CC BY
48
УДК 539.422.22, 62-756.62
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-757-759
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО КОНТЕЙНЕРА С ЗАЩИТОЙ ИЗ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА
ПРИ ВЗРЫВНОМ НАГРУЖЕНИИ
© Р.Д. Капустин, П.А. Николаенко
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, e-mail: [email protected], [email protected]
Расчетными методами и экспериментально проведен анализ напряженно-деформированного состояния металлической тонкостенной оболочки при взрыве изнутри зарядов ВВ (тротил) различной массы, в т. ч. с нанесенным на ее внутреннюю поверхность защитным слоем из твердого ячеистого материала. Энергопоглощающая способность пористого материала определялась по напряжениям и деформациям в оболочке. Ключевые слова: взрыв; твердый ячеистый материал; энергопоглощение.
Настоящая работа посвящена изучению поглощения материалами энергии, выделяемой при детонации зарядов ВВ, в процессе разрушения исследуемых материала.
Из литературных источников известно, что наиболее эффективно применять для гашения ударной волны газожидкостные пены, однако они имеют существенный недостаток, а именно, ограниченное время стойкости при эксплуатации [1 ].
В представленной работе исследовалась эффективность гашения энергии взрыва твердыми негорючими ячеистыми материалами, помещенными в тонкостенную металлическую оболочку с целью обеспечения энергопоглощения в результате разрушения всех ячеек (пор) при подрыве заряда ВВ.
Рис. 1. Схема эксперимента: 1 - ячеистый материал ВБФ-650; 2 - тензодатчики; 3 - заряд ВВ (тротил); 4 - электродетонатор; 5 - камера для электродетонатора и отверстие для вывода проводов или вывода детонационного шнура; 6 - металлическая оболочка образца
Цель работы - по результатам расчетов и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния металлической оболочки определить эффективность гашения энергии взрыва твердыми ячеистыми материалами (твердыми пенами).
Исследования проводились на образцах, представляющих собой тонкостенные металлические оболочки с энергопоглощающим слоем из твердого негорючего ячеистого материала ВБФ-650, производства ЗАО НПКФ «МаВР» (плотность 650-700 кг/м3, пористость до 70 %, прочность на сжатие до 4 МПа).
Размеры оболочки схематично представлены на рис. 1. Металлическая оболочка по форме была приближена к сфере и представляла собой цилиндр с эллиптическими днищами. Высота оболочки 0,8 м, диаметр - 0,53 м, толщина стенки - 8 мм, материал оболочки - сталь марки 09Г2С.
На первом этапе исследований был произведен по методике В.А. Мальцева [2] и методом компьютерного моделирования [3] расчет напряженно-деформированного состояния металлической оболочки, при подрыве зарядов ВВ (ТНТ) различной массы: от 200 до 1100 г ТНТ.
где ан - напряжения, обусловленные воздействием на оболочку воздушной ударной волны; Коб - радиус оболочки; 5 - толщина оболочки; г0 - радиус активной части заряда; а = 10 - коэффициент, учитывающий предельное расширение продуктов детонации; Q -удельное энергосодержание используемого ВВ; Е -модуль упругости материала оболочки; р0 - плотность ВВ; рв - плотность воздуха; ^ - коэффициент Пуассона материала оболочки.
Результаты расчетов показали, что металл оболочки с данными массово-габаритными характеристиками
о.. =
ISSN 1810-0198. Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки
О 200 400 600 800 1000 1200
масса ВВ. гр
Рис. 2. Зависимость напряжений в металлической оболочке экспериментальных образцов от массы заряда ВВ
должен подвергаться пластической деформации (а > 300 МПа) при подрыве заряда ВВ массой более 300 г, а при подрыве заряда тротила массой более 400 г превышается предел прочности металла оболочки, и она должна разрушиться.
Методика экспериментальных исследований предусматривала исследование напряженно-деформированного состояния металлических оболочек экспериментальных образцов методом тензометрирования в процессе подрыва внутри оболочки зарядов ВВ (тротил) различной массы.
Исследовались экспериментальные образцы двух видов: с защитным слоем из твердого ячеистого материала ВБФ-650 и «пустотелые». В первом случае энер-гопоглощающий материал располагался на внутренней поверхности металлической оболочки слоем толщиной 125 мм.
Измерительные узлы, состоящие из двух взаимно-перпендикулярных тензодатчиков, располагались в верхней и боковой части образца и были соединены с тензостанцией кабелями связи. В процессе испытаний были получены и обработаны осциллограммы нагру-жения оболочки образцов. Результаты испытаний представлены на рис. 2.
Установлено, что при подрыве заряда тротила массой 600 г в образце без энергопоглощающего материала, напряжения в оболочке практически соответствуют напряжениям, полученным при подрыве заряда тротила массой 900 г в образце с энергопоглощающим материалом. Напряжения в оболочке при подрыве 200 г и 400 г тротила в образце с энергопоглощающим материалом незначительны и практически идентичны, при этом после увеличения заряда ВВ до 600 г тротила они резко возрастают.
Максимум напряжений фиксируется при подрыве 900 г тротила, после чего происходит пластическая деформация металлической оболочки.
Таким образом, энергопоглощающий слой в экспериментальном образце, представляющий собой твердый ячеистый материал марки ВБФ-650 в случае схло-пывания всех пор (рис. 3), способен полностью поглощать энергию, которая выделяется при подрыве заряда тротила массой 300-350 г. т. е. порядка 1,3-1,5 МДж.
Известная величина объема ВБФ-650 в образце порядка 0,14 м3 позволила определить его удельное объемное энергопоглощение, равное 10 Дж/см3
Qv =
V
где - удельное объемное энергопоглощение материала ВБФ-650; QП - количество энергии, поглощаемое
Рис. 3. Фотографии образцов до и после взрыва
материалом ВБФ-650 при подрыве заряда ВВ в экспериментальных образцах; V - объем материала ВБФ-650 в экспериментальных образцах.
РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Разработана методика экспериментального определения энергопоглощающей способности твердых ячеистых материалов путем их помещения в замкнутую металлическую оболочку по изменению деформации этой оболочки.
2. Использованная методика расчета напряженно-деформированного состояния металлической оболочки позволяет адекватно описать воздействие на нее взрывной волны.
3. Экспериментально установлено, что удельное объемное энергопоглощение твердого ячеистого мате-
риала типа ВБФ-650 плотностью 650 кг/м3 составляет 10 Дж/см3, или 1 см3, и поглощает энергию, выделяемую при подрыве = 2,4 г тротила.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Паламарчук Б.И., Манченко А.Н., Черкашин А.В., Малахов А.Т., Кулешов В.А. Многофункциональные преобразователи энергии взрыва на основе газосодержащих гетерогенных сред // Геотехническая механика: Межведомственный сборник научных трудов. Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. Вип. 81. Бiблiогр.: 7 назв. рос.
2. Конон Ю.А., Первухин Л.Б., Чудновский А.Д. Сварка взрывом / под ред. В.М. Кудинова. М.: Машиностроение, 1987. 216 с.
3. Казанцев А.Г., Первухин Л.Б., Капустин Р.Д., Николаенко П.А., Смольянин С.С. Определение энергопоглощающей способности твердых огнеупорных ячеистых материалов (твердых пен) // Письма о материалах. 2014. Т. 4. № 1 (13). С. 28-32.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.422.22, 62-756.62
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-757-759
ANALYSIS OF STRESS-STRAIN STATE METAL CONTAINER WITH A PROTECTIVE LAYER OF A POROUS MATERIAL UNDER EXPLOSIVE LOADING
© R.D. Kapustin, P.A. Nikolaenko
Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chemogolovka, Russian Federation, e-mail: [email protected], [email protected]
Analysis of stress-strain state of thin-walled metal shell held by computational methods and experimental in the explosion inside the explosive charge (TNT) different masses, including coated on its inner surface with a protective layer of solid cellular material is made. Energy absorption capacity of the porous material was determined by the stresses and deformations in the shell. Key words: explosion; solid cellular material; energy absorption.
REFERENCES
1. Palamarchuk B.I., Manchenko A.N., Cherkashin A.V., Malakhov A.T., Kuleshov V.A. Mnogofunktsional'nye preobrazovateli energii vzryva na osnove gazosoderzhashchikh geterogennykh sred. Mezhvedomstvennyy sbornik nauchnykh trudov "Geotekhnicheskaya mek-hanika". Dnipropetrovsk, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics, NAS of Ukraine, 2009, no. 81. Bibliogr.: 7 nazv. ros.
2. Konon Yu.A., Pervukhin L.B., Chudnovskiy A.D. Svarka vzryvom. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987. 216 p.
3. Kazantsev A.G., Pervukhin L.B., Kapustin R.D., Nikolaenko P.A., Smol'yanin S.S. Opredelenie energopoglo-shchayushchey sposobnos-ti tverdykh ogneupornykh yacheistykh materialov (tverdykh pen). Pis'ma o materialakh - Letters on Materials, 2014, vol. 4, no. 1 (13), pp. 28-32.
Received 10 April 2016
Капустин Роман Дмитриевич, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Kapustin Roman Dmitrievich, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Technics, Senior Research Worker, e-mail: [email protected]
Николаенко Павел Анатольевич, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected] Nikolaenko Pavel Anatolevich, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Leading Research Worker, e-mail: [email protected]
