автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.04, диссертация на тему:Физико-химические основы каталитических синтезов с участием норборнадиена и аллильных производных

Виталий Рафаилович Флид

Физико-химические основы каталитических синтезов с участием норборнадиена и аллильных производных

автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

. Гл. редактор В.Д. Капкин Компьютерная верстка В.Р. Флид

ЛР№ 020816 от 20.09.93. Подписано в печать 18.04.2000 Формат 60*90/16 Бумага офсетная. Гарнитура Arial суг. Печать офсетная Уч.-изд. л. 3,3 Тираж 150 Заказ № <8?

Издательско-полиграфический центр МИТХТ 117571 Москва, пр. Вернадского, 86

Работа выполнена в Институте машиноведения им. А.А.Блаюиравов Российской а,.адемни наук

Научный консул та»: :

Академик РАН, доктор технических наук, профессор

К.В. Фролов

Официальные оппоненты:

Чп.-корр. РАН, доктор фит.-мат. наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор

Х.С. liai дасаров О Б. Балакшин О С. Нарайкнн

Ведущее предприятие:

Ракетно-космическая корнораш "Энергия" им. С.II Королева

Зашита диссертации состоится " " L'""i/) 2000 г. в / час

на заседании Диссертационного Совета Д-003.42.02 при Иксмп; машиноведения им. А.А.Блаюнравова t*AH в помещении конференц-«ала адресу: IÛ1830, Москва, Малый Харитоньевский переулок, 4.

С днссерюцией можно ознакомиться в библиок :е Инсип машиноведения км. А.А.Благонравова сю адресу: Москва, ул. Кардана, 4.

Автореферат разослан " " / 20001.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, к.т.и.

В.A. Д)<>ро1к:к

-оо

^ OF

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТ

-3-

А;сгуальность темы. Успехи в создании мощных сов]

зерного излучения, а также быстрое расширение областей их применения ебуют разработки эффективных методов исследования поведения формируемых элемен.ов конструкций при воздействиях на них мощного зерного излучения.

К настоящему времени накоплен значительный oru.iT исследований в ласти воздействия концентрированных потоков энергии лазерного излучения ПЭ ЛИ) на деформируемые элементы конструкций, сопр касающиеся со едой (ДЭКСС). OG этом свидетельствуют уже достигнутые успехи в отрас ях, е такие взаимодействия являются определяющими и решающими факторами в е-печении надежности и безопасности объектов машиностроительной и иакосмнческой техники, атомной энергетики .1 т.д. Однако, имеющие места итические ситуации и катастрофы в этой области свидетельствую г, что многие пекты механизм« взаимодействия КПЭ ЛИ с ДЭКсС не до гонца исследованы, применяемые для их изучения методы и средства не всегда адекватно исывают протекающие в таких системах сложные процессы, такие, как ешипообразование >. разрушение конструкций, автоколебания, возникновение арных волн, остаточные напряжения и т.д.

Основная сложность при исследованиях динамического поведения формируемых элементов конструкций при в( здействнях высокоинтенсивных токов энергии лазерного излучения связана с большим многообразием зникающих при этом мехинн .еских, теплофизнческих и зогидродинамических эффектов.

Создание обшей методики, позволяющей производить адекватное описание их явлений, является в насгоян'че вре. :я весьма важной и актуальной задачей ¡хаинк!.. Однако практически все работы в этой области ограничиваются ссмотрением той или иной части задачи без комплексного анализа всей «ической картины, что в конечном итоге, как правило, приводит к схождению расчетных результатов и фактической реализации.

Огсюда следуй, что переход от существующего набора частных, хотя и енъ важных, случаев, к общему осмыслению и классификации явлений и :ханическчх процессов, протекающих в системах "конструкция - среда" под здействием лазерного излучения, приводящие к критическим состояниям пстругций, является "а сегодняшний день одной из важных современных юблем механики.

В связи с этим, весьма актуальной явлется исследование динамики нструкций, соприкасающихся с различными средами, при критических жимах воздействия КПЭ ЛИ. Создание таких воздействий обеспечивает-». >фектом гидролазерного обострения, который характеризуется мгновенным кггом плотности энергии в системе "конструкция-сред " за счет мошного

лазерного излучения и его концентрация в ограниченном объеме. Возникают при этом плачма и ударные волны вступают во взаимодействие с различны] элементами системы «лазерное излучение - конструкция - среда» и вызьша! появление диссипативных структур и локализацию возмущений (напряжет деформированных состояний). Эти явления мало изучены, но крайне важны д наиболее ответственных технических объектов, таких как атомные станщ авиакосмические объекты, атомные подводные лодки и т.д.

Разработанная в диссертации методика экспериментальных исследован динамических эффектов, наблюдаемых в системах "конструкция - среда" п воздействиях на них КПЭ ЛИ и полученное результаты способствуют б о; глубокому пониманию протекающих ^ложных процессов. Это дает возможное предсказывать возможное наступление кригических и аварийных ситуаций снизить вероятность их возникновения.

И„-ль работал. Главной целью работы является разработ экспериментальны? методик и средств для исследования дннамическ процессов, протекающих при воздействии КПЭ ЛИ на ДЭКСС (п гидролазерном обострении) и их использование длк' улучшения механическ характеристик материалов. Для достижения поставленной цели решаются зада изучения особенностей процессов трещинообразования, разрушеш автоколебаний, возникновения ударных волн и других сопутствуют механических явлений. При исследованиях считается, что дннамическ процессы протекают в режимах с обострением, оторые сопровождают образованием различных диссипативных структур и локализации возмущении.

Методы исследований. В работе используются мето, дифференциального и интегрального исчислений, многофакторнс регрессионного анализа, теории колеблпш, гидродинамики, термодипамш лазерной физики, геометрической и нелинейной оптики. Применяют компьютерные средства для численного анализа. Для изучения дннамическ процессов (роста трещин, разрушений, автоколебаний) широко применяют методы тензометрии и высокоскоростной видеосъемки с последуют компьютерной обработкой изображений и сигналов.

Научная юпизна. Предложена методика комплексных экспсрнмснтальн исследований динамических эффектов, возникающих в системах "конструкци среда" при воздействиях КПЭ ЛИ на ДЭКСС. С использованием разработанн методики изучено возникновение критических состоянии системы, кото; рассматривается как результат динамических процессов, протекающих в режи\ с обострением", и образованием различных диссипативных структур локализации возмущений. Впервые исследованы автоколебания элемыг конструкции, возникающие при воздействии КПЭ ЛИ на ДЭКСС; изуче воздействия как непрерывных, так и импульсных КПЭ лазерного излучен 'Изучены особенности процессов трещинообразования и дннамическ« разрушения конструкций при гидролазерном обострении. Исследован про и

разования ударных волн при расширении плазмы и изучены особенности их зденствия как на тонкостенную конструкцию, находящейся в окружа/Ляей еде, так и на саму конструкцию, распространяясь внутри нее и существенно учшая механические характеристики материала.

Научная и практическая ценность. Предложенные в работе спериментальные метоаы и средства раскрывают суть динамических процессов, порые реально протекают в системе "конструкция - среда" во время ^действия на ней КПЭ ЛИ при наличии плазмы, ф?човых переходов и ¡мснений тсплофизических и механических свойств материала конструкции, злучены экспериментальные данные, характеризующие макрокинетические кономерности и энергетические параметры разрушения двухслойных »мпозиционных теплозащитных покрытий при воздействии лазерного (лучения. Температура защищаемой конструкции при этом практически не гняется, что говорит о высоких теплоизолирующих свойствах предлагаемых :плозащитных покрытий.

Разрапотаны рекомендации и предложения применению предлагаемых етодов и средств на машиностроительных и авиакосмических предприятиях, иеющих конструкций, соприкасающихся с различными средами.

Разработанные экспериментальные методики используются в научно-:сл<"довательской работе в Институте машиноведения им. А.А.Благонравова АН, Кутаисском государственном техническом "ннверситете им. .И.Мусхелншвили, в РКК "ЭНЕРГИЯ" им. С.П. Королева, на агрегатном заводе г!аука".

Достоверность результатов подтверждается: многочисленными ^авкчннями с известными аналогичными экспериментальными и еретическими данными других авторов, а также хорошей повторяемостью ал-''..■иных экспериментальных результатов; использованием апробированных етодов и средств измерена, и обработки данных; качественным и эличественным анализом промежуточных и окончательных результатов.

Публикации и апробация работы, Основные результаты диссертации публикованы в [1 - 26, и докладывались н обсуждались на следующих сероссииских и международных ксференциях, симпозиумах и семинарах: XI и II научные конференций молодых ученых ИМАШ (Москва, 1987, 1989); емннар кафедры "Динамика и прочность машин" Московского эсударствьнного технического университета им. Н.Э.Баумана (Москва, 1988); сесоюзная научно-практическая конференция "Проблемы научно-технического рогресса в современных условиях" (Кутаиси, 1991); Всесоюзная конференция Современнее мезоды и средства уравновешивания машин и приборов" Зоронеж, 1989); Х1У Всесоюзная конференция но теории пластин и оболочек Тбилиси, 1987); Всесоюзная научно-техническая конференция по кспериментальным методам в механике деформируемого твердого те,.а Калининград, 1988); Международный симпозиум, посвященный 80-летию акад.

И.Н.Векуа (Тбилиси, 1992); Всероссийская научно-техническая конференш "прс шость н живучесть конструкций" (Вологда, 1993); Междунчродн конференция по фотомеханике (Новосибирск, 1995); Семинар кафедр прикладной механики Клемсонского университета (США, штат Южная Каролии 1995); Международная научьо-практическая конференция "Промышлени экология" (Са^хт-1 .етербург, 1997); Пятая международная конференц: "Проблемы управления безопасностью сложных систем" (Москва, 199Ь>; 1 междисциплинарный конгресс по симметрии (Вашингтс I, 1995); Межчународп конферс шия, поев. 60-летию ИМАШ РАН ГМосква, 1998); Семинар кафедр прикладной механики Московского государственного университет? луп сообщения (МИИТ, 1999).

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, шести гла перечня основных выводов н списка литературы. Работа содержит 83 рисунков, фотогрг ')ий, 11 табл ц и 2/8 литературные ссылк '.. Общин объем диссертант 324 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

'Введение. Обоснована актуальность проведения комплекст исследований по изучению динамически чроцессов, возникающих в систем: "конструкция - среда" при воздействиях КПЭ ЛИ на ДЭКСС (заметим, что в ро.1 окружающей ср ды могут быть жидкость, газ, вакуум). Дп~ краткого обозначен! такого воздействия в случае, когда плотность мощности лазерного излучеш находится в определенном диапазоне, при котором материал начинает плавлеш и испарение (ниже этого диапазона имеем простое нагревание материала, а выи - сквозное прожигание конструкции) впечен термин «гндролазерное обострение Таким образом, гидролазерное обострение (ГЛО) - это совокупное быстропротекающих физико-механических и химических процесс^ локализованных в малой области взаимодействия мощного фокусированно лазерного излучения с конструкцией ч жидкости. Пре-мегом ианп исследований является возникающие при этом механические эффекты.

Отмечается роль выдающихся ученых, участвующих в создании н разини научного направления по исследованию динамического взанмоденств! кон грукций с различными средами- Дж.Стокса, Г Гельмгольца, Ф.Нейман Н.П.Жуковского, Е.П.Гроссмана, М.В.Келдыша, М.А.Лаврентьева, Л.И.Седон Г.С.Нариманова, Р.Ф.Гапиева, Б.И.Рабиновича, Г.Н.Микишева. В.Н.Челоме К.В.Фролова, В.З.Болотина, А.!О.Ишлинского, К,С.Колесникова, И.Ф.Образцов Э.И.Григолюка, В.И.Феодосьева, Н.Н.Моисеева, А.С.Вольмнра, А.Г.Горшког А.Н.Гузья, В.ДКубенко, Д.Е.Охоцимского, Ш.У.Галисва, В.А.Свстлииког М.А.Илыамова, И.М.Рапопорта, И.АЛуковского, Л.В.Докучаев 'Ф.Л.Черноусько, А.К.Перцева и др.

В последнее время в механике интенсивно развивается научное фавление, связанное с исследованием взаимодействия концентрированных гоков энергии лазерного излучения с конструкциями в виде деформируемых рдых тел. Это направление привлекает внимание физиков, математиков и (аников актуальностью, сложностью н многообразием явлений, присущих щессам взаимодействия КПЭ ЛИ с объектами различной физической природы, годящихся в различной среде. В становлений и развитии данного научного травления важную роль сыграли труды Н.Г.Басова, А.М.Прохорова, ^.Фабриканта, Г.А.Лскарьянца, Н.Н.Рыкалина, Дж.Рэдл, А.Г.Григорянца, ^.Чельного, Х.С.Багдасарова, А.К.Скворчевского, В.П.Вейко, М.Н.Либенсона, 1,Микаэляна, А.А.Углова, Л.Н.Кокора, И.В.Зуева, Б.М.Степанова, Ф.Стельмаха, А.Ф.Тимофеева, Г.А.Абильсинтова, В.М.Андряхина, ГБакулина, В А.Потопахина, А.А.Рассоха, А.А.Дергачева, А.И.Костоглотова, >оэми, Х.Хербриха и др.

Особенностью пре;шоженных в настоящей работе подходов является то, ) резкие изменения параметров, характеризующие процесс взаимодействия 1Э ЛИ с ДЭКСС рассматриваются как процессы, протекающие в режимах с эстреннем. Это позволяет объяснить наличие множественных волновых онтов, фазовых переходов, взаимосвязанность и взаимообусловленность отекающих процессов; при этом установлено, что эффект экранирования ¡ерного излучения плазменным облаком приводит к возникновению гоколебаннй конструкций. Вследствие этого постановка задач о исследований ханических аспеггов эффекта гидролазерного обострения является достаточно зжной проблемой н требует разработки специальных подходов к их решению.

Глача 1. Современное состояние проблемы исследования механических юпессоо, протекающих при воз, ейстппч лазерного излучения на улененгы конструкции и постановка задачи исследования

Дан краткий обзор со-ременного состояния исследований механических пений, протекающих при взаимодействии концентрированных потоков энергии зерного излучения (КПЭ ЛИ) с деформируемыми элементами конструкций, прикасающихся с различными средами (ДЭКСС)

На основании системного анализа существующих теоретических и спернментальных методов исследования динамического взаимодействия нструкций с жидкостью определено научное направление - исследование ханических процессов, возникающих при пщролазерним обострении в стемах "конструкция - среда". При экспериментальных исследованиях едпочтение отдается бесконтактным оптическим методам измерения совместно скоростной видеозаписью и компьютерной обработкой изображений.

Важной особенностью предлагаемых нами методов исследования является учение критических состояний системы «конструкции-срела» (взрывы.

разрушения, мгновенная потеря устойчивости, флаттер и т.д.), как результ динамических процессов, протекающих в режимах с обострением. В эт режимах какой-нибудь параметр, характеризирующий состояние систем (например, температура или давление) за конечное время неограничен; возрастает (этот эффект впервые был обнаружен академиком А.А.Самарским чл.-корр. РАН С.П.Курдюмовым), одновременно происходит образован различных диссипативных структур и локализация возмущений, что мож привести к аварийным ситуациям.

На рис. 1.1 представлена классификация тех основных процессов, котор! протекают при гидролазерном обострении, ".йк видно из приведенной схем эффект гидролазерного обострения, при ковром происходит преобразован энергии лазерного излучения »'различные виды механических энергий (энсрп. ударной волны; энергию, вызывающую возникновение трещин и разрушен материалов конструкций; эчерпда, поддерживающую автоколебания и волнов! движения поверхности жидкости), представляет собой совокупность сломи физических, физике-химических и механических процессов. Предметом наш! исследований являются механические процессы (выделены жирными рамами), также часть связанных с ними физических * процессов (образован диссипативных структур, кавитационное разрушение, пульсация плазмы).

Механические процессы, протекающие при гидролазерном обострении, свою очередь, условно разделены на две фазы: квазистатическую, прн котор! происходит нагревание материала с возникновением Напряжении и первт трещин и динамическую, когда начинаются автоколебания, образование ударш волн, разрушения и др.

Почти все интересующие лас процессы протекают в динамической фа: при которой позннкают автоколебания, ударные волны, пульсации плазменно облака, волновые эффекты на свобод.юй поверхности жидкости н друг сопутствующие динамические процессы; при этом наблюдаются переходы регулярной динамики к хаотической.

Конструкций могут подвергаться непрерывному, импульсному, частоти импульсному (несколькими импульсами подряд в пакете) воздействиям лазерио излучения, приводящим в общем случае при каждом у-м воздействии Появлению полей температур гДа,р,г,/), давлений ЯДа,/),.:,/), к изменен! голщины Л, (а,р,1,1), теплофизических ТФ^а.р,г,/), упругих С^а.р.г, прочностных П) , р, г, /) параметров конструкций.

Структурное построение диссертации таково, что оно, по возможности,: главам воспроизводит хронс логическую последовательность протекают реальных процессов.

Обра], дисси-патнв. структур

1

Физические процессы

Испарение материала

Режимы с обострением

Плавление материала

Образ. Пробои

кави- в среде

тации ...

Обра-юз. плазмы

Обряз. пузырьков

Каоига-цнониое разрушение

Плоские трещины

ГИДРОЛАЗЕРНОЕ ОБОСТРЕНИЕ (ГЛО)

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

I фаза ГЛО -квазнстатнчсская

г~I

О фаза ГЛО -динамическая

Тре-шино-обра-зова-ние

Трещины в виде 4пор"

Возни- Разру-

кнем шение

пне конс-

напря- трук-

женна ции

Разру- Раз пу-

шение шение в

по центре

контуру лазери.

л/и пятна

Лазер-1 нал | ударная

полна

Упрочнение материала

Изгиб-

ные деформации

Сггато чные напряжения

Авто-кол е-баина

Потеря устойчивости

Физико-химические процессы

Поверх, волноо. эффекты

Г 1фур-кацни

Диффузия, абсорбция

Рис. 1.1. Классификация процессов, протекающих при гидролазерном обострении.

Глава 2. Исследование механизма и особенностей протекания процесса гидролазерного обострения при взаимодействии лазерного излучения с конструкцией, соприкасающейся с внешней средой

Как уже отмечалось, эф<Ьект гидролазерного обострения сопровождав! разнообразными физическими и механическими явлениями. В зависимости конкретного сочетания компонентов протекающего процесса: типа лазерно излучения (его параметров, энергии, режимов генерации), используемо материала конструкции, окружающей среди, геометрических и временш парамтров, при гидролазерном обостреннь возможна появления следующ механических эффектов: трещннообразование и разрушение конструкт: автоколебания, возникновение ударных волн, пульсации плазменного об;ш появление волновых движении и т.д. Каждый из перечисленных эффект является важной составной частью явления, как целого.

Экспериментальный стенд для исследования эффекта гидролазерно обострения показан на рис. 2.1, а его функциональная схема - на рис. 2.З.. качестве источника энергии используется твердотельный лазер ЛТН - II (позиция 1 - длина волны лазерного излучения 1.0ь мкм, режим генерации мпогомодовый), активным элементом которого является монокристалл аллюм иттриевого граната, легированного неонидом. Лазер запускается и управляет источником питания и охлаждег.па (2), управляемого компьютером (20). Лазерш излучение (27) проходит через СОК (система оптическая комбинированная - '. фокусируется системой линз 4 и направляется через левый люк, спецналы сделанного для этой цели, на материал исследуемой конструкции 5, которь расположен и рабочем объеме (23) кюветы с жидкостью (более деталыи описание стенда см. пояснения к рис. 4.1).

Через СОК мы можем с высокой точностью регулировать положен! фокальной плоскости относительно мишени. Следовательно, фокальное пят1 может занимать "относительно поверхности мишени одно из трех положений: н; поверхностью (рис. 2.2 - а), на поверхности (рис. 2.2 - б), внутри материала (ри 2.2 - в). Соответственно возможны три раз.' ичных механизма взаимодействи Рассмотрены они все по отдельности.

При гидролазерном обострении часть световой энергии лазерно! излучения через механизм лазерного мнкровзрива преобразуется в механическу энергию. Такое преобразование может быть осуществлено при налич> переходного звена - рабочего тела, в качестве которого может служить га жидкость или смесь веществ. Самые интересные эффекты наблюдаются в случ; жидкосга, когда жидкая днссипативная среда сама выступает в рш положительной обратной связи между лазерным излучением и твердс поверхностью.

- и -

Рис. 2.1. Экспериментальный стенд для исследования эффекта гидролазер!юго обострения н связанных с ним механических явлений.

рис. 2.2. Положения фокальной плоскости СОК (система оптическая комбинированная) относительно поверхности материала конструкции.

Рис. 2.3. Функциональная схеуа экспериментальной установки исследования: 1) процесса гидролазерного обострения; 2) вошикновсни распространения в среде и конструкции ударных волн 3) воздействия удар с волн на тонкостенные конструкции, расположенные в жидкости.

Математически такие явления изучаются теорией нелинейных плюционных уравнений. Последние годы исследования иеограннчеД)ых шений (так называемых режимов с обострением, т.е. режимов, где за конечный юмежуток времени некоторые параметры F,(r,r) резко изменяют свою величину стремятся к бесконечности F,(r,i) -*оо, например: температура, плотность или вление; в наших задачах за такое изменение принято изменение на три порядка) ннмагат особое место в этой теории.'

Рассматривается автомодельная задача, где зависимое ги всех величии от 1емени имеют степенной вид. В этом случае режим с обострением для ¡которой функции от времени дается выражением-

1есь Н„, - атш, и, <0, i < / f и / ->/ , < -н» - момент обострения (рис. 2.4).

Считается, что в задаче имеет место локализация возмущений (если, зпример, (/(/,*) - температура среды), если найдется такая постоянная /. < «, что [/(/,*)sИ = consl <оо, r>¿, /„sIZtf.

Минимально возможную величину L называют глубиной локализации - L'.

Процессы с обострением могут протекать в 3-х режимах: ) .V режим - ког да решение неограниченно возрастает в области конечных размеров (/.' > о), .

) LS-режим - решение обращается в бесконечность лишь в одной точке (V = 0), ) HS -режим - решение обращается в бесконечность для всей среды. В этом случае говоря;, что локализация отсутствует.

Для возникновения так называемых диссипативных структур -норядоч^нных образований с характерными пространственно-временными юрчамн, система необходимо должна быть открытой, а ее математическая юдель - нелинейной. Энергия при этом должна поступать извне. Энергия 1реобразуется и рассеивается в результате диссипативных процессов, роль :оторых оказывается решающей.

В качестве математической модели для изучения диссипативных структур южимов с обострением, которые образуются в дисснпативной активной юлинейной среде, выбирается квазилинейное уравнение теплопроводности

U, xdiv[K{U)gradU]+Q(U) , -де: (/ й 0 - температура среды; К(Ч) 2 О нелинейный коэффициент еплопроводности, Щи) > 0 - нелинейный источник тепла - лазерное излучение. Эбъектом исследования является решение задачи ¡Соши длг вышеприведенного .равнения при различных типах пары коэффициентов {K(í7) ;(#/)}. В качестве гакой пары выберем степенные функции

В зависимости от соотношений нелинейных характеристик cpej возможны три режима протекания процессов

Вариант 1, 1<^<сг+1. В этом режиме в рассматриваемой снеге возможен йодистой HS -режим с обострением. Волновой режим развит начального возмущения возможен при \< ß < er +1. Это неравенство, гру говоря, означает, что с ростом температуры диффузия тепла происходит бол интенсивно, чем нагрев среды. В этом случае за конечное время (по ые приближения к моменту обострения) эта волна нагревает все пространство температуры, стремящейся к бесконечности (рис. 2.5).

Ьариант 2. При ß - а1 интенсивность гагрева и диффузии тепла уравниваются, что приводит парэюксальному эффекту: нагрев среды , «бесконечной» температуры за ограниченный промежуток времени происход на так называемой фундаментальной длине /.,.'Несмотря на наличие диффузт тепло не распространяется в холодное пространство за пределы фундаменгальн длины. Имеет мест эффект локализации области интенсивного нагрева. Бол того, образуется нестационарная диссипативпая структура, распределен температуры в которой не зависит от начального вйзмушения. От начально возмущения зависит лишь время существования структуры. Это так называем! S -режим (рис 2,6).

Вариант 3. о * l<ß<a * i При более интенсивной работе источника i сравнению с диффузией тепла в среде образуется конечное число диссипативш структур LS -режима с обострением. Решение вновь растет в режиме обострением, оставаясь локализованным; однако, что полуширина сокращается.

Одним из замечательных свойст в диссипативной сильно нелинейной сре; является то, что существуют законы, по которым простейшие структуры мот быгь объединены в более сложные. Э.о еще одно подтверждение того, ч сложная система, как целая, может существовать только потому, что е»* час объединены сотнями положительных и отрицательных обратных свял Критерием сохранения сложной структуры, ее "жизнеспособность" объединен частей в целое в такой среде ячляется синхронизация процессов нагрева диффузия тепла. При нарушении этой синхронизации наступает быстр превращение сл. жной структуры в простую.

На рис. 2.7 показана схема качественных соответствий протекай различных механических процессов с режимами гндролазерного обострения.

Следует отметить, что особенностью режимов с обострением сопровождающих их явлений локализации и образования диссииативн! структур является то, что они имеют характер промежуточных асимптотик.

Из анализа структур LS' режима с обострением следует, что пронес вблизи центра структур в определенном смысле характерны для их сосгоинш прошлом, а процессы на периферии связаны с будущим В HS режиме обострением места пространственного проявления прошлого и булуще меняются. Парадоксальным принципом построения днссипатшшых структур

Рис. 2,4. Решение растет 5 кнме с обострением (при ¡личных начальных данных): в «•ДОМ случае за конечный ом-жуток времени решение ограниченно возрастает.

Рис. 2.5. Пример динамического процесса, протекающего в Я5 - режиме с обострением. В диссипативной среде возникают волны, амплитуда которых неограниченно растет при

/-> I

II е

ч

г

<1о™1 У

/

и 80

¥0

ох а

//

гч

ЗВ.г,

Рис. 2.6. Пример динамического процесса, развивающегося в 5 - режиме бострением а - формирование локализованной диссипативной структуры; б (езависимое развитие двух локализованных структур; в - рост структуры' с нимальным временем обострения; остальнтя часть профиля практически лшрает".

РЕЖИМЫ ГИДРОЛАЗЕРНОГО ОБОСТРЕНИЯ

Л'-РЕЖИМ

15-РЕЖИМ (£>«г+1)

ЯУ-РЕЖИМ (Р<0+ О

Образование плоских трещин

Образование трещи н в виде "пор"

Образование автоколебаний нударных волн

Разрушение по контуру лазерного луча

Разрушение по центру лазерного луча

ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ

АВТОКОЛЕБАНИЯ, УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

РАЗРУШЕНИЕ

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Рис. 2.7. Схема качественных соответствий протекания различных механических процессов

хазанного тина является связь прошлого и будущего в пространственной груктуре, существующей в настоящем. При таком подходе среда, как целое, эдержит в своих материальных характеристиках в не .проявленной, отенцнальной форме все типы структур, которые могут в ней возникнуть и стойчиво или метастабилыю существовать, как асимптотики или своеобразные цели" своего эволюциончого развития.

Глава 3, Возникновение и пространственно-прсь- ;нное развитие автоколебательных процессов, протекающих при воздействии лазерного излучения на элементы конструкций

В этой главе показывается, что при гидролазерном обострении возникают втпколебания температурного псля поверхности материала конструкции и лотностн лазерной плазмы вблизи поверхности; при этом, в определенном иапазоне плотности мощности лазерного излучения, наблюдается автоколебания инструкций - от? зафиксированы для механ:ческ..х параметров (напряжений, .еформацнй, прогибов) конструкций. Приведены формулы для частоты и мплитуды автоколебаний и проведено сравнение расчетных и ксперимен^альных данных. Наряду с распространением возмущений по всей инструкции, иногда наблюдаются эффективные локализации возмущений в »Сласти воздействия КПЗ ЛИ с ДЭКСС, что объясняется про. гканием процессов I различных режимах с обострением.

Физический механизм возникновения автоколебаний конструкций федставляется следующим образом. Для казной фиксированной величины КПЭ 1.4 з.1 счет эффекта экранирования лазерного луча паром испаряющегося 1ешества стационарное значение температуры Ге меньше максимально кт.ожного значения температуры 7'м в отсутствие экранировки. Пусть за счет ¡тукгуашш КПЭ ЛИ температура в пятне лазерного луча возросла. Тогд? за счет тссиклшвных процессов теплоотвода температура поверхности материала будег ¡тремится к стационарному значению Тс. Так как температура поверхности ю «росла, то увеличится испарение вещества с поверхности. Изменение плотности шророго облака определяется конкуренцией двух процессов: скоростью скопления пара в облаке за счет испарения вещества с поверхности и скоростью рассасывания облака за счет оттока пара па периферию. Пусть стохастическая зульсация парового облака такова, что за время существования положительного увеличения температуры поверхности плотность парового облака станет меньше :тационарного значения р., что уменьшит эффект экранирования лазерного луча таром, что, » свою очередь, приведет к приращению температуры пятна, т.«., лэчионарное состояние опять станет неустойчивым и т.д. Амплитуда возбуждающихся колебаний ограничена: значение температуры не может быть Зольше 7'и.

Рнс. 3 1 Общая схема возникновения автоколебательных процессов при воздействиях КПЭ ЛИ на ДЭКСС.

)дного вида к другому происходит при весьма маленьких приращениях мощности шерного излучения.

Наиболее характерными при воздействиях КПЗ ЛИ на ДЭКСС являются 1ва вида повреждения конструкций - сосредоточенное, сопровождающееся юзннкновеннсм отверстия канала пробоя диаметром около 1 мм, и определенное повреждение по всей области воздействия, выражающееся в уменьшении упругих и прочностных свойств материала. Экспериментальные ^следования показывают, что образование названных повреждений происходит в ■ечение времени, равном единицам микросекунд. Таким образом, воздействие сонцентрированных потоков энергии лазерного излучения приводит к шцульсному образованию отверстия малого диаметра нлн к уменьшению по всей )бласти воздействия) пругих и прочностных свойств материала.

Для практики важным является выявление особенностей иапряженно-юформнрованного состояния оболочечных конструкций при действии импульсов твлення на различные области поверхности объекта, т.е. вида

оДа.Д/) = <„/,(«)/,(/*)/,(<); де о,'0 - максимальное давление в импульсе, /|, Д — заданные функции, (арак! еризующие законы изменения давления в меридиональном а, окружном р управлениях и во времени I соответственно, которые имеют следующий вид:

I, 0

0. а> А а

СО%р. \р\ <уЯ/2, 0. \р\>^ 1, ИМ,

0, 1>Л1 (А1 = \0'с) А а - размер обласги воздействия КГ1Э ЛИ в меридиональном направлении.

На рис. 4 2 - 4.5 приведено изменение во времени напряжений ст.',о^ в ишиндрнческнх оболочках, при действии импульсов давления на различные областям поверхности оболочки, которые характеризуются следующими шачениями размеров области воздействия:

Аа I I 1

Аа--Г = \

дхлвегственно. При этом кривые I характеризуют напряжение а'ш в точке с координатами о-О, /7=0 (на жестко закрепленном краю), кривые 2 - а, при и-()5, р - о (в середине оболочки), кривые 3 - о, приа = 0, р - О, кривые 4 -а, при я-05, р - О

Рассмотрено влияние импульсного изменения упругих характеристик в области воздействия концентрированных потоков энергии на напряженно-цеформированное состояние цилиндрических оболочек. Края оболочки являются

г*ис. 4.2, 4.3. Изменение во времени напряжений o.,a*f \ цилиндрических оболочках при действии импульсов давления на различны! области поверхности: Аа = A a/l= 1,1/2 .

области поверхности: Аа - А а//= 1/6,1/20

кестко закрепленными. При исследовании предполагается, что в области ¡оздействия КПЭ ЛИ происходит мгновенное уменьшение упругих характеристик = {a., Et,Е^, Е.„ £„} материала оболочек на величину ДЕ. Измененные характеристики определяются зависимостью

Е{а,р, :,l) = [ra-AE /,(»)] /, (a) f\p) /М, де функции /,(а),/г{р\/г(f\jt(г) имеют вид

/,(«)= 1, OiaS/;

Г„Л \fi\z*/2

тЛ 0.

Jl, IS. AI, '{о, I > Al (ai-.

На рис. 4.6 приведены зависимости от времени напряжений ст ^ (а = О, р -)) и а, (а = 0,5, р = 0) для однослойной оболочки из органопластика, при этом фивые 1 - 3 и 4 - 6 характеризуют напряжения <т * и а, при следующих шачениях упругих параметров: Е - (0,9, 0,8, 0,7)/:и. Важной особенностью ювнсимостей ст°, является практически мгновенное скачкообразное уменьшение растягивающих напряжений от начального значения а} = 4.9108 НУм2, определяемого действием на неповрежденную оболочку внутреннего готического давления, до с'А = (4,45, 3,9, 3,55)х108 Н/м2 , и уменьшение

;жимающих напряжений от о-; = -3,55 108 НУм2 до а} = -(3,18,2,8,2,52)х108 Н/м2 при мгновенном уменьшении упругих характеристик материала в области воздействия до величии Е - (0,9, 0,8, 0,7)/:'(1. Пс-'ле окончания импульсного воздействия и оболочке; происходят колебания параметров напряже^пю-цеформнрованного состояния относительно положения равновесия оболочки с упругими параметрами Е(а,р,:), определяемого действием внутреннего логического давления.

В определенных случаях воздействие лазерного излучения сопровождается разрушением тонкого поверхностного слоя, т.е. импульсным уменьшением толщины конструкций в области воздействия, которое описывается выражением вида

{///., l<. А I., I, 1>А1, Л = 10 с

На рис. 4 7 показано изменение во времени напряжений а (а =0, р = 0) и стß (« = 0,5, р - 0) для оболочки из органопластика; здесь кривые 1, 2 и 3, 4 определяют напряжения а ; и a't при значениях толщин оболочки h = (0,9, 0,8]hu соответственно. При импульсном изменении толщины после окончания

воздействия происходит увеличение растягивающих а'г и сжимающих ст, напряжений, вызванных внутренним статическим давлением, до свои максимальных значений, затем происходят колебания оболочки относительн положем(я равновесия, соответствующего оболочке с переменной толщиной

нагруженной внутренним давлением. После окончания воздействия харакге изменения во времени напряжений о 'т\ а), является близкими как пр импульсном изменении упругих свойств материала, так и при нмпульсно! изменении толщины оболочки.

Как отмечалось выше, действие на оболочки концентрированных потоко энергии лазерного излучения приводят к образованию областей с повреждениям (уменьшение толщины, снижение упругих и прочностных свойств). Эт повреждения существенным образом влияют на характер напряжение деформированного состояния оболочек.

Приведенные выше результаты экспериментальных исследований получай на модельных конструкциях оболочек, выполненных из таких же материалов, ка и реальные конструкций (корпуса, перекрытия и т.д.). Однако размеры моделе существенно меньше, чем у реальных конструкций. В инженерной практике очен важным является решение вопроса о возможности использования результате экспериментальных исследований, полученных на моделях, для элементе натурных конструкций. С использованием методов анализа разме^носте получено решение этой задачи.

Глава 5. Исследование особенностей процессов разрушения материалов конструкций при воъдсйс. вии лазерного излучения

В данной ;лаве представлены результаты экспериментальных нсследовани по трещинообразованию и разрушению конструкций. Исследуются ка прозрачные, так и негрозрачные конструкций. С помощью высокоскоросгно видеосъемки устанавливаются особенности возникновения и развития трещин, также устанавливаются статистические закономерности образования трещин пр гидролазерном обострении.

Важность построения полной физической картины воздействия лазерног излечения на конструкцию и адекватного отражения происходящи тенлофизическнх и термомеханических процессов наглядно иллюстрируете следующими цифрами, определяющими энергозатраты на разрушат алюминиевой пластины толщиной 2 мм:

-тепловой механизм разрушения - 10' Дж/м2;

- разрушение ь т»рмоупр> гих волнах растяжения-сжатия ~ 108 Дж/м2;

- разрушение при термоупругих изгибных деформациях ~ 10г' Дж/м2.

Подобная картина имеет место и для деструкшрующих композиционны

материалов (при тепловом механизме удельная теплота разпушения -18 КДж/г,

(о,„,<1-,). 10* н/м' 6

5 6 н ТГ - А 1

Щ хь т

г г ■ /

V г 3

1 . -V2

Рис. 4.6. Изменение во времени напряжений а ' (а «= 0, р = 0) и а; (а » ),5, 0 = 0) для оболочки; кривые 1 - 3 и 4 - 6 характеризуют напряжения сг; и а* при следующих значениях упругих параметров: Е = (0,9, 0,8, 0,7)/:'0, :оогвсгственно.

Рис. 4.7 Изменение во времени напряжений а 'я (а = 0, р - 0) и а; (а = ),5, р =г0) для оболочки; кривые I, 2 н 3, 4 определяют напряжения а н а 1 три значениях толщин оболочки й = (0,9, 0,8)/|0, соответственно. 0

при откольном механизме разрушения она снижается до 1,2 КДж/г).

Приведенные примеры показывают, что отсутствие должного анализ физической, механической и тепловой картины воздействия и, как следствт формирование упрошенной модели вс здействня КПЭ ЛИ на ДЭКСС, неадекватн описывающей протекающие при этом процессы, может привести к ошибкам г несколько порядков.

Механические отклики элемента конструкции на высокоинтенсивнь воздействия лазерного воздействия разделяются на волновые (малое характернс время) процессы и изгибные (большое характерное время). Эти откпики мои быть вызваны как мехачическим действием (импульс давления плазмы), так термоупругими эффектами. Возможны следующие шгты механических отклике элемента конструкции на воздействие высокоинтенсивных потоков энерп лазерного излучения, типы достижения предела несущей способности разрушения:

- термоупругие изгибные деформации;

- потеря устойчивости под действием термоупругих напряжений;

- изгибные деформации пед действием давления плазмы;

- разрушение в термоупругих волнах напряжений растяжения-сжатия;

- разрушение в волнах напряжений от действия давления плазмы.

Указанные типы достижения предела несущей способности и разрушен!

материала конструкции для различных условий нагружейшя могут реализовать как отдельно, так и в комплексе. Определение зон их возможной реализаш производилось исходя из анализа нагружения прямоугольной шарнирно-оперт! пластины. Проведенные эксперименты позволяют определить границы 31 достижения предела несущей способности элементом конструкции.

Результаты в виде номограмм в координатах длительное импульса/плотность лазерного излучения получены для различных параметр воздействия и ус; звий окружающей среды. Пример такой номограмм построенной для элемента конструкции из алюминиевого сплава, представлен рис. 5.1. На рассматриваемом рисунке приняты следующие обозначения: 1 граница плавления, 2 - граница испарения, 3 - граница, выше которой отсутств> глубинный прогрев материала, 4 - граница пробоя 5 жидкости, - область поте устойчивости, 6, 7 - области достижения предела несушей способности п термоупругом изгибе и изгибе от действия давления плазмы, соответственно, 8 - соласти возможного образования отколов в материэте от действ термоупругих волн напряжений н волн напряжений от давления пла:м соответственно.

Полученные номограммы позволяют производить периотчальный анаг характера нагружения и механических откликов элемента конструкции, что дг возможность формулировать расчетные модели, адекватно описывают совокупность реализующихся при высокоинтенсивных воздействиях лазернс излучения теплофизических и механических процессов. Кроме того, на основе:

п/см

чю'.Вт/л/2

4 // к 8 Ж,

\ /У% / 4 /

У < э г

✓

ч

д 1а

Ц о " о • о * £:Ц о К

В о Г ■ р о „_а ■ .. " "О ■ О ■ • й

1 "-Й Ч в __ о а ' А

*-к 1 ^ н

: 1 о • N

о о

с

10"" 10'" КГ1 10ч 10"* 10"' 1 г, С ми м» ра/р"

Рис.5.1. Обласги реализации различных механизмов разрушения ДЭКСС при »действиях КПЭ ЛИ.

Рис. 5.2. Границы достижения материалом конструкции предела несущей юсобности по механизму образования пластического шарнира по контуру иерного пятна (1); в центре лазерного пятна (2); отсутствие шарнира (3).

»0.4

0.4

0.» ¡г |о4

* 0.4

1 1

40 80 По

1<Л' 100

■о

ю м

Время, 10 гас

О - Шиш шииш трещины, мы1 * - Число 1рГкЦНН А - Алина области рирушенма, им

0 40 «О 12» 160 Время, 10 сск.

Рис. 5 3. Зависимость параметров разрушения от времени: а - рост одной >ещнны (в воздухе); о' - рост одной трещины (в жидкости); в - интегральные 1рактернстики разрушения.

аналнза могут быть сделаны следующие выводы:

- для коротких импульсов (г, < 10'7 с) высокой плотности потока излучения (/ > 10* Вт/см2) будут реализовываться отколы в волнах растяжения-сжатия по толшинг элемента конструкции;

- для длинных импульсов (г,, > 10"7 с) умеренной плотности потока излучения (/ <10® Вт/см1) возможно достижение элементом конструкции предела несущей способности при нзгнбном деформировании.

Критерием достижения конструкцией предела несущей способности является образование пластического шарнира. Установлено, что возможна реалчзация двух характерных типов достижения предела несущей способности:

- образование пластического шарнира по контуру облучаемого лазерного пятна при высокой плотности потока излучения;

- образование пластического шарнира в центральной части облучаемого пятна при умеренной плотности потока излучения.

Количественное сравнение результатов наших экспериментов с теорией представлено на рис. 5.2, где приняты обозначения: Р„/Р' - отношение давления предварительного наддува оболочки к предельному давлению наддуга, д -плотность потока поглощенной энергии. ' Цифрами 1,2,3 соответственно обозначено: образование пластического шарнира по контуру лазерного пятна, образование пластического шарнира в центре пятна, отсутствие пластических шарниров; индексами а, Ь -соответственно обозначены результаты расчета и экспериментальные данные. Расчетная граница достижения предела 1гсуь;ей способности обозначена сплошной кривой, экспериментальная - пунктирной.

Из приведенных данных видно, что экспериментальные и расчетные результаты совпадают с точностью до 10%. Проведены исследования ряда пр< этически важных задач в широком диапазоне плотностей потока энергии лазерного излучения, длительностей импульса и параметроз оболочки, при наличии и отсутствии плавления и плазменного образования.

По кадрам скоростной киносъемки проводилось определение скорости роста отдельных трещин. Измерение кинетики роста трещин показало, что врем* роста, одной трещины составляет до (100+150)1 О*6 сек, т. е. не более 10 + 15 % от времени действия импульса.

Образование и рост отдельных трещин происходят в разные периоды действия импульса лазера. Скорость роста трещины и течение первых 50-10^ егк составляет 10+15 м/сек, после чего рост трещины замедляется и дальнейший рост ее размеров идет со скоростью 3 м/сек. Типичная кривая роста трещины в случае, когда пластина находится в воздухе, приведена на рис. 5.3 а. Из анализа картин процесса следует, что позднее образовавшиеся трещины экранируют тпешины. ' расположенные дал.в'е от источника лазерного излучения, и приводят к прек} лцению их роста.

Из анализа изображений скоростной видеозаписи следует несколькс важных выводов. С точностью до разрешения, даваемого оптической системой и

мульсией плент, можно утверждать, что трещина имеет минимальные размеры около 0,03 мы) и приобретает их сразу после образования.

Скорости скачков в случае, когда пластина находится в жидкости, (рис. 5.3 i) из-за диссипативных процессов велики и достаточно стаб.чльпы - 150 + 180 j/сек. Основная часть длины трещины возникает за счет скачков и лишь [езиачительная - за счет постепенного ее роста. В ряде случаев трещины имеют юлнообразную поверхность, которая указывает на то, что они распространяются качками. Такая волнообразная поверхность разрушения указывает на втоколебателышй характер разрушения. По кадрам сг оростной видеосъемки ¡ыла измерена длина области разрушения, т. е., расстояние между крайними ре-цинами. Результаты таких измерений приведены на рис. 5.3в.

Из графика видно, что размеры области разрушения быстро растут в ечение 5010"6 сек. Скорость роста области разрушения в этом интервале оставляет в среднем 100 м/сек. После этого область разрушения еще около 00-10"° сек растет со сравнительно небольшой скоростью 20 м/сек. Отметим, что юявление видимых первых трещи» происходит с некоторой задержкой после |бразовання изменений в месте появления трещины, что видно на цветной шейке. Величина задержки имеет порядок 10-10"6 сек.

По кадрам скоростной видеосъемки была также измерена площадь всех рещин, видимых с увеличением в 10 раз на каждом кадре пленки. Результаты 13мереннй приведены на рис. 3.3 а. Из графика видно, что площадь растет |ропорционально времени действия лазерного луча и скорость роста площади 1авна примерно 0.1 м2/сек. При этом в начале действия лазера площадь растет за чет образования новых трещнн, тогда как в конце - в основном за счет [альнейшего роста старых трещин. Последнее хорошо видно из того же графика, де покачано общее количество образовавшихся трещин во времени.

Было установлено, что рост трещины сначала идет быстро, а зятем амеддяются по мере экранирования ее другими трещинами. Обнаружен -также качкообразныП рост трещнн, причем скорости скачков на порядок больше корости роста трещнн в том же интервале. Общая площадь разрушения растет мненно со временем, причем в начале процесса в основном за счет увеличения тела трещин, а в конце - за счет дальнейшего роста образовавшихся трещнн.

Часто технологическое оборудование и несущие конструкции в процессе ксилуатацнн подвергаются интенсивному облучению мощными потоками иергии лазерного излучения. В таких случаях для их защиты применяют шличные композиционные теплозащитные покрытия, что обуславливает 1еобходимость детального исследования их поведения в условиях воздействия ттенсивных потоков энергии. Характер н особенности их разрушения шределяются, с одной стороны, химическим составом" и структурой рмиронания, а с другой -- параметрами воздействующего излучения.

Исследовались двухслойные теплозащитные покрытия двух типов, внесенные на прямоугольную пластину из алюминиевого, сплава с размерами

сторон 0,12x0,12м толщиной 2-Ш^ м, которая имитировала стснку защищаемо! конструкции. Верхний слой теплозащитного покрытия представлял собо! угольный трикотаж, пропитанный кремнийсодержащнм связующим (покрытт №1: плотность p=I,410J кг/м3,теплоемкость с = 1,3810J Дж/кг-К, коэффишшг теплопроводности Л =0,33 Вт/м-К), или углеродосодержащий композиционны! материал (покрытое №2: ^^1,3-Ю5 кг/м', c=l,05-10J Дж/кг-К, Л =0,7 Вт/м-К). I качестве второго (нижнего) слоя покрытия в обоих случаях использовало синтетический каучук со стеклянными микросферами (¿>=0,7-10* кг/м', с- 1,6-10 Дж/кг К, Л =0,14 Вт/м-К). Общая толщина двухслойного покрытия сос(ав.пяла 6мм. Режим лазерного воздействия — импульсно-периоднческий, длина волш излучения 1,06 мкм, частота следования импульсов 33 Гц, число импульсов пучке 50-60. Общая длительность воздействия х„ « 1,6 с, длительность импульс г„ <* 3 мс. Полная энергия излучения £ на поверхности образца, измеренная помощью теплового преобразователя энергии ТПИ-2М, составляет 30-40 кДж.

Исследование показа;»), что максимальный прирост температуры межд слоями покрытия достигается через 30-40 с и составляет около 35 и 20°С д.п покрытия №1 и №2 соответственно. Температура пластины из алюмнниевог сплава при этом не изменялась, что говорит о высоких теплоизолируют!! свойствах исследуемых теплозащитных покрытий.

На основе метода многефакторного регрессионного анализа изучен основные факторы, влияющие на геометрические размеры возникающих пр гидролазерном обострении трещин. Получены исходное уравнение для ради/! трещины г. Зависимость г от основных параметров в общем случае мож> выразить функцией нескольких переменных:

r^fp.r F,F.),

где IV- энергия импульса лазерного излучения; г - продолжительность импульс F• фокусное расстояние линзы; £ - модуль упругости конструкции.

Можно оценить влияние каждого из приведенных парамегров, задав; определенные фиксированные значения трем остальным: Получег эмпирические уравнения для радиуса и длины трещины;

г =(1-<г"г){[(*,Е + 01)тг + + + + -k(*4£ + îJ Г 1 +{*,£ + &,)г + *в£+А6 }

где А,- коэффициенты, учитывают

конструктивно-технологические параметры установки.

Глава 6. Некоторые дополнительные экспериментально наблюдаемые механические процессы, протекающие при воздействии лазерного излучения на элементы конструкций

В предыдущей главе изучались процессы разрушения конструкций п гидролазерном обострении. Почти одновременно происходят и ряд друг

нтересных механических эффектов в системе «конструкция-среда», например, озникновение ударных волн. Эти процессы являются взаимосвязанными н занмообусловленными. Так, например, от энергетических характеристик азерного излучения и физико-механических характеристик материала онструкцип зависят возникновение ударных волн. При фокусировке коротких (30 нсек) и интенсивных (>1015 Вт/м2) лазерных импульсов на конструкцию оверхностный слой мгновенно испаряется (явление абляции) и превращается в оверхностную плазму с высокими температурой (около 10000 К) и давления »Гпа), которая и излучает ударную волну при расширении. Они мпространяются как в среде, так и в материале (рис. 6 1). В свою очередь, парные волны способны существенно улучшить механические характеристики атериала, например, усталостную прочность, или залечивать уже существующие лещины; они также способны в приповерхностной области генерировать 1ачительные сжимающие остаточные напряжения.

На рис. 6.2 схематически показан принцип возникновения сжимающих ггагочных напряжении, состоящий из двух шагов: 1) во время взаимодействия зз .рного излучения на конструкцию формируется импульс давления от быстро истирающейся шшмы, создающий одноосное сжатие вдоль распространения зарной волны и растягивающие напряжения в плоскости, параллельной эверхности материала; 2) прилегающие зоны реагируют на изменение объема изданием поля сжимающих напряжений внутри области воздействия. На рис. 6.3 эказаны изменения остаточных напряжений по глубине материала, созданных звестным дробеструйным методом и лазерной ударной волной. Как видно, робеструйная обработка генерирует больше сжимающих остаточных зпряженнн, чем лазерная ударная волна лишь на глубине 0.1 мм. от эверхности. Однако, лазерная ударная волна влияет на более глубокие слон атериала, чем дробеструйная обработка, и создает значительные сжимающие ггашчные напряжения.

Рассмотрим распространение унарной волны в среде. Для этого исследуем 1аимодейс1Вне ударной волны на тонкостенную конструкцию, расположенную 1д поверхностью мишени. Для исследовании выбрана наиболее простая схема: эямоугольная пластина защемлена но двум краям (см. рис. 2.3, здесь 7 -¡следуемая пластина). е

На рис. 6.4 ноказано: давление в ударной волне - 1, давление в центре застнны - 2. Перемещение центра пластины: - 3 с учетом кавитации и зевращений сложных днссипативных структур в простые; 4 - по схеме Шауера, :з учета кавитации и превращения структур - 5. После достижения ударной шюй поверхности исследуемой пластины, происходит распад сложной 1ССинатиинои структуры на простые и уже они вторично" (естественно, с .'мыпей интенсивностью) обрушиваются на нее, что приводит к вторичному звышеиию давления в центре платины.

Лазерный_ пмпулсь _

Среда

Запштиое покрытие

Ф

Ударпая вопия

Конструкция

Трещина _ послс

Трещина до ^\,дар,юП

ударной волпы .

©

и2-

Расширение плазмы

Рис. 6.1. Схема по исследованию распространения ударной волны в системе «конструкция - среда» при лазерном воздействии и ее влияния на геомезрию трещины

1. Во время вкысИсганя лазера

гтт

ч>

2. После влсдойстпия лгагра Зона ишлгйспш»

ОН)

Пластическая деформация

6

Рост<0)

Остат чпые напряжения Рис. 6.2. Принципиальная схема возникновения сжимающих остаючны: напряжении при воздействии лазерного излучения на конструкцию.

50 | I I I | I—г—г—| I I | | I » I | I I I

Лазерная ударпяя ичг» Дроб«-гр)вп«япй,.Лтса _

■ ' ' • * '

0.4 0 6 0 8 1

Глубин» (мч)

Рис. 6.3. Распределение остаточных напряжении по глубине материа; прк обработке- поверхности лазерной ударной волной и дробеструйнь: методом.

. На рис. 6.5 показана форма прогиба пластины в различные моменты ремени.

Анализ графиков показывает, что весь процесс деформаций пластины южно условно разбить на три периода. В 1 период (t < 20 мкс) пластина сформируется только вблизи опор. Это указывает на то, что на пластинку енствует волна, возникшая в ¿^-режик.з с обострением, в частности, по второй обственной форме (см. рис. 2.7); при этом ее центральная часть движется оступателыю как твердое тело. Давление на пластинке при / = 0 равно 2/*„. До гсастннки достигает лишь передний фронт дисснпатишюй структуры.

Во II периоде фронт волны достигает поверхности пластины, происходит ревращенне сложной структуры в простые: 0 2-> в, (временной интервал: 20 кс < / < 200 мкс) и образование кавитационных пузырьков.

Изгибные деформации пластины, распространяясь от опор, постепенно рсватывают все большую часть пластины.

В Ш периоде (I > 200 мкс) происходит обрушивание волн в виде простых руктур (и кавитационных пузырьков) на пластинку. Давление в жидкости и на тастинке начинает повышаться. Вследствие этого скорость движения пластины ;сколько увеличивается. Форма прогиба н пластины к этому моменту близка к шусондальнон, а деформации происходят в основном вследствие пластического ¡формирования растяжения срединной поверхности. Дальше пластина довольно »icrpo останавливается. В дальнейшем происходят лишь небольшие упругие >лебания пластины в сплошной жидкости.

Таким образом, появление и учет кавитации и наличие цепочки >евращений сложных структур в простые коренным образом меняет весь шамический процесс деформирования платины. Без учета кавитации и таких ^вращений максимальный прогиб пластины гораздо меньше. Лучший результат йт схема Ulayepa. Однако эта схема не учитывает вторичного повлшеиия Алания в жидкости и поэтому занижает максимальные прогиби пластины.

Максимальный прогиб пластины:

Я '¡р„с0а,Л

На рис. 6.6 приведены значения максимальных прогибов пластин при здействии ударной волны экспоненциального профиля с различной энергией, (сргия ударной волны определялась энергией лазерного излучения и тем еменем, которое было необходимо для образования, роста и схлопывання зыря. Расчеты выполнены численным методом по двумерной теории кавитации '., по гипотезе Шауера - 3, без учета кавитации - 4 и но последней приведенной |рмуле. На этом >хе рисунке нанесены экспериментальные точки. По нашей еме (рис. 2.3) максимальный прог иб пластины определялся через отклонения зерного луча, которое записывалось на видеомагнитофоне и обрабатывалась, вставленные данные свидетельствуют о хорошем совпадении двумерного :чета с экспериментом.

Р1

40 30 2В !0

Л у—

IV 1 V

ГЧ йУ^ГЧа», л

-—•5

Рис. 6.4. Давление в центре пластинки и его перемещение во времени.

г

1-25«: 1 Н5Ьии 2 Шш 1 Шкм

.1 У 1 0 и А О V/ 1 ' 0 У и \4 V

М

Рис. 6.5. Форма прогиба пластаны в различные моменты времени. \Гт

Г

2

У? >

~7~ 4

0 5 10 15 20 25 £>а

Рис. 6 С. Зависимость максимальных прогибов в центре пластины величины ударной волны.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И выводы

Разработана единая методика комплексных экспериментальных исследовании динамических процессов, протекающих при воздействии концентрированных потоков энергии лазерного излучения на деформируемыми элементами конструкций, соприкасающихся со средами; изучено возникновение критических состояний системы, которое рассматривается как результат динамических процессов, протекающих в режимах с обострением, и образованием различных диссипагавных структур и локализации возмущений. Исследован механизм гидролазерного обострения при взаимодействии концентрированных потоков энергии лазерного излучение с деформируемыми элементами конструкций, соприкасающихся со средой, позволяющего преобразовать часть энергии лазерного излучения в различные виды механической энергии. Установлен диапазон мощности лазерного излучения, при которых происходит возникновение режимов с обострением. Показано, что в зависимости от соотношения между нелинейными коэффициентами среды: коэффициентами диссипации и интенсивности нагрева, возможны три различных механизма протекания режимов с обострением: без эффекта локализации; с локализацией в одной точке; с локализацией на определенной глубине.

Показано, что механизм возникновения автоколебаний конструкций при гидролазерном обострении обусловлен эффектом экранирования потока энергии лазерного излучения плазмой, образующейся при плавлении н испарении материала конструкции н существованием релаксационных процессов в гндрогазодинамике плазменного облака, обеспечивающих обратную связь между лазерным излучением и материалом конструкции. Установлен диапазон значений потока эиергии лазерного излучения, при котором возникают автоколебания. Приведены результаты экспериментальных исследований автоколебательных процессов, описывающих динамику тепловые и механических параметров конструкций в диапазоне частот ¡0' + ю' Гц.

Исследованы особенности разрушения конструкций при гидролазерном обострении. Показано, что,, при воздействии потоков энергии лазерного излучения умеренной интенсивности наибольшую опасность с точки зрения достижения элементом конструкции предела несущей способности представляют изгибные деформации под действием термоупругнх напряжений и давления плазмы на поверхность. Для практически важного случая воздействия на надлутую цилиндрическую оболочку лазерного излучения проведены эксперименты в условиях наличия и отсутствия плазменного эбразования. Показано, что наличие плазменного образования приводит к :ушественному уменьшению энергозатрат на разрушение.

5. Установлено, что при воздействии лазерного излучения на деформируемы элементы конструкций возможна реализация двух характер'у типе достижения предела несущей способности материалом нонструкцш соотве~ствующис протеканию процесса в разных режимах с обострением: с образоплние пластического шарнира по кокгуру облучаемого лазерного пяти при высокой плотности .ютока излучения; б) образование пласшческо! шарнира в центральной части облучаемого пятна при умеренной плотност потока лазерного излучения. Получены экспериментальные даииы характеризующие макрокинетнческие закономерности и знер.сп'чсски параметры разрушен, и двухслойных композиционных теплозащитны покрытии при воздействии лазерного излучения. Температура защищаемо конструкции при этом практически не меняется, что говорит о высокт теплоизолирующих свойствах предлагаемых теплозащитных покрытий.

6. Разработана методика получения силового поля при гидролазерном обсстреш: - мгновенным взрывом и переходом в плазменное состояние части поверхноа конструкции, что дает возможность получать ударные волны, обладают! малыми и конечными амплитудами, а также мощное силовое пол Установлено положительное влияние распространяющихся в конструкт ударных волн на прекращение дальнейшего роста отдельных видов трети присутствующих в конструкциях, что улучшает механические хараг.грнстш материала.

7. Исследованы особенности распространения лазерной ударной волны материале конструкции. Установлено, что для любого материала мож1 подобрать оптимальные параметры воздействие лазерной ударной волна которые обеспечат создание в материале поля максчмальных сжимают! остаточных напряжении, что значительно улучшает механическ! характеристики материала. Зафиксировано повышение усталостной прочное материалов тонстр> кций при их обработке лазерной ударной волгой. Урове увеличения предела выносливости находится в пределах от + 20 до 35 Проведен сравнительный анализ по изучению улучшения усталости! характеристик при обработке материалов дробеструйным методом н лазери ударной волной. Предложена методика комбинированной обработ многослойных конструкций непрерывным и импульсным лазерами д улучшения их механических характеристик. Установлено, что так комбинирование является эффективным средством для увеличения к износостойкости материала, так и усталостчого сопротивления (+ 50 % д предела усталости).

8. Исследован процесс распространения ударных волн, возникающих п гндролазерном обострении, в среде. Изучены особенности воздействия ударн волны на тонкостенную конструкцию, расположенную в жидкости око мишени. Экспериментально установлено вторичное повышение давления пластинке, обусловленное кавитационными эффектами и распадом сложи

диссипахивноЧ структуры на простые при достижении фронтом ударной волны поверхности конструкций.

Разработаны рекомендации и конструктивные схемы по практическому использованию полученных результатов работы: определены технологические возможности лазерного микровзрыва для лазерной штамповки при обработке трудноштампуемых заготовок; предложена конструкция лазерного насоса, в котором лазерный импульс подается в реактор синхронно, что позволяет получить такую конструкцию насоса, которая не содержит подчижных частей; предложена схема лазерной вибровозбуэвдающей машчны; предложен способ гидролазерной сборки теплообменников и др. Результаты работы уже используются и могу г быть расширены на заинтересованных предприятиях оборонного комплекса. Отдельные результаты работы могут быть использованы в медицине, в частности, при разработке ме одов и средств для восстановления функции сердца взрывом мельчайших частиц крови - можно достичь эффек~т контрлульсацни, а так», при лечении лазерным микровзрывом опухолей внугриполостных органов.

Основные результаты диссертации опубликованы а следующих работах:

Образцов И.Ф., Скворчевскай А.К., Сахвадзе Г.Ж., Новиков А.Б. Автоколебательный эффект прн решений задач качества /У Качество: теория и практика, 1999, № 2. - С. 7- 13.

Разумовский И.А., Сахвадзе Г.Ж. Экспериментально-аналитический метод исследования неоднородных полей остаточных напряжений, остающихся в конструкциях после гидролазерного обострения, с использованием кругового отверстия-индикатора // Труды Всероссийской научно-техн-ческой конференции "прочность и живучесть конструкций". - Вологда, 1993. - С. 86 -89.

Сачвад^е Г.Ж. Исследование точности измерения параметров трещнио-образовання и роста трещин в конструкциях прн лазерном воздействии и пути ее повышения // Труды XI иаучн. конф. молодых ученых ИМ АДГ. Тез. докл. -М.: ИМАШ, 1987. -С.46-47.

Сахвадзе Г.Ж. Экспериментальное исследование особенностей разрушения двухслойных композиционных теплозащитных покрытий лазерным излучением // Труды Всесоюзи. научно-техн. конф. по экспериментальным методам в механик.; деформируемого твердого тела, - Калининград: КэтГУ, 1988.-С. 103 - 106.

Сахвадзе Г.Ж. Исследование нес гацнонарного взаимодействия ударных волн лазерного микровзрыва с тонкостенной конструкцией в жидкости // Труды Х1У Всесоюзн. конф. по теории пластик и оболочек. - Т.2. * Тбилиси: ТГУ, 1987.-С. 406-411.

6. Сахвадзе Г.Ж. Исследование структурных, геометрических и энергетическ характеристик лазерного луча, как инструмента для создания ударных волн Труды XI научи, конф. молодых ученых ИМАШ: Тез. докл. - М.: ИМА1 1987. - С. 4J - 46.

7. Сахвадзе Г.Ж. Повышение усталостных характеристик материала ударньп волнами, образовавшихся при лазерном микровзрыве // Труды Всесою: научно-практической конф. "Проблемы научно-технического прогресса современных условиях". - Кутаиси, 1991. - С. 162 - 165.

8 Сахвадзе Г.Ж. Использование лазерного луча, как источника ударнчх млн задачах нестационарной гидроупругости // Труды XII научи, конф. молод: ученых ИМ.МЛ. - М.: ИМАШ, 1989. С. 43 - 45.

9. Сахвадзе Г.Ж. Исследование автоколебаний оболочек, соприкасающихся жидкое, ыо, при воздействии концентрированных потоков энергии лазернс излучения И Труды Всесоюзн. научно-практической конф. "Проблемы науч! технического прогресса в современных условиях". - Кутаиси, 1991. - С. 17 178.

10. Сахвадзе Г.Ж., Минаев А.Я. Скворчевский А.К., Милько М.М. Особенное процесса разрушения материалов при лазерной балансировке // Тру Всесоюзн. конф. "Современные методы и средства уравновешивания машт приборов". - Воронеж, 1989. - С. 13 - 15.

11. Сахвадзе Г.Ж., Разумовский И.А. Методы анализа существен! неоднородных полей остаточных напряжений в элементах конструкций однородных и биметаллических материалов // Труды Всероссийской нау технической конференции "прочность и живучесть конструкций". - Болог 1993.-С. 194- 198.

12. Сахвадзе Г.Ж., Скворчевский А.К., Потемкин Б.А., Ловнков А.Б. К вопр< улучшения усталостных характеристик материалов пугем их обрабо лазерной уд; ,)лоч волной // Труды пятой международной конф. "Пробле управления безопасностью сложных систем". - Т. 2. - Москва, W98. - С. 21 216.

13. Сахвадзе Г.Ж., Скворчевский А.К., Потемкин Б.А., Новиков А.Б. Об одт механизме улучшения механических характеристик материалов i комбинированной обработке непрерывным и импульсным лазерами // Тр) пятой международной конф. "Проблемы управления безопасностью слпж! гчетем". - Т. 2. - Москва, 1998. - С. 212 - 214.

14. Сахвадзе Г.Ж., Скворчевский А.К., Растягаев В.И. Использование эффе гидролазерного обострения при проектировании новых лазер! балансировочн' ix станков // Труды Всесоюзн. конф. "Современные метод] средства уравновешивания маиин и приборов". - Воронеж, 1989. - С. 11 - 1

15. Скворчевский A.il Милько; Л.М., Новиков А.Б., Сахвадзе Г.Ж. Гидролазер Запрессовка деталей теплообменников // Наука - производству. - 1998. - № -С. 35 - 38.

. Скворчевский А.К, Потемкин Б.А., Новиков А.Б., Сахвадзе Г.Ж., Королева И.Н. Методика экологической оценки поверхности конструкции с помощью лазерного сканирующего микроскопа // Труды научно-практической конф. "Промышленная экология - 97". - Санкт-Петербург, 1997. - С 381 - 385. . Скворчевскии А.К, Сахвадзе Г.Ж., I Iobiikob А.Б. Эффекты гидролазерного обострения в задачах механики // Сборник трудов ИМАШ РАН, поев. 60-летию ИМА111 РАН.

. Скворчевскии А.К, Новиков А.Б., Сахвадзе Г.Ж. Разработка портативных виброакустпческих дозиметров // Труди научного семинара под руководством академика К.В. Фролова. - Москва, 1998. - С.182 - 190. . Фролов К. В., Скворчевский А.К., Потемкин Б.А., Сахвадзе Г.Ж., Новиков А.Б. Лазерный диагностический комплекс для обнаружения трещин в материалах конструкций II Труды научно-практической конф. "Промышленная экология - 97". - Санкт-Петербург, 1997. - С. 373 - 377. . Frolov К. V., Cherpakova N., Sakhvadze G. Displacement Vector Detennination Through Use of Fringe Pattc ns Symmetry Properties Produced by Holographic ' Interferometry // Proc. Third Interdisciplinary Symmetry Congress. - Washington D.C. - 1995. - V. 6, N 2. - P. 218 - 222. . Frolov K.V., Sakhvadze G.J., Skvorchevsky A.K. Research of process of formation of cracks at a hydrolaser peaking // Russian Technology. - 1995. - P. 10 - 12. . Frolov K.V., Sakhvadze G.J., Skvorchevsky A.K. Research of process jf occurrence of the shock waves at effect of laser radiation on the system "Structure -environment" // Russian Technology. - 1995. - P. 3 - 4.

. Frolov K.V., Skvorchevsky A.K., Sakhvadze G.J. Effect of the hydrolaser peakmg and mechanical phenomena, connected to it // Russian Technology. - 1995. - P. 6 - 7. . Frolov K.V., Sakhvadze G.J., Skvorchevsky A.K. Research of the self-oscillations at effect of laser radiation on the system "Structure - fluid" // 5th International Congress on Sound and Vibration. - St. Petersburg, Russia. -1996. - V. 2. - P. 1039 - 104ч. . Sakhvadze G.J., Razumovsky I.A., Ivanov M.V. Experimental-analytical Methods for Investigating of Inhomogeneous Residual Stresses by Use of Circle Hole as Stress Indicator// Proc. Intern. Conf. of Photomechanics. - Novosibirsk, 1995. - P. 36 - 39.

. Skvorchevsky A.K., Sakhvadze G.J., Frolov K.V. Research of features of destruction of composite heat-shielding coatings by laser radiation // Russian Technology. - 1995. - P. 8 - 9.