Напряженно-деформированное состояние и прочность металлических взрывных камер

Николаенко, Павел Анатольевич

Напряженно-деформированное состояние и прочность металлических взрывных камер тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Николаенко, Павел Анатольевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Напряженно-деформированное состояние и прочность металлических взрывных камер»

Автореферат диссертации на тему "Напряженно-деформированное состояние и прочность металлических взрывных камер"

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

~2т 20Ю

004615597

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 тре-щиностойкости 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 тензометрирова-ния 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 зарядо'в 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 ис-

следованию 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:

. Аур,236 [ГаРиР, Я18

Я> -(Я -аг0)'

<2Е

(1 -м)Р

(1)

где: о - максимальные напряжения в оболочке, возникающие от воздействия воздушной ударной волны, [1о6 - радиус оболочки, 5 - толщина оболочки, г0 - радиус активной части заряда, а = 10 - коэффициент, учитывающий предельное расширение продуктов детонации, 0 - удельное энергосодержание ВВ, Е - модуль упругости материала оболочки, р0- плотность ВВ, р„ - плотность воздуха, ц - 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 байонет-ного 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 Зм. 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 02 м,

2 - камера 03 м,

3 - камера 010,5 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 о 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:

где у- показатель политропы, равный для воздуха 1,4; ¿=4/3 л; v =3; р(, - плотность ВВ; Qn - удельная тепловая энергия, выделяющаяся при взрыве ВВ; г„ - приведенный радиус заряда; R - радиус оболочки.

Давление, действующее на стенку оболочки представлялось в виде треугольного импульса с максимумом в начальный момент времени 1 = 0. Падение давления происходит по линейному закону. При г> г имеем р = 0. Продолжительность воздействия давления г, определяемая формулой т = 0,35-R/Qo"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: Ра = 1680 кг/мЗ; Q„= 4,2 МДж/кг.

Для описания упругопластических свойств материала использовалась теория течения с кинематическим упрочнением. Изменение свойств материала от скорости нагруже-ния учитывалось на основе модели Купера - Саймонда. Указанная зависимость имеет вид:а,(г,г/') = <т,(г+ (г,' /с)"^J где кривая деформирования при динами-

ческом нагружении, a, (ff'j - кривая деформирования при статическом нагружении, а, и if, - соответственно интенсивность напряжений и интенсивность пластических деформаций, Е? - скорость интенсивности пластических деформаций, с и р константы материала.

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

Для построения коИечно-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.

(2)

В расчетной модели сферической камеры диаметром 10,5 м (толщина стенки 20 мм), (рисунок 26) 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)

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

Некоторые результаты расчета НДС камеры диаметром 2 м при подрыве заряда ТНТ массой 1 кг показаны на рисунке 3. Из полученных данных следует, что после воздействия короткого импульса взрывного давления в оболочке возбуждаются колебания, затухающие со временем. Характерным является то, что максимальные перемещения и напряжения в оболочке возникают не в начальный момент приложения давления, а с некоторым запаздыванием.

Рисунок 3а - Распределение интенсивности Рисунок 36 ~ Изменение напряжений во напряжений, 1=0,00225 сек, заряд ш =1 кг времени, верхнее днище, заряд ш =1 кг

При величине заряда 1 кг ТНТ материал камеры работает в упругой области. Распределение напряжений в корпусе является существенно не равномерным (рисунок За).

Амплитуда напряжений в наиболее нагруженной области (центральная часть днищ) составляет до 170 МПа (рисунок 36). На рисунке 36 ЭЕС)У - интенсивность напряжений, ЭХ, БУ, Б2 - компоненты нормальных напряжений. Ось X соответствует горизонтальному направлению, У - вертикальному, ось 2, перпендикулярна плоскости рисунка.

При массе заряда более 2 кг в центральной части днищ, зонах приварки их к цилиндрической обечайке, а также в зоне приварки люка возникают локальные пластические деформации. При заряде 10 кг их величина составляет более 5%.

На рисунке 4а,б приведены результаты расчета интенсивности и компонент напряжений в камере аналогичной конструкции, но диаметром 3 м для заряда массой 2,5 кг и 15 кг.

При массе заряда до 3,5 кг материал работает в упругой области. При увеличении заряда возникают пластические деформации. При ш =15 кг их максимальная величина (центр верхнего днища) составляет около 5%.

Рисунок 4а - Распределение интен- Рисунок 4б - Изменение во времени компонент и сивности напряжений, заряд т = интенсивности напряжений, верхнее днище, заряд 2,5кг; 1 = 0,00438 сек. ш = 2,-5 кг.

Для защиты внутренней стенки ВК внутрь были введены дискретные экраны. Экраны у днищ имели эллиптическую форму (как и днища). Экраны, установленные по периметру цилиндрической обечайки, представляли собой набор плоских листов размером 1500x250 мм. Толщина экранов 12 мм, материал - сталь 09Г2С, зазор между экранами и стенками камеры 20 мм. При расчете учитывалось контактное взаимодействие экранов и оболочки камеры при ударе. Полученные данные показывают значительное ослабление воздействия взрывной волны на оболочку и снижение напряжений примерно в 1,5 раза, (рисунок 5) за счет применения экранов.

При повышении величины заряда экраны пластически деформируются, при ш = 15 кг пластическая деформация боковых экранов достигает 1,5%, нижнего экрана -0,5%, (рисунок 6).

Рисунок 5 - Интенсивность напряжений в Рисунок 6 - Распределение интенсивно-верхнем днище в максимально нагруженной сти пластических деформаций в оболоч-точке, заряд т = 2,5 кг. Камера с экранами. ке камеры и экранах, заряд ш = 15 кг

Анализ напряженного состояния камеры диаметром 10,5 м (рисунок 26) выполнялся для массы заряда от 5 до 30 кг. Полученные результаты показали, что наиболее

нагруженными зонами камеры являются локальные области у люка и верхнего патрубка (рисунок 1а). Изменение напряжений во времени в наиболее нагруженной точке над люком при массе заряда 20 кг представлено на рисунке 16. При данной величине заряда оболочка работает в упругой области, причем величина интенсивности напряжений составляет около 170 МПа.

Рисунок 7а - Распределение интенсивно- Рисунок 76 - Изменение во времени вели-сти напряжений при однократном подры- чины компонент напряжений в наиболее ве заряда массой ш = 20 кг; ( = 0,015 сек. нагруженной точке у люка, заряд ш = 20 кг.

Таким образом, на основе конечно-элементного моделирования исследовано НДС оболочек макетов и корпусов ВК при подрывах, определены наиболее напряженные зоны данных конструкций и получены зависимости максимальных напряжений от массы заряда.

В третьей главе описана методика проведения экспериментальных исследований напряжений в макете ВК диаметром 2 м с габаритно-массовыми характеристиками, соответствующими заложенным при конечно-элементном моделировании НДС натурной ВК.

Испытания макета проводились на территории ФКП НИИ «Геодезия» на площадке, оборудованной специализированным тензометрическим стендом, в состав которого входит тензостанция 30200 с многоканальным высокоскоростным цифровым регистратором М1С-300М. Методика исследований предусматривала измерение деформаций корпуса макета при подрыве внутри него зарядов ВВ от 1 до 10 кг ТНТ. Регистрация деформации стенки камеры проводилась с помощью измерительных узлов тензодатчиков, соединенных по мостовой схеме. В работе были использованы 2 типа датчиков: тензоре-зисторы ПКП - 100 с базой 10 мм, сопротивлением 100 Ом и тензорезисторы НПМ - 430 М с базой измерений 20 мм и сопротивлением 200 Ом.

Тензодатчики наклеивались в нескольких наиболее характерных, в том числе и наиболее нагруженных (по данным расчета МКЭ) зонах оболочки корпуса (рисунок 8). Были проведены 2 серии экспериментов: 1) без защитных экранов, 2) с установленными внутри камеры дискретными защитными экранами.

На рисунке 9 для камеры без экранов показана зависимость максимальной амплитуды интенсивности напряжений от массы заряда, установленная по данным тензоиз-мерений. На этом же рисунке приведены данные расчета МКЭ (кривая 1) и результаты полученные при аналитическом упругом расчете по зависимости (1), кривая 2.

Рисунок 8 - Схема измерительных узлов камеры

размещения на корпусе

Рисунок 9 - Зависимость максимальных напряжений от массы заряда (ВК диаметром 2м). Точки (рисунок 8): 1 - датчик №1,2- №2, 3 - №9, 4 - №6 (датчик верхнего днища). Кривые: 1 - расчет методом конечных элементов (центр верхнего днища), кривая 2 - расчет по формуле (1)

По данным тензоизмерений максимальные напряжения соответствуют центральной части верхнего дниша, что соответствует расчету МКЭ. В области упругих деформаций при ш =1+2,5 кг результаты замеров в этой зоне примерно на 15-5-20% ниже значений, полученных МКЭ. Более низкие величины напряжений, полученные по зависимости (1) объясняется ограниченностью области ее применения - не учетом неоднородности НДС в ВК и локальных эффектов.

Спектральный анализ осциллограмм процесса, записанный с частотой опроса 32 кГц, показал, что в спектре колебаний взрывной камеры присутствовали, в основном, две главные области: - близкая к собственной частоте колебания обечайки (200-250 Гц) и - близкая к собственной частоте колебания днищ (650-800 Гц). Более высокие частоты по интенсивности были значительно ниже главных.

Характер изменения напряжений во времени, установленный по данным тензометрии (рисунок 10) согласуется с расчетом.

Рисунок 10 - Осциллограмма на-гружения ободочки ВК (02 м) без защитных экранов, датчик №6, ш=1 кг.

о с.01 ио: 60) I. сек

Рассматриваемые временные колебательные процессы являются быстро затухающими, процесс колебаний практически заканчивался в течение 0,03 - 0,08 сек. При проведении повторных подрывов одинаковых по массе зарядов размахи колебаний в одних и тех же точках измерения несколько отличались вследствие нестацио-

нарности процессов горения и взрыва. Установка дискретных защитных экранов позволила защитить корпус камеры от прямого воздействия ударной волны, снизить уровень напряжений в оболочке, тем самым повышая ее работоспособность.

Статистическая обработка данных тензометрии показала, что амплитуды напряжений подчиняются логнормальному распределению, характеристики которого были определены.

В четвертой главе описаны особенности конструкции разработанных и изготовленных взрывных камер на номинальные заряды 2; 5 и 20 кг соответственно. В таблице I указаны основные характеристики камер. Внешний вид камер показан на рисунках \ \а,б. Камеры полуавтоматические и управляются с 2-х пультов управления: дистанционного и локального.

Таблица 1 - Основные технические характеристики изготовленных ВК.

Тип взрывной камеры ВК - 2 ВК-3 ВК - 10

Диаметр стальной оболочки , м 2 3 10,5

Толщина стенки корпуса, мм 32 36 20

Номинальная масса заряда ВВ, кг 2 5 20

Высота корпуса камеры, м 2,92 4 10,5

байонетного типа, байонетного типа,

Загрузочный люк проходное сечение проходное сечение

диаметром 800 мм. диаметром 3 м.

Внутренняя осколочная защита Экранного типа Трубная, арочного типа+экранного типа

Механизм открывания/закрывания Гидравлический Гидравлический

камеры

Управление камерой Локальное и дистанционное

Масса, кг 9000 30000 280000

После монтажа камеры были подвергнуты испытаниям с подрывом зарядов различной мощности, в том числе с перегрузками (1-И0 кг ТНТ в камерах диаметром 2 и Зм и до 20 кг ТНТ в камере диаметром 10,5м), которые показали, что их полное соответствие заданным эксплуатационным характеристикам.

ЯШШШЯ ■ ШШШШЯЯШШЯ а

Рисунок 11 - Внешний вид взрывных камер, а -б - ВК диаметром 10,5 м.

ВК диаметром 2 и 3 м;

Для оценки прочности и циклической долговечности разработанных камер по данным испытаний образцов-свидетелей, вырезанных из оболочки камеры (основного металла и сварных швов зоны люка) в процессе ее изготовления, были определены необходимые механические свойства при растяжении (таблица 2), ударная вязкость, статическая и динамическая вязкость разрушения.

Таблица 2 - Результаты испытаний на растяжение стали 09Г2С.

Материал Предел текучести Со т, МПа Предел прочности о„ МПа Относительное удлинение,8,% Относительное сужение, V)/, % .

Основной металл 328 492 30 76

Металл шва 415 555 23 73

По данным расчетов материал оболочки камеры испытывает двухосное растяжение. Так как такой вид нагружения приводит к снижению пластичности материала, были проведены испытания по определению зависимости предельной пластичности стали от объемности напряженного состояния. Использовались цилиндрические образцы с кольцевой выточкой, в вершине которой при растяжении реализуется соответствующее НДС. Результаты этих испытаний и анализ НДС (с помощью МКЭ) в вершине выточки показали на возможность снижения предельной пластичности стали 09Г2С с повышением показателя объемности почти в два раза.

Для исследования влияния скорости деформирования на предельную пластичность были выполнены испытания на ударный изгиб на инструментированном копре РБХУ-ЗОО при различной энергии удара (различной скорости маятника) с записью диаграмм разрушения в координатах нагрузка-прогиб. Оценка величины предельной деформации (пластичности), соответствующей образованию трещины, выполнялась на основе конечно-элементного моделирования процесса удара маятника по образцу.

По экспериментальным диаграммам разрушения ударных образцов при различной скорости маятника в момент удара и расчетным зависимостям деформации в вершине надреза от прогиба были установлены значения пластичности ег, средней скорости деформации е' и ударной вязкости (таблица 3).

Из полученных результатов следует, что при скорости деформации 0,88-103 1/сек величина пластичности близка к значениям, установленным при статических испытаниях, т.е. влиянием скорости деформирования на пластичность при взрывном нагруже-нии ВК (когда скорость деформации менее 0,88-103 1/сек) можно пренебречь.

Таблица 3 - Влияние скорости деформации на пластичность металл шва.Т = -30 °С.

Энергия удара, Дж 300 150 75

Скорость маятника при ударе, м/сек 4,8 3,4 2,4

Максимальное усилие, Н 16200 16600 17000

Прогиб в момент образования трещины, мм 1,1 2,3 3,7

Работа разрушения, Дж 27,0 36,7 74,6

Ударная вязкость КСУ, Дж/см2 33,8 45,9 93,2

Пластичность, % 40 105 150

Скорость деформации, е', 1/сек 1,66-103 1,6-103 0,88-103

Для определения циклической долговечности взрывных камер применялся подход, изложенный в Нормах расчета ПНАЭГ-7-002-86. В соответствии с этим связь между амплитудой допускаемых напряжений и допускаемым числом циклов нагру-

жения определяется пластичностью и прочностью материала при статическом растяжении и может быть представлена в виде зависимостей: Ее

+ (3)

I-г

Ее,

(4)

где Rc = Rm (1 + 0,14ZC ) ; ef = 1.15 lg(l 00 /(100 - Zc ); r - коэффициент асимметрии цикла; me =0.1321g[0.4(I + 0.I4Zf)]

Для стали 09Г2С входящие в уравнения (3) и (4) параметры имеют следующие значения: модуль упругости Е = 2-10 МПа, временное сопротивление Rm = 492 МПа, относительное сужение Zc = 45%, показатель степени m = 0,5. Коэффициент запаса по напряжениям п<, = 2, по числу циклов нагружения nN = 10. В качестве расчетных значений амплитуды допускаемых напряжений и долговечности принимаются минимальные значения по уравнениям (3) и (4).

В связи с тем, что изменение амплитуды напряжений в корпусе ВК при взрыве носит нерегулярный характер, при оценке величины усталостного повреждения Df использовали правило линейного суммирования в виде:

Dr=Y—' (5)

где и, - число циклов нагружения с i-ой амплитудой напряжений а,, [¿V, ] - допускаемое число циклов по уравнениям (3) и (4) для данной амплитуды, N - общее число циклов нагружения. Образованию трещины соответствует Df = 1. При Df < 1 условие прочности выполняется.

На основе приведенных соотношений определены значения накопленного усталостного повреждения при однократном подрыве, рассчитаны поля повреждений в оболочках камер и допускаемое число подрывов для зарядов различной массы (рисунок 12).

m, и-

Рисунок 12 - Зависимость допускаемой массы заряда от числа подрывов.

1 - камера диаметром 2 м; 2 - камера диаметром 3 м без экранов; 3 - то же с экранами; 4 -камера диаметром 10,5 м.

хт ' 10

Гч, число подрывов

Так как взрывные камеры изготовлены с использованием сварки, в сварных швах возможно наличие трещиноподобных дефектов, не выявленных при УЗК. В связи с этим была выполнена оценка критических напряжений, способных вызвать разрушение оболочек камер при однократном и многократных подрывах.

Для оценки возможности вязкого разрушения взрывных камер при наличии трещиноподобных дефектов выполнены расчеты критических напряжений ос, вызы-

вающих пластическую нестабильность в сечении с трещиной (разрушение перемычки между трещиной и тыльной стороной стенки).

Расчет выполнялся на основе изложенного в РД ЭО 330 подхода с использованием зависимости = кгсг/г}< гдс кг~ коэффициент ослабления;

(6)

сг, = (/? + /? „ , )/2 - напряжение пластической нестабильности материала с пределом

прочности Л,„ и условным пределом текучести Яр(и

В соответствии с ПНАЭГ 7-002-86 рассматривалась поверхностная трещин глубиной а = 0,25-5 (где 5 - толщина стенки). Масса заряда соответствовала максимальной заданной перегрузке. Результаты расчета приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты расчета критических напряжений и критических разме-

Тип камеры ВК-2 ВК-3 ВК-10

Масса заряда, т, кг 10 15 30

Толщина стенки, 5, мм 32 36 20

Глубина расчетного дефекта, мм 8 9 5

СГтах, МПа 380 360 275

сгс, МПа 438 438 438

ас, мм 12,0 15,0 11,8

В таблице 4 стс - критическое напряжение, вызывающее пластическую нестабильность при расчетной глубине дефекта, ас - критический размер трещины для заданного заряда, стт.1Х - максимальные напряжения в стенке ВК, рассчитанные с использованием МКЭ.

Из таблицы 4 следует, что уровень действующих напряжений (с учетом перегрузок) исключает возникновение пластической нестаб.ильности (ст,,,а,<стс). Вязкое разрушение возможно только при подрастании трещины до критической величины ас, что в принципе не исключено при многократных подрывах.

В связи с тем, что температура эксплуатации сферической камеры диаметром 10,5 м находится в интервале от -30°С до +50 °С для этой камеры был выполнен расчет на хрупкую прочность. Учитывая характер нагружения взрывной камеры данное условие имеет вид К|< К1л,, где К,д - вязкость разрушения при динамическом нагружении.

Температурные зависимости вязкости разрушения для основного металла и металла сварного шва ВК в форме мастер кривых для вероятности разрушения 5% приведены на рисунке 13 (кривые 1 и 2). Снижение вязкости разрушения при динамическом нагружении (кривая 3) оценивалось по зависимости (Иванова B.C., Шанявский A.A.) в виде: К1л = (0,11 f К!С, где величина ß для сталей рассматриваемого класса равна 0,25.

Расчет коэффициентов интенсивности напряжений выполнялся по зависимости К, = Уа 47,' где Y- функция, зависящая от размеров и формы трещины, сг1Ч/ - эквивалентные напряжения в сечении с трещиной, а - глубина трещины.

С учетом данных испытаний металла шва (рисунок 13), значение критического коэффициента интенсивности напряжений К|Д при Т = -30°С составляет 40 МПа-м°\ Так как для расчетной трещины 0,25-5 = 5 мм получено К|= 27,3 МПа-м05, то хрупкая

прочность камеры при заданных параметрах максимального заряда (20 кг) обеспечивается: К,< К,д.

К|(Юс), К/д, мги >Л

Рисунок 13 - Зависимости вязкости разрушения от температуры: 1 - сталь 09Г2С, 2 - металла сварного шва, 3 - металла сварного шва при динамическом нагружении.

Точки - экспериментальные данные:

1 - сталь 09Г2С; 2 - металл сварного шва.

Для оценки скорости подрастания дефектов во взрывных камерах при многократных подрывах был выполнен расчет с использованием уравнения Пэриса:

(7)

где: С0, п - характеристики материала. В приведенной зависимости с!а/с!Ы изменение размера дефекта за один цикл нагружения, м/цикл; ДК - размах коэффициента интенсивности напряжений в цикле, определяемый с учетом нерегулярности нагружения. Для стали 09Г2С принято: С0= 1,5-10", п = 3,1. Интегрирование уравнение Пэриса по числу циклов позволяет оценить увеличение размеров трещины при многократных подрывах, а также допускаемое число подрывов при заданной величине заряда, не вызывающее подрастание дефектов до критических размеров. В качестве критических размеров трещины приняты значения, полученные для подрывов с перегрузками (таблица 4) с запасом по глубине трещины пс =2.

Результаты расчета допускаемого числа подрывов [Л*] приведены в таблице 5 для некоторых значений массы заряда. С учетом возможностей ультразвукового контроля глубина начального дефекта принята на уровне 5% от толщины стенки оболочки. В этой же таблице для сравнения приведены данные по числу подрывов при отсутствии дефектов (по моменту зарождения трещины), полученные на основе расчета на усталость (рисунок 12)

Тип камеры ВК-2 ВК-3 ВК-10

Масса заряда 1 2 2,5 5 8 20

Допускаемое число подрывов при глубине исходного дефекта а=0,05 & 4140 1420 3400 1400 32800 5300

Допускаемое число подрывов до момента образования трещины. 3000 300 2700 650 30000 2500

Полученные результаты показывают на необходимость периодического УЗК и определения реальных размеров дефектов в оболочках камер в процессе эксплуатации для обоснования их фактического ресурса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

, 1. С использованием метода конечных элементов выполнено исследование НДС ВК различных типоразмеров - цилиндрических вертикального исполнения с эллиптическими днищами диаметром 2 и 3 м и сферической диаметром 10,5 м при взрывном нагружении. По данным расчета установлен характер изменения напряжений и деформаций во времени, определены наиболее напряженные зоны: для цилиндрических камер - верхнее днище, зоны у люка и патрубков, для сферической - зона над люком. Определена величина максимальных амплитуд напряжений для различных значений массы подрываемого заряда.

2. Установлено, что после воздействия импульса взрывного давления сначала происходит раскачка оболочки, затем колебания затухают. Максимальные скорости деформаций не превышают 6 1/сек.

3. Установлено, что в максимально нагруженных зонах имеет место двухосное напряженное состояние с растягивающими главными напряжениями, изменяющимися по циклу близкому к симметричному и в одной фазе.

4. Данные динамических тензоизмерений, выполненных на натурном макете взрывной камеры диаметром 2 м показали соответствие экспериментальных и рассчитанных с использованием МКЭ значений напряжений. В наиболее нагруженной зоне (верхнее днище) отличие составляло 15+20 %.

5. На основе расчетов методом конечных элементов показано, что установка защитных экранов по периметру цилиндрической обечайки и у днищ позволяет снизить величину максимальных напряжений до 1,5 раз и исключает прямое воздействие ударной волны на внутреннюю поверхность камеры. Эффект снижения нагруженно-сти защитными экранами подтвержден экспериментально

6. Определены характеристики механических свойств при растяжении (в диапазоне температур от -40 до + 20°С), ударной вязкости конструкционного материала взрывных камер - стали 09Г2С и металла шва. Получены температурные зависимости вязкости разрушения в виде мастер-кривой для различных вероятностей разрушения. Исследовано изменение предельной пластичности стали 09Г2С от скорости нагруже-ния и объемности напряженного состояния.

7. Выполнен анализ циклической долговечности (по моменту образования трещины) взрывных камер при многократных подрывах. Рассчитаны поля усталостных повреждений в оболочках камер. Показано, что для взрывных камер диаметром 2; 3 и 10.5 м допускаемое число подрывов зарядов массой соответственно 2; 5 и 20 к г ТНТ составляет соответственно не менее 300; 650 и 2500.

8. Выполнена оценка прочности корпусов взрывных камер с учетом трещино-подобных дефектов в сварных швах. Обоснована возможность эксплуатации взрывной камеры диаметром 10,5 м на открытой площадке в диапазоне температур минус 30 + +50 "С при заданных значениях массы заряда. Определено число подрывов и масса заряда, не переводящие расчетные дефекты в разряд критических.

9. На основании проведенных теоретико-экспериментальных исследований и результатов оценки долговечности разработаны и изготовлены полуавтоматические взрывные камеры на заряды 2; 5 и 20 кг ТНТ с внутренними защитными экранами, которые смонтированы и введены в эксплуатацию. Сдаточные испытания, показали, что напряжения в корпусах камер соответствуют расчетным, отсутствует запреград-ное бризантное, фугасное и осколочное действие.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. А.Г. Казанцев, А.Д. Чудиовский, Л.Б. Первухин, ПА. Николаенко. Анализ напряженного состояния и долговечности оболочки технологической камеры, нагружаемой импульсным внутренним давлением // «Вопросы атомной науки и техники» 2008. - №23 - С. 70-75.

2. А.Г. Казанцев, А.Д. Чудновский, A.A. Силаев., Л.Б. Первухин, П.А. Николаенко. Напряженное состояние и прочность сварных взрывных камер // Тяжелое машиностроение 2010. - №11.

3. А.Г. Казанцев, А.Д. Чудновский, Смольянин С.С., Л.Б. Первухин, П.А. Николаенко Анализ напряженного состояния и долговечности металлических оболочек взрывных камер // Заводская лаборатория 2010. - № 12 (в печати).

4. П.А.Николаенко, Л.Б.Первухин. Расчёт напряженно-деформированного состояния металлцческой взрывной камеры // Тезисы докладов третьей всероссийской школы-семинара по структурной макрокинетике для молодых ученых / г.Черноголовка ИСМАН 23-25 ноября 2005,- С. 11-14.

5. П.А.Николаенко, Л.Б.Первухин. Разработка и опытно-промышленное освоение взрывных камер для малых зарядов с исследованием их напряженно-деформированного состояния // Тезисы докладов молодежной международной школы-конференции по инновационному развитию науки и техники / г.Черноголовка, ИСМАН 13-14 декабря 2005.-С. 19-20.

6. Николаенко, П.А. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки при взрывном нагружении [текст] / П.А. Николаенко, Л.Б. Первухин, А.Д. Чудновский // Тезисы докладов четвёртой всероссийской школы-семинара по структурной макрокинетике для молодых ученых, / г. Черноголовка, ИСМАН 22-25 ноября 2006. - С. 76-77.

7. П.А. Николаенко, Л.Б. Первухин, А.Д. Чудновский.Тензометрирование в материаловедении на примере испытаний цилиндрической оболочки // Материалы Международной научной школы-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» Ползуновский альманах № 1-2 2007.- С.124.

8. П.А. Николаенко Напряженно-деформированное состояние корпуса взрывной камеры // Сборник материалов IX Международной конференции «Забабахинские научные чтения (ЗНЧ-2007)» / г. Снежинск 10-14 сентября 2007. - С.98.

9. L. В. Pervukhin, P. A. Nikolaenko, A.G. Kazantsev, A.D. Chudnovskii, N.G. Meri-nov. Internal explosive loading of closed vessels // The abstracts book of IX International Symposium on Explosive Production of New Materials: Sciense, Technology, Business and Innovations (EPNM - 2008) / Lisse, the Netherlands, May 6-9, 2008. - P.54.

10. L. B. Pervukhin, P.A. Nikolaenko , A.V. Poletaev, A.G. Kazantsev, A.D. Chudnovskii. Instrumentation for strain measurements in explosion-loaded closed vessels // The abstracts book of IX International Symposium on Explosive Production of New Materials: Sciense, Technology, Business and Innovations (EPNM - 2008) / Lisse, the Netherlands, May 6-9,2008. - P.99.

11. Л.Б. Первухин, П.А. Николаенко, А.Д. Чудновский, А.Г Казанцев, Г.Н. Меринов. Прочность и долговечность металлического сосуда при его взрывном нагружении // Материалы XLVII международной конференции «Актуальные проблемы прочности» / г. Нижний Новгород, 1-5 июля 2008.- Часть 2,- С. 172-173.

12. Л.Б. Первухин, П.А. Николаенко, А.Д. Чудновский, А.Г Казанцев. Методика расчета взрывной камеры для локализации поражающих факторов II Тезисы докладов XTV симпозиума по горению и взрыву / г.Черноголовка, 13-17 октября 2008. - С. 285.

13. Л.Б. Первухин, П.А. Николаенко, А.Д. Чудновский, А.Г Казанцев. Влияние сплошных экранов на напряженное состояние оболочки, нагруженной изнутри подрывом заряда // Сборник тезисов докладов международной конференции «XI. Хари-тоновские чтения, Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» / г.Саров, 16-20 марта 2009. - С. 223-226.

14. Л.Б. Первухин, П.А. Николаенко, А.Д. Чудновский, А.Г Казанцев Оценка долговечности корпуса взрывной камеры из углеродистой стали при импульсном нагружении // Сборник тезисов ХУЛ Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» / г.Самара, 23-25 июня 2009. - С. 137.

15. П.А. Николаенко, Л.Б. Первухин, А.Г Казанцев, А.Д. Чудновский. Моделирование напряженно-деформированного состояния и прочности корпусов взрывных камер // Тезисы докладов седьмой всероссийской школы-семинара по структурной макрокинетике для молодых ученых / г.Черноголовка, ИСМАН, 25-27 ноября 2009. - С. 102-104.

16. A.G. Kazantsev, A.D. Chudnovskii, L.B. Pervukhin, P.A. Nikolaenko. Deformation modes in explosion cameras: computer modeling and experiment II The abstracts book of X International Symposium on Explosive Production of New Materials: Sciense, Technology, Business and Innovations (EPNM - 2010) / Bechichi, the Montenegro, June 7-11,2010. - P. 33.

17. A. G. Kazantsev, A. D. Chudnovskii, L. B. Pervukhin, P. A. Nikolaenko. Effect of protective plates on deformation mode of explosion chamber // The abstracts book of X International Symposium on Explosive Production of New Materials: Sciense, Technology, Business and Innovations (EPNM - 2010) / Bechichi, the Montenegro, June 7-11,2010. - P.34.

Сдановпечать 10.11.10. Подписано в печать 10.11.10. Формат 60x90 1/16 Объем 1 п.л. Заказ 316. Тираж 100

Отпечатано в типографии ИПХФ РАН 142432, Московская обл., г. Черноголовка, пр-т ак. Семенова, 5 Тел.: 8(49652)2-19-38

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Николаенко, Павел Анатольевич

1.1 Поражающие факторы взрыва и способы их локализации

1.2 Взрывные камеры и материалы для их изготовления

1.3 Расчет напряженно-деформированного состояния взрывных камер

1.4 Компьютерное моделирование

1.5 Методы экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния взрывных камер

1.6 Выводы по главе

1.7 Цель и задачи исследования

Глава 2 Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния и прочности камер при взрыве

2.1 Проектный расчет оболочек взрывных камер и разработка макета

ВК для исследования напряженно-деформированного состояния

2.2 Методика расчета напряженно-деформированного состояния корпуса взрывной камеры, при взрыве, на основе метода конечных элементов

2.3 Результаты расчета напряженно-деформированного состояния корпуса взрывной камеры, при взрыве, на основе метода конечных элементов

2.4 Выводы по главе

Глава 3 Экспериментальное исследование напряженно-деформированного^ состояния корпуса взрывной камеры

3.1 Материалы и оборудование для проведения экспериментов

3.2 Методика проведения экспериментов

3.3 Результаты тензометрирования макета взрывной камеры

3.4 Особенности напряженно-деформированного состояния корпуса взрывной камеры с защитными экранами

3.5 Статистическая обработка полученных экспериментальных данных

3.6 Выводы по главе

Глава 4 Определение долговечности взрывных камер

4.1 Особенности конструкции разработанных взрывных камер, их изготовление и испытания

4.1.1 Взрывные камеры на заряд до 5 кг ТНТ

4.1.2 Взрывная на заряд до 20 кг ТНТ

4.2 Определение характеристик механических свойств материала корпусов ВК

4.2.1 Испытания на растяжение

4.2.2 Исследование зависимости предельной пластичности от объемности напряженного состояния

4.2.3 Оценка влияния скорости деформирования на предельную пластичность Ю

4.2.4 Определение критической температуры хрупкости Ю

4.2.5 Определение статической вязкости разрушения Ю

4.3 Анализ прочности взрывных камер при многократных подрывах зарядов ВВ

4.3.1 Исследование усталостной прочности

4.3.2 Оценка прочности корпусов взрывных камер с учетом наличия трещиноподобных дефектов в сварных швах

4.4 Выводы по главе 4 126 Общие выводы 127 Список использованной литературы 129 Приложение А

Введение диссертация по механике, на тему "Напряженно-деформированное состояние и прочность металлических взрывных камер"

Актуальность темы. 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, отмеченным, совершенствование методов расчета напряженного состояния, прочности и долговечности взрывных камер, является актуальной задачей.

На основании критического анализа современного состояния работ по созданию конструкций и методов исследования камер для локализации поражающих факторов взрыва сформулирована цель работы и определены задачи, которые необходимо решить для ее достижения.

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:

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

По специальности 01.04.17:

Научная новизна работы.

По специальности 01.02.06:

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

4. Компьютерным моделированием и экспериментально методом тензо-метрирования 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:

Основные положения, выносимые на защиту:

2. Данные экспериментального исследования методом тензометрирова-ния НДС макетов корпусов ВК.

Практическая ценность выполненной работы заключается в разработке научно-обоснованных рекомендаций по созданию ВК, включающих 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.

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» (Оаров, 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).

Автор выражает благодарность за помощь в проведении исследований, анализе и обсуждении результатов исследований сотрудникам отдела прочности ОАО НПО ЦНИИТМАШ к.т.н. Чудновскому А.Д., к.т.н. Кахадзе М.Ж., к.т.н. Меринову Г.Н.; лаборатории ударно-волновых процессов ИСМАН д.ф-м,н. проф. Гордополову Ю.А., д.ф-м.н. Буравовой С.Н., к.т.н. Первухиной О.Л., к.т.н. Капустину Р.Д. За помощь и участие в проведении экспериментальных исследований работникам ФКП НИИ «Геодезия» к.т.н. Сидорову М.И., Кать-кину Ю.Ф. и Шпигареву Ю.П.

Заключение диссертации по теме "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

Общие выводы

1. С использованием метода конечных элементов выполнено исследование НДС ВК различных типоразмеров - цилиндрических вертикального исполнения с эллиптическими днищами-диаметром 2 и З м и сферической-диаметром 10,5 м при взрывном нагружении. По данным расчета установлен характер изменения напряжений и деформаций во времени, определены наиболее напряженные зоны: для цилиндрических камер - верхнее днище, зоны у люка и патрубков, для сферической — зона над люком. Определена величина максимальных амплитуд напряжений для различных значений массы подрываемого заряда.

2. Установлено, что после воздействия* импульса взрывного давления сначала происходит раскачка оболочки, затем колебания затухают. Максимальные скорости деформаций не превышают 6 1/сек.

5. На основе расчетов методом конечных элементов показано, что установка защитных экранов по периметру цилиндрической обечайки и у днищ позволяет снизить величину максимальных напряжений до 1,5 раз и исключает прямое воздействие ударной волны на внутреннюю поверхность камеры. Эффект снижения нагруженности защитными экранами подтвержден экспериментально.

6. Определены характеристики механических свойств при растяжении (в диапазоне температур от -40°С до + 20°С), ударной вязкости конструкционного материала взрывных камер — стали 09Г2С и металла шва. Получены температурные зависимости вязкости разрушения в виде мастер-кривой для различных вероятностей разрушения. Исследовано изменение предельной пластичности стали 09Г2С от скорости нагружения и объемности напряженного состояния.

7. Выполнен анализ циклической долговечности (по моменту образования трещины) взрывных камер при многократных подрывах. Рассчитаны поля усталостных повреждений в оболочках камер. Показано, что для взрывных камер диаметром 2; 3 и 10.5 м допускаемое число подрывов зарядов массой соответственно 2; 5 и 20 кг ТНТ составляет соответственно не менее 300; 650 и 2500.

8. Выполнена оценка прочности корпусов взрывных камер с учетом тре-щиноподобных дефектов в сварных швах. Обоснована возможность эксплуатации взрывной камеры диаметром 10,5 м на открытой площадке в диапазоне температур минус 30 -т- +50 °С при заданных значениях массы заряда. Определено число подрывов и масса заряда, не переводящие расчетные дефекты в разряд критических.

9. На основании проведенных теоретико-экспериментальных исследований и результатов оценки долговечности разработаны и изготовлены полуавтоматические взрывные камеры на заряды 2; 5 и 20 кг ТНТ с внутренними защитными экранами, которые смонтированы и введены в эксплуатацию. Сдаточные испытания показали, что напряжения в корпусах камер соответствуют расчетным, отсутствует запреградное бризантное, фугасное и осколочное действие.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Николаенко, Павел Анатольевич, Москва

1. В.Е. Gelfand, M.Y. Silnikov and M.V. Chernyshov. Modification of air, blast loading transmission by foams and high density materials // Shock Waves. 2009, Part II, p. 103-108

2. Металлические взрывные камеры: Монография / А.Ф.Демчук, В.П. Исаков — Краснояр. гос.ун-т. — Красноярск. 2006. — 300 с.

3. Единые правила безопасности при взрывных работах. — М.: Недра, 2002. -280 с.

4. Бузуков A.A. Снижение параметров ударной волны с помощью воздушно-водяной завесы // Физика горения и взрыва. 2000, Т.36. №3. С. 120-130.

5. Даниленко В.В. Синтез и спекание алмаза взрывом. М.: Энергоатомиз-дат, 2003.-272 е.; ил.

6. United States Patent US 4889258 Dec. 26.1989

7. Patent GB Inst Cl F42D 5/045 2006/11.. Grigor'ev G. S. and Klapovskii V. E. Chamber for impulsive materials processing // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 1997. Vol. 23, №1, -P.96-98

8. Патент 1143879; Великобритания

9. Fugen und Formen durch Sprengen Luft H //VDI. Nachrichten, 1983. N 41.-P.58.

10. Взрывная камера: пат 3848794, США, МКИЗ В23К 21/100

11. Производство слоистых композиционных материалов. / А.Г. Кобелев и др. -М.: Интермет Инжиниринг, 2002. 496 е.: ил.

12. Лысак В.И., Кузьмин С.В. Сварка взрывом. М.: Машиностроение - 1, 2005. - 544 е., ил.

13. Сварка взрывом / Ю.А. Конон, Л.Б. Первухин, А.Д. Чудновский; Под. ред. В.М. Кудинова. М.: Машиностроение, 1987. - 216 е.: ил.

14. Даниленко В.В. Взрыв: физика, техника, технология. — М.: Энергоатом-издат, 2010. 784 е.: ил.

15. Реакция на нагруженность и прочность стеклопластикового контейнера при внутреннем взрывном нагружении / Сырунин М.А. и др. Саров: Труды. РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2004. №4

16. Федоренко А.Г., Сырунин М.А., Иванов А.Г. Критерий выбора композитных материалов для оболочечных конструкций, локализующих взрыв // Физика горения и взрыва. 2005. Т41 №5, С.3-13

17. Ryzhanskii V. A., Rusak V. N., Ivanov A. G. Estimating the Explosion Resistance of Cylindrical Composite Shell // Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1999. Vol. 35, No.l, pp 103-108

18. Zheng J. Y., Deng G. D.,1 Chen Y. J.,1 Sun G. Y., Hu Y.L., Zhao L. M., Li Q. M. Experimental Investigation of Discrete Multilayered Vessels under Internal Explosion Combustion, Explosion, and Shock Waves, 2006, Vol'. 42, No. 5, pp. 617— 622.

19. Иванов^ A.F., Новиков О.А., Синицын В.А. Масштабный эффект при> взрывном разрушению замкнутых стальных сосудов // Физика горения, и взрыва: 1972. Т. 8, №1-С. 124-129

20. Разрушение, разномасштабных объектов при взрыве. Монография./ Иод общей, редакцией А.Г. Иванова РФЯЦтВНИИЭФ, г. Саров, 2001 - 482 е.: ил.

21. Иванов A.F., Цыпкин В .И. Деформация и разрушение геометрически подобных стеклопластиковых оболочек при: экстремальных импульсных нагрузках // Механика композитных материалов. 1987, № 3; С. 472-480.

22. В:Г. Петушков Применение взрыва:в сварочной технике:/ Под редакцией Б.Е.Патона. — Киев:: Наукова думка, 2005 г.—756 с.

23. Belov A.I., Klapovskii V.E., Mineev V.N., Nazarov А.Г., Nelin V. It, Nikloriskii M.N;. Behavior, of shells of various, types in internal explosive loading // Strength of Materials, 1982, Vol. 14, № 10, P. 1417-1419

24. Кудинов B:M., Коротеев А.Я., Сварка взрывом в металлургии. М.: Металлургия, 1978 - 168 с.

25. Benham R:A., Duffey T.A. Experimental-theoretical correlation on the containment of explosions in closed cylindrical vessels // Intern. Jour, of Mech. Sciences. 1974, Vol. 16, № 8, P. 549-558.

26. Одинцов B.A., Селиванов В.В., Чудов Л.А. Расширение: толстостенной; цилиндрической оболочки под действием взрывной нагрузки // Механикам твердого тела. 1975, №5, С. 161-168 .

27. Луговой П.З. Динамика оболочечных конструкций при импульсных нагрузках (обзор) // Прикладная механика. 1990, Т. 26, №8. — С. 3-20

28. Бейкер BE., Джексон В., Xy.T. Упругая реакция тонких сферических оболочек на действие осесимметричной взрывной нагрузки // Тр. Амер. Об-ва инж-мех. Сер. Е. Прикладная механика. 1966, Т. 33, № 4. С. 91-105.

29. Мальцев B.A., Конон Ю.А., Адищев В.В., Корнев В.М. Экспериментальное исследование и; анализ колебаний^ тонкостенной сферической оболочки при импульсном нагружении// Физика горения и взрыва 1984, №2.

30. Мальцев В.А., Степанов Г.В., Конон Ю.А., Гурков В:В. Экспериментальное изучение нагружения! сферической:обечайки при подрыве вшей сосредоточенного заряда ВВ;//Физика горения и-взрыва, 1985 №4.

31. А.Ф. Демчук Один метод расчета взрывных камер // Прикладная математика и техническая физика, 1968,№5

32. А.А Набок, В.Ф Хазов Действие взрыва*внутри-замкнутых конструкций // Физико-химические и взрывные процессы в машиностроении: Труды/МГТУ им. Н.Э Баумана М., 1973

33. Адищев В.В., Корнев В.М. К расчету оболочек взрывных камер // Физика горения-и взрыва, 1979, № 6, С. 108-114.

34. Николаенко, П.А. Расчёт напряженно-деформированного состояния металлической взрывной камеры // Тезисы докладов третьей всероссийской школы-семинара по структурной макрокинетике для молодых ученых, г.Черноголовка ИСМАН 23-25 ноября 2005.- С. 11-14.

35. Мальцев В.А. Динамика напряжённо-деформированного состояния сферических камер для технологических процессов металлообработки взрывом. Диссертация на- соискание учёной степени кандидат технических наук. Барнаул, 1983,156 с.

36. Демчк А.Ф. Принципы определения прочностных характеристик взрывных камер // Обработка металлов взрывом: Материалы 2-го международного симпозиума, Прага. 1974, Т. 2, С. 403-411.

37. Кобылкин И.Ф., Селиванов В.В., Соловьев B.C., Сысоев H.H. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. -376 с.

38. Гулд X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике: В 2-х частях. Часть первая-М.: Мир, 1990.-400 с.

39. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс СПб.: Питер, 2000. - 432 с.

40. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. — М.: Мир, 1986

41. Могилев A.B., Пак Н.И., Хеннер Е.К. Информатика: Учеб. пособие для студ. пед. вузов / Под ред. Е.К.Хеннер М.: Изд.центр "Академия", 2001. - 816 с.

42. Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках: Монография / Под'общ. ред. Д-ра физ.-мат. наук М.В. Жернокле-това. 2-е изд., доп. и испр. - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2005. - 428 с. -ил.

43. Бузуков A.A. Особенности поведения стенок взрывных камер под воздействием импульсной нагрузки // Физика горения и взрыва. 1976. № 4. С. 605-610.

44. Корнев В.М., Ермоленко В.М.", Адищев В.В. Оценка несущей способности цилиндрических взрывных камер при осесимметричном нагружениию // Труды II совещания по обработке материалов взрывом. Новосибирск, 1982.

45. Сильвестров В.В., Пластинин A.B., Горшков H.H. Влияние окружающей заряд ВВ среды на реакцию оболочки взрывной камеры // ФГВ. 1994, № 5, С. 89

46. Реакция оболочки реальной взрывной камеры на внутреннее импульсное нагружение / Сильвестров В.В., Пластинин A.B., Горшков H.H. и др // ФГВ. -1994, №2, С. 30.

47. Динамика сферической оболочки при несимметричном внутреннем импульсном нагружении /А. И. Белов, В. Е. Клаповский и др // Физика горения и взрыва. 1984, № 3, С. 71 - 74.

48. Тензометрия в машиностроении. Справочное пособие. Под. ред. канд. техн. наук P.A. Макарова. М., «Машиностроение», 1975, 288 с.

49. Первухин Л.Б., Николаенко П.А., Чудновский А.Д., Казанцев А.Г. Методика расчета взрывной камеры для локализации поражающих факторов // Тезисы докладов XIV симпозиума по горению и взрыву, г.Черноголовка, 13-17 октября 2008. С. 285.

50. Стали и сплавы. Марочник: Справ, изд. / В.Г. Сорокина др.; Науч. ред. В.Г. Сорокина, М.А. Гервасьева —М.: Интермет Инжиниринг, 2003. — 608 е.: ил.

51. Физика взрыва / Под. ред. Л.П. Орленко. Изд. 3-е, испр. - В 2 т. Т. 2. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004, - 656 с.

52. Галлагер P. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. — М.: Мир, 1984, 428 с.

53. Доронин С.В., Лепихин A.M., Москвичев В.В., Шокин Ю.И. Моделирование и разрушение несущих конструкций технических систем. Новосибирск, Наука, 2002, 250 с.

54. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975, 542 с.

55. Numerical investigation of 3-D constraint effects on brittle fracture in SE(B) and C(T) specimens. Nureg/CR- 6317 UILU-ENG-95-2001, pp.44.

56. Strain Rate and Inertial Effects on Impact Loaded Single-Edge Notch Bend Specimens. US Nuclear Regulatory Comission, NUREG/UILU-ENG-94-2018, 1996, 16 p.

57. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. Пер с англ. М.: Либроком, 2009. 640 с.

58. LS-DYNA User"S Manual. Nonlinear Dynamic Analysis of Structures in Three Dimensions. 1997, Version 940. 652 p.

59. Казанцев А.Г., Чудновский А.Д., Первухин Л.Б., Николаенко П.А. Анализ напряженного состояния и долговечности оболочки технологической камеры, нагружаемой импульсным внутренним давлением // «Вопросы атомной науки и техники» 2008, №23, €. 70-75.

60. Пакет обработки сигналов. Руководство пользователя. Научно-производственное предприятие Мера. Королев.: НПП "Мера", 2006, - 158 с.

61. Gerasimov A.V. Protection of an explosion chamber against fracture by a detonation. // Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1997, Vol. 33, No.l, P. 111116.

62. Агамиров Л.В. Методы статистического анализа>механических испытаний : Спр. изд. — М.: Интермет Инжиниринг, 2004. — 128 с.: ил.

63. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний. М.: Машиностроение, 1985. - 232 е., ил.

64. ПНАЭ Г-7-002-86 Нормы расчета на прочность оборудованиями трубопроводов атомных энергетических установок, М.: Энергоатомиздат, 1989'г., 528 с.

65. ГОСТ 25.506-85. Методы механических испытаний материалов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. Госатомнадзор СССР; Москва, 61с.

66. ASTM Е 399-90 «Standard test method for plane-strain fracture toughness of metallic materials», in: Annual Book of ASTM Standards, v.03.01, pp. 413-443.

67. ASTM E 1921-05. «Standard Test Method for Determination of Reference Temperature, T0, for Ferritic Steels in the Transition Range», in: Annual Book of ASTM Standards, vol.03.01, pp. 1068-1084.

68. ASTM E 24.208-84a. " Standart Method of Test for Instrumented Impact Testing of Precraced Charpy Specimens of Metallic Materials", Draft 2a.

69. РД 50—344—82. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) при динамическом нагружении.— М.: Изд-во стандартов, 1982.— 51 с.

70. Методика испытания динамической вязкости разрушения. И.Ман, М. Гольцман. ИФМ ЧСАН, Брно,1979, 36 с.

71. International standart ISO/ТС 164/SC 4/N 191 ISO/CD 14556 (N 191). Steel Charpy V Pendulum impact test - Instrumented test method.

72. SEP 1315 German Steel & Iron Testing Standard Stahl-Eisen-Prufblatt. 1315 "Notch- Bend Impact Test Determination of Force and Displacement; Recommendations for Test Method and Evaluation".

73. ASTM E 2403-03. Proposed standard method of test for instrumented impact testing of precracked Charpy specimens of metallic materials. Philadelphia, 1981.

74. ASTM. Standard« Method for, Conducting drop-weight: test to; determine niK ductility transition' temperature of steels. American Standard Institute, E 208-81

75. ASTM; El221-88 Standard test method for, determining plane-strain* crack arrest fracture toughness Kia offerritic steel. Annual Book of ASTM Standards. 1988.

76. ИвановаВ.С.,ШанявскийА.А. Количественная, фрактография, уста-r лостное разрушение, Челябинск.::Металлургия, 1988, 399 с:

77. Механика катастроф: Определение характеристик трещиностойкости конструкционных материалов. Методические рекомендации. Mi: ИД ГНТП " Безопасность", 1995, т.2, С. 360.

78. Москвичев В .В. Основы конструкционной прочности технических систем и инженерных сооружений; Новосибирск: Наука, 2002, -106 с.

79. Когаев В.П., Махутов П.А., 1 усенков А.П. Расчеты деталей машин? и конструкций на прочность долговечность. М.: Машиностроение, 1985,-224 с.

80. Махутов Н;А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М:: Машиностроение, 1981, -272 с.

81. Москвичев В.В., Махутов Н.А., Черняев А.П. и др. Трещиностойкость и механические свойства конструкционных материалов технических систем; Новосибирск: Наука, 2002,-234^ с.

82. ГОСТ 25.101 -83V Расчеты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов, Из-во стандартов, Москва, 1983.

83. РДЭО 0330-01. Руководство по расчету на прочность оборудования и трубопроводов реакторных установок;РБМК, ВВЭР и ЭГП на стадии эксплуатации. Москва, Концерн "РОСЭНЕРГОАТОМ", 2004 г.

84. Методические рекомендации МР 125-02-95. Правила составления расчетных схем и определение параметров нагруженности элементов конструкций с выявленными дефектами. М.: ЦНИИТМАШ, 1995, 52 с.

85. РД ЭО 0185-00 «Методика оценки технического состояния и остаточного ресурса трубопроводов энергоблоков АЭС». Москва. Концерн "РОСЭНЕРГОАТОМ", 2000 г.

86. МР 108.7-86. Оборудование энергетическое. Расчеты и испытания на прочность. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений. М., НПО ЦНИИТМАШ, 1986, 29 с.

87. МР 125-01-90. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений и коэффициентов ослабления сечений для дефектов в сварных соединениях. М., НПО ЦНИИТМАШ, НИКИЭТ, 1991, 58 с.

88. Гетман А.Ф., Козин Ю.Н. Неразрушающий контроль и безопасность эксплуатации сосудов и трубопроводов давления. М.: Энергоатомиздат, 1997,287 с.

89. Казанцев А.Г., Чудновский А.Д.,. Силаев A.A., Первухин Л.Б., Никола-енко П.А. Напряженное состояние и прочность сварных взрывных камер // Тяжелое машиностроение 2010. №11.

90. Рекомендации по оценке прочности крупногабаритных конструкций с применением характеристик механики разрушения. М.: ЦНИИТМАШ-ИМАШ, 1977,-116с.

91. Открытое акционерное общество

92. Научно-нроизводсгвснное объединение

93. Центральный научно-исследовательский институт технологии маши построен ни» (ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»)1. УТВЕРЖДАЮ1. АКТ

94. Внедрения результатов диссертации Николаенко П.А. "Напряженно-деформированное состояние н прочность металлическихвзрывных камер"

95. Разработка взрывных камер и обоснование их ресурса в зависимости от подрываемого заряда выполнены на основе результатов исследований, полученных в диссертационной работе Николаенко П.А.

96. Зам. Генерального директора ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»-ал о веден и я В.Н.Скоробогатых20101