авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Напряженно-деформированное состояние и прочность металлических взрывных камер

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Николаенко Павел Анатольевич

напряженно-деформированноЕ состояние и

прочность металлических взрывных камер

01.02.06 Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

01.04.17 Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена совместно в Учреждении Российской академии наук «Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН» (ИСМАН) и Государственном Научном Центре Российской Федерации Открытом Акционерном Обществе “Научно-производственное объединение “Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения” (ОАО НПО ЦНИИТМАШ)

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Первухин Леонид Борисович доктор технических наук Казанцев Александр Георгиевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Маркочев Виктор Михайлович
кандидат физико-математических наук Доронин Геннадий Степанович
Ведущая организация: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие «Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических и Радиотехнических Измерений»

Защита диссертации состоится 14 декабря 2010 г. в 14.00 час. на заседании диссертационного совета Д 217.042.02 при ОАО НПО ЦНИИТМАШ по адресу : 115088, г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4.

Тел/факс: (495) 675-89-05; E-mail: dnklauch@cniitmash.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технический библиотеке ОАО НПО ЦНИИТМАШ по адресу: 115088, г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах с подписью составителя и заверенный печатью организации просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан « 12 » ноября 2010 г.

Ученый секретарь, кандидат технических наук Д.Н. Клауч

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В современной промышленности для создания новых материалов все более широкое применение находят взрывные процессы. Лабораторные исследования, производство опытных образцов, сварка взрывом, первичное исследование взрывчатых веществ (ВВ), обучение персонала работе с ВВ, уничтожение зарядов ВВ – это далеко не полный перечень работ, выполнение которых возможно только при условии обеспечения защиты обслуживающего персонала от поражающих факторов взрыва. Взрывные камеры (ВК) являются универсальным средством защиты от взрывного воздействия, к преимуществам которых относятся: возможность установки в черте города, как на открытом воздухе, так и в помещении; дистанционное управление работой камеры; небольшие габариты относительно массы подрываемого заряда.





Вопросам разработки взрывных камер посвящено большое число теоретических и экспериментальных работ. Анализ этих работ показал, что при эксплуатации ВК наблюдали их разрушение при зарядах не превышающих расчетный. Расчеты оболочек ВК по известным методикам в ряде случаев дают существенно отличающиеся результаты. В связи с отмеченным, совершенствование методов расчета напряженного состояния, прочности и долговечности взрывных камер, является актуальной задачей.

Актуальность работы подтверждается ее выполнением по Государственным контрактам: № 2005/209 от 01.04.2005 г.; № 2006/260 от 02.06.2006 г.; № 2006/261 от 02.06.2006 г.

Цель диссертационной работы. Цель работы – на основе современных методов анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) и механики разрушения выполнить теоретико-экспериментальные исследования прочности и долговечности взрывных камер, предназначенных для многократного подрыва зарядов массой до 20 кг в тротиловом (ТНТ) эквиваленте.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

По специальности 01.02.06:

1. На основе компьютерного моделирования методом конечных элементов (МКЭ) определить наиболее нагруженные зоны взрывной камеры, исследовать влияние защитных экранов на напряженно-деформированное состояние и прочность оболочки при взрывном воздействии.

2.Экспериментально методом тензометрирования исследовать напряженно-деформированное состояние макета взрывной камеры при подрывах зарядов различной массы и оценить эффективность применения защитных экранов.

3. Провести комплексное исследование механических свойств материала для изготовления взрывных камеры с учетом условий эксплуатации.

4. Определить допускаемое число подрывов в зависимости от массы заряда в целях обеспечения надежности и эффективности работы разработанных ВК.

По специальности 01.04.17:

1. Провести анализ существующих методик расчёта оболочек взрывных камер. Рассчитать, спроектировать и изготовить экспериментальный макет взрывной камеры.

2. Исследовать распространение ударных волн во взрывной камере с защитными экранами и определить их влияние на прочность и долговечность ВК.

Методы исследования.

Расчетная часть работы выполнялась путем численного моделирования методом конечных элементов напряженного состояния в корпусах ВК при взрывном нагружении.

Анализ напряженного состояния осуществлялся в упругопластической постановке на основе теории течения с кинематическим упрочнением.

Экспериментальное исследование механических свойств и характеристик трещиностойкости выполнялось на современных сервогидравлических установках и инструментированном копре с цифровой регистрацией динамических диаграмм разрушения образцов.

Характеристики трещиностойкости определялись с использованием аппарата нелинейной механики разрушения.

Натурные исследования напряженного состояния оболочек взрывных камер осуществлялись с использованием методов динамической тензометрии при подрыве зарядов ВВ (ТНТ).

Научная новизна работы.

По специальности 01.02.06:

1. На основе компьютерного моделирования методом конечных элементов исследованы процессы динамического нагружения взрывных камер различного конструктивного исполнения, определены наиболее напряженные зоны, распределение и изменение во времени напряжений и деформаций в оболочках камер.

2. Рассчитаны поля усталостных повреждений в оболочках камер при многократных подрывах с учетом нерегулярного циклического нагружения.

3. Определено число безопасных подрывов зарядов различной мощности с учетом наличия трещиноподобных дефектов в сварных швах, установлены критические размеров дефектов не приводящих к разрушению для заданной массы заряда

4. Компьютерным моделированием и экспериментально методом тензометрирования на полномасштабном макете взрывной камеры обоснована эффективность использования дискретных металлических защитных экранов, позволяющих исключить прямое воздействие ударной волны на оболочку камеры и понизить ее нагруженность.

По специальности 01.04.17:

1. Выявлено, что введение защитных экранов позволяет разделить поражающие факторы взрыва, исключая прямое воздействие ударной волны на корпус ВК и появление микродефектов в корпусе камеры.

Практическая ценность. На основе полученных результатов разработаны научно-обоснованные практические рекомендации по созданию ВК, включающие компьютерное моделирование и выбор конструктивного исполнения, которые позволяют создавать широкую гамму технологических ВК для обработки материалов взрывом (сварки, упрочнения, компактирования и т.д.)

С использованием разработок автора изготовлены, смонтированы, испытаны и введены в эксплуатацию полуавтоматические ВК на многократный подрыв зарядов до 2; 5 и 20 кг ТНТ.

Достоверность полученных результатов обеспечивается методологией исследований, основанной на трудах отечественных и зарубежных ученых, использованием аттестованного испытательного оборудования и измерительной аппаратуры, современных методов расчета, сопоставлением результатов расчета и эксперимента, данными натурных испытаний, применением методов статистического анализа для обработки полученных результатов

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данной работы, разработке основных положений научной новизны и практической значимости, участии в проведении натурных испытаний, выполнении экспериментов по исследованию характеристик конструкционного материала, численных расчетов, интерпретации и обобщении полученных результатов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты компьютерного моделирования с использованием метода конечных элементов напряженно-деформированного состояния оболочек ВК при взрывном нагружении.

2. Данные экспериментального исследования методом тензометрирования НДС макетов корпусов ВК.

3. Результаты компьютерного моделирования и последующего экспериментального подтверждения эффекта влияния защитных экранов на напряженно-деформированное состояние корпусов взрывных камер.

4. Результаты расчетов долговечности ВК в зависимости от массы заряда при многократных подрывах, полученные с использованием данных механических испытаний металла, отобранного из оболочек взрывных камер.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: III, IV и VII Всероссийской школе-семинаре по структурной макрокинетике для молодых ученых (Черноголовка 2005, 2006, 2009); Молодежной международной школе-конференции по инновационному развитию науки и техники (Черноголовка 2005); Международной научной школы-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2006); IX Международной конференции Забабахинские научные чтения (ЗНЧ-2007) (Снежинск, 2007),, IX International Symposium on Explosive Production of New Materials: Sciense, Technology, Business and Innovations (EPNM – 2008) (Lisse, the Netherlands, 2008), 47-й Международной конференция «Актуальные проблемы прочности» (Нижний Новгород 2008), XIV симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2008), XI международной конференции «Харитоновские чтения» Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» (Саров, 2009), XVII международной конференции «Физика прочности и пластичности металлов» (Самара, 2009), X International Symposium on Explosive Production of New Materials: Sciense, Technology, Business and Innovations (EPNM – 2010) (Bechichi, Montenegro, 2010), научном семинаре отдела прочности материалов и конструкций НПО “ЦНИИТМАШ” (2009), расширенном заседании семинара лаборатории ударно-волновых процессов ИСМАН (2010).

Публикации. По основным результатам диссертации подготовлено и опубликовано 3 статьи (в изданиях, рекомендованных ВАК РФ) и 14 тезисов докладов на научных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Работа содержит 140 страниц машинописного текста, 109 рисунков, 16 таблиц. Список литературы включает 118 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность.

В первой главе выполнен анализ проблемы локализации поражающих факторов взрыва, значительный вклад в решение которой внесен исследованиями Мальцева В.А., Даниленко В.В., Иванова А.Г., Кобылкина И.Ф., Демчука А.Ф., Исакова В.П. и др.

Рассмотрены способы локализации поражающих факторов, конструкции взрывных камер различного назначения, преимущества и недостатки применяемых конструкционных материалов, методы снижения нагруженности ВК. Сделан вывод о том, что одними из наиболее перспективных являются металлические взрывные камеры. Проведен анализ существующих на сегодняшний день методик расчета ВК на прочность. Показана перспективность компьютерного моделирования методом конечных элементов для исследования НДС ВК при взрывном нагружении. Рассмотрены методы экспериментального исследования НДС оболочек ВК. Сформулирована цель и задачи исследования

Во второй главе описана методика анализа нагруженнности оболочек ВК на основе, полученной из энергетических соотношений, зависимости (Мальцев В.А. и др.), имеющей вид:

(1)

где: – максимальные напряжения в оболочке, возникающие от воздействия воздушной ударной волны, Rоб – радиус оболочки, – толщина оболочки, r0 – радиус активной части заряда, = 10 – коэффициент, учитывающий предельное расширение продуктов детонации, Q – удельное энергосодержание ВВ, Е – модуль упругости материала оболочки, 0 – плотность ВВ, в – плотность воздуха, – коэффициент Пуассона материала оболочки, Ку – коэффициент увеличения напряжений за счет эффекта отражения ударной волны от стенки.

Используя данное соотношение определены основные размеры и конструкции ВК диаметром 2 м, 3 м и 10,5м, предназначенных для многократного подрыва зарядов ТНТ соответственно до 2; 5 и 20 кг. С учетом заданных ограничений по массе ВК толщина стенок камер диаметром 2 м, 3 м и 10,5 м принята равной соответственно 32; 36 и 20 мм.

ВК диаметром 2 м и 3 м представляют собой тонкостенные сварные сосуды с эллиптическими днищами и загрузочным люком на цилиндрической части, установленные в вертикальном положении на опорах. Люк имеет крышку и затвор байонетного типа с уплотнительным кольцом из резины. Для защиты крышки от воздействия ударной волны и осколков от зарядов, содержащих поражающие элементы, перед люком внутри камеры имеются две створки полуцилиндрической формы, установленные выпуклой частью внутрь камеры.

Камера диаметром 10,5 м выполнена в виде свободно опирающейся на кольцевой воротник сферы с люком диаметром 3м. Материал корпуса ВК – конструкционная низколегированная сталь 09Г2С ГОСТ 5520-79 (предел текучести 328 МПа).

В соответствии с (1) для данных ВК зависимость номинальных напряжений от массы подрываемого заряда имеет вид, показанный на рисунке 1.

Рисунок 1 – Зависимость напряжений от массы заряда, 1 – камера 2 м, 2 – камера 3 м, 3 – камера 10,5 м.

Как следует из рисунка 1, при заданных значениях массы заряда ВВ номинальные напряжения в ВК не превышают предела текучести.

Методика расчета, основанная на зависимости (1) является достаточно приближенной, предусматривает упругое поведение материала и позволяет оценить номинальные напряжения без учета зон концентрации и локальных эффектов. В связи с этим было выполнено компьютерное моделирование НДС оболочек ВК на основе метода конечных элементов (МКЭ).

Анализ напряжений и деформаций проводился на основе решения соответствующих динамических упругопластических задач. Для моделирования взрывного воздействия к внутренней поверхности камеры прикладывался импульс давления, рассчитанный на основе соотношений Демчука - Исакова. Детонация предполагалась мгновенной. Заряд располагался в центре взрывной камеры.

В соответствии с данным подходом зависимость давления от времени имеет вид:

(2)

где – показатель политропы, равный для воздуха 1,4; k=4/3·; =3; 0 – плотность ВВ; Q0 – удельная тепловая энергия, выделяющаяся при взрыве ВВ; r0 – приведенный радиус заряда; R – радиус оболочки.

Давление, действующее на стенку оболочки представлялось в виде треугольного импульса с максимумом в начальный момент времени t = 0. Падение давления происходит по линейному закону. При t> имеем p = 0. Продолжительность воздействия давления , определяемая формулой = 0,35·R/Q01/2, существенно ниже периода собственных колебаний оболочки.

При проведении расчетов НДС принималось, что величина R соответствует расстоянию от центра заряда до стенки камеры. Заряд ВВ рассматривался как сферический. Для тротила (ТНТ) расчетные характеристики имеют следующие значения: 0 = 1680 кг/м3; Q0 = 4,2 МДж/кг.

Для описания упругопластических свойств материала использовалась теория течения с кинематическим упрочнением. Изменение свойств материала от скорости нагружения учитывалось на основе модели Купера – Саймонда. Указанная зависимость имеет вид: где - кривая деформирования при динамическом нагружении, i (pi) - кривая деформирования при статическом нагружении, i и pi – соответственно интенсивность напряжений и интенсивность пластических деформаций, - скорость интенсивности пластических деформаций, с и константы материала.

Выполненные численные эксперименты показали, что максимальные скорости пластической деформации в оболочках камер составляют порядка 16 сек-1. Таким скоростям деформирования соответствует увеличение предела текучести не более 10%.

Для построения конечно-элементных моделей взрывных камер использовались трехмерные оболочечные и гексаэдральные элементы. При вычислении внутренних сил в узлах конечных элементов учитывалась составляющая демпфирующих усилий, определяемых массой и скоростью.

На рисунке 2 представлены конечно-элементные модели двух ВК. Взрывная камера на рисунке 2а имеет следующие характеристики: высота 3 м, диаметр цилиндрической оболочки 2 м, диаметр люка 800 мм, толщина стенок 32 мм. В верхнем и нижнем днищах имеются патрубки Ду = 150 мм. Масса камеры 7,8 т.

В расчетной модели сферической камеры диаметром 10,5 м (толщина стенки 20 мм), (рисунок 2б) учтено наличие люка, верхнего патрубка, балластной весовой нагрузки (масса 135 т) в пространстве камеры ниже люка, опорного воротника, на котором лежит оболочка (масса 70 т)

а б

Рисунок 2 – Конечно-элементная модель ВК (1/2 часть). а – макет ВК диаметром 2 м, б – сферическая взрывная камера диаметром 10,5м.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.