Челябинские ученые придумали «маску» для поезда
26 Июля 2019
Фото: сайт ЮУрГУ
Стеклопластиковая броня защитит экспресс в случае аварии.
Челябинские ученые изучили баллистические свойства композитного материала — стеклопластика, изготовленного по нанотехнологиям. Этот композит (GFRP) сравнительно дешев, но при этом обладает высокой прочностью и пластичностью. Он уже нашел применение в авиации, скоростном автотранспорте, ветроэнергетических установках.
Но свойства стеклопластика еще не изучены до конца, и при баллистических исследованиях не учитываются сверхнагрузки, возникающие при высоких скоростях после удара о препятствие. Между тем это серьезная проблема для высокоскоростных железнодорожных магистралей: поезда мчатся со скоростью около 400 км в час, и смягчить силу удара традиционными методами невозможно.
Выход нашли ученые политехнического института ЮУрГУ, вычислившие баллистические характеристики стеклопластика при эксплуатации и ударных нагрузках поездов.
— Защитные «маски» современных поездов из композитных материалов придуманы не нами, но их прочности зачастую недостаточно, чтобы держать удар при столкновении, — говорит один из авторов проекта Михаил Жихарев. — Причем это не разовое воздействие: такие «маски» во время движения поезда нередко бомбят летящие навстречу камни, случаются и другие постоянные и ударные напряжения. Мы поставили перед собой цель определить, как они влияют на пластину из композитного стеклопластика при штатной эксплуатационной нагрузке.
Чтобы выяснить это, ученые растягивали образец, вызывая так называемое напряженное состояние, а затем подвергали удару и изучали баллистические свойства. Для этого применяли компактный разгонный стенд. В ходе эксперимента баллистический снаряд поместили в испытательную камеру, с помощью которой образец растягивали до заданной нагрузочной величины. При этом снаряд разгонялся от 100 до 800 м/с в зависимости от уровня ударной нагрузки.
Кроме того, исследователи изучали свойства «маски» из стеклопластика методом компьютерного моделирования баллистического удара с использованием программы ANSYS Workbench. И как оказалось, данные математического моделирования приближены к полученным в ходе эксперимента.
— Мы определили зависимость так называемой величины баллистического предела от предварительной нагрузки, — резюмирует Михаил Жихарев. — И оказалось, что при ударных нагрузках до 50 % от верхнего предела прочности, когда материал должен разрушаться, баллистический предел пластины из стеклопластика уменьшается всего на 15 %. А значит, скоростные поезда и трамваи с «маской» из стеклопластика будут устойчивее и к ударам, и к эксплуатационным нагрузкам. По расчетам, это намного повысит их надежность и срок службы.
Добавим, что исследование свойств стеклопластика ученые провели в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ). Его результаты планируется использовать как при проектировании скоростных поездов, так и при создании новых композитных материалов, которые могут найти применение в самых разных отраслях.
Но свойства стеклопластика еще не изучены до конца, и при баллистических исследованиях не учитываются сверхнагрузки, возникающие при высоких скоростях после удара о препятствие. Между тем это серьезная проблема для высокоскоростных железнодорожных магистралей: поезда мчатся со скоростью около 400 км в час, и смягчить силу удара традиционными методами невозможно.
Выход нашли ученые политехнического института ЮУрГУ, вычислившие баллистические характеристики стеклопластика при эксплуатации и ударных нагрузках поездов.
— Защитные «маски» современных поездов из композитных материалов придуманы не нами, но их прочности зачастую недостаточно, чтобы держать удар при столкновении, — говорит один из авторов проекта Михаил Жихарев. — Причем это не разовое воздействие: такие «маски» во время движения поезда нередко бомбят летящие навстречу камни, случаются и другие постоянные и ударные напряжения. Мы поставили перед собой цель определить, как они влияют на пластину из композитного стеклопластика при штатной эксплуатационной нагрузке.
Чтобы выяснить это, ученые растягивали образец, вызывая так называемое напряженное состояние, а затем подвергали удару и изучали баллистические свойства. Для этого применяли компактный разгонный стенд. В ходе эксперимента баллистический снаряд поместили в испытательную камеру, с помощью которой образец растягивали до заданной нагрузочной величины. При этом снаряд разгонялся от 100 до 800 м/с в зависимости от уровня ударной нагрузки.
Кроме того, исследователи изучали свойства «маски» из стеклопластика методом компьютерного моделирования баллистического удара с использованием программы ANSYS Workbench. И как оказалось, данные математического моделирования приближены к полученным в ходе эксперимента.
— Мы определили зависимость так называемой величины баллистического предела от предварительной нагрузки, — резюмирует Михаил Жихарев. — И оказалось, что при ударных нагрузках до 50 % от верхнего предела прочности, когда материал должен разрушаться, баллистический предел пластины из стеклопластика уменьшается всего на 15 %. А значит, скоростные поезда и трамваи с «маской» из стеклопластика будут устойчивее и к ударам, и к эксплуатационным нагрузкам. По расчетам, это намного повысит их надежность и срок службы.
Добавим, что исследование свойств стеклопластика ученые провели в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ). Его результаты планируется использовать как при проектировании скоростных поездов, так и при создании новых композитных материалов, которые могут найти применение в самых разных отраслях.
