автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование процесса функционирования удлиненного кумулятивного заряда

На правах рукописи

ФамХонгШон М*!

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УДЛИНЕННОГО КУМУЛЯТИВНОГО ЗАРЯДА

Специальность 05 13 18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

АВТОРЕФЕРАТ '

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула - 2008

003169700

Работа выполнена на кафедре в ГОУ ВПО « Тульский государственный университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Чуков Александр Николаевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Дунаев Валерий Александрович,

кандидат технических наук Могильников Сергей Николаевич

Ведущая организация- ФГУП ГНПП «Сплав»

Защита состоится « /О » иш! 2008 г в ч^ час на заседании диссертационного совета Д 212 271 05 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, г Тула, ГСП, просп. им Ленина, д 92, учебный корпус № 9, ауд № 101)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Тульский государственный университет"

Автореферат разослан ^Л^ОлИ-*- 2008 г

Ученый секретарь ^___

диссертационного совета В М Панарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время в гражданской промышленности различных стран, в том числе Социалистической Республики Вьетнам находят широкое применение удлиненные кумулятивные заряды (УКЗ)

Низкая стоимость, простота и технологичность их изготовления, легкость в применении, возможность получения реза со сложным профилем, возможность использования в труднодоступных местах (в частности при подводных работах) - вот далеко не полный перечень достоинств, присущих УКЗ Все это позволило найти им применение во взрывных технологиях разрушения твердых массивов (горнодобывающая промышленность), при проведении монтажных и демонтажных работ в строительстве, в процессах утилизации военной техники и оборудования и во многих других отраслях промышленности Миниатюрные УКЗ используются в таких точных и наукоемких отраслях как медицина, в авиастроении и в космической технике

Столь широкое применение УКЗ для решения народно-хозяйственных проблем не может остаться без подведения научной базы, описывающей процессы, протекающие при функционировании подобных зарядов В первую очередь это связано с необходимостью снижения расходов на проведение натурных испытаний при разработке новых образцов УКЗ, что позволит реализовать один из важнейших критериев целесообразности разработки новых образцов техники, согласно которому затраты на разработку образца не должны превышать определенный уровень целесообразности создания и внедрения этой разработки

Проблема сокращения объемов испытаний весьма актуальна и важна Ее решение возможно, во-первых, путем строгого научного обоснования объема и норм по каждому виду испытаний без ущерба для качества изделий и без увеличения риска потребителя; во-вторых, путем внедрения методов математического и физического моделирования процессов, характеристики которых контролируются при проведении натурных испытаний,

Таким образом, задача разработки моделей, описывающих функционирование УКЗ, является достаточно актуальной

Цель и задачи работы

Целью работы является совершенствование средств проектирования и отработки удлиненных кумулятивных зарядов

Достижение поставленной цели осуществляется путем решения следующих задач

1 Разработка математических моделей, описывающих процессы, протекающие на различных этапах функционирования УКЗ с учетом влияния технологических несовершенств изготовления и сборки

2 Разработка методики оценки пробивной способности УКЗ, основанной на предлагаемых математических моделях

3 Разработка и тестирование программно-методического обеспечения для расчета процесса функционирования УКЗ

4 Обоснование и выбор конструкций УКЗ, обеспечивающих заданные режимы функционирования

Методы исследования

Для корректного решения поставленных задач в работе использовались современные математические методы исследования Методологическую основу проведенных исследований составило математическое моделирование газодинамических процессов, основанное на гидродинамической теории детонации и теории струй

Обоснование и достоверность научных положений

Достоверность научных положений, приведенных в работе, обеспечивается корректностью постановки задач и подтверждается применением широко апробированных математических методов их решения

Практическая значимость работы

На основе математического моделирования процессов, протекающих при функционировании УКЗ, удалось улучшить качество и эффективность обучения обслуживающего персонала на предприятиях Вьетнама Разработанное программно-методическое обеспечение позволило значительно сократить объем испытаний (до 70%) при разработке новых образцов УКЗ в CP Вьетнам

Внедрение и апробация работы

Разработанная в данной работе методика расчета пробивной способности УКЗ внедрена и широко используется на предприятиях горного и строительного министерства Социалистической Республики Вьетнам, а также в качестве обучающей системы технического университета им Ле Куй Дона (г Ханой, СРВ)

Результаты работы докладывались на всероссийской научно-практической конференции «Проектирование систем и комплексов» (г Тула, 2006 г), всероссийской научно-технической конференции «XXI век глазами молодых ученых и специалистов» (г Тула, 2007 г), научных семинарах кафедры «Газовая динамика» (ТулГУ, 2006-2007 г) По результатам выполненных исследований опубликовано 5 работ

Автор защищает

1 Математическую модель функционирования УКЗ с учетом влияния технологических погрешностей его изготовления

2. Методику расчета пробивной способности УКЗ, основанную на разработанных математических моделях.

3 Резутьтаты теоретических исследований процесса функционирования УКЗ п влияния на него технологических несовершенств конструкции

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность проводимых исследований, дано краткое описание этапов функционирования классических УКЗ, определена цель и сформулированы основные задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость работы

В первой главе работы рассмотрены типовые конструкции промышленных УКЗ, дано краткое описание их характеристик Проведен обзор экспериментальных и теоретических методов прогнозирования эффективности действия удлиненных кумулятивных зарядов Выявлены достоинства и недостатки данных методов Подробно рассмотрены особенности расчета процесса функционирования УКЗ по сравнению с расчетом осесимметричных конструкций Приведено описание существующей инженерной методики расчета УКЗ Выявлены ее основные недостатки В заключении сформулированы выводы о необходимости учета в имеющихся методиках расчета УКЗ влияния на процесс функционирования технологических несовершенств конструкции

Во второй главе рассмотрены физическая и математическая модели процессов, протекающих при функционировании УКЗ

При рассмотрении физической модели процесса выявлены основные этапы функционирования УКЗ - детонация заряда взрывчатого вещества, обжатие облицовки, формирование кумулятивного ножа, движение ножа на траектории и проникание ножа в преграду. Рассмотрены основные отличия в функционировании УКЗ от известных конструкций осесимметричных зарядов, заключающиеся в следующем

Во первых, металл удлиненной облицовки в процессе движения к плоскости симметрии заряда не испытывает столь значительных радиальных деформаций, его интенсивное деформирований происходит только в момент непосредственного схлопывания, что приводит к снижению градиента скорости по длине формирующегося кумулятивного ножа Во вторых, в отличии от осесимметричных зарядов, для УКЗ характерны низкие значения активных масс ВВ, непосредственно участвующих в метании облицовки, что снижает скорость метания В связи с данными обстоятельствами, сформированный кумулятивный нож обладает относительно низкой скоростью поступательного движения и малым градиентом скорости по оси Кроме того, технология использования УКЗ обычно предполагает установку заряда в непосредственной близости от разрушаемой преграды с минимальными значениями фокусных расстояний Все вышесказанное позволяет не учитывать в расчетах этап движения кумулятивного ножа на

траектории, а ограничится введением следующего допущения геометрические размеры и кинематические параметры кумулятивного ножа, порченные им в процессе формирования остаются неизменными до момента контакта с преградой

В основу математической модели процесса обжатия облицовки и формирования кумулятивного ножа была положена теория схлопывания струй несжимаемой жидкости Для учета влияния технологических факторов было рассмотрено несимметричное схлопывание струй Расчетная схема процесса соударения струй показана на рис 1 В этом случае законы сохранения запишутся в виде

Мв + МИ = Мп + МСТР, ивмв+и „Мн = 0пМП + иСТРмСТР,

±мви2 Лмни2н Лмпи2п +^мСТРи2СТР,

где М - секундный массовый расход в струе, и - скорость струи; а - угол наклона струи,

Р - угол отклонения вновь образующихся струй Индексы " Н", "В", "СТР" и "Я" относятся соответственно к нижней и верхней струе, образующимся струе и песту

жидкости

Приняв допущение о равенстве скорости песта и струи, из законов сохранения массы и энергии получим

77 CTF i мв+мн

Записав в проекциях на оси координат уравнение сохранения количества движения

-(JBMBco&aB-UHMH eos а„ = -UnM¡¡ eos/? + UC1PMCTP eos /?;

- UBMB sin ав + UHMH sinан = -UnMn sinP + UÍ TPMCTP sin/3 ,

выразим из него зависимость для определения угла наклона траектории вновь образовавшихся струй ¡5

, _ UВМВ sin ав - UНМН sin ан UBMBcosaB + UHMHcosaH Зависимости для определения массового расхода в струе и песте получаются исходя из законов сохранения массы и импульса

tgp--

(2)

Мг =

Мв+М

" 2

и

Мв+Мн

UBMB eos ав + UHMH eos ан UCTP eos Р

U ВМВ eos ав + U НМН cosa,,

(3)

UCTP eos Р

Перейдем теперь к расчету скорости струи, образующейся при схлопывании двух пластин (рис 2)

Рис 2 К расчету параметров несимметричного схлопывания пластин

Пластины массами Мв и Мн движутся к оси заряда со скоростями Уоя и У0И Схлопывание пластин

осуществляется в некоторой точке А, расположенной на расстоянии АУ от оси заряда Примем допущение, что движение пластин вдоль оси Ох осуществляется с некоторой

средней

скоростью

определяемой по зависимости

■¿(г.

ОВх + ^ОЯ.г ,

Подобное допущение позволяет значительно упростить

процедуру определения

координат точки схлопывания

Пластины набирают разгон за счет воздействия на них расширяющихся продуктов детонации При этом уравнения движения их в проекции на ось Оу запишутся в виде

dVY

MB-~JL = pB(t)Sa eosав, at

dVY dt

Численно решая систему уравнений (4) можно определить следующие параметры

• характерное время схлопывания пластин (ш,

• вертикальную координату точки схлопывания пластин Д7 и угол у, характеризующий поворот вектора скорости точки контакта (см рис 3),

• вертикальные компоненты скоростей схлопывания пластин и Уон,

Скорость схлопывания по оси Ох в соответствии с принятым допущениям определятся по зависимости

ух = \ (уУОв № + Уу0н 1яа}1) (5)

В соответствии с гидродинамической теорией кумуляции разложим векторы скоростей У0Ву и Уон на составляющие

Ущ=ив + ¥к, 7йИу=ин + 7к. (6)

Модули векторов, входящих в последние уравнения определяются по теореме синусов

у =у зш«д

* ОВгаш(90-ав + гУ

U -у sin(90-r) ■ (7)

sin(90 + у)

U" V°"r sm(90-ан-ГУ Подставляя найденные значения UB и Uн в зависимость (1), получим значения скоростей струи и песта Тогда, согласно гидродинамической теории кумуляции, итоговые уравнения для определения скорости струи и песта (УСТР и Vn соответственно) запишутся в виде

Vctp ~UCTP+VK+VX> Vn = Ün + VK+Vx. В проекциях на оси координат данные зависимости будут выглядеть следующим образом

VCTP/ = UQjp eos

VCTPY = V CTP sm p-VK sin y,

vnx = ~un cos/? + K^cosy + vx,

vnr =~un sin P~VK sin y, На основании полученных зависимостей была предложена методика расчета процесса функционирования УКЗ с учетом технологических несовершенств В качестве основных технологических погрешностей, учитывались следующие

• разностенность кумулятивной облицовки,

• разностенность корпуса заряда,

• смещение осей корпуса (и заряда ВВ), облицовки и детонатора

В основу была заложена известная методика для расчета УКЗ, симметричных относительно плоскости Основные отличия заключались в учете несимметрии при схлопывании элементов облицовки, вызванной технологическими несовершенствами, что позволило получить криволинейный профиль образующегося кумулятивного ножа и неравномерное распределение его боковой скорости

В заключении второго раздела работы была предложена инженерная методика расчета глубины щели, прорезаемой кумулятивным ножом, обладающим пространственной кривизной и неравномерным распределением боковой скорости по длине ножа

При разработке данного метода считалось, что нож состоит из ряда элементов, имеющих прямоугольное сечение /, х Ъ1 Каждый элемент имеет массу М, и движется независимо от смежных элементов со скоростями Ух, и К,, (рисЗ-а) Глубина каверны формирующейся при взаимодействии отдельного элемента с преградой, определялась с помощью известной гидродинамической зависимости

1 -К/У2**/- л

I /РгК /РпрУх.)

где рПР, р, - плотности преграды и 1-го элемента ножа соответственно, I, -длина рассматриваемого элемента ножа

Толщина пробоины в преграде Вг определяется энергетическими параметрами элемента кумулятивного ножа и физико-механическими характеристиками преграды Для ее оценки использовалась зависимость, выводимая из условия пропорциональности энергии элемента струи Е, работе, необходимой для образования прямоугольной выемки размерами I, х В, (рис З-б)

где Ац, - работа, необходимая на вытеснение единицы объема материала преграды,

IV, = - объем каверны, сформированной 1-м элементом, - ширина реза

Для учета влияния криволинейности ножа и его боковой скорости использовался следующий подход Считалось, что каждый элемент подходит к точке контакта не точно вслед за предыдущим, а с некоторым смещением, характеризуемым величиной Д, Данная величина определяется расчетным

путем как разница координат точек попадания смежных элементов (рис.4) по следующей зависимости:

/ >-1 \ у С 1-2

Л, Л ' V

Xi \

¿=i j

п-1

V

Xi-1

4=1 /

ь; м.

'у '■'■ i . '••■}, V* Л/уМ 31 у 1 >_______4

--"-"te —ШШ Щ Шт. жщ Jii-T

V» f&W д¥а'Цр1 Irfv Ym

¡Щрр Г. %0 X.,

а) б)

Рис.3. Выделенный элемент кумулятивного ножа (а) и образующаяся выемка в преграде (б).

Рис.4. К расчету смещения элементов

Наличие данного смещения приводит к тому, что некоторая перекрываемая часть элемента «смазывается» по стенке каверны, образованной предыдущими элементами. Кроме того, каждый последующий элемент ножа, начиная с головного, имеет несколько большую массу, а следовательно и большую толщину при одинаковой длине, что также приводит к «смазыванию». В связи с этим в пробитии участвует не вся масса элемента, а лишь его часть, что соответственно скажется и на суммарной глубине пробития. Нерабочая часть элемента ножа характеризуется величиной АЪ(. Данная величина зависит от соотношений толщины элемента и каверны, а также от величины смещения их осей и определяется исходя из геометрических соображений.

В третьей главе работы приведено описание программного комплекса «УКЗ». Данный комплекс предназначен для моделирования процессов функционирования УКЗ в обычных условиях, что позволяет использовать его при моделировании образования кумулятивного ножа, его движения на траектории и его эффективности (действия по преграде)!

Разработка комплекса велась на языке Borland Pascal 7.хх. Адаптация для использования ПК под управлением операционной системы Windows ХР проводилась с использованием интегрированного пакета Delphi 7.

Программа имеет объектно-ориентированную структуру, что облегчает ее модифицирование при необходимости изменения каких либо частей. Удобный графический интерфейс позволяет работать с ПК даже неподготовленным пользователям.

ПК УКЗ представляет пользователю дружественный интерфейс свойственный стандарту SUA реализованному в Windows. Данный комплекс написан полностью с использованием стандартных компонентов,

необходимых для создания полноценного Windows приложения В связи с этим дтя работы с ним не надо знать особых сочетаний клавиш и манипуляций с мышью Любой пользователь персонального компьютера знакомый с операционной системой Windows без особого труда сможет осуществить расчеты

В основу комплекса положены методики, разработанные во втором разделе работы, а именно методика расчета процесса формирования кумулятивного ножа с учетом влияния технологических погрешностей и методика расчета проникающей способности криволинейного кумулятивного ножа с неравномерным распределением осевой и боковой скоростей по его дчине

Для оценки правильности получаемых с использованием ПК УКЗ результатов было проведено его комплексное тестирование При этом полученные результаты сравнивались как с экспериментальными данными, так и с численными расчетами, проведенными другими авторами

В качестве первого тестового расчета было проведено сравнение результатов, получаемых с использованием ПК УКЗ и других методик расчета В табл 1 приведены экспериментальные и расчетные глубины реза для грех типов удлиненных зарядов, выполненных из стального уголка с раствором 90°, длинной образующей облицовки а, толщиной заряда ВВ двв и толщиной облицовки 8 При этом использовалось мощное пластическое ВВ на основе гексогена (плотноеть 1,55 г/см3, скорость детонации 8 км/с) Для каждого заряда дано три величины пробития - экспериментальная L3, , рассчитанная по методике1 LP *, а также рассчитанная с использованием предлагаемой методики LP Технологические погрешности в расчетах не учитывались Анализ приведенных данных показал практически на идентичность результатов, получаемых с использованием известных методик и предлагаемой методики Некоторое отличие от опытных данных связано с неучетом влияния технологических погрешностей изготовления заряда

Табл 1 Экспериментальные и расчетные глубины резания УКЗ

№ заряда а, мм S, мм 1э,мм LP *, мм LP, мм

1 25 14 2 29 34,9 35,1

2 50 14 2 60 67,5 68,0

3 50 28 4 69 71,6 72,4

Второй задачей, решаемой в рамках тестирования ПК, была оценка пробивной способности заряда, показанного на рис.5 Данный заряд был разработан в СР Вьетнам для разделки железобетонных конструкций,

1 Баум Ф А , Орленко JIП, Станюкович К П Физика взрыва // М Наука, 1975 385 с

расположенных под водой (опорные сваи портовых соединений) В качестве основного требования к данному заряду было предъявлено следующее -заряд должен прорезать в стальной плите паз глубиной не менее 50 мм на с>ше Результаты проведенной серии испытаний в наземных условиях приведены в табл 2

а=к

т |

При проведении расчетов с использованием ПК УКЗ использовались следующие

конструкторские данный на заряд

• допустимая

разнотолщинность корпуса 0,1 мм

• допустимая разнотолщинность облицовки ОД мм

• допустимая несоосность корпуса и облицовки 1,0 мм

• допустимое смещение взрывателя относительно плоскости симметрии облицовки 0,5 мм

Проводилось три типа расчета В первом расчете все

технологические погрешности задавались равными 0, то есть фактически просчитывался

«идеальный» заряд, не

обладающий асимметрией В этом случае величина пробития должна быть максимальной Второй расчет имитировал наиболее худший вариант, когда все погрешности имели максимальное значение и были сориентрованы таким образом, что бы по одну сторону от плоскости симметрии оказалась максимально возможная масса заряда, Кроме того, в эту же сторону было смещено и средство инициирования Подобный расчет должен дать минимально возможную величину пробития Средняя величина пробития находилась с использованием методов статистического моделирования, предложенных в четвертом разделе работы Результаты расчетов приведены втабл 4

Сравнение данных таблиц 3-4 позволяет сделать следующие выводы В целом, результаты расчетов соответствуют результатам испытаний Расчетное среднее значение близко к среднему арифметическому, полученному в опытах и отличается от него на 5% Расчетное максимальное значение более чем на 10% превышает максимум, полученный в опытах (58,1 мм против 53 мм)

Рис 5 Конструкция заряда для резки железобетонных свай

Тао~13 Резу 1ьтаты наземных испытаний УКЗ

№ опыта Глубина реза, Толщина реза по

мм поверхности, мм

1 46 8,5

2 48 8,0

3 53 7,0

4 41 8,5

5 47 8,5

Среднее 47 8,1

Табп 4 Результаты расчетов функционирования УКЗ

№ расчета Глубина реза, Толщина реза по

мм поверхности, мм

1 (максимальное) 58,1 7,0

2 (минимальное) 31,7 7,0

3 (среднее) 45,0 7,0

М-М

Четвертая глава работы посвящена практическим аспектам использования разработанных моделей и методик При этом проводился анализ УКЗ, показанного на рис 6 Данный заряд разработан в СР Вьетнам и предназначен для разрезания листовых конструкций из легированной стали толщиной до 30 мм в процессе демонтажа портовых сооружений (г. Бак Данг)

ЬЦ В процессе отработки данного заряда

выяснилось, что глубина реза при действии рассматриваемого УКЗ по монолитной преграде не превышает 20 мм, что недопустимо мало Именно это послужило причиной исследования данного УКЗ. На первом этапе была проведена серия детерминированных расчетов, целью которой являлось выявление наиболее рациональных

конструктивных характеристик данного заряда, определяющих его максимальную эффективность

действия Исследовалось влияние угла раствора облицовки, ее толщины и фокусного расстояния

Рис 6 Эскиз исследуемой конструкции УКЗ

По рез>льтатам расчетов выяснилось, что конструкция УКЗ разработана достаточно грамотно, расчетная величина ее пробития без учета технологических погрешностей составляет 32 мм Небольшого увеличения пробития (порядка 3 4%) можно добиться только увеличив фокусное расстояние, что проблематично исходя из специфики работы заряда

Полученные результаты расчета «идеального» заряда не согласовываются с результатами опытной отработки, в связи с чем было высказано предположение о существенном влиянии технологических погрешностей на эффективность его действия Следующая серия расчетов проводилась с целью выявления наиболее значимых технологических погрешностей, ухудшающих эффективность действия УКЗ Исследовалось влияние следующих параметров (в скобках указаны изменения параметров)

- смещение оси облицовки относительно оси корпуса,

- смещение оси детонатора относительно оси корпуса,

- разнотолщинность облицовки,

- разнотолщинность корпуса

Расчеты носили детерминированный характер На графиках рис 7 приведены зависимости глубины пробил ия от определяющих параметров Как зидно, наиболее значимыми факторами, определяющими глубину пробития, являются смещение осей корпуса, облицовки и детонатора, а также разностенность облицовки. Разностенность корпуса значимой роли не играет

'О 005 010 015 0 20 0 25 ДБ, мм

0 0 05 010 0 15 0 20 0 25 5, мм

Рис 7 Влияние технологических факторов на величину пробития

Для определения совместного влияния исследуемых факторов на эффективность действия заряда на завершающей стадии исследований была проведена серия расчетов с использованием метода статистических испытаний (метод Монте-Карло) Теоретически результаты пробития, потучаемые с использованием данного метода должны соответствовать среднему пробитию, получаемому в реальных опытах В табл 2 приведены диапазоны изменения исследуемых величин и принятый для них закон распределения, соответствующие данным заводского чертежа (14 квалитет

точности) и повышенным требованиям изготовления (12 квалитет) Проводитесь две серии расчетов по 30 опытов каждая Первая серия расчетов соответствовала требованиям заводского чертежа, вторая - предлагаемым требованиям к данному УКЗ В табл 3 приведены результаты, полученные при проведении расчетов

Как видно, заряд, изготовленный с использованием заводских требований, в среднем пробивает 20,8 мм стальной плиты, что соответствует реальным значениям, полученным в опытах (20 мм) Для повышения эффективности действия данного УКЗ необходимо его изготовление по 12 квалитегу точноеги В этом случае пробитие вырастает до 27 7 мм, что близко к предлагаемым требованиям

Табл 2 Диапазоны изменения определяющих параметров

Параметр Диапазон изменения, мм Закон

Заводской Предлагаемый

Разностенность облицовки 0 .0,25 0 0,1 Релея

Разностенность корпуса 0 0,25 0 0,1 Релея

Отклонение оси облицовки -0,15 0,15 -0,06 . 0,06 Гаусса

Отклонение оси детонатора -0,15 0,15 -0,06 0,06 Гаусса

Табл 3 Результаты расчетов

Пробитие Требования по чертежу Предлдгаемые

требования

Максимальное 30 2 31,0

Минимальное 14 1 24 2

Среднее 20 8 27,7

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Разработана математическая модель формирования кумулятивного ножа в процессе функционирования УКЗ, обладающего технологичесими погрешностями изготовления и сборки Модель позволяет учесть влияние определяющих конструктивных и технологических параметров на кривизну ножа и неравномерность распределения его осевой и боковой скоростей

2 Предложен вариант методики расчета пробивной способности УКЗ с учетом его технологических погрешностей.

3 Разработано и протестировано программно-методическое обеспечение, реализующее приведенные в работе математические модели и методики расчета Тестирование данного обеспечение

показало на высокую достоверность результатов (расхождение без учета технологических факторов составляет с опытными данными-10 12%, с известными методиками-3 5%) 4 С использованием разработанного программно-методического обеспечения исследовано функционирование УКЗ для резки стальных плит Выявлены резервы повышения его эффективности действия на 30 .40%

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

1 Ф X Шон Анализ конструкций удлиненных кумулятивных зарядов и методов их расчета П В сб Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов Изд-во ТулГУ, Тула, 2006 г, с. 169-172 (219 с)

2. Ф.Х.Шон.// Известия ТулГУ. Сер. Актуальные задачи механики. Вып.2. Тула: изд-во ТулГУ, 2006. С.39-43 (261 с)

3 В В Горбунов, О В Чукова, Ф X Шон Несимметричное схлопывание пластин в теории кумуляции // В сб. «XXI век глазами молодых ученых и специалистов» - Тула, ТулГУ. - 2007 г.

4 Ф X Шон Моделирование процесса функционирования УКЗ с учетом влияния технологических погрешностей// В сб. «XXI век глазами молодых ученых и специалистов» - Тула, ТулГУ. - 2007 г

5 Методика расчета удлиненного кумулятивного заряда с учетом технологических погрешностей Ф.Х Шон, В В Горбунов и др // Депонирование ВИНИТИ № 959-В2007 от 16.10 2007 - 14 с

Изд лиц Т1Р № 020300 от 12.02 97 Подписано в печать о/, ее Формат бумаги 60x84 1/16 Бумага офсетная Усл-печ л О, Уч-издл 0/ 9

Тираж ЮО, экз Заказ ох.

Тутьский государственный университет 300600, г Тула, пр Ленина,92

Отпечатано в редакционно-издательском центре Тульского государственного университета 300600, г Тула,пр Болдина,151

*

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 УДЛИНЕННЫЕ КУМУЛЯТИВНЫЕ ЗАРЯДЫ И МЕТОДЫ ИХ

РАСЧЕТА.

1.1 Общие сведения о кумулятивных зарядах.

1.2 Методы прогнозирования эффективности действия кумулятивных зарядов.

1.2.1 Методы экспериментальных исследований.

1.2.2 Теоретические методы расчета кумулятивных зарядов.

1.3 Особенности функционирования УКЗ.

1.4 Выводы по главе.

Глава 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА УНКЦИОНИРОВАНИЯ

2.1 Физическая модель процесса.

2.2 Моделирование несимметричного схлопывания пластин при косом соударении.

2.3 Расчет параметров кумулятивного ножа.

2.4 Расчет процесса проникания ножа в преграду.

2.5 Выводы по главе.

Глава 3 ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАСЧЕТОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УКЗ.

3.1 Общиие свдения о ПК УКЗ.

3.2 Тестирование ПК.

3.3 Выводы по главе.

Глава 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО УКЗ.

4.1 Анализ влияния конструктивных параметров.

4.2 Теоретический анализ влияния технологических факторов

4.3 Статистическое моделирование процесса функционирования УКЗ.

4.4 Выводы по главе.

В настоящее время в гражданской промышленности различных стран, в том числе Социалистической Республики Вьетнам находят широкое применение удлиненные кумулятивные заряды (УКЗ).

В классическом понимании УКЗ это заряд, имеющий удлиненную кумулятивную выемку, поперечное сечение которой может представлять собой угол, параболу, полуокружность [5, 30]. При подрыве подобного заряда формируется кумулятивный "нож", который разрезает преграду. Кумулятивная выемка в плане может быть прямоугольной, или криволинейной, например, полукруглой, и в соответствии с этим может формировать прямоугольный или криволинейный кумулятивный "нож".

Низкая стоимость, простота и технологичность их изготовления, легкость в применении, возможность получения реза со сложным профилем, возможность использования в труднодоступных местах (в частности при подводных работах) - вот далеко не полный перечень достоинств, присущих УКЗ. Все это позволило найти им применение во взрывных технологиях разрушения твердых массивов (горнодобывающая промышленность), при проведении монтажных и демонтажных работ в строительстве, в процессах утилизации военной техники и оборудования и во многих других отраслях промышленности. Отметим, что использование УКЗ не ограничивается «тяжелыми» отраслями. Миниатюрные УКЗ используются в таких точных и наукоемких отраслях как медицина, в авиастроении. УКЗ, изготовленные из детонирующих шнуров, применяются в космической технике.

Столь широкое применение УКЗ для решения народно-хозяйственных проблем не может остаться без подведения научной базы, описывающей процессы, протекающие при функционировании подобных зарядов. В первую очередь это связано с необходимостью снижения расходов на проведение натурных испытаний при разработке новых образцов УКЗ, что позволит реализовать один из важнейших критериев целесообразности разработки новых образцов техники, согласно которому затраты на разработку образца не должны превышать определенный уровень целесообразности создания и внедрения этой разработки.

Проблема сокращения объемов испытаний весьма актуальна и важна. Ее решение возможно, во-первых, путем строгого научного обоснования объема и норм по каждому виду испытаний без ущерба для качества изделий и без увеличения риска потребителя; во-вторых, путем внедрения методов математического и физического моделирования процессов, характеристики которых контролируются при проведении натурных испытаний.

Методы математического моделирования основных физических процессов функционирования УКЗ наряду с оценкой эффективности их действия и комплексным технико-экономическим анализом в настоящее время получили широкое развитие на предприятиях изготовителях.

В принципе, все процессы, протекающие при функционировании УКЗ можно разложить на следующие составляющие, характерные также и для осесимметричного кумулятивного заряда (ОКЗ) :

- инициирование и детонация заряда взрывчатого вещества (ВВ);

- взаимодействие продуктов детонации ВВ с материалом кумулятивной облицовки и формирование кумулятивного «ножа»;

- движение кумулятивного ножа на траектории;

- взаимодействие кумулятивного ножа с преградой.

Существующие математические модели (как численные, так и инженерные) в большинстве своем предназначены для расчета процессов функционирования ОКЗ. Между тем, осесимметричные и удлиненные заряды, несмотря на то, что в идеальном случае и те и другие описываются двумерной моделью, имеют между собой принципиальную разницу, не позволяющую использовать обобщенную модель. В первую очередь данная разница заключается в напряженно-деформированном состоянии материала облицовки, который при функционировании УКЗ находится не в объемном деформированном состоянии, а в плоском. Это приводит к значительному снижению скоростей формирующихся струй и их меньшему градиенту по длине. Кроме того, для УКЗ характерным является значительно большие, чем у ОКЗ метаемые массы и, как следствие, меньшие величины активных масс ВВ.

Таким образом, задача разработки моделей, описывающих функционирование УКЗ, является достаточно актуальной. В связи с этим сформулируем следующую цель работы: совершенствование средств проектирования и отработки удлиненных кумулятивных зарядов.

Достижение поставленной цели осуществляется путем решения следующих задач:

1. Разработка математических моделей, описывающих процессы, протекающие на различных этапах функционирования УКЗ с учетом влияния технологических несовершенств изготовления и сборки.

2. Разработка методики оценки пробивной способности УКЗ, основанной на предлагаемых математических моделях.

3. Разработка и тестирование программно-методического обеспечения для расчета процесса функционирования УКЗ.

4. Обоснование и выбор конструкций УКЗ, обеспечивающих заданные режимы функционирования.

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе работы рассмотрены типовые конструкции промышленных УКЗ, дано краткое описание их характеристик. Проведен обзор экспериментальных и теоретических методов прогнозирования эффективности действия удлиненных кумулятивных зарядов. Выявлены достоинства и недостатки данных методов. Подробно рассмотрены особенности расчета процесса функционирования УКЗ по сравнению с расчетом осесимметричных конструкций. Приведено описание существующей инженерной методики расчета УКЗ. Выявлены ее основные недостатки. В заключении сформулированы выводы о необходимости учета в имеющихся методиках расчета УКЗ влияния на процесс функционирования технологических несовершенств конструкции.

Во второй главе рассмотрены физическая и математическая модели процессов, протекающих при функционировании УКЗ.

При рассмотрении физической модели процесса выявлены основные этапы функционирования УКЗ - детонация заряда взрывчатого вещества, обжатие облицовки, формирование кумулятивного ножа, движение ножа на траектории и проникание ножа в преграду. Рассмотрены основные отличия в функционировании УКЗ от известных конструкций осесимметричных зарядов, заключающиеся в следующем.

Во первых, металл удлиненной облицовки в процессе движения к плоскости симметрии заряда не испытывает столь значительных радиальных деформаций, его интенсивное деформирование происходит только-в момент непосредственного схлопывания, что приводит к снижению градиента скорости по длине формирующегося кумулятивного ножа. Во вторых, в отличии от осесимметричных зарядов, для УКЗ характерны низкие значения активных масс ВВ, непосредственно участвующих в метании облицовки, что снижает скорость метания. В связи с данными обстоятельствами, сформированный кумулятивный нож обладает относительно низкой скоростью поступательного движения и малым градиентом скорости по оси. Кроме того, технология использования УКЗ обычно предполагает установку заряда в непосредственной близости от разрушаемой преграды с минимальными значениями фокусных расстояний. Все вышесказанное позволяет не учитывать в расчетах этап движения кумулятивного ножа на траектории, а ограничится введением следующего допущения: геометрические размеры и кинематические параметры кумулятивного ножа, полученные им в процессе формирования остаются неизменными до момента контакта с преградой.

В третьей главе работы приведено описание программного комплекса «УКЗ». Данный комплекс предназначен для моделирования процессов функционирования УКЗ в обычных условиях, что позволяет использовать его при моделировании образования кумулятивного ножа, его движения на траектории и его эффективности (действия по преграде).

Для оценки правильности получаемых с использованием ПК УКЗ результатов было проведено его комплексное тестирование. При этом полученные результаты сравнивались как с экспериментальными данными, так и с численными расчетами, проведенными другими авторами.

Четвертая глава работы посвящена практическим аспектам использования разработанных моделей и методик. При этом проводился анализ УКЗ, показанного на рис.6. Данный заряд разработан в СР Вьетнам и предназначен для разрезания листовых конструкций из легированной стали толщиной до 30 мм в процессе демонтажа портовых сооружений (г. Бак Данг). В процессе отработки данного заряда выяснилось, что глубина реза при действии рассматриваемого УКЗ по монолитной преграде не превышает 20 мм, что недопустимо мало. Именно это послужило причиной исследования данного УКЗ.

Результаты работы докладывались на всероссийской научно-практической конференции «Проектирование систем и комплексов» (г.Тула, 2006 г), всероссийской научно-технической конференции «XXI век глазами молодых ученых и специалистов» (г.Тула, 2007 г), научных семинарах кафедры «Газовая динамика» (ТулГУ, 2006-2007 г.). По результатам выполненных исследований опубликовано 5 работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, подводя итог, по результатам работы можно сделать следующие выводы.

1. Разработана математическая модель формирования кумулятивного ножа в процессе функционирования УКЗ, обладающего техно-логичесими погрешностями изготовления и сборки. Модель позволяет учесть влияние определяющих конструктивных и технологических параметров на кривизну ножа и неравномерность распределения его осевой и боковой скоростей.

2. Предложен вариант методики расчета пробивной способности УКЗ с учетом его технологических погрешностей. I

3. Разработано и протестировано программно-методическое обеспечение, реализующее приведенные в работе математические модели и методики расчета. Тестирование данного обеспечение показало на высокую достоверность результатов (расхождение без учета технологических факторов составляет: с опытными данными -10. 12%, с известными методиками — 3. .5%).

4. С использованием разработанного программно-методического обеспечения исследовано функционирование УКЗ для резки стальных плит. Выявлены резервы повышения его эффективности действия на 30. .40%.

Разработанная в данной работе методика расчета пробивной способности УКЗ внедрена и широко используется на предприятиях горного и строительного министерства Социалистической Республики Вьетнам, а также в качестве обучающей системы технического университета им. Ле Куй Дона (г. Ханой, СРВ).

1. Акимов A.A. Алгоритм расчета конечными элементами формирования компактного элемента и его взаимодействия с преградой // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов. Вып.З. Тула, 2003, с.272-278.

2. Андреев К.К., Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. -М.:Оборонгиз, 1960, -595 с.

3. Афанасьев Г.Т., Боболев В.К. Инициирование твердых взрывчатых веществ ударом. М.: Наука, 1968. - 174 с.

4. Бабкин A.B., Ладов C.B. и др. Закономерности растяжения и пластического разрушения металлических кумулятивных струй // Прикладная механика и техническая физика. 1999. - Т.40, №4. С.25-35.

5. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. М.: Гос. изд-во физ-мат. лит-ры, 1959. - 800 с.

6. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1962. - 392 с.

7. Ветров В.В., Клочков В.Д. и др. Методы и средства измерения экспериментальной баллистики. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. 320 с.

8. Возневич Э. Delphi. Освой самостоятельно. Пер. с агнл. — М.: Восточная книжная компания, 1996. — 736 с.

9. Воротилин М.С., Дорофеев C.B. и др. Вопросы моделирования и конструирования кумулятивных зарядов. Учебное пособие. Тула. 1999. 245 с.

10. П.Воротилин М.С., Сазонов Д.Ю. Методика проектирования кумулятивных зарядов с учетом влияния технологических факторов // Прикладные задачи механики и газодинамики: Сб.научных трудов. Тула, 1995. С.110-116.

11. Воротилин М.С., Сазонов Д.Ю. Методика проектирования кумулятивных зарядов с учетом влияния технологических факторов // Прикладные задачи механики и газодинамики: Сб.научных трудов. Тула, 1995. С.110-116.

12. Горст А.Г. Пороха и взрывчатые вещества. М: Машиностроение, -1972.-208 с.

13. Давыдов Ю.М. Численное экспериментирование методом «крупных частиц» (теоретические основы численного эксперимента и его реализации).—В сб.: Прямое численное моделирование течений газа.—М.: ВЦ АН СССР, 1978, с. 65-95.

14. Дорофеев C.B. Термодинамическая модель формирования кумулятивной струи. М., 1995. 33 с. - Деп. в ВИНИТИ 04.08.95, №2385-В95.

15. Дорофеев C.B., Сазонов Д.Ю., Чуков А.Н. Высокоскоростное деформирование кольцевых заготовок // Изв. ТулГУ Сер. Информатика. Механика. Математика. — 1995. — Т.1., вып. 2. — С. 47-51.

16. Дубовик «Фоторегистрация быстропротекающих процессов», М., «Наука», 1980.

17. Зельдович Я.Б., Компанеец A.C. Теория детонации. -М.: Гостехиздат, 1955-268 с.

18. Златина H.A., Мишина Г.И. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях / Под ред. М.: Наука, 1974.

19. Илькаев Р.И., Софронов И.Д. и др. Математическое моделирование кумуляции. Материалы международного семинары «Фундаментальные проблемы кумуляции»., Санкт-Петербург., 1997.

20. Кикоина И.К. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

21. Кинеловский С.А., Тришин Ю.А. Физические аспекты кумуляции. // Физика горения и взрыва. 1980 -т. 16, №5. -С.26-40.

22. Киселев А.Б. Математическое моделирование динамического деформирования и комбинированного микроразрушения термоупруговязкопласти-ческой среды // Вестн. МГУ. Сер. 1. Матем. Механ. 1998. №6.

23. Киселев А.Б., Нехаева О.В. Численное моделирование динамического деформирования и разрушения толстостенной сферической оболочки // Вестн. МГУ. Сер. 1. Матем. Механ. 2004. №5.

24. Колмаков А.И., Ладов C.B., Силаев В.И. Влияние технологии изготовления, структуры и механических свойств облицовок на эффективность работы перфораторов / В сборнике: Научные труды МВТУ // М.: МВТУ, 1980, №340. С.27-35.

25. Колпаков В.И., Ладов C.B., Орленко Л.П. Расчет проникания высокоскоростного деформируемого тела в воду / В сборнике: Научные труды МГТУ //М.: МГТУ, 1992, -№557.- С.59-73.

26. Колпаков В.И., Ладов C.B., Рубцов A.A. Математическое моделирование функционирования кумулятивных зарядов. М.: Изд-во МГТУ, 1988

27. Колпаков В.И., Ладов C.B., Федоров C.B. Расчет формирования кумулятивного "ножа" удлиненного заряда с клиновидной выемкой // Оборонная техника. -1995. №1. - С.24-29.

28. Кунц К. Численный анализ. Киев: Техника, 1964 г. 452 с.

29. Лаврентьев М.А. Кумулятивный заряд и принципы его работы // Успехи математических наук. 1957. - т. 12. - Выпуск 4(76). - С.41-56.

30. Лаврентьев М.А. Основы теории кумулятивных зарядов и их бронебойного действия // Известия Артиллерийской академии. 1948.- т.56.-С.46-91.

31. Ладов C.B., Кобылкин И.Ф. Использование кумулятивных зарядов во взрывных технологиях. / Учебное пособие // М.: МГТУ, 1995. 47 с.

32. Ладов C.B., Силаева В.И. Влияние технологии изготовления, структуры и механических свойств облицовок на эффективность работы перфораторов / В сб. Вопросы физики взрыва и удара. Труды МВТУ № 340. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1980.

33. Майер В.В. Кумулятивный эффект в простых опытах. М.: Наука, 1989.-190 с.

34. Мейдер. Численное моделирование детонации. М., Мир, 1985, 384с.

35. Митрофанов В.В. Теория детонации: Учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГУ, 1982.-91 с.

36. Новацкий В. К. Волновые задачи теории пластичности. М.: Мир, 1978,- 307 с.

37. Орленко Л.П. Поведение материалов при интенсивных динамических нагрузках. М.: Машиностроение, 1964. - 166 с.

38. Орленко Л.П. Прикладная газодинамика, часть IV / Учебное пособие // М.: МВТУ, 1977. 49 с.

39. Орленко Л.П. Физика взрыва // Под ред. Изд. 3-е, переработанное. - В 2 т. Т.2 - М. : ФИЗМАТ ЛИТ, 2002 - 656 с.

40. Орленко Л.П. Физика взрыва // Под ред. Изд. 3-е, переработанное. -В 2 т. Т.1 -М.:ФИЗМАТЛИТ, 2002 - 832 с.

41. Орленко Л.П., Бабкин A.B., Колпаков В.И. Задачи прикладной газодинамики. Результаты численного решения / Учебное пособие // М.: МВТУ, 1988- 104 с.

42. Покровский Г.И. Взрыв. М.: Недра, 1980.

43. Поликарпов Ю.Н. и др. Векторная методика анализа влияния технологических отклонений от осесимметричности в кумулятивном заряде на его пробивное действие.// В сб. «Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России». 1999. - №3. - С.3-11.

44. Р.В.Хемминг. Численные методы для научных работников и инженеров. М.: Физматлит, 1972. 400 с.

45. Рахматулин X. А., Демьянов Ю. А. Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках. М.: ФМ, 1961.-400 с.

46. Справочник по машиностроительным материалам. Под ред. Г.И.Погодина-Алексеева. Т.1. М.:Машгиз. 1959.

47. Титов В.М. Возможные режимы гидродинамической кумуляции при схлопывании облицовки. // Доклады АН СССР. 1979. — Т.247, №5 -С.1082-1084.

48. Уилкинс М. JI. Расчет упруго-пластических течений. В кн. Вычислительные методы в гидродинамике. М.: Мир, 1967, с 212-263. ,

49. Филаретов Г.В. Планирование эксперимента. — М.: Наука, 1987.— 260 с.

50. Фомин В.М., Гулидов А.И. и др. Высокоскоростное взаимодействие тел. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999.

51. Фортова В.Е. и др. Ударные волны и экстремальные состояния вещества // Под ред. М.: Наука. - 425 с. - 2000.

52. Held М. and Fischer R. Penetration Theory for Inclined and Moving Shaped Charges. Propellants, Explosives, Pyrotechnics 11, 115-122(1986).

53. Held M. The Orthogonal Synchro Streak Technique as Diagnostic Tool, par-ticulary for Shaped Charge Jets, Propellants, Explosives, Pyrotechnics 11, 170- 175, 1986.

54. Lucy L. AJ, 83:1013, 1977.

55. Monaghan J. J. Smoothed particle hydrodynamics, Annu. Rev. Astronom. Astrophys. 30 (1992) 543.

56. Monaghan J.J., Gingold R.A. Shock simulation by the particle method SPH. Journal of Computational Physics, Vol. 52, pp. 374-389, 1983.

57. Svirsky O.V., Kovalev N.P., Klopov B.A., Bashurov V.V. and Krutyakov V.A. The Shaped Charge Jet Interaction with Finite Thickness Targets, International Journal of Impact Engineering 26 (2001)/ p. 735-744.