RU2309307C1

RU2309307C1 - Method for absorbing of impact energy using heterogeneous system

Info

Publication number: RU2309307C1
Application number: RU2006126918/11A
Authority: RU
Inventors: Владимир Дмитриевич Борман (RU); Владимир Дмитриевич Борман; Владимир Николаевич Тронин (RU); Владимир Николаевич Тронин; н Виктор Иванович Тро (RU); Виктор Иванович Троян; Алексей Михайлович Грехов (RU); Алексей Михайлович Грехов; Антон Анатольевич Белогорлов (RU); Антон Анатольевич Белогорлов; Владимир Васильевич Конюков (RU); Владимир Васильевич Конюков; Георгий Васильевич Лисичкин (RU); Георгий Васильевич Лисичкин; Евгений Владимирович Грибанов (RU); Евгений Владимирович Грибанов
Original assignee: Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
Priority date: 2006-07-24
Filing date: 2006-07-24
Publication date: 2007-10-27

Abstract

FIELD: automobile building, aircraft and space technique, and mechanical engineering.

SUBSTANCE: method involves compressing heterogeneous system placed within enclosed volume, with heterogeneous system consisting of porous substance and liquid which does not adhere to said porous substance, by applying impact action satisfying the following inequality: p>p_cr, where p is pressure buildup rate as a result of applying predetermined impact action upon heterogeneous system; p_cr is critical pressure buildup rate determined as p_cr=p_c/τ, where p_c is pressure at which percolation transition occurs, τ is time of filling cluster with non-adhering liquid, with size equal to size of granules, of accessible pores of porous substance.

EFFECT: enhanced energy absorption and dissipation of energy by impact load absorbing equipment.

3 dwg

Description

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.The invention relates to the following fields of technology: automotive, aviation and space technology, mechanical engineering; in particular, to means for absorbing impact energy, such as shock absorbers, buffers, and dampers with a working element made in the form of a heterogeneous system, a porous substance - a non-wetting liquid.

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 капилляровA known method of absorbing impact energy, implemented in the developments (patents SU 1522835, UA 18905), where an impact load is transmitted through a plunger to a system consisting of a porous substance and a non-wetting liquid, which results in pressure increase in this system increasing pressure to Laplace pressure for capillaries

где σ - поверхностное натяжение жидкости, θ - краевой угол смачивания,where σ is the surface tension of the liquid, θ is the contact angle of wetting,

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.R is the radius of the capillary, the pores of the porous body are filled with liquid. The force on the plunger, defined as F = P _L · S, where S is the area of the plunger, and the energy spent on moving the plunger, respectively, will be equal to E = F · X, where X is the movement of the plunger.

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.The disadvantage of this method is the difficulty of determining a heterogeneous system of a porous substance - a non-wetting liquid, which effectively absorbs impact energy depending on the specific conditions of its operation, since the Laplace pressure is not the filling and leakage pressure of a liquid from a porous substance, and, moreover, it is known that non-wetting fluid may not leak out of the porous body.

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.As a prototype, a method of energy dissipation was chosen (US Pat. No. 6,052,992), which consists in the fact that a heterogeneous system having the form of a solid capillary porous matrix having an open capillary porosity and a controlled (controlled) topology with capillaries of different sections and / or intersecting each other with the formation of labyrinths, also containing the liquid surrounding the porous capillary matrix, to form a liquid-solid interface, the matrix being lyophobic with respect to the liquid, and the interface isothermally and reversibly changes as a function of the external pressure applied to the heterogeneous structure, placed in a closed chamber is compressed so that the liquid fills the capillaries of the porous solid matrix, thereby increasing the liquid-solid interface, after which the liquid flows out when low pressure.

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 Не³, 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).The disadvantage of this method is that under the influence of a shock load on a heterogeneous system, an isothermal and reversible change in the interface as a function of external pressure is not feasible, since all liquids, except quantum ones, such as He ³ , have a nonzero viscosity, which when impacted during pore filling inevitably leads to irreversible energy losses and, consequently, to the non-isothermal process (L.D. Landau, E.M. Lifshits. Hydrodynamics. - M .: Nauka, 1986, p. 71, p. 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.The technical result of the present invention is to increase energy absorption and dissipation of energy by shock absorption devices using a heterogeneous system of a porous substance - non-wetting liquid, and / or by reducing the dimensions of the shock absorption device at a given required energy absorption due to a smaller amount of porous material and non-wetting fluid of a heterogeneous system.

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:The solution to this problem is a method of absorbing shock energy using a heterogeneous system, which consists in the fact that in the known method, a heterogeneous system consisting of a porous substance and a non-wetting liquid is compressed in a closed volume by a shock effect satisfying the following inequality:

где

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

- the rate of pressure growth as a result of a given impact on a heterogeneous system;

- критическая скорость роста давления, определяемая как

где р_c - давление, при котором наступает перколяционный переход, τ - время заполнения несмачивающей жидкостью кластера, с размером, равным размеру гранул, доступных пор пористого вещества.

is the critical rate of pressure growth, defined as

where p _c is the pressure at which the percolation transition occurs, τ is the time of filling the cluster with a non-wetting fluid, with a size equal to the size of the granules and the available pores of the porous substance.

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)).It is known that the process of filling and exiting a non-wetting fluid from porous bodies with pore size distribution is accompanied not only by the formation of a solid-liquid interface, but also by the formation of a liquid-gas interface, and is described as a percolation transition with an energy barrier (V.D. Bormann et al. JETP 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, ν - 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, θ_c - критическая доля доступных пор, зависящая от структуры пористого вещества, для неупорядоченной трехмерной системы пор θ_c=0.25,

- минимальный радиус пор, которые могут быть заполнены при давлении р_c, σ - поверхностное натяжение несмачивающей жидкости на воздухе, δσ - разность поверхностного натяжения пористое вещество - воздух и пористое вещество - жидкость, φ - коэффициент связанности пор в пористом веществе, равный отношению площади соединения поры с соседними порами к полной площади поверхности поры.The percolation transition is characterized by pressure p _c , at which a cluster of accessible pores of the size of the correlation length is formed

equal to the characteristic size L of the granule of the porous substance, ν is an indicator which, for example, for three-dimensional pore systems is

- the value of the relative fraction of pores that can be filled, i.e. available for liquid at pressure p _c ,

is the average pore size of the porous medium, f (R) is the size distribution function of the pores, θ _c is the critical fraction of the available pores, depending on the structure of the porous substance, for the disordered three-dimensional pore system θ _c = 0.25,

is the minimum radius of pores that can be filled at a pressure p _c , σ is the surface tension of a non-wetting liquid in air, δσ is the difference in surface tension of a porous substance - air and a porous substance - liquid, φ is the coefficient of pore bonding in a porous substance, equal to the area ratio the connection of the pores with neighboring pores to the full surface area of the pores.

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.Filling a porous substance with a pore size distribution with a non-wetting liquid with a pulse increase in pressure, which is an analogue of the shock, to values exceeding the critical pressure of the percolation threshold leads to an oscillating filling regime (V.D. Borman et al. JETP Letters, 74, 5 , 287 (2001)). This behavior indicates a nonlinear dependence of the filling of a porous substance with a pore size distribution by a non-wetting viscous fluid on external pressure and additional energy costs for overcoming non-linear viscous friction during the flow of a non-wetting fluid in a porous substance. Thus, upon impact, a heterogeneous system consisting of a porous substance and a non-wetting viscous fluid becomes a non-linear dissipative heterogeneous system.

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.As a result of research, it was found that under different shock effects the same heterogeneous system has different specific energy absorption and specific dissipated energy. That is, for each heterogeneous system, there is a range of shock effects under which it has the highest specific energy absorption and specific dissipated energy. The criterion by which this range can be determined is the rate of increase in pressure in a heterogeneous system

determined, in turn, by the compressibility of the components of a heterogeneous system. If the rate of change of pressure in a heterogeneous system is greater than the critical rate of change of pressure

, then the heterogeneous system acquires new properties: nonlinear dissipative processes arise in it, associated with the dynamics of filling a non-wetting viscous fluid of a porous substance. These nonlinear processes lead to additional absorption and dissipation of impact energy compared with isothermal formation and an increase in the liquid – porous interface in known systems.

Критическая скорость изменения давления

определяется как

где р_c - давление, при котором наступает перколяционный переход, как было описано выше; τ - время заполнения кластера доступных пор. Это время может быть вычислено как

где

- время заполнения одной поры, η - вязкость несмачивающей жидкости, а величина

Critical pressure change rate

defined as

where p _c is the pressure at which the percolation transition occurs, as described above; τ is the cluster filling time of available pores. This time can be calculated as

Where

is the filling time of one pore, η is the viscosity of the non-wetting fluid, and the quantity

На фиг.1 представлен типичный график зависимости давления в результате ударного воздействия на гетерогенную систему от времени при выполнении условия

На временном интервале t₀-t₁ происходит увеличение давления, связанное с упругой деформацией системы. На интервале t₁-t₂ 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.Figure 1 presents a typical graph of pressure as a result of impact on a heterogeneous system from time to time when the condition

On the time interval t ₀ -t ₁ there is an increase in pressure associated with the elastic deformation of the system. In the interval t ₁ -t ₂ , the pores of the porous substance are filled with a non-wetting viscous liquid, and the impact energy is converted into the energy of the formation of the porous substance-non-wetting liquid interface, the energy of the gas-liquid interface and the energy to overcome non-linear viscous friction. On the interval t ₂ -t ₃ there is a removal of the elastic deformations of the system and a non-linear process of leakage of non-wetting viscous fluid from the pores of the porous substance. At point t _{3, the} system returns to its initial state, corresponding to empty pores.

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.This method was implemented using the installation shown in figure 2. The installation comprises an upper platform 1, a lower platform 2, two guides 3 for the shock block 4, which simultaneously serve as supports, a pressure sensor 5 is placed on the lower platform 2, onto which a chamber 6 with a heterogeneous system in the form of a porous substance 7 and non-wetting fluid 8 is installed. the formation of a closed volume, the chamber 6 is tightly closed by a cover 9 with an axial hole having a means of sealing 10, through which the means for performing impact on a heterogeneous system in the form of a rod 11. moves For those who call 3, a displacement sensor 12 is installed, connected with the rod 11. The installation also includes means for fixing 13 of the chamber 6 and the rod 11 with the dynamic action of the shock unit 4 on the rod 11. The installation is equipped with a data receiving unit 14, to the input of which a signal from pressure sensors 5 and movement 12, and the output of which is connected to the data processing unit 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 C₈SiMe₂Cl. 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.As porous substance 7, we used silica gel of the KSK-G brand manufactured by the Gorky pilot plant of the All-Russian Research Institute of NP, whose pore surface was chemically modified with C ₈ SiMe ₂ Cl alkylsilane to impart hydrophobic properties to it. The synthesis of alkylsilane was carried out by the hydrosilylation of hexadecene-1 and octene-1 with dimethylchlorosilane in the presence of a Spyer catalyst. Chemical surface modification was carried out in the liquid phase. Thus obtained porous substance weighing 4 g with parameters: average pore radius of 3.5 nm, granule size of 10 μm, the ratio of the area of intersection of the pores with neighboring pores to the total surface area of the pore 0.24 is placed in a container impermeable to a porous substance, but permeable to liquid ( not indicated), and place this container in chamber 6. The remaining volume of chamber 6 is filled with non-wetting this porous medium liquid 8 with distilled water with a volume of 65 cm ³ with a surface tension in air of 0.072 mN / m, viscosity 1 · 10 ^-3 Pa · s and by erhnostnym tension at the interface between the porous medium - liquid nonwetting 0.025 mN / m. The chamber is closed with a lid 9 and inserted into the hole of the lid 9 of the rod 11. The chamber thus assembled is mounted on the pressure sensor 5 and fixed by means of fixation 13. The rod 11 is connected to the displacement sensor and performs impact with an energy of 100 J and a pressure growth rate

which meets the criteria of the invention, because the critical pressure growth rate calculated according to the invention was ≈7 · 10 ⁸ Pa / s. Also, repeating previous operations on a similar heterogeneous system, they produced a shock with an energy of 100 J and a pressure growth rate

which does not satisfy the criteria of the invention.

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.The results of these impacts are presented in the form of dependences of pressure changes on volume changes in Fig.3.

Dependencies

1 and 2 correspond to a shock action with an energy of 100 J and a pressure growth rate

(dependence 1 corresponds to shock absorption, dependence 2 to the return of part of the energy to the shock block), and

dependences

3 and 4 correspond to shock with an energy of 100 J and a pressure growth rate

(dependence 3 corresponds to the absorption of shock, dependence 4 to the return of part of the energy to the shock block). Dependencies are presented net of elastic deformations of the heterogeneous system and chamber. Energy absorption was defined as the area under

dependencies

1 and 3, referred to the mass of the porous body, and amounted to 13.4 and 8.5 J / g, respectively. Dissipated energy was determined as the difference between the areas under the

dependences

1, 2 and 3, 4, respectively, and amounted to 12.2 and 7.6 J / g.

Таким образом выполнение условия по предлагаемому способу увеличивает удельное энергопоглощение и удельную диссипированную энергию.Thus, the fulfillment of the conditions of the proposed method increases the specific energy absorption and specific dissipated energy.

Claims

A method of absorbing shock energy using a heterogeneous system, which consists in compressing a heterogeneous system located in a closed volume consisting of a porous substance and non-wetting liquid, characterized in that the compression is effected by shock, which satisfies the following inequality:

Where

is the critical rate of pressure growth, defined as

where p _c is the pressure at which the percolation transition occurs;

τ is the time of filling the non-wetting liquid of the cluster, with a size equal to the size of the granules, the available pores of the porous substance.