Введение к работе
Актуальность темы. Развитие таких областей механики сплошных сред, как гидромеханика и механика твердого тела, обуславливает возрастание интереса к применению методов этой науки для исследования деформаций тел при импульсном (высокоскоростном) воздействии на них.
Наибольший интерес представляют задачи динамики деформируемого твердого тела, возникающие в так называемом взрывном деле, к которым относятся: образование полостей в грунтах и горных породах, зон уплотнения в мягких и пористых грунтах, образование провальных воронок и воронок выброса, образование кратеров при падении метеоритов и высокоскоростном соударении тел, а также сварка и упрочнение металлов взрывом.
Решение этих задач опирается на теоретические и экспериментальные результаты по широкому спектру исследований закономерностей деформаций грунтов и горных пород, а также металлов и сплавов.
Представляемая работа, с одной стороны, находится в русле тематики, связанной с использованием энергии взрыва для деформации и экскавации грунтов и горных пород. Здесь рассмотрены теоретические задачи от камуфлетного взрыва до образования воронок выброса в различных грунтах, подтвержденные экспериментальными данными.
Исследованию механических эффектов подземного взрыва посвящено много публикаций как у нас в стране, так и за рубежом. В первую очередь следует отметить фундаментальные работы отечественных исследователей С.С. Григоряна, В.Н. Родионова, А.Н. Ромашова, Х.А. Рахмату-лина, А.Я. Сагомоняна, Н.А. Алексеева, Г.М. Ляхова, В.Н. Николаевского, Н.В. Зволинского, В.М. Кузнецова, В.В. Адушкина, Е.И. Шемякина и др.
Среди зарубежных исследований в этой области известны работы П. Чедвика, А. Кокса, Г Гопкинса, Г.Л. Броуда, Дж.Э. Энстрома, В.Р. Обербека, А.Е. Шервуда, М.Д. Нордайка, Г.Д. Джонса, И.Т. Чепи, Ф.Л. Петерсена, И.В. Нокса, И.Г. Черри и др.
С другой стороны, значительная часть исследований посвящена деформации металлов энергией взрывчатых веществ (ВВ). Нужно отметить, что это направление имеет достаточно богатую историю. Существенен вклад ученых Новосибирского института гидродинамики, особенно выделяются исследования А.А. Дерибаса, И.В. Яковлева, В.М. Симонова, В.М. Кудинова, Т.М. Соболенко, И.Д. Захаренко, Ю.А. Конона и др.
В плане теоретических исследований следует отметить работы С.К. Годунова, А.А. Дерибаса, А.Н. Дремина, Ю.А. Гордополова, А.В. Уткина, В.М. Корнева, С.К. Асланова и многих других.
Среди зарубежных исследователей наиболее известны теоретиче
ские и экспериментальные работы Г.Р. Абрахамсона, Я.Х. Ханта,
А.Б. Кросланда, А.С. Бахрани, У. Бабула, Е. Володарчика, У. Аллена,
Г.Р. Гована, О.Р. Бергмана, А.Х. Хольцмана, Я.О. Еркмана,
Я.Л. Робинсона, М.Д. Мейера, Р.Е. Каштана, Я.Х. Мичела,
Х.Л. Моррисона, Я.У. Роджерса, Я.Д. Уильямса и др.
Однако, несмотря на многолетние усилия и многочисленные публикации исследователей из разных стран, до сих пор не удалось создать количественную модель для полного и адекватного описания всех особенностей процессов импульсной деформации грунтов и горных пород, сварки и упрочнения металлов.
Пока все эти вопросы решаются весьма приближенно. Основой расчетов служат различные эмпирические формулы и правила. При все возрастающем требовании достижения максимальной эффективности использования энергии ВВ и получения качественных результатов проблема усовершенствования существующих и разработка новых технологических схем, научнообоснованных методов расчета параметров зарядов является актуальной.
Цель работы. Разработка схем (моделей) расчета взрыва на выброс в мягких грунтах, обоснование и выбор математических моделей механических эффектов при подземных взрывах и высокоскоростном соударении, экспериментальные исследования эффектов при сварке и упрочнении металлов взрывом, подбор математических моделей описания этих эффектов и других проблем, связанных с прикладным применением энергии взрыва.
Основная идея диссертационного исследования заключается в реализации (хотя бы частичной) методов математического моделирования в прогнозировании механических эффектов в твердых телах при импульсном воздействии на них.
Основные задачи работы.
1. Обоснование и выбор математических моделей камуфлетных
взрывов в мягких грунтах и в грунтах с высокой пористостью.
-
Сравнительный анализ моделей расчета заряда выброса сферической симметрии с экспериментальными данными.
-
Уточнение модели механизма образования ударных кратеров.
-
Обоснование применения модели к описанию действия вертикальных цилиндрических зарядов выброса.
-
Экспериментальные исследования эффектов при сварке и упрочнении металлов взрывом и обоснование выбора математической модели.
Методы исследования. Решение поставленных в работе задач осуществлено путем анализа и обобщения многочисленных публикаций по
данной теме, проведения аналитических и экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях. Научная новизна.
-
Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден выбор математических моделей камуфлетных взрывов в грунтах с высокой пористостью.
-
Впервые проведен сравнительный анализ моделей расчета зарядов выброса сферической симметрии с экспериментальными данными.
-
В гидроимпульсной постановке решена задача о действии вертикального цилиндрического заряда выброса.
-
Обоснована модель щелевого заряда, на основе которой получена расчетная формула определения массы заряда.
-
Рассмотрено действие системы вертикальных цилиндрических зарядов выброса. Получены впервые соотношения, объединяющие всю совокупность параметров буровзрывных работ.
-
С физической точки зрения разрешен парадокс бесконечности энергии горизонтального цилиндрического заряда выброса, возникающего при применении модели идеальной несжимаемой жидкости.
-
Проанализирована немонотонность зависимости глубины кратера от скорости удара, возникающая на определенном промежутке. На основе анализа физических процессов явления и аналитических расчетов обоснован механизм возникновения немонотонности.
-
Приведены результаты многочисленных экспериментальных исследований по сварке различных металлов взрывом с подробным описанием технологических схем. На основе этих исследований и анализа публикаций других авторов обоснована физическая модель взрывного соединения металлов.
-
Показана прикладная эффективность импульсного метода упрочнения металлов. Установлено, что величиной упрочнения, глубиной упрочненного слоя можно управлять за счет типа и толщины взрывчатого вещества, числа подрывов и расположения зарядов. Установлено, что выбор математической модели, адекватно описывающей поведение металла при импульсном упрочнении, на данном этапе не представляется возможным.
10. Изложены технологические схемы обработки в полевых услови
ях металлов и металлоизделий энергией взрыва: сварки, упрочнения, оп-
рессования.
Достоверность и обоснованность научных результатов и выводов основана на корректности постановок задач и используемого математиче-
ского аппарата, адекватности математических моделей и согласованности теоретических расчетов с экспериментальными данными.
Практическая ценность работы: разработаны инженерные методы расчета параметров вертикальных цилиндрических и щелевых зарядов выброса; технологические схемы обработки металлоизделий в полевых условиях.
Работа выполнялась в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г. (соглашение между КубГУ и Минобрнаукой №14337.21.0869 от 06.09.2012 по теме «Развитие метода блочных элементов для оценки резонансных свойств тел и конструкций сложного строения»).
Положения, выносимые на защиту: 1) метод построения математической модели в мягких грунтах - формулировка и вывод математических соотношений с соответствующим обоснованием упрощающих предположений; 2) результат анализа моделей расчета зарядов сферической симметрии в сравнении, впервые, с экспериментальными данными; 3) на основе особенностей действия вертикальных цилиндрических зарядов выброса - гидроимпульсная модель расчета зарядов; модель расчета щелевого заряда и системы вертикальных цилиндрических зарядов выброса; механизм образования кратеров при высокоскоростном соударении; обоснование модели сильных возмущений в пористой среде; новые результаты экспериментальных исследований по сварке и упрочнению металлов.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на нескольких конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе на Всероссийских симпозиумах по промышленной и прикладной математике (Санкт-Петербург, 2005 г.), (Кисловодск, 2006 г.), (Йошкар-Ола, 2006 г.), (Сочи - Адлер, 2007 г.), (Сочи - Дагомыс, 2009 г.), на IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 2008 г.), на III Международной научно-практической конференции «Физико-математические и естественные науки (Таганрог, 2012 г.), на семинаре отдела механики природных процессов НИИ механики МГУ (Москва, 2010 г.). Полностью работа была доложена на объединенном семинаре Научно-исследовательского центра прогнозирования и предупреждения геоэкологических и технологических катастроф и кафедры математического моделирования Кубанского государственного университета (Краснодар, 2013 г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 22 публикациях, включая одну монографию, 10 статей в изданиях, входящих в перечень ведущих научных журналов, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежат теоретические разработки, в частности, обоснование и выбор математических моделей, обработка результатов экспериментальных данных, анализ и выводы.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка. Общий объем диссертации 389 страниц, в том числе 25 таблиц, 211 рисунков, библиографический список из 205 наименований.
Похожие диссертации на Исследование механических эффектов в деформируемых средах при взрывном нагружении
