деформированного состояния реальных конструкций и подтверждение результатов численных расчетов.

При финансировании работ заказчиком и поддержке ректората удалось создать и оснастить лабораторию соответствующими приборами, подготовить помещение для изготовления полимерных моделей, отвечающее требованиям техники безопасности, оборудовать механический участок для изготовления оснастки и разрезки моделей.

При этом в качестве базового был выбран поляриза­ционно-оптический метод, который требует, чтобы модели изготовлялись из прозрачного материала. При этом для
пересчета результатов с модели на натуру механические характеристики материала модели должны быть близки к механическим свойствам натурных конструкций. Таким материалом оказалась эпоксидная смола, которая в отверж­денном состоянии при повышенной температуре становится высокоэластичной, а при снижении температуры переходит в стеклообразное состояние. Деформации модели, полученные под нагрузкой в разогретом состоянии, при охлаждении в момент перехода в стеклообразное состояние фиксируются. Одновременно фиксируются и оптические эффекты, обусловленные деформациями и обнаруживаемые при просвечивании поляризованным светом плоских ломтиков, вырезанных из такой "замороженной" модели. Этот оптический эффект в виде картин полос интерференции подвергался измерениям и использовался для численного интегрирования дифференциальных уравнений, которыми описывалось напряженно-деформированное состояние моделей и соответственно конструкций.

Лаборатория была оснащена приборами: КСП-7 (координатно-синхронный полярископ) и ППУ-7 (поляризационная установка).

Конечно, для выполнения всего комплекса работ нужны были кадры соответствующей квалификации. В создании материальной базы и в обработке результатов экспериментов принимал участие коллектив специалистов, в основном выпускников кафедры, среди которых можно назвать Л.А. Юркову, В.Ф. Селезнева и Л.И. Селезневу (Малову), Н.С. Попова, А.Г. Стрелкова, В.В. Шадрина, А.В. Репьях.

Аналогичные исследования выполнялись и в организации заказчика тоже выпускниками университета – В.И. Петуховым, Л.Д. Першиной, Н.В. Паскевич. Результатом совместной работы явилось создание методики исследования напряженно-деформированного состояния ракетных двигателей твердого топлива на эпоксидных умень­шенных моделях поляризационно-оптическим методом и отчеты по конкретным изделиям. О высоком научном уровне исследований свидетельствуют заявки на изобретения и публикации, доклады на научных конференциях. Всего за время существования лаборатории ее сотрудниками были получены 22 авторских свидетельства на изобретения. Эти результаты легли в основу докторской диссертации А.Н.Верещагина (1990 г).

Центрифуга

Первоначально планировалось выполнять исследования для нашего заказчика на центрифуге лаборатории фотоупругости МИСИ. Однако договориться не удалось, и в Пермском университете была построена своя центрифуга диаметром 5 метров.

Она была спроектирована, изготовлена на одном из пермских заводов и смонтирована для моделирования осевых полетных перегрузок.

Первым и наиболее существенным было изобретение способа моделирования перегрузок, предложенного Н.Ф. Лебе­девым и А.Н. Верещагиным. Заявка на изобретение была подана в 1974 г., но только через пять лет, в 1979 г., способ был признан изобретением и на него выдано авторское свидетельство.

Чем меньше модель, тем больше должны быть перегрузки, чтобы обнаружить эффект от действия увеличенного собственного веса модели. И хотя построенная в университете центрифуга позволяла получать ускорения порядка 100-150 g, этого оказалось недостаточно. Исследования осложнялись тем, что в процессе изготовления моделей в них возникали температурно-усадочные деформации и при испытании на центрифуге в модели фиксировались суммарные деформации – от действия перегрузок и усадки. Контрольная модель проходила аналогичный температурный цикл без центрифугирования. Оптический эффект и напряжения только от действия перегрузок определялись как разность этих величин в центрифугируемой и контрольной моделях. Задача состояла в том, чтобы, с одной стороны, уменьшить температурно-усадочные напряжения, с другой – увеличить перегрузки. Первая часть была решена заказчиком исследований, вторая – авторами нового способа испытаний на центрифуге.

Еще в 1936 г. российским ученым Гутманом в ВНИИ гидротехники был разработан способ моделирования напряжений и деформаций от действия собственного веса сооружения путем погружения модели в тяжелую жидкость.

Напряжения в модели в этом случае с точностью до напряжений всестороннего сжатия, равных давлению жидкости, соответствуют напряжениям от собственного веса, как если бы удельный вес модели стал равным разности удельных весов жидкости и самой модели. Способ разрабатывался применительно к моделям гидротехнических сооружений, какими являются плотины. Однако предложенный почти одновременно способ центрифугирования моделей вытеснил способ погружения, и последний оставался в течение ряда лет только теоретической разработкой. Его реанимировали американцы для исследования плоских моделей ракетных двигателей, но без ссылок на Гутмана.

Применительно к объемным эпоксидным моделям погружение в тяжелую жидкость – сплав Вуда – дает эффект, эквивалентный семикратному увеличению силы тяжести. При центрифугировании утяжеляются и жидкость, и модель. Но одновременно в 100-150 раз увеличивается и разность удельных весов. В результате зафиксированные в модели деформации и соответствующие им оптические эффекты отвечают перегрузкам, эквивалентным произведению двух эффектов, от погружения и центрифугирования, то есть ускорениям порядка 700-1050 g.

В объединении двух известных способов и состоит сущность изобретения. В 1980 г. эта разработка демонстрировалась на ВДНХ СССР и Пермский университет, и авторы награждены бронзовыми медалями выставки.

Несколько позже такой же способ испытаний аналогичных моделей стали применять сотрудники лаборатории фотоупругости МИСИ под руководством Г.Л. Хесина.