способ поглощения энергии ударного воздействия с использованием гетерогенной системы

Формула изобретения

Способ поглощения энергии ударного воздействия с использованием гетерогенной системы, заключающийся в том, что производят сжатие размещенной в замкнутом объеме гетерогенной системы, состоящей из пористого вещества и несмачивающей его жидкости, отличающийся тем, что сжатие производят путем ударного воздействия, удовлетворяющего следующему неравенству:

где - скорость роста давления в результате заданного ударного воздействия на гетерогенную систему;

- критическая скорость роста давления, определяемая как

где р_с - давление, при котором наступает перколяционный переход;

- время заполнения несмачивающей жидкостью кластера, с размером, равным размеру гранул, доступных пор пористого вещества.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к следующим областям техники: автомобилестроению, авиационной и космической технике, машиностроению; в частности к средствам для поглощения энергии ударного воздействия таких, как: амортизаторы, буферы и демпферы с рабочим элементом, выполненным в виде гетерогенной системы пористое вещество - несмачивающая жидкость.

Известен способ поглощения энергии удара, реализованный в разработках (патенты SU 1522835, UA 18905), где на размещенную в замкнутом объеме систему, состоящую из пористого вещества и несмачивающей его жидкости, через плунжер передается ударная нагрузка, вследствие чего давление в данной системе возрастает и при повышении давления до давления Лапласа для капилляров

где - поверхностное натяжение жидкости, - краевой угол смачивания,

R - радиус капилляра, происходит заполнение жидкостью пор пористого тела. Усилие на плунжере, определяемое как F=P_L·S, где S - площадь плунжера, а энергия, затраченная на перемещение плунжера, соответственно будет равна Е=F·Х, где Х - перемещение плунжера.

Недостатком такого способа является сложность определения гетерогенной системы пористое вещество - несмачивающая жидкость, эффективно поглощающей энергию ударного воздействия в зависимости от конкретных условий ее работы, поскольку давление Лапласа не является давлением заполнения и вытекания жидкости из пористого вещества, и, кроме того, известно, что несмачивающая жидкость может не вытекать из пористого тела.

В качестве прототипа выбран способ диссипации энергии (патент US 6052992), заключающийся в том, что гетерогенная система, имеющая вид твердой капиллярной пористой матрицы, обладающей открытой капиллярной пористостью и контролируемой (управляемой) топологией с капиллярами различного сечения и/или пересекающимися друг с другом с образованием лабиринтов, также содержащая жидкость, окружающую пористую капиллярную матрицу, для образования поверхности раздела жидкость - твердое тело, при этом матрица является лиофобной по отношению к жидкости, а граница раздела изотермически и обратимо изменяется как функция внешнего давления, приложенного к гетерогенной структуре, размещенная в замкнутой камере подвергается сжатию для того, чтобы жидкость заполнила капилляры пористой твердой матрицы, таким образом увеличивая поверхность раздела жидкость - твердое тело, после чего жидкость вытекает при известном более низком давлении.

Недостатком такого способа является то, что при воздействии ударной нагрузки на гетерогенную систему изотермическое и обратимое изменение границы раздела как функция внешнего давления не реализуемо, поскольку все жидкости, кроме квантовых, например Не ³, имеют ненулевую вязкость, что при ударном воздействии в процессе заполнения пор неминуемо приводит к необратимым потерям энергии и, следовательно, к неизотермичности процесса (Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Гидродинамика. - М.: Наука, 1986, стр.71, стр.706).

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении энергопоглощения и диссипации энергии устройствами для амортизации ударной нагрузки, в которых использована гетерогенная система пористое вещество - несмачивающая жидкость, и/или уменьшении габаритов устройства для амортизации ударной нагрузки при заданной необходимой величине энергопоглощения за счет меньшего количества пористого вещества и несмачивающей жидкости гетерогенной системы.

Решением указанной задачи является способ поглощения энергии ударного воздействия с использованием гетерогенной системы, заключающийся в том, что в известном способе производят сжатие размещенной в замкнутом объеме гетерогенной системы, состоящей из пористого вещества и несмачивающей его жидкости, путем ударного воздействия, удовлетворяющего следующему неравенству:

где - скорость роста давления в результате заданного ударного воздействия на гетерогенную систему;

- критическая скорость роста давления, определяемая как где р_c - давление, при котором наступает перколяционный переход, - время заполнения несмачивающей жидкостью кластера, с размером, равным размеру гранул, доступных пор пористого вещества.

Известно, что процесс заполнения и выхода несмачивающей жидкости из пористых тел с распределением пор по размерам сопровождается не только образованием поверхности раздела твердое тело - жидкость, но и образованием поверхности раздела жидкость - газ, и описывается как перколяционный переход с энергетическим барьером (В.Д.Борман и др. ЖЭТФ 118, 193 (2000)).

Перколяционный переход характеризуется давлением р_c, при котором образуется кластер доступных пор размера корреляционной длины , равной характерному размеру L гранулы пористого вещества, - показатель, который, например, для трехмерных систем пор равен - величина относительной доли пор, которые могут быть заполнены, т.е. доступны для жидкости, при давлении р _c, - средний размер пор пористой среды, f(R) - функция распределения пор по размерам, _c - критическая доля доступных пор, зависящая от структуры пористого вещества, для неупорядоченной трехмерной системы пор _c=0.25, - минимальный радиус пор, которые могут быть заполнены при давлении р_c, - поверхностное натяжение несмачивающей жидкости на воздухе, - разность поверхностного натяжения пористое вещество - воздух и пористое вещество - жидкость, - коэффициент связанности пор в пористом веществе, равный отношению площади соединения поры с соседними порами к полной площади поверхности поры.

Заполнение пористого вещества с распределением пор по размерам несмачивающей жидкостью при импульсном повышении давления, являющимся аналогом ударного воздействия, до значений, превышающих критическое давление перколяционного порога приводит к возникновению осциллирующего режима заполнения (В.Д.Борман и др. Письма в ЖЭТФ, 74, 5, 287 (2001)). Такое поведение свидетельствует о нелинейной зависимости заполнения пористого вещества с распределением пор по размерам несмачивающей вязкой жидкостью от внешнего давления и дополнительных затратах энергии на преодоление нелинейного вязкого трения при течении несмачивающей жидкости в пористом веществе. Таким образом, при ударном воздействии гетерогенная система, состоящая из пористого вещества и несмачивающей вязкой жидкости, становится нелинейной диссипативной гетерогенной системой.

В результате исследований, было установлено, что при разных ударных воздействиях одна и та же гетерогенная система обладает различными удельным энергопоглощением и удельной диссипируемой энергией. То есть для каждой гетерогенной системы существует диапазон ударных воздействий, при которых она обладает наибольшими удельным энергопоглощением и удельной диссипируемой энергией. Критерием, с помощью которого можно определить этот диапазон, является скорость роста давления в гетерогенной системе определяемая, в свою очередь, сжимаемостью компонентов гетерогенной системы. Если скорость изменения давления в гетерогенной системе больше критической скорости изменения давления , то гетерогенная система приобретает новые свойства: в ней возникают нелинейные диссипативные процессы, связанные с динамикой заполнения несмачивающей вязкой жидкостью пористого вещества. Эти нелинейные процессы приводят к дополнительному поглощению и диссипации энергии ударного воздействия по сравнению с изотермическим образованием и увеличением поверхности раздела жидкость - пористое вещество в известных системах.

Критическая скорость изменения давления определяется как где р_c - давление, при котором наступает перколяционный переход, как было описано выше; - время заполнения кластера доступных пор. Это время может быть вычислено как где - время заполнения одной поры, - вязкость несмачивающей жидкости, а величина

На фиг.1 представлен типичный график зависимости давления в результате ударного воздействия на гетерогенную систему от времени при выполнении условия На временном интервале t₀-t ₁ происходит увеличение давления, связанное с упругой деформацией системы. На интервале t₁-t ₂ происходит заполнение пор пористого вещества несмачивающей вязкой жидкостью, при этом энергия ударного воздействия преобразуется в энергию образования поверхности раздела пористое вещество - несмачивающая жидкость, энергию образования поверхности раздела газ - жидкость и энергию на преодоление нелинейного вязкого трения. На интервале t₂-t₃ происходит снятие упругих деформаций системы и нелинейный процесс вытекания несмачивающей вязкой жидкости из пор пористого вещества. В точке t₃ система возвращается в исходное состояние, отвечающее незаполненным порам.

Данный способ был реализован с помощью установки, представленной на фиг.2. Установка содержит верхнюю платформу 1, нижнюю платформу 2, две направляющие 3 для ударного блока 4, одновременно служащие опорами, на нижней платформе 2 размещен датчик давления 5, на который устанавливается камера 6 с гетерогенной системой в виде пористого вещества 7 и несмачивающей жидкости 8. Для образования замкнутого объема камера 6 плотно закрыта крышкой 9 с осевым отверстием, имеющим средство уплотнения 10, через которое перемещается средство для осуществления ударного воздействия на гетерогенную систему в виде штока 11. На одной из направляющих 3 установлен датчик перемещения 12, связанный со штоком 11. Также установка содержит средство фиксации 13 камеры 6 и штока 11 при динамическом воздействии ударного блока 4 на шток 11. Установка снабжена блоком приема данных 14, на вход которого подается сигнал с датчиков давления 5 и перемещения 12, а выход которого подключен к блоку обработки данных 15.

В качестве пористого вещества 7 был использован силикагель марки КСК-Г производства Горьковского опытного завода ВНИИ НП, поверхность пор которого для придания ей гидрофобных свойств была химически модифицирована алкилсиланом C ₈SiMe₂Cl. Синтез алкилсилана проводился реакцией гидросилирования гексадецена-1 и октена-1 диметилхлорсиланом в присутствии катализатора Спайера. Химическое модифицирование поверхности проводили в жидкой фазе. Полученное таким образом пористое вещество массой 4 г с параметрами: средним радиусом пор 3,5 нм, размером гранул 10 мкм, отношением площади пересечения поры с соседними порами к полной площади поверхности поры 0.24 помещают в непроницаемый для пористого вещества, но проницаемый для жидкости контейнер (не указан), и размещают данный контейнер в камере 6. Оставшийся объем камеры 6 заполняют несмачивающей данную пористую среду жидкостью 8 - дистиллированной водой объемом 65 см³ с поверхностным натяжением на воздухе 0.072 мН/м, вязкостью 1·10^-3 Па·с и поверхностным натяжением на границе раздела поверхность пористой среды - несмачивающая жидкость 0.025 мН/м. Камеру закрывают крышкой 9 и вставляют в отверстие крышки 9 шток 11. Собранную таким образом камеру устанавливают на датчик давления 5 и закрепляют средством фиксации 13. Шток 11 соединяют с датчиком перемещения и осуществляют ударное воздействие с энергией 100 Дж и скоростью роста давления что удовлетворяет критерию по изобретению, т.к. рассчитанное согласно изобретению значение критической скорости роста давления составило 7·10⁸ Па/с. Также, повторяя предыдущие операции на аналогичную гетерогенную систему, произвели ударное воздействие с энергией 100 Дж и скоростью роста давления что не удовлетворяет критерию по изобретению.

Результаты данных ударных воздействий представлены в виде зависимостей изменения давления от изменения объема на фиг.3. Зависимости 1 и 2 соответствуют ударному воздействию с энергией 100 Дж и скоростью роста давления (зависимость 1 соответствует поглощению ударного воздействия, зависимость 2 - возврату части энергии ударному блоку), а зависимости 3 и 4 соответствуют ударному воздействию с энергией 100 Дж и скоростью роста давления (зависимость 3 соответствует поглощению ударного воздействия, зависимость 4 - возврату части энергии ударному блоку). Зависимости представлены за вычетом упругих деформаций гетерогенной системы и камеры. Энергопоглощение определялось как площадь под зависимостями 1 и 3, отнесенными к массе пористого тела, и составило соответственно 13,4 и 8,5 Дж/г. Диссипированная энергия определялась как разность площадей под зависимостями 1, 2 и 3, 4 соответственно и составила 12,2 и 7,6 Дж/г.

Таким образом выполнение условия по предлагаемому способу увеличивает удельное энергопоглощение и удельную диссипированную энергию.