В данной статье мы рассмотрим экспериментальные исследования внутреннего нагружения бесшовных цилиндров из низкоуглеродистой стали с открытой конструкцией струйной обработки.
Была проведена серия из 10 испытаний на заряженных взрывчаткой сосудах с использованием все большей массы взрывчатого вещества PE4.
Цель этих испытаний заключалась в определении максимальной окружности деформации, создаваемой стенкой цилиндра в результате взрывной нагрузки, а также в определении минимального количества взрывчатки, необходимого для разрушения стенки цилиндра.
В центре цилиндра был взорван заряд цилиндрической формы, поскольку это с большей вероятностью вызовет симметричную взрывную волну, чем сферический заряд.
Реакция цилиндра с увеличением размера заряда переходит от большой пластической деформации к разрушению путем распространения продольных трещин в области локализованного истончения стенок. Считается, что локализованное утончение стенок происходит в результате нестабильной модальной вибрации, что подтверждается анализом нестабильности.
Данное исследование позволило получить представление о процессе разрушения этих конструкций, ранее не рассмотренных при данных условиях нагрузки. Полученные в ходе этих испытаний данные были успешно использованы для проверки численных и теоретических моделей реакции цилиндра на импульсную нагрузку.
Было проведено большое количество исследований взрывной нагрузки на сферические и цилиндрические сосуды с целью анализа как упругих, так и пластических реакций этих конструкций на приложенную нагрузку.
В некоторых случаях, когда конструкция упаковывается во взрывчатку, наблюдались и анализировались повреждения судов. Однако до настоящего времени не было обнаружено никаких исследований по определению механизма разрушения судна, в котором взрывчатка не вступала бы в прямой контакт со стенкой судна при детонации.
В случае, когда структура и взрывчатое вещество находятся в прямом контакте, поведение материала определяется пропусканием через него детонационной ударной волны.
В ходе этого взрыв производит ударную волну, которая распространяется в воздухе и взаимодействует со структурой с близкого расстояния. Для этих испытаний была выбрана открытая конфигурация цилиндров для минимизации множественных отражений ударной волны внутри емкости и обеспечения импульсивного отклика без влияния остаточного квазистатического избыточного давления.
Целью является более детальное изучение характера процесса разрушения взрывоопасно нагруженных открытых стальных цилиндров с полным набором результатов, что позволило получить представление о процессе разрушения этих конструкций, ранее не рассмотренных при данных условиях нагружения.
Экспериментальная установка.
На баллонах была проведена серия из 10 испытаний с использованием увеличивающейся массы заряда фугаса PE4. Цель этих испытаний заключалась в определении минимальной массы заряда, необходимой для разрушения стенок цилиндров, а также в описании механизма разрушения.
Повреждение в этом случае было устранено в результате перелома стенки цилиндра по толщине. Были предприняты попытки измерить историю деформации непосредственно с датчиков, прикрепленных к наружной поверхности цилиндра в месте заряда, но из-за очень высоких ускорений манометры не смогли оставаться прикрепленными и не дали полезных данных.
Манометры были установлены на обоих концах цилиндра для измерения давления свободного поля возле выхода, что дало качественную оценку симметрии нагрузки внутри цилиндра путем сравнения двух выходов манометров.
Однако, наиболее полезными измерениями, зафиксированными в ходе испытаний, были окружность цилиндра и толщина стенок. Цилиндры были зафиксированы в горизонтальном положении с помощью стропы и V-образной опоры.
Размер и геометрия заряда аккумулятора
Цилиндрическая форма заряда была использована для получения близкой к акси-симметричной нагрузки на стенку цилиндра.
Маловероятно, чтобы сферические заряды создавали однородную взрывную волну из-за различий в централизации детонатора и размерах детонатора.
Детонаторы размещались в центре каждой круговой поверхности цилиндрического заряда, подлежащего одновременному взрыву, что обеспечивало близкую симметричность взрывной волны.
Эта вибрация вызвала столкновение взрывных волн, распространявшихся друг на друга от детонированных поверхностей в центре заряда, которые распространялись бы радиально и аксимметрично к стенке судна.
Минимальный размер заряда ограничен критическим диаметром детонации взрывчатки, ниже которого взрывчатка была бы неспособна выдержать самораспространение.
PE4 использовался в качестве взрывчатого материала, поскольку он имеет относительно низкую чувствительность, поэтому риск его взрыва без включения детонатора был незначительным. Являясь пластиковым взрывчатым веществом, оно также является эластичным веществом, позволяющим легко преобразовывать его в заряды нужного размера и формы, требуемые в этой серии испытаний.
Критический диаметр детонации PE4 составляет от 3,81 до 5,08 мм. Плотность взрывчатки составляет 1600 кг/м3 , поэтому теоретически минимальная масса взрывчатки, которую можно было бы использовать в этой серии испытаний, составляла приблизительно 0,16 г. Максимальная масса PE4, которую можно было бы использовать, была ограничена внутренним диаметром трубы.
Для размещения заряда в геометрическом центре сосуда была сформирована и обернута толстой коричневой бумагой требуемая масса РЕ4 для сохранения размеров и формы. Два круглых картонных хомута были разрезаны таким образом, чтобы внешний диаметр равнялся диаметру внутренней стенки трубы, а внутренний диаметр равнялся диаметру цилиндрического заряда.
Вся эта схема может быть установлена внутри цилиндра и обеспечивает точное расположение заряда. Высокие температуры, связанные с процессом детонации, мгновенно испарили картон, поддерживающий взрывчатку.
Итоги
Серия полевых испытаний баллонов из взрывоопасно нагруженной, открытой, тонкостенной низкоуглеродистой стали позволила получить представление о процессе разрушения этих конструкций, который ранее не рассматривался в данных условиях погрузки.
Полученные в ходе этих испытаний данные были успешно использованы для проверки числовых и теоретических моделей реакции судна на импульсную нагрузку. Процесс устранения неисправности можно резюмировать следующим образом:
а) При внутреннем заряде взрывчатки цилиндр расширяется радиально по средней длине и в то же время колеблется в пределах средней расширяющейся окружности.
b) Стена цилиндра пластически деформируется в результате сочетания радиального расширения и колебаний, что приводит к утончению стенок навалом и одинаковому распределению по окружности цилиндра участков локального осветления стен. Равномерное расстояние и количество областей указывают на нестабильную модальную вибрацию, обусловленную анализом нестабильности.
с) Дальнейшая пластическая деформация по окружности и радиальные колебания приводят к возникновению сквозных трещин в области локального истончения в результате так называемого адиабатического процесса сдвига, который ранее был характерен для других исследователей. Поверхность перелома наклонена примерно на 45° к центральной линии цилиндра. d) энергия, необходимая для начала разрушения, превышает энергию, необходимую для распространения разрушения; поэтому, как только начинаются переломы, они быстро распространяются в продольном направлении.
e) Когда уровень энергии достаточно высок, сосуд нестабильно разрушается посередине, в результате чего вокруг по периметру между поверхностями разрушения образовывается пластиковая петля. Количество точек отказа по окружности соответствует критическому нестабильному режиму вибрации.