автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Повышение безопасности взрывной резки металла в чрезвычайных ситуациях на основе минимизации действия взрыва и флегматизации химических составов взрывчатых веществ

На правах рукописи.

ЧАН Ван Зоань

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ВЗРЫВНОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛА В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ НА ОСНОВЕ МИНИМИЗАЦИИ ДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВА И ФЛЕГМАТИЗАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ СОСТАВОВ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

Специальность 05.26.02 - Безопасность в чрезвычайных ситуациях

(химическая технология).

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф Устинова.

Научный руководитель'

доктор технических наук, профессор, Михайлов Николай Павлович.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор, Афанасьев Александр Сергеевич Кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

Бригадин Иван Владимирович Федеральное государственное унитарное предприятие СКТБ "Технолог" СПб

Ведущее предприятие:

Защита состоится " 30 " июня 2006 г. в 12 чассов, ауд. 61 на заседании диссертационного совета Д 212.230.11 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)».

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26, ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомится в фундаментальной библиотеке института.

Автореферат разослан" Я * июня 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Д 212.230.11

Е. М. Озерова

2_ООС IV

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы В последние годы во всем мире большое внимание уделяется безопасной ликвидации последствий природных и техногенных катастроф, вооруженных конфликтов и террористических актов. Одной из сложных задач является безопасная резка и обрушение аварийных металлоконструкций, в том числе с остатками взрыво- и пожароопасных материалов, в условиях исключающих непосредственное присутствие человека Не решенной проблемой является подводная резка конструкций и резка радиоактивного металла Перечисленные условия характеризуются как чрезвычайные ситуации.

Практика показала, что в чрезвычайных ситуациях метод резки металла взрывом во многих случаях является единственно возможным Одним из средств этого метода являются линейные кумулятивные заряды, позволяющие без риска для человека производить обрушение потенциально опасных конструкций и сооружений Как показал опыт Министерства чрезвычайных ситуаций России, при обрушении крупногабаритных объектов конструкций с толщиной металла порядка десятков миллиметров масса кумулятивных зарядов достигает значительных величин, при которых требуется применение специальных, дорогостоящих методов защиты окружающих объектов от действия осколков и ударных волн взрыва В этой связи практическая задача локализации действия взрыва и минимизации массы заряда для резки и обрушения металлоконструкций на основе гибкого управления ударно-волновыми процессами является актуальной, как для России, так и для Вьетнама.

Цель работы: повышение безопасности работ при утилизации взрывом металлоконструкций в чрезвычайных ситуациях.

Задачи исследования:

1. Разработка алгоритма и программы математического моделирования процессов нагружения контактным взрывом материалов с полиморфными фазовыми переходами.

2. Численное и экспериментальное исследование процесса резки стали ударно-волновыми зарядами и определение их оптимальных параметров на основе минимизации действия взрыва на окружающие объекты

3. Разработка методики инженерных расчетов ударно-волновых зарядов (УВЗ) для резки стального проката в процессе утилизации металлоконструкций.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

4. Оценка возможности применения флегматизированных взрывчатых веществ (ВВ) для ударно-волновой резки металла

5 Исследования защиты окружающих объектов от фугасного действия взрыва на основе комплексного применения инерционных оболочек и газовых экранов

Методы исследования.

В диссертационной работе использованы аналитические расчеты, методы математического моделирования на ЭВМ, методы экспериментальных исследований.

На защиту выносятся 1 математическая модель и численный метод моделирования процессов нагру-жения взрывом материалов с фазовыми переходами, учитывающая двумерный разлет продуктов детонации и температуру окружающей среды;

2. результаты математического и численного моделирования ударно-волновых процессов и разрушений в стали при контактном взрыве зарядах П-образной формы;

3. результаты экспериментальных исследований резки стального проката ударными волнами;

4 методика инженерных расчетов оптимальных параметров ударно-волновых

зарядов для резки металла с целью утилизации; 5. результаты исследования локализации фугасного действия взрыва многослойными экранами с чередующимися слоями газообразных и конденсированных сред.

Достоверность результатов исследований обусловлена корректной постановкой задач, применением математически обоснованных методов их решения, сравнением полученных результатов с опубликованными и экспериментальными данными.

Научная новизна работы.

1 Разработана и обоснована математическая модель и численный метод исследования процессов нагружения взрывом материалов с фазовыми переходами, учитывающая двумерный разлет продуктов детонации и температуру материалов.

2. Уточнена физическая картина и механизм разрушения стальных преград при различных режимах столкновения ударных волн.

3 Определены изменения параметров ударных волн на границах слоев газов и конденсированных сред существенно отличающихся по акустической жесткости.

Практическая ценность работы Состоит в обосновании рекомендаций по взрывной резке металла, обеспечивающих значительное снижение расхода ВВ и фугасного действия взрыва на окружающие объекты, а также возможность использования флегматизированных ВВ на основе гексогена, в том числе конверсионных, с низкой чувствительностью к внешним воздействиям, что значительно повышает безопасность взрывных работ.

Апробация работы Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

- VII всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности», Санкг Петербург, 2004 г.,

- VI международной научно-технической конференции «Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов», Москва, 2005 г,

- XXXIII научно-технической конференции МГТУ им. Баумана «Проектирование систем», Москва, 2006 г.

Публикации' По материалам диссертационной работы опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Диссертация изложена на 134 страницах, содержит 54 рисунка, 31 таблицу, список литературы из 40 источников, 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели работы, представлены основные научные положения, составляющие предмет работы

Первая глава посвящена обзору методов утилизации металла в металлургической промышленности. Основное внимание уделено, особенностям взрывных методов резки металла в чрезвычайных ситуациях.

Рассмотрено направление повышения безопасности при утилизации металлоконструкций на основе минимизации зарядов и фугасного действий взрыва на окружающие объекты.

В качестве критерия энергоемкости разрушения металла принят расход взрывчатого вещества на единицу площади поперечного сечения металла (удельный расход ВВ - q, г/см2).

Вторая глава посвящена моделированию процесса резки контактным взрывом твердой среды, в частности, способной претерпевать полиморфные фазовые переходы.

, . ГтЬ

X 1

х

Рис.1 Схема резки металлов ударно-волновом зарядом 1- Материал (металл), 2- ударно-волновой заряд (УЗВ), 3- взрывчатое вещество (ВВ), 4- сердечник, 5- детонатор

Для вычисления динамических параметров в материале 1 (рис.1) решение трехмерной задачи, сведено к решению двух двумерных задач Первая задача -описание взрыва и вычисление давления на поверхность материала Вторая -моделирование волновых процессов в материале в результате взрыва для получения величин динамических параметров материала (рис 2)

Рис. 2. Схемы расчета двумерных задач а)- задача расчета взрывчатого нагружения 6)- задача расчета динамических параметров материала 1-Материал; 2-ВВ; 3- Продукты детонации (ПД); 4- расчетная область

Математическая модель динамического нагружения материала создана на основе системы уравнений баланса массы, импульса и энергии для течения сжимаемой невяз-

кой ходкости, которая замыкается зависимостью давления фазового перехода сгт температуры и уравнениями состояния р = (р, Т) для разных фаз.

Основные двумерные уравнения в декартовой системе координат ХОУ, в традиционных обозначениях для плотности р, давления р и проекций скорости и и V имеют матричный вид:

dt dx dy

(1)

[V f ^ I ' Р* Л

где Q = ри ; Ф)= ри2+р puv

puv +Р

е - полная энергия, представляющая собой сумму внутренней и кинетической энергии:

(2)

Уравнения (1) и (2) представлены в безразмерной форме с помощью масштабных коэффициентов длины, скорости, времени, давления и плотности соответственно Lu,Uu,tH,p„,pH. Коэффициенты Lu,U„,pM являются независимыми, а

величины t„ и р„ находятся из выражений:

=тг~< P»=P* Ul-

ии

Уравнение внутренней энергии и уравнение состояния используются в виде: s(p,T)= £„{р)+ ет{р,Т)

р(р,Т) = рх(р)+ру(р)СуТ. (3)

где с* - удельная теплоемкость, Г-температура j{p) - коэффициент Грюнайзена

Ро

(4)

Для железа условие фазового перехода

Р < Рфп (7*) ~ железо в а-фазе

Р > Рфп(т) • железо в е-фазе.

Зависимость рхатр имеет вид

р* = 4

Ро

Hi)"'

-К

Ро)

(5)

где А, Ь, К- константы для каждой фазы.

При фазовом переходе рх = Рхфп =const Давление фазового перехода рхфл зависит от начальной температуры образца 70:

Рхфп

Гр аничные условия:

• Давление на свободной поверхности равно давлению внешней среды:

р=ра=0,1 МПа;

• Давление на нагружаемой поверхности моделируется, р = p(t,y).

• Скорость на плоскости симметрии в направлении оси ОУ равна нолю:

Начальные условия: В момент i=0 во всей расчетной области задаются невозмущенные значения плотности и внутренней энергии.

При учете нарушения сплошности среды Использован мгновенный критерий разрушения

Р<РС- (6)

где рс - динамическая прочность материала

Математическая модель взрывного нагружения реализована для двух схем на рис.3 (без сердечника и с сердечником).

(В

Рис. 3. Схемы расчета взрывного нагружения 1- Материал; 2- заряд конденсированного ВВ; 3- ПД; 4- сердечник; 5 -расчетная область; © - скорость детонации ВВ; Н,Л - высота слоя ВВ и сердечника.

Для материала основные двумерные уравнения имеют вид (1) и (2) В этих уравнениях параметры р, р, и, V, для продуктов детонации (ПД) заменяются на рг, Рг, иг, у г, для сердечника - на рз, рз, из, уз, Уравнение состояния для ПД имеет вид-

Рг = а-Р2 (7)

где А, к- постоянные взрывчатого вещества Уравнение состояния для сердечника рз = рз(рз) Гоаничные условия.

• Давление и скорость на границе материала и ПД

Р = Рг, и = иг

• При наличии сердечника условия на контактных поверхностях:

р = рз, и = из на поверхности образец-сердечник Рз = Рг из = иг на поверхности сердечник- ПД

• Фронт детонационной волны движется с постоянной скоростью Ф, и параметры ДП на этом фронте принимаются равными параметрам Чепмена-Жуге Задача о динамичном нагружении образца материала, способного испытывать

фазовые превращения, имеет характерные особенности, выдвигающие ряд требований к методу моделирования. Поэтому использован численный метод конечных объемов и характеристическая ТЛ/О-схема решения Хартена повышенного порядка аппроксимации, где эйлерово-лагранжев численный алгоритм, дополнен этапом лагранжевого перестроения треугольной сетки.

Установлено, что данный численный метод позволяет получить результаты, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными по описанию ударной волны в железе Вычисления с помощью предлагаемого алгоритма требуют большого объема вычислительных ресурсов, и такие расчеты могут выполняться только на мощных компьютерах в вычислительных центрах

При расчете на персональном компьютере использована гипотеза о «неизменности координат нагружаемой поверхности», тогда реализуется только этап Эйлера и задача решается в структурированной треугольной сетке Это решение заведомо содержит ошибку задания координат граничных условий. Однако в работе показано, что для случая контактного взрыва погрешность вычислений не превышает 2%, использование алгоритма без этапа Лагранжа уменьшает до 14 раз объем расчетов.

В третьей главе определена функция нагружения р(?,у), сформулирован критерий разрушения, оптимизированы параметры зарядов, приведена методика инже-

нерных расчетов параметров зарядов, проанализировано влияние параметров УВЗ на процесс резки металла.

Определение функции нагружения

Численный расчет по схеме на рис За показал, что на расстояниях более четырех толщин однородного слоя ВВ (4Н) от точки инициирования, начальное давление ПД на поверхности образца может быть вычислено по следующим формулам

-I

р((,Н) = Р0-е "

или

Р0е

при ? < гфП

. t 1фп .

—ь'н-н*

(8) (9)

Рфп е ' " " . при t>tф„ где Ро - начальное давление взрыва (в момент времени <=0) ан,ан^,ан7,1фп - постоянные, определяемые из результатов численного расчета.

Формула (9) описывает нагружение материалов с фазовым переходом Численным расчетом по схеме (рис 36) определена функция промежутка замедления распространения ударной волны в слое сердечника Л(пр

7

ее

,а± » +1

(10)

где а, Д ?}- постоянные, определяемые по результатам численного расчета Нагружение, создаваемое ударно-волновым зарядом (рис 1) на поверхности образца железа, имеет вид'

Р('.У) =

0,

при \у\<- и Г < Мп1

р(*-Д*яр,Н-Л), при \у\<- и I >

Р&Н),

при

(Ц)

р(1,Н)хЦу, 0, пР«\у\>^-Н

ЦуЛ)- функция, учитывающая разлет ПД с боковых поверхностей УВЗ

-2.513%у+Н~)<

ЧуЛ) = е н 2

Критерий разрушения

Анализ образцов разрезанных взрывом, и волновых картин, полученных численным моделированием, позволил выделить три характерные области разрушения металла (<$, <%) (рис. 4).

Рис. 4. Процесс разрушения материала под действием УВЗ. (моделирование)

Области & и ¿5 разрушаются по критерию нарушения сплошности среды Область & разрушается под действием ударной волной разгрузки на оси симметрии заряда после нерегулярного столкновения косых ударных волн (УВ), а область ¿з разрушается УВ разрежения, отраженной от свободной поверхности Нагружение области <5) сопровождается сдвиговыми деформациями металла в процессе регулярного столкновения УВ с образованием микродефектов, уменьшающих прочность при последующих квазистатических деформациях. Разрушение области А происходит на последнем этапа в результате пластического изгиба краев разреза преграды, являющегося наиболее энергоемкой частью процесса.

Протяженность Л, зависит от времени действия взрыва, величины нагружения и других параметров. Условие разрушения части <5| сформулировано в виде

тт(<5,0 £ 3 (13)

где д определяется по результатам эксперимента, время образования

С целью определения оптимальных параметров используем доверительный коэффициент резки <р

В рамках диссертационной работы для каждой пары материала и ВВ предел разрушения д определен в виде функции

9 = 9(<7) (15)

В (13) . (15) параметры находятся в виде безразмерных значений

Схема оптимизации параметров зарядов Исходные данные'

• параметры ВВ: скорость детонации Ф, плотность рвв;

• динамическая прочность материала рс;

• результаты эксперимента. Этапы расчета

1. определение функций рЦ,Н) и Мпр;

2 определение функции предела разрушения д{ц) (из эксперимента);

£

3. расчет параметров зарядов д, /), Ь и —;

Нахождение функции g{q) выполнено в основе анализа разрезанных образцов. Для каждого эксперимента с разрезанным образцом толщиной S составляется ряд вариантов резки образцов толщиной Д <8 тем же зарядом. Для этих вариантов получают пары значений (min(<S f),q) численным расчетом. Функция g(q) определена отношением g(q) > min^f) для всех данных пар (min(<5|.t),q)

g

Расчеты выполнены при варьировании величинами q, h, b и — .В результате

Н

определены зависимости qmn(<5) и h=h(S) (при g=qwi) Учитывая не идеальность условия резки для практических расчетов удельный расхода ВВ q определится в виде (рис.5).

Q = (16)

где к - коэффициент, зависящий от качестве изготовления зарядов и подготовки контакта заряда с поверхностью материала, и др.

Рис.5 Диаграммы д(<9 для резки стали Ст-3 1- 9пип(<9 по расчету; 2-q=kqmn

На основе зависимости д(<5) и Л=/?(<5) расчеты выполнены при варьировании

парами (Ь,—) для других величин д. В результате определены зависимости Ь(3) Н

£

и — (<5) условием максимального коэффициента <р.

Инженерные формы для расчета параметров зарядов могут бьггь получены либо для каждой пары ВВ- материал или для всех ВВ и материалов (тогда учитываются величины параметров ВВ и динамическая прочность материала рс).

На номограмме (рис 6) представлены оптимальные значения параметров зарядов УВЗ для стали Ст-3 и ВВ (® = 7800м/с, рвв= 1,6 г/см3) с коэффициентом резки <р = 1,18...1,35. <7 - удельный расход ВВ заряда с прямоугольным сечением

б ь

1- линия--5 ; 2- линия — 6 ; 3- линия Л - 5; 4- линия ц - б; 5- линия дэ - 5 .

Н 6

И 2 1 Я

1- ВВ;

2- сердечник-линза

Рис. 7. Рациональное сечение УВЗ 14

Четвертая глава посвящена методам локализации действия взрыва УВЗ. В аналитическом обзоре выделены три группы методов локализации действия взрыва* применение защитной оболочки, применение экранов и использование промежуточной среды Выбраны следующие два методы первый метод - создание легкой газовой среды вокруг заряда при взрыве в воздухе или в воде, а второй - применение контактной защитной оболочки при взрыве в воздухе

Выпольнены расчеты начальных параметров ударных волн в воздухе и в воде для среды вокруг заряда из разных газов (рис 8-9).

1001

Тротил Тетрил Гексоген Тэн Окгоген ТИП вв

Рис. 8. Диаграмма начальных давлений ударных волн в воздухе для разных газовых сред вокруг заряда

Окгоген

Рис. 9 Диаграмма начальных давлений ударных волн в воде для разных газовых сред вокруг заряда

При взрыве заряда в металлической оболочке, с одной стороны, возрастает активная масса заряда, а с другой - увеличивается расход энергии на метание и разрушение оболочки и, следовательно, уменьшаются амплитуда давления и импульс положительной фазы сжатия / УВ Влияние оболочки на эффективность

заряды учитывается зависимостью G30/G = у(Р), где р - G/M ; M, G - масса оболочки и заряда ВВ; Gso -эквивалентная масса заряда

2 Ф з 4

Рис. 10 Схема расчета нагружения образца при взрыве в оболочке 1- образец, 2- ВВ, 3- ПД; 4 - оболочка; 5 -Расчетная область

Кроме того, при существовании контактной оболочки нагружение материала увеличивается, а это значит, что можно уменьшать удельный расход ВВ В этом случае уменьшение удельный расход ВВ является необходимостью, чтобы обеспечивать нет откола. Нагружение образца при взрыве в оболочке рассчитано по схеме, представленной на рис. 10.

я

Нов H

Рис 11. Зависимость уменьшения удельного расхода ВВ от толщины стальной оболочки заряда

Результаты численного расчета проиллюстрировали зависимость уменьшения

удельного расхода ВВ от отношения при обеспечивании устойчивой резки

Н

образцов (рис. 11).

выводы

Основные выводы диссертационной работы состоят в следующем'

1 В результате численных экспериментов получены подробные картины ударно-волновых процессов в металле с полиморфным фазовым переходом а е при синхронной детонации параллельных зарядов на поверхности образца конечной толщины. Максимальный уровень начальных давлений косых волн при контактном взрыве ленточного заряда достигается на расстоянии четырех толщин заряда (4Н) от точки инициирования, при скоростях детонации превышающих скорость звука в металле Установлено, что наличие низкоплотной «линзы» на поверхности металла в центре заряда приводит к образованию системы сходящихся косых волн, которые могут взаимодействовать на плоскости симметрии заряда в режиме регулярного, а затем - нерегулярного отражения.

2. Предложен и экспериментально обоснован возможный механизм разрушения плоской преграды взрывом УВЗ, состоящий из ряда последовательных фаз

а) В результате регулярного столкновения волн у поверхности нагружения, металл подвергается всестороннему сжатию со значительными сдвиговыми деформациями и образованием системы микродефектов существенно понижающих прочность металла.

б) При нерегулярном столкновении волн в области разгрузки формируется напряженное состояние с растягивающими напряжениями, которые инициируют и поддерживают развитие плоской (магистральной) трещины по линии наименьшего сопротивления преграды.

в) Отражение головной волны от свободной поверхности приводит к разрушению металла вблизи свободной поверхности по механизму множественного откола.

г) Разделение металла в области регулярного столкновения волн происходит на последнем этапе в результате локального пластического изгиба преграды в окрестностях линии наименьшего сопротивления преграды.

3 Снижение энергоемкости резки сталей на основе а-железа обеспечивается при начальных давлениях косых волн р > 1,45рфп , что объясняется влиянием

«ударных» волн разгрузки на процесс разрушения металла. Этим условием удовлетворяют флегматизированные пластичные ВВ с плотностью /вв21,4г/см3 и скоростью детонации <о ¿7000м/с.

4 На основании аналитического расчета и экспериментальных исследований получено оптимальное отношение размеров прямоугольного сечения УВЗ

— = 2,5...3,0, и предложена эллипсовидная форма сечения УВЗ позволяющая Н

дополнительно уменьшить удельный расход ВВ на (15 20)%. Применение металлической оболочки УВЗ массой (4. .8)6, дополнительно уменьшает удельный расход ВВ на 21 ..25%.

5 Резка конструкций УВЗ обеспечила снижение удельного расхода ВВ в 3,5.. 4,5 раза по сравнению со шнуровыми кумулятивными зарядами

6 На основе статистической обработки результатов численных и физических экспериментов предложена методика инженерных расчетов параметров ударно-волновой резки углеродистой стали

7. Аналитическими расчетами установлено, что создание вокруг заряда оболочки из гелия или водорода понижает максимальное начальное давление УВ в воздухе в ~3 раз и в ~4 раз соответственно

Начальная амплитуда давления в воде уменьшается 50 раз при использовании промежуточной среды из воздуха. Если воздух заменяется гелием, амплитуда давления в воде уменьшается еще в 6 раз, а водородом в 10 раз.

При увеличении скорости детонации ВВ эффективность гашения УВ легкими газами возрастает.

8 Предложена конструкция многослойных экранов состоящих из массивной оболочки заряда из высокоплотного материала и внешней эластичной оболочки, формирующей объем заполненный гелием. При подводной резке металла в качестве газового демпфера может так же использоваться водород или воздух.

9. На основании анализа детонационных свойств и химических составов ВВ рекомендовано использовать конверсионные ВВ, извлекаемые из боеприпасов с истекшим сроком хранения и не находящих применения в промышленности Это позволит разгрузить военные арсеналы, снизить риск техногенных катастроф и существенно улучшить экологическую обстановку в регионах расположения военных частей и арсеналов.

10. Разработанные параметры УВЗ и методика их расчета апробированы при резке металла в ряде чрезвычайных ситуаций и могут эффективно использоваться для резки радиоактивного оборудования и конструкций атомных электростанций.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Михайлов Н. П , Чижова-Ноткина Е. А , Чан Ван Зоань, Сауткин А Н Взаимодействие ударных волн в процессах резки металла контактным взрывом «Вопросы оборонной техники», Москва 2004, серия 16, выпуск 3-4, стр. 51-53

2. Чан Ван Зоань. Резка металла контактным взрывом «Актуальные вопросы ракетно-космической техники и технологий»- Сб. трудов студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых БГТУ СПб 2005. Выпуск 3. Стр. 125-126.

3. Чан Ван Зоань Численное моделирование процессов ударно-волнового на-гружения материалов с полиморфными фазовыми переходами. «Актуальные вопросы ракетно-космической техники и технологий»: Сб трудов студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых БГТУ СПб 2005 Выпуск 3. Стр. 127-128.

4. Михайлов Н П., Чижова-Ноткина Е. А., Чан Ван Зоань. Столкновение ударных волн в процессах резки металла накладными зарядами VI Международная НТК «Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов». Г Красноармейск, 2005 г. Сгр Ш-ЫЬ

5. Михайлов Н. П., Чан Ван Зоань. Резка металла ударными волнами. «Записки горного института Экология и рациональное природопользование» СПб 2005. Том 166. Стр. 61-62.

6. Чан Ван Зоань Нагружение материалов с фазовыми переходами контактным взрывом зарядов «Актуальные вопросы ракетно-космической техники и технологий»: Сб трудов студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых БГТУ. СПб. 2006. Выпуск 4. Стр. 117-119.

7. Чан Ван Зоань Моделирование резки металлов ударно-волновыми зарядами. «Актуальные вопросы ракетно-космической техники и технологий»: Сб. трудов студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых БГТУ. СПб 2006. Выпуск 4. Стр. 120-122.

Подписано в печать 2,. 06- , Формат 60x84/16. Бумага документная. Печать трафаретная Уч.-изд л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № т.

Балтийский государственный технический университет Типография БГТУ 190005, г Санкт-Петербург, ул. 1-ая Красноармейская, д.1

Введение.

1. Обзор состояния вопроса по резке конструкций в процессах утилизации металла.

1.1. Резка металла в процессах утилизации конструкций и в чрезвычайных ситуациях.

1.2. Действия взрыва на окружающие объекты.

1.2.1 .Фугасное действие.

1.2.2. Осколочное действие.

1.3. Методы резки взрывом металлоконструкций.

1.3.1. Кумулятивная резка металла.

1.3.2. Резка металла контактным взрывом.

Выводы.

2. Моделирование процесса резания металлов ударно-волновым методом.

2.1. Схема расчета резки металлов взрывом.

2.2. Математические модели.

2.2.1. Математическая модель динамического нагружения материала.

2.2.2 Математическая модель взрывного нагружения.

2.3. Численный метод.

2.3.1. Эйлеров этап.

2.3.2. Лагранжев этап.

2.3.3. Устойчивость.

2.3.4. Реализация граничных условий на поверхностях.

2.4. Приближенный численный метод решения на персональном компьютере.

2.4.1 Дополнительная гипотеза.

2.4.2 Одномерная задача.

2.4.3 Результаты расчета по одномерной задаче.

Выводы.

3. Оптимизация параметров ударно-волновых зарядов с целью снижения воздействия взрыва на окружающие объекты. ф 3.1. Нагружение железного образца.

3.1.1.Функция нагружения ленточных зарядов.

3.1.2. Нагружение, создаваемое ленточными зарядами.

3.1.3. Нагружение, создаваемое ударно-волновым зарядом.

3.2. Исследование процесса резки металла контактным взрывом.

3.3. Влияние параметров УВЗ на процесс резки железа.

3.3.1. Параметры сечения зарядов.

3.3.2. Параметры сердечника.

3.3.3. Параметры взрывчатых веществ.

3.4. Расчет оптимальных параметров УВЗ.

3.4.1. Расчет расхода ВВ и толщины сердечника.

3.4.2. Определение ширины сердечника и геометрического коэффициента заряда. ф 3.4.3. Расчет оптимальных параметров УВЗ.

3.5. Схема оптимизации параметров зарядов.

Выводы.

4. Методы локализации действия взрыва.

4.1. Обзор методов локализации действия взрыва.

4.1.1. Применение защитной оболочки.

4.1.2. Применение экранов.

4.1.3. Использование промежуточной среды.

4.2. Уменьшения фугасного действия взрыва легкими газами.

4.2.1.Начальные параметры УВ при взрыве в газовой среде.

4.2.2. Начальные параметры ударной волны при взрыве в воде.

4.2.3. Параметры ударной волны при переходе через разделы сред.

4.2.4. Расчетные результаты параметры ударных волн.

4.3. Конструкция контактной защитной оболочки УВЗ.

Выводы.

Актуальность темы диссертации.

За последние десятилетия в РФ и за рубежом наметилась тенденция преимущественного использования в черной металлургии вторичного сырья. В настоящее время объемы переработки стального лома в развитых странах соизмеримы с объемами производства чугуна и стали из железных руд. В РФ физический и моральный износ оборудования металлоемких отраслей промышленности достигает 60.80%, что определяет потенциальный объем утилизации металла при переходе отечественных предприятий на выпуск конкурентоспособной продукции.

В последние годы во всем мире большое внимание уделяется безопасной ликвидации последствий природных и техногенных катастроф, вооруженных конфликтов и террористических актов. Одной из сложных задач является безопасная резка и обрушение аварийных металлоконструкций, в том числе с остатками горючих материалов, в условиях исключающих непосредственное присутствие человека.

В России

Протяженность нефте- и газопроводов России со сроком эксплуатации 20-30 лет измеряется десятками тысяч километров, что определяет возрастающие объемы их ремонта и частичной замены. Термическая резка трубопровода, содержащего остатки нефти или газа, представляет трудоемкий и взрывоопасный процесс, включающий заполнение песком участка трубопровода длиной несколько метров.

В акваториях морских и речных портов сосредоточенно большое количество выведенных из эксплуатации торговых, рыболовных, нефтеналивных и пр. судов, поддержание которых на плаву требует значительных затрат. Отсутствие финансирования приводит к самопроизвольному затоплению судов у причальных стенок и вблизи фарватеров, что ухудшает экологическую обстановку и мешает судоходству. Большинство кораблей имеют внутреннее теплоизоляционное и внешнее антикоррозионное покрытия, а также остатки нефтепродуктов, выделяющие при термической резке высокотоксичные газы, что ограничивает использование традиционных методов разделки для утилизации водного транспорта.

На вспомогательных путях железнодорожных станций скопилось большое количество единиц списанного подвижного состава, паровозов, тепловозов и др.

Аналогичная обстановка наблюдается на воздушном транспорте, где списанные самолеты и вертолеты годами простаивают на аэродромах.

В армии и ВМФ, значительный объем металла законсервирован в морально устаревшей военной технике. Уже в настоящее время с боевого дежурства сняты сотни надводных и подводных кораблей. Списаны тысячи единиц бронетехники и артиллерийских установок. Подлежат разделке и утилизации металлоёмкие боеприпасы, корпуса ракет, стартовые пусковые установки и др.

Во Вьетнаме

До сих пор, вследствие четырех войн на территории страны сохранилось много аварийных объектов, которые представляют опасность для располагающихся близко от них новых важных сооружений. Задача ликвидации этих сооружений, в том числе металлоконструкций, при обеспечении безопасности окружающих объектов является актуальной.

Несмотря на то, что во Вьетнаме имеется небольшое количество выведенных из эксплуатации торговых, рыболовных и пр. судов, использование которых экономически не эффективно, их разделка для утилизации как и в России является сложной проблемой.

Особую сложность представляют работы по разделе габаритных конструкций не исключающих возможность внезапного обрушения, а также конструкций содержащих взрыво- и пожароопасные материалы. Не решенной проблемой является подводная резка конструкций и резка радиоактивного металла. Перечисленные условия характеризуются как чрезвычайные ситуации.

Практика показала, что в чрезвычайных ситуациях метод резки металла взрывом во многих случаях является единственно возможным. Одним из средств этого метода являются линейные кумулятивные заряды, позволяющие без риска для человека производить обрушение потенциально опасных конструкций и сооружений. Как показал опыт Министерства чрезвычайных ситуаций России, особую сложность представляет ликвидация конструкций с толщиной металла порядка десятков миллиметров, находящихся в непосредственной близости от охраняемых объектов. При обрушении крупногабаритных объектов масса кумулятивных зарядов достигает значительных величин, при которых требуется применение специальных, дорогостоящих методов защиты окружающей среды от действия осколков и ударных волн взрыва. В этой связи практическая задача локализации действия взрыва и минимизации массы заряда для резки и обрушения металлоконструкций на основе гибкого управления ударно-волновыми процессами является актуальной, как для России, так и для Вьетнама.

Цель диссертационной работы: повышение безопасности работ при утилизации взрывом металлоконструкций в чрезвычайных ситуациях.

Задачи исследования:

1. Разработка алгоритма и программы математического моделирования процессов нагружения контактным взрывом материалов с полиморфными фазовыми переходами.

2. Численное и экспериментальное исследование процесса резки листовой стали ударно-волновыми зарядами и определение их оптимальных параметров на основе минимизации действия взрыва на окружающие объекты.

3. Разработка методики инженерных расчетов ударно-волновых зарядов (УВЗ) для резки стального проката в процессе утилизации металлоконструкций.

4. Оценка возможности применения флегматизированных конверсионных ВВ для ударно-волновой резки металла.

5. Исследования защиты окружающих объектов от фугасного действия взрыва на основе комплексного применения инерционных оболочек и газовых экранов.

Методы исследования

В диссертационной работе использованы аналитические расчеты, методы математического моделирования на ЭВМ, методы экспериментальных исследований.

На защиту выносится следующие положения:

1. математическая модель и численный метод моделирования процессов нагружения взрывом материалов с фазовыми переходами, учитывающая двумерный разлет продуктов детонации и температуру окружающей среды;

2. результаты математического и численного моделирования ударно-волновых процессов и разрушений при при контактном взрыве зарядах П-образной формы;

3. результаты экспериментальных исследований резки стального проката ударными волнами;

4. методика инженерных расчетов оптимальных параметров ударно-волновых зарядов для резки металла с целью утилизации;

5. результаты исследования локализации фугасного действия взрыва многослойными экранами с чередующимися слоями газообразных и конденсированных сред.

Достоверность результатов исследований обусловлена корректной постановкой задач, применением математически обоснованных методов их решения, сравнением полученных результатов с опубликованными и экспериментальными данными.

Научная новизна работы

1. Разработана и обоснована математическая модель и численный метод исследования моделирования процессов нагружения взрывом материалов с фазовыми переходами, учитывающая двумерный разлет продуктов детонации и температуру материалов.

2. Уточнена физическая картина разрушения стальных преград при контактном взрыве двух параллельных зарядов и предложен механизм разрушения металла при столкновении ударных волн.

3. Определены изменения параметров ударных волн на границах слоев газов и конденсированных сред существенно отличающихся по акустической жесткости.

Практическая ценность работы

Состоит в обосновании рекомендаций по взрывной резке металла, обеспечивающих значительное снижение расхода взрывчатого вещества (ВВ) и фугасного действия взрыва на окружающие объекты, а также возможность использования флегматизированных ВВ на основе гексогена, в том числе конверсионных, с низкой чувствительностью к внешним воздействиям, что значительно повышает безопасность взрывных работ.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

- VII всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности», Санкт Петербург, 2004 г.,

- VI международной научно-технической конференции «Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов», Москва, 2005 г.,

- XXXIII научно-технической конференции МГТУ им. Баумана «Проектирование систем», Москва, 2006 г.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Диссертация изложена на 134 страницах, содержит 54 рисунка, 31 таблицу, список литературы из 40 источников, 2 приложения.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. В результате численных экспериментов получены подробные картины ударно-волновых процессов в металле с полиморфным фазовым переходом а <-» 8 при синхронной детонации параллельных зарядов на поверхности образца конечной толщины. Максимальный уровень начальных давлений косых волн при контактном взрыве ленточного заряда достигается на расстоянии четырех толщин заряда (4Я) от точки инициирования, при скоростях детонации превышающих скорость звука в металле. Установлено, что наличие низкоплотной «линзы» на поверхности металла в центре заряда приводит к образованию системы сходящихся косых волн, которые могут взаимодействовать на плоскости симметрии заряда в режиме регулярного, а затем — нерегулярного отражения.

2. Предложен и экспериментально обоснован возможный механизм разрушения плоской преграды взрывом УВЗ, состоящий из ряда последовательных фаз. а) В результате регулярного столкновения волн у поверхности нагружения, металл подвергается всестороннему сжатию со значительными сдвиговыми деформациями и образованием системы микродефектов существенно понижающих прочность металла. б) При нерегулярном столкновении волн в области разгрузки формируется напряженное состояние с растягивающими напряжениями, которые инициируют и поддерживают развитие плоской (магистральной) трещины по линии наименьшего сопротивления преграды. в) Отражение головной волны от свободной поверхности приводит к разрушению металла вблизи свободной поверхности по механизму множественного откола. г) Разделение металла в области регулярного столкновения волн происходит на последнем этапе в результате локального пластического изгиба преграды в окрестностях линии наименьшего сопротивления преграды.

3. Снижение энергоемкости резки сталей на основе а-железа обеспечивается при начальных давлениях косых волн р > \,А5рфп, что объясняется влиянием «ударных» волн разгрузки на процесс разрушения металла. Этим условием удовлетворяют флегматизированные пластичные ВВ с плотностью /?вв^1,4г/см и скоростью детонации (D >7000м/с.

4. На основании аналитического расчета и экспериментальных исследований получено оптимальное отношение размеров прямоугольного сечения УВЗ = 2,5.з,о, и предложена эллипсовидная форма сечения УВЗ позволяющая дон полнительно уменьшить удельный расход ВВ на (15.20)%. Применение металлической оболочки УВЗ массой (4.8)G, дополнительно уменьшает удельный расход ВВ на 21. .25%.

5. Резка конструкций УВЗ обеспечила снижение удельного расхода ВВ в 3,5.4,5 раза по сравнению со шнуровыми кумулятивными зарядами.

6. На основе статистической обработки результатов численных и физических экспериментов предложена методика инженерных расчетов параметров ударно-волновой резки углеродистой стали.

7. Аналитическими расчетами установлено, что создание вокруг заряда оболочки из гелия или водорода понижает максимальное начальное давление УВ в воздухе в ~3 раз и в ~4 раз соответственно.

Начальная амплитуда давления в воде уменьшается 50 раз при использовании промежуточной среды из воздуха. Если воздух заменяется гелием, амплитуда давления в воде уменьшается еще в 6 раз, а водородом в 10 раз.

При увеличении скорости детонации ВВ эффективность гашения УВ легкими газами возрастает.

8. Предложена конструкция многослойных экранов состоящих из массивной оболочки заряда из высокоплотного материала и внешней эластичной оболочки, формирующей объем заполненный гелием. При подводной резке металла в качестве газового демпфера может так же использоваться водород или воздух.

9. На основании анализа детонационных свойств и химических составов ВВ рекомендовано использовать конверсионные ВВ, извлекаемые из боеприпасов с истекшим сроком хранения и не находящих применения в промышленности. Это позволит разгрузить военные арсеналы, снизить риск техногенных катастроф и существенно улучшить экологическую обстановку в регионах расположения военных частей и арсеналов.

10. Разработанные параметры УВЗ и методика их расчета апробированы при резке металла в ряде чрезвычайных ситуаций и могут эффективно использоваться для резки радиоактивного оборудования и конструкций атомных электростанций.

1. Физика взрыва. Под ред. Л. П. Орленко изд.З-е. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2002г. —Т. 1,2.

2. Марочник сталей и сплавов. Под ред. А. С. Зубченко. М: Машиностроение, 2001 г.

3. Баум Ф.А., Орленко Ф.П., Станюкович К.П. и др. Физика взрыва. М.: Наука, 1975 г.

4. Селиванов В.В., Соловьев B.C., Сысоев Н.Н. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. Москва «Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана» 1990 г.

5. Гельфанд Б. Е., Сильников М. В. Фугасные эффекты взрывов. ПОЛИГОН СПб 2002 г.

6. Bjorn L. On underwater explosions and transmission of shock waves through foam plates immersed in water, Rep LFM-R-68-1-196.

7. Bjorn L. Underwaterexplosion research based on model experimental //Problemsofnonlinearacoustics, Novosibirsk, 1987, pt.II, pp.163-177.

8. Cole R.H. Underwater Explosions, Princ. Univ. Press. 1948,242 p.

9. Poche C.B. Underwater shock wave pressures from small detonate//J.Acoust. Soc. Amer., 1972,v.51,№ 12, p. 1733.

10. Bebb A.H. Underwaterexplosion measurements from small charges at short ranges //Phil. Trans. Roy. Soc, London, Ser. A, 1952,p.l.

11. Arons A.B. Underwater explosion shock waves parametersat large distances from charge //J. Acoust. Soc. Amer., 1954, v.26, N7, p. 1225.

12. Единые правила безопасности при взрывных работах. СПб. ЦОТПБСП, 2002 г.

13. Кутузов Б. Н., Валухин Ю.К. и др. Проектирование взрывных работ. М. «Недра», 1974 г.

14. Аттетков А. В., Гнускин А. М, Пырьев В. А., Сагидуллин Г. Г. Резка металлов взрывом. Изд. СИП РИА Москва 2000 г.

15. Михайлов Н.П., Сауткин А.Н. Кинематические параметры высокоскоростного столькновения ударников, разгоняемых взрывом. «Вопросы оборонной техники», Москва 2004 г., серия 16, выпуск 3-4, стр. 19-26.

16. Pat. 3079861 USA, 1С2 F42B1/02. Perforating shaped charges /D. Charrin. -Publ. 5.03.63.

17. Pat. 1571281 DE, 1С2 F42B1/02. Hohlladung zur verwendung bei Bohr-lochsprengungen / W. T. Bell. Publ. 25.03.71.

18. Pat. 1199923 ER, 1С2 C06C. Charge creuse amelioree. Publ. 17.06.58.

19. Pat. 3244102 USA, 1С2 F42BI/02. Secondary bladting unit/ G.T. Wofford III, F.E. Darrough, W. Don McFerrin. Publ. 5.04.66.

20. Pat. 3712221 USA, IC2F42Bl/02. Blast shield for explosive devices including linear shaped charges / H. W. Voigt, F. Gulbierz, Ch. Yearwood. -Publ. 23.01.73.

21. Pat. 4649825 USA, 1С4 F42B1/02. Explosive separation system for composite materials / W. M. Quick, R. G. Hallmark. Publ. 17.03.87.

22. Pat. 4649824 USA, 1С4 F42B1/02; F42B15/10. Apparatus for aerospace vehicle separation events using a linear shaped charge / W. M Guagy. -Publ. 17.03. 87.

23. Pat 3176613 USA, 1С4 F42B1/02. Shaped explosive charge / C. S. Cod-frey, D. F. Martin. Publ. 6.04.65.

24. Pat. 4905601 USA, 1С4 F42B1/02. Explosive entry and cutting devise and a method of explosive entry and gutting / R. E. Gabriel, A. G. Arnesson. -Publ. 6.03.90.

25. Patent 4297946 USA. Extended shaped charge and method of making same./B.E. Paton, V.M. Kudinov, L.A.Volgin et al. Publ. 02.11.81.

26. Эпштей Г.Н. Строение металлов деформированных взрывом. Москва «Металлугия» 1988 г.

27. Михайлов Н. П. Способ взрывного разрезания твердых материалов и устройство для его осуществления. Патент РФ №2119398, 1998.

28. Щукин Ю.Г., Кутузов Б.Н. и др. Промышленные взрывчатые вещества на основе утилизированных боеприпасов. Москва издатительство «Недра» 1998г.

29. Сборник докладов IV международной научно-технической конференции «Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов», Москва издательство «Вооружение, Политика конверсия», 2001 г.

30. Чиэ/сова-Ноткина Е. А. Численное исследование динамического нагружения конденсированной среды с полиморфными фазовыми переходами. Диссертация канд.физ-мат. наук 2003 г.

31. Белов Н.Н., Демидов В.Н., Ефремова JI.B. и др. Компьютерное моделирование динамики высокоскоростного удара и сопутствующих физических явлений. Известия высших учебных заведений. Физика, 1992 г., с.5-48.

32. Бушман А.В, и др. Численное моделирование нерегулярного отражения ударной волны в конденсированных средах. Черноголовка 1989 г.

33. Нигматулин Р. Н. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987 г.

34. Ахмадеев Н.Х. Динамическое разрушение твердых тел в волнах напряжений. Уфа, 1988 г.

35. Алътшулер Л.В., Жученко B.C., Левин АД. Детонация конденсированных взрывчатых веществ./ в сб. Ударные волны и экстремальные состояния вещества под ред. В.Е. Фортова и др., М.: Наука, 2000 г.

36. Михайлов Н. П. Основы физики взрыва. Учебное пособие БГТУ 2005г.

37. И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов/ М.: Наука, 1980 г.

38. Колобалова А.Е., Селиванов В.В. Основа динамики разрушения оболочек. Москва «Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана» 1996 г.

39. Дубинин Б.Н., Михайлов Н. П. и Водопьянов М.И. Ранета для активного воздействия на облако. Патент РФ №2251655, 2005 г.

40. Алътшулер Л. В., Кругликов Б. С. Затухание сильных ударных волн в двухфазных и гетерогенных средах // Журнал прикладной механики и технической физики. 1984 г. -№ 5. - С. 24-29.1. АВТОРСКИЕ ПУБЛИКАЦИИ

41. Михайлов Н. П., Чижова-Ноткина Е. А., Чан Ван Зоань, Сауткин А. Н. Взаимодействие ударных волн в процессах резки металла контактным взрывом. «Вопросы оборонной техники», Москва 2004, серия 16, выпуск 3-4, стр. 51-53.

42. Чан Ван Зоань. Резка металла контактным взрывом. «Актуальные вопросы ракетно-космической техники и технологий»: Сб. трудов студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых БГТУ. СПб. 2005. Выпуск 3. Стр. 125-126.

43. Михайлов Н. П., Чижова-Ноткина Е. А., Чан Ван Зоань. Столкновение ударных волн в процессах резки металла накладными зарядами. VI Международная НТК «Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов». Г. Крас-ноармейск, 2005 г. Стр. 320-323.

44. Михайлов Н. П., Чан Ван Зоань. Резка металла ударными волнами. «Записки горного института. Экология и рациональное природопользование». СПб. 2005. Том 166. Стр. 61-62.

45. Чан Ван Зоань. Моделирование резки металлов ударно-волновыми зарядами. «Актуальные вопросы ракетно-космической техники и технологий»: Сб. трудов студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых БГТУ. СПб. 2006. Выпуск 4. Стр. 120-122.