Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Магнитноимпульсный способ формирования импульсных ударных нагрузок. обоснование 25
1.1. Обоснование магнитноимпульсного способа формирования механической нагрузки 26
1.2. Экспериментальная проверка применимости магнитно-импульсного способа формирования ударных нагрузок к задачам механики разрушения 31
1.2.1. Генератор импульсных токов для ударного нагружения 33
1.2.2. Малоиндуктивный коммутатор тока 35
1.2.3. Эксперименты по динамическому разрушению 40
Выводы 42
Глава 2. Опытный образец магнитноимпульснои установки для широкомасштабных исследований разрушения материалов при импульсном нагружении 44
2.1. Выбор параметров генератора 45
2.1.1. Компоновка и определение параметров элементов схемы... 46
2.1.2. Узел нелинейных сопротивлений 51
2.1.3. Многоканальный малоиндуктивный газовый коммутатор 53
2.2. Режимы работы магнитноимпульснои установки. Опыт короткого замыкания 58
Выводы 60
Глава 3. Разработка методик и экспериментальное определение предельных разрушающих нагрузок микросекундной длительности в различных схемах нагружения 62
3.1. Выбор материалов для динамических испытаний 63
3.2. Методики измерения параметров импульса нагрузки 64
3.3. Симметричная схема нагружения. Определение пороговых разрушающих нагрузок 70
3.4. Волновой режим нагружения в бездефектных образцах 75
3.5. Трехточечная схема нагружения 77
3.6. Визуализация процессов разрушения и определение скорости роста трещины при импульсном нагружении 80
Выводы 82
Глава 4. Анализ экспериментальных данных по разрушению модельных материалов 84
4.1. Критерии разрушения 84
4.2. Определение структурного времени разрушения из экспериментальных данных 91
4.3. Определение поверхностной энергии разрушения при импульсном нагружении 97
4.4. Особенности старта и продвижения трещины 107
4.5. Общие закономерности процесса разрушения 114
Выводы 120
Глава 5. О предельных возможностях генерации сверхсильных импульсных магнитных полей 123
5.1. Энергетический подход к оценке достижимых магнитных полей 124
5.1.1. Метод прямого разряда. Современное состояние 124
5.1.2. Сжатие магнитного потока 134
5.2. Особенности магнито-гидродинамического течения проводящей среды при электрическом взрыве скин-слоя в мегагуссном магнитном поле 138
5.3. Ударно-волновой режим течения с внешним энерговводом 152
Выводы 157
Глава 6. Возможные пути расширения диапазона управляемых импульсов давления 159
Выводы 169
Заключение 170
Список литературы 173
Приложение 197
- Экспериментальная проверка применимости магнитно-импульсного способа формирования ударных нагрузок к задачам механики разрушения
- Режимы работы магнитноимпульснои установки. Опыт короткого замыкания
- Симметричная схема нагружения. Определение пороговых разрушающих нагрузок
- Определение структурного времени разрушения из экспериментальных данных
Введение к работе
Интерес к импульсным системам большой мощности демонстрируется научным сообществом на протяжении десятков лет. Электрофизические способы создания высоких плотностей энергии отличаются разнообразными видами создаваемых энергетических воздействий, такими как рентгеновское, лазерное и СВЧ излучение; пучки заряженных частиц; электромагнитное ускорение макротел; сверхсильные импульсные магнитные поля и т.д.
С использованием этих систем проводятся исследования, связанные с изучением предельных состояний вещества, физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза, химико-биологических особенностей поведения веществ и организмов в условиях быстрого ввода энергии и многое другое.
Развитие техники создания импульсных систем большой мощности сопровождается исследованиями в области электрической прочности газов и конденсированных сред, в вопросах накопления, коммутации, транспортировки и преобразования энергии и т.д.
В последние годы проявляется большой интерес к использованию возможностей электрофизических методов в прикладных целях. Например, в литейной промышленности и гражданском строительстве большой интерес проявляется к проблемам размельчения строительных отходов и очистке поверхностей с помощью электрического разряда в воде. В горной промышленности - разрушение негабаритов, проходка скважин, дезинтеграция породы и т.д. В медицине - обеззараживание и стерилизация, и т.д.
Импульсное магнитное поле в той или иной мере присутствует при реализации любого вида высокоэнергетического воздействия. При этом магнитные поля являются не только интересным объектом исследования с точки зрения их влияния на различные физические процессы, но и прекрасным инструментом при проведении исследований в физике твердого тела [1]. Вместе с ростом амплитуды достигаемых магнитных полей и развитием техники их создания расширяется и сфера их распространения в различные отрасли народного хозяйства. Сильные импульсные магнитные поля, характерным для которых является высокая плотность энергии (например, амплитуде индук-ции 100 Т соответствует плотность энергии магнитного поля 4 кДж/см ), привели к появлению новых технологических процессов. К ним относятся магнитно-импульсная сварка и обработка металлов давлением, магнитно-импульсная сепарация неферромагнитных металлов и др.
Проводимые в последние годы исследования указывают на возможность использования сильных импульсных магнитных полей в медицине, биологии, при решении некоторых экологических задач. В [2] показана способность сильных импульсных магнитных полей влиять на жизнедеятельность микробов и бактерий. В [3] отмечается возможность магнитных полей влиять на некоторые каталитические реакции. Кроме этого отмечено, что сильные магнитные поля способны влиять на свойства поверхностей некоторых диэлектриков, увеличивая ее способность к поглощению и удержанию нейтральных газов.
Получение сильных импульсных магнитных полей сопровождается высоким давлением, температурой, плотностью тока. Это позволяет проводить исследования по изучению свойств металлов при давлениях, достигающих мегабара и выше, и при плотностях энергии превышающих энергию сублимации. Создание материалов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью, показало необходимость использования техники получения сильных и сверхсильных магнитных полей в экспериментах по изучению свойств этих материалов: так, в [4] показано, что величина критического поля В2 при температурах 40-70 °К достигает 40-80 Т. Экстраполяция в область более низких температур дает величину критического поля при 0 °К на уровне 300-400 Т [5]. Развитие сверхпроводящих технологий в область прикладных задач [6, 7], а также разработка новых материалов (в том числе создаваемых с использованием нано-технологий), обуславливает интерес и к сильным импульсным магнитным полям, как к инструменту для выяснения критических параметров сверхпроводников.
Интерес к генерации импульсных магнитных полей, инициированный работами Капицы П.Л. [8], привел к интенсивным разработкам в области высоковольтной импульсной техники и физического эксперимента [9, 10, 11, 12]. В зависимости от амплитуды индукции магнитные поля можно условно разделить на относительно слабые - до ЮТ, сильные - до 100 Т, сверхсильные - более 100 Т [10]. Сильные магнитные поля могут приводить к умерен 8 ным разрушениям магнитной системы, позволяющим неоднократно (6-Ю импульсов) генерировать магнитное поле. Вследствие высокой плотности "X энергии сверхсильные магнитные поля (400 Т - 10 Дж/м ) приводят к полному разрушению магнитной системы. Быстрое разрушение материала ведет к требованию высокой скорости ввода энергии в магнитную систему.
В настоящее время для получения сверхсильных импульсных магнитных полей (ССИМП) наиболее широко используются разработанные в 50-70-х годах три метода: сжатие магнитного потока [13, 14], быстрый разряд конденсаторной батареи через одновитковый соленоид [15], электромагнитное сжатие потока [16, 17, 18, 19]. В представленной на второй международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей обзорной работе [20] приведено большинство результатов из открытых публикаций по получению ССИМП этими методами. Область достижимых полей, получаемых с использованием прямого разряда конденсаторной батареи и электромагнитного сжатия потока, ограничена сверху на уровне 400 Т (390 Т - [21], 350 Т - [22]). Сжатие магнитного потока взрывом с использованием взрывчатых веществ с высокой плотностью энергии (выше 10 кДж/см ) и с большим полным энергозапасом (до 107-109 Дж) позволяет получать магнитные поля с амплитудой 1000-1500 Т. Результатом многолетних работ по получению ССИМП этим способом явилось достижение РФЯЦ-ВНИИЭФ, где с использованием трех-каскадного взрывомагнитного генератора получено магнитное поле с индукцией до 2800 Т [23]. Для взрывных методов генерации ССИМП характерно разрушение исследуемого объекта и оборудования, находящегося в зоне взрыва, поэтому в лабораторных исследованиях наиболее широко применяется метод прямого разряда конденсаторной батареи на одновитковый соленоид. В ряде работ указывается на возможность получения этим методом ССИМП с амплитудой индукции до 700-1000 Т [24] при сравнительно небольшой энергоемкости источника (до 106 Дж). Ограничения в амплитудах индукции связаны с разрушением соленоида под действием ряда физических процессов, основные из которых: гидродинамическое течение, электрический взрыв, развитие неустойчивости на границе поле-проводник. Эти процессы имеют характерные времена развития и в зависимости от условий эксперимента оказывают определенное влияние на характер разрушения соленоида. В [25] проведен анализ экспериментальных данных по получению сильных и сверхсильных магнитных полей методом прямого разряда и отмечены основные факторы, влияющие на параметры магнитного поля и поведение магнитных систем.
Высокие скорости развития процессов, разрушающих магнитную систему в процессе генерации ССИМП, требуют от источника энергии не только соответствующего энергозапаса, но и возможности обеспечить быстрый ввод энергии в магнитное поле. Для метода прямого разряда конденсаторной батареи это требование эквивалентно увеличению скорости роста тока в системе, что может достигаться путем увеличения рабочего напряжения батареи и/или снижением индуктивности разрядного контура. Выполнение последнего требования позволяет не только увеличить скорость нарастания тока, но и повысить коэффициент использования установки. Однако реализация этого требования является сложной технической задачей, особенно применительно к ГИТ небольших энергий (до 100 кДж). Ограниченное количество элементов, составляющих ГИТ, определяет необходимость снижения их собственной индуктивности и использования специальных компоновочных решений. В [11, 26. 27. 28] показаны подходы к разработке объемных токоведущих элементов, а в [29, 30] приведены примеры их реализации, направленные на снижение собственной индуктивности ГИТ. Следует учитывать и возможность влияния контактных соединений элементов при протекании тока большой плотности на работоспособность ГИТ [31].
В последние годы предпринимаются попытки проанализировать совокупность процессов происходящих в материале соленоида при генерации СИИМП путем численного одно- и двумерного моделирования. В ряде работ рассмотрены отдельные процессы или их комбинации, при этом решаются одномерные модельные задачи, например [21, 24, 32, 33, 34, 35]. Анализ результатов выявляет существенное влияние на характер и параметры магнитно-гидродинамического течения процессов диффузии поля в проводящую среду.
Выявление закономерностей взаимодействия ССИМП с материалом проводника актуально не только с точки зрения разработки магнитных систем и источников их питания, но и для оценки возможности использования электрически взрываемого в таких полях материала для генерации ударных волн. В этом случае ожидаемый уровень ударных воздействий гораздо выше, чем при «холодном» (не взрывном) воздействии, создаваемым магнитно-импульсным способом. Однако в этом случае теряется одно из главных достоинств магнитноимпульсного способа создания ударных нагрузок - возможность определения параметров импульса давления по импульсу тока при известном токораспределении в узле нагрузки. Изучение электрически взрываемых в таких полях проводников интересно и с точки зрения оценки влияния металлической плазмы, выбрасываемой при взрыве поверхностного слоя (скин-слоя) проводника в сторону поля на изоляционные зазоры мощных электрофизических установок при генерации импульсов энергии высокой плотности.
Взрыв скин-слоя представляет из себя неравновесный фазовый переход от конденсированного металлического к плазменному состоянию и является сдерживающим фактором при генерации ССИМП [36, 37, 38]. Исследованиям этого процесса посвящены многие работы, при этом разными авторами отмечаются отдельные особенности взрыва. Существующие в настоящее время подходы, используемые для описания процессов с быстрым вводом энергии в проводник, рассмотрены в [39. 40, 41, 42], а так же в работах Бурцева В.А. [43, 44], Волкова Н.Б.[45, 46, 47], Искольдского A.M. [48, 49], Кол-гатина С.Н. [50, 51, 52, 53], Фортова В.Е. [54, 55, 56, 74], Шнеерсона Г.А. [11, 24, 36, 50] и других авторов. Приводятся не только результаты численного и/или аналитического моделирования, но и разрабатываются модели проводимости материалов, например [46, 57, 67], при этом используются данные, получаемые при взрыве проволочек, в лайнерных экспериментах и т.д. [39, 40, 43, 58, 59, 60]. Отмечается возможность потери проводимости не только из-за нагрева и испарения материала проводника, но и вследствие развития МГД-неустойчивостей различного типа (перетяжечного [61, 62], крупномасштабных конвективных [48, 63], перегревных [64, 65]). В настоящее время для описания проводимости металлов в условиях электрического взрыва наиболее физически обоснованными являются плазменная модель Н.Б. Волкова [46] и интерполяционная модель Беспалова-Полищука [66, 67]. Тем не менее, многие авторы при моделировании процессов взрыва проводников используют данные Бакулина-Лучинского [68, 69], исследовавших проводимость некоторых материалов в широком диапазоне изменения параметров. В [38] проведено численное моделирование процесса генерации ССИМП и отмечены особенности течения, проявляющиеся при двумерной постановке задачи. Показано существенное влияние торцов соленоида как на картину гидродинамического течения, так и на скорость смещения границы поле-проводник. Наибольшее количество работ, посвященных изучению электрического взрыва проводника, связаны с экспериментальными исследованиями и интерпретацией результатов взрыва металлических проволочек в условиях быстрого ввода энергии. Современное состояние этого вопроса глубоко проанализировано в обзорных работах ФИАН и РФЯЦ-ВНИИТФ [70, 71, 72]. Показано, что наиболее удобными для численного моделирования являются полуэмпирические уравнения состояния [73, 74 , 75], полученные из ударных адиабат стационарного течения, перекрывающие широкий диапазон изменения параметров среды. Следует отметить и активно ведущиеся работы по разработке уравнений состояния вещества, получаемых на основании точных подходов, исходящих из первых принципов [76].
В литературе имеются экспериментальные данные, указывающие на возможность задержки взрыва проводников при высокой скорости ввода энергии [77, 78]. Аномально высокие скорости распространения волн сжатия в материалах вблизи поверхности нагружения отмечаются в работе [79], авторы которой, проводя исследования ударного сжатия металлов (сталь, А1, Си), установили характерное время перехода в режим стационарного течения на уровне 10 с. В [80] отмечено, что при лазерном пробое газов имеет место высокая скорость распространения возмущения в среду, что отражается на характерном виде ударной адиабаты и демонстрирует нестационарность процесса в начальной стадии сжатия. Аномально высокие скорости распространения ударно-волнового возмущения отмечаются и в начальной стадии формирования электрического пробоя жидких диэлектриков. Так, в [81] при изучении процесса развития пробоя в воде, инициированного с имеющегося на поверхности электрода микропузырька, в начальной стадии процесса зафиксировано распространение сферической ударной волны (центр - микропузырек) со скоростью 2400 м/с, для инициирования которой, в соответствии со стационарной адиабатой воды, требуется давление, для формирования которого энерговыделения в системе недостаточно. Кроме этого, в [82] установлено, что в условиях динамического нагружения металлов микросекундной длительности только 30-35% работы пластического деформирования преобразуется в тепло, а остальная энергия идет на создание мезоструктуры, меха 14 низмом образования которой являются крупномасштабные флуктуации скорости среды на мезоуровне. Хотя в [79] отмечается, что при больших амплитудах давления влияние нестационарности ударно-волнового процесса вблизи поверхности нагружения на развитие гидродинамического течения материала может быть и незначительным, его влияние на диффузию магнитного поля при электрическом взрыве проводника может быть существенным и требует более внимательного изучения.
При электрическом взрыве скин-слоя вследствие нелинейной диффузии тока в зависимости от свойств материала может сформироваться режим течения, аналогичный режиму ударной волны с внешним энерговводом. Движущаяся за волной сжатия волна тока обуславливает энерговыделение за счет джоулева нагрева среды, причем плотность тепловой энергии близка к плотности энергии магнитного поля. Начиная с полей 360-400 Т плотность выделяемой в этой зоне энергии близка или превышает энергию сублимации материала, что делает режим взрыва скин-слоя в таких полях качественно похожим на режим взрыва бризантного вещества. В качестве источника энергии, обуславливающего развитие течения по этому сценарию, выступает не химическая энергия, выделяемая при детонации взрывчатого вещества (ВВ), а внешнее магнитное поле, плотность энергии которого достаточна для разрыва атомарных связей проводника [83]. Распространение такой волны происходит с большей скоростью, чем ударной волны, и на своем фронте она может создавать импульсы давления с гораздо большей амплитудой. Не менее интересные возможности открывает использование сильных магнитных полей для создания кратковременных ударных нагрузок с целью изучения поведения материалов в условиях импульсного нагружения. Неуклонный интерес к этому обусловлен не только появлением новых материалов, требующих детального изучения их свойств, но и разработкой новых подходов к описанию процессов разрушения. Проблеме динамической прочности материалов посвящено огромное количество работ. Экспериментальные исследования в механике разрушения проводятся с использованием различных методов создания ударных нагрузок. Наиболее широко используются методы, в которых импульсная нагрузка создается путем соударения с образцом ускоренного до различных скоростей метаемого тела. В качестве ускорителей используются при этом легкогазовые пушки, бризантные вещества, электрически взрываемые проводники и т.д. [84, 85, 86, 87, 88]. Следует отметить и создание ударных нагрузок путем непосредственного взаимодействия пучков частиц или лазерного излучения с исследуемым материалом [84, 89]. В этих случаях возможна реализация ударных импульсов субнаносе-кундной длительности. Общепринятой практикой определения параметров воздействующего импульса является или измерение давления с помощью датчиков, или восстановление его параметров из измерений скорости смещения свободной поверхности образца [74, 90].
Многофакторность процессов разрушения обуславливает актуальность разработки новых методов создания импульсных давлений, позволяющих расширить спектр реализуемых режимов и схем нагружения при исследований свойств материалов. Главной особенностью магнитноимпульсного метода является возможность создания импульсов давления со строго регулируемыми амплитудой и длительностью при заданном изменении давления во времени, что особенно важно при разработке критериев разрушения [91, 92]. В [93] проведены исследования динамической трещиностойкости в образцах с макродефектами типа трещин. Сравнительно малые амплитуды и большие длительности реализованных импульсов давления (50 МПа с временем нарастания 25 мкс) позволили провести изучение процесса разрушения только модельного материала, отличающегося низкими значениями критического коэффициента интенсивности. Тем не менее, полученные результаты показали эффективность применения магнитноимпульсного способа нагружения. Переход к реальным материалам требует увеличения амплитуд воздействующего импульса давления. Реализующиеся в некоторых технологических и природных процессах режимы нагружения требуют изучения свойств материалов при динамическом воздействии в микро- и наносекундном диапазоне длительностей. Например, для электроразрядных технологий, связанных с дроблением и дезинтеграцией материалов при микросекундных временах воздействия [94, 95, 96], динамическая прочность материалов и особенности их разрушения определяющим образом влияют на параметры электрофизических устройств и определяют возможности их оптимизации.
Увеличение амплитуды разрушающих нагрузок при уменьшении длительности воздействия отмечается во всех работах, посвященных исследованию разрушения материалов при импульсном нагружении. Особенно следует отметить работы, выполняемые во ВНИИЭФ, ВНИИТФ, Институте экстремальных состояний вещества, ФТИ им. Иоффе, НИИММ СПбГУ, ИПМаш РАН СПб и ряде других организаций, представленные в печати и на многочисленных конференциях, см. например [97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105].
Уменьшение длительности импульса при магнитноимпульсном способе формирования ударных воздействий приводит к увеличению токовой нагрузки материала проводника и может быть, вследствие электрического взрыва последнего, причиной потери управляемости параметрами импульса. В работах Бондалетова В.Н. [106] для снижения токовой нагрузки на проводник при его ускорении использовано внешнее магнитное поле с амплитудой до 80 Т, что позволило избежать электрического взрыва ускоряемого тела и разогнать его до скорости порядка 10 км/с. Целесообразно рассмотреть возможность использования внешнего магнитного поля и для увеличения диапазона управляемости параметрами импульса давления, создаваемого магнитноим-пульсным способом.
Актуальность диссертационной работы связана с большим интересом к генерации сильных и сверхсильных импульсных магнитных полей с точки зрения практических приложений и фундаментальных исследований. Наиболее удобным для проведения таких экспериментов является метод прямого разряда конденсаторной батареи на одновитковый соленоид, главным достоинством которого является неразрушаемость объекта, находящегося в области сильного поля. В отличие от метода сжатия магнитного потока, при кото 18 ром амплитуда магнитных полей может достигать 2000-3000 Т, метод прямого разряда ограничен в настоящее время областью достижимых полей в 300-400 Т. Генерация СИМП и ССИМП сопровождается совокупностью сложных физических процессов, основные из которых: пластическая деформация (гидродинамическое течение материала), электрический взрыв поверхностного слоя, развитие неустойчивостей на границе поле-проводник. Разрушение материала проводника в процессе генерации ССИМП происходит в условиях, аналогичных возникающим при работе мощных импульсных установок на точечную нагрузку. Изучение закономерностей электрического взрыва позволяет не только выявить общие характеристики возникающего течения, но и оценить влияние продуктов взрыва на изоляционные промежутки таких установок. Определяющим при анализе возникающего течения является выбор модели проводимости материала и уравнения состояния материала. Анализ современного положения показывает недостаточность экспериментальных данных для создания адекватной модели проводимости и уравнений состояния, учитывающих нестационарность процесса формирования гидродинамических течений в условиях больших градиентов давления и температуры, имеющих место при генерации СИМП и ССИМП. Это делает актуальным разработку феноменологической модели, позволяющей сформулировать требования к источникам тока для питания магнитных систем для генерации магнитного поля (МП) с индукцией 300 Т и более.
Проводимые в настоящее время экспериментальные исследования по разрушению материалов в условиях импульсных ударных нагрузок демонст 19 рируют многофакторность и многомасштабность процесса разрушения.
Главным фактором, необходимым для анализа процесса разрушения материала, является знание параметров воздействующего импульса давления. Генерация импульсного магнитного поля, при котором не происходит разрушение материала проводника, сопровождается генерацией магнитного давления, параметры которого однозначно связаны с параметрами токораспреде-ления в магнитной системе. Магнитноимпульсный способ (МИС) основан на передаче импульса магнитного давления в образец, что позволяет проводить исследования разрушения материалов в однозначно определенных условиях нагружения. Современное состояние высоковольтной импульсной техники позволяет сформировать управляемые импульсы давления с амплитудой до 1 ГПа в микросекундном интервале длительностей. Эти возможности маг-нитноимпульсного способа делают актуальным его адаптацию к условиям тестирования материалов и проведения экспериментального изучения их поведения в условиях импульсных воздействий, создаваемых этим способом. Цели работы сформулированы следующим образом.
1. Экспериментально обосновать целесообразность использования маг-нитноимпульсного способа для формирования ударных нагрузок и разработать методики тестирования динамических прочностных свойств материалов в микросекундном интервале длительности нагружения, создаваемые этим способом, выявляющие особенности динамического разрушения материалов. 2. Оценить предельные возможности метода прямого разряда емкостного накопителя по получению импульсов давления, как в управляемом режиме, так и в режиме взрыва скин-слоя.
Поставленные цели достигаются при решении следующих задач:
1. Разработать ГИТ и на симметричной схеме нагружения образцов из модельного материала продемонстрировать возможность использования маг-нитноимпульсного способа для определения пороговых разрушающих нагрузок различной длительности.
2. Разработать и изготовить опытный образец магнитноимпульсной установки на базе генератора импульсных токов малых энергий для генерации управляемых импульсов давления микросекундной длительности.
3. Экспериментально подтвердить применимость магнитноимпульсного способа для формирования импульсов давления с амплитудой до 1 Ша.
4. Обосновать применимость структурно-временного подхода для описания экспериментов по разрушению материалов.
5. Разработать методики тестирования динамических свойств материалов на базе магнитноимпульсного способа нагружения и структурно-временного подхода к анализу результатов.
6. Провести тестирование различных материалов при импульсном на-гружении, создаваемом магнитноимпульсным способом.
7. Провести анализ результатов численного моделирования процессов взаимодействия сверхсильного магнитного поля с материалом проводника. 8. На основе анализа экспериментальных данных по получению ССИМП
методом прямого разряда выявить связь достижимых амплитуд магнитного поля с характеристиками материала.
9. Обосновать и разработать феноменологическую модель, позволяющую сформулировать требование к источнику питания и оценить параметры импульса давления, генерируемого при взрыве проводника в ССИМП.
10. Провести экспериментальное моделирование для демонстрации возможности расширения диапазона управляемости параметрами импульса давления за счет использования дополнительного внешнего магнитного поля.
По мнению автора, новыми являются следующие результаты:
Разработаны методики тестирования свойств материалов с использованием магнитноимпульсного способа создания управляемых ударных нагрузок в микросекундном интервале длительностей и структурно-временного подхода к анализу результатов.
По результатам испытаний в условиях импульсного нагружения определено структурное время разрушения материалов (ПММА, сферопластик, некоторые горные породы) и выявлены закономерности их разрушения.
Выявлена связь достижимых амплитуд ССИМП, генерируемых методом прямого разряда конденсаторной батареи, с энергией сублимации материала.
Модель ударной волны с внешним энерговводом может быть использована для описания процесса взаимодействия ССИМП с проводником.
Сформулированы условия выбора источников питания для генерации ССИМП методом прямого разряда. Экспериментально показано, что расширение диапазона управляемых импульсов давления, создаваемых магнитноимпульсным способом, возмож но при использовании дополнительного внешнего поля.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Амплитуды достижимых полей при генерации методом прямого разряда определяются не только параметрами источника питания, но и энергией связи материала соленоида.
2. Выбор параметров источника энергии для генерации ССИМП может быть произведен на основе анализа модели ударной волны с внешним энерговводом.
3. Генераторы импульсных токов могут быть использованы для создания управляемых импульсов механического давления с целью тестирования свойств материалов.
4. Процесс разрушения материалов при импульсном воздействии хорошо описывается с использованием структурно-временного подхода, позволяющим определить структурное время разрушения материалов.
5. При импульсном нагружении процесс разрушения инвариантен к свойствам материала.
6. Использование внешнего магнитного поля позволяет существенно расширить диапазон управляемых ударных нагрузок, как в сторону увеличения амплитуды, так и в сторону уменьшения длительности воздейст-вия.
Научная и практическая ценность
1. Выявлены предельные возможности метода прямого разряда генерации ССИМП.
2. Модель ударной волны с внешним энерговводом объясняет выявленное ограничение в амплитудах достижимых магнитных полей мегагауссного диапазона и позволяет сформулировать требования к источнику тока для генерации магнитных полей.
3. Экспериментально обосновано использование генераторов импульсных токов для формирования управляемых импульсов давления с целью тестирования механических свойств материала при ударном нагружении.
4. Выявлены закономерности процесса разрушения материалов в условия импульсного нагружения микросекундной длительности и показана целесообразность использования структурно-временного подхода для описания поведения материалов в этих условиях.
5. Развитие предложенного и экспериментально смоделированного модифицированного магнитноимпульсного способа создания управляемых ударных нагрузок позволит проводить исследование свойств материалов в существенно более широком диапазоне параметров импульсного воздействия.
6. Магнитноимпульсный способ создания управляемых нагрузок в микросекундном диапазоне длительностей, реализованный на базе малоиндуктивного генератора импульсных токов, и методики тестирования материалов используются НПО Специальных Материалов при разработке новых броневых и защитных материалов, в НИИ математики и механики им. Акад. В.И. Смирнова СПГУ при проведении исследований процессов разрушения материалов. 7. Полученные результаты используются в Центре физико-технических проблем Севера КНЦ РАН и Институте прикладной физики РАН при разработке электрофизического оборудования. Практическое использование разработок (п.п. 6 и 7) подтверждается соответствующими актами, см. Приложение.
Экспериментальная проверка применимости магнитно-импульсного способа формирования ударных нагрузок к задачам механики разрушения
Опыт работы с мощными электрофизическими установками позволил предложить новую методику тестирования динамических прочностных свойств материалов, основанную на определении инкубационного времени разрушения. Методика соединяет в себе основные принципы и идеологию испытаний на динамическую вязкость разрушения [110, 111, 93] и на определение пороговых амплитуд импульсных нагрузок [112, 113, 114]. Опыт разработки и использования генераторов импульсных токов для генерации сверхсильных импульсных магнитных полей, имеющийся в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете, позволил реализовать испытания образцов с макротрещинами (загружаемых по схеме, предложенной в [93]) управляемыми импульсами динамической нагрузки микросекундной длительности, а затем по соответствующей методике [113] определить критические (пороговые) значения их амплитуд. Подробно методика описана в [115].
Эксперименты по изучению порога хрупкого разрушения проводились на образцах из оргстекла. Размеры образцов и схема нагружения (рис. 1.2) выбраны таким образом, чтобы для интерпретации результатов было правомерно использование решения динамической начально-краевой задачи для бесконечной плоскости с полубесконечным разрезом. Импульс давления формировался за счет протекания тока по плоским шинам, размещенным в разрезе образца и подключенным к генератору импульсных токов,- нагрузке.
Индуктивность нагрузки при выбранных размерах около 50 нГн, минимальное время нарастания тока - 1 мкс. Параметры источника можно оценить и выбрать, воспользовавшись подходом, изложенным, например, в [116, 117]. Энергоемкость источника при рабочем напряжении 50 кВ должна быть около 5 кДж. При этом параметр L W 5 10 Гн Дж. Для проведения экспериментов по определению порога хрупкого разрушения в плоских образцах с макротрещинами разработаны магнитно-импульсные установки с максимальной рабочей частотой 250 кГц и 125 кГц, позволяющие генерировать в нагрузке импульсы давления с амплитудой 250-400 МПа и 1000 МПа. При разработке ГИТ была использована традиционная структурная схема [117]. Проверка применимости магнитноимпульсного способа создания контролируемых ударных нагрузок к тестированию динамических свойств материалов проводилась на специально разработанных генераторах импульсных токов ГИТ-250 и ГИТ-125. Эти генераторы с максимальной рабочей частотой 250 кГц и 125 кГц соответственно, генерирующие в нагрузке импульсы давления с амплитудой до 250-400 МПа и 1000 МПа, были использованы для проведения экспериментов по определению порога хрупкого разрушения в плоских образцах с макротрещинами.
Приведем описание ГИТ-250. В качестве накопительного элемента генератора использован импульсный конденсатор КМК-50/4 (С=3.71 мкФ, /7=50 кВ). Для коммутации тока разработан специальный многоканальный газовый коммутатор [118], работающий в атмосфере азота, имеющий собственную индуктивность 9 нГн. Диапазон рабочих напряжений коммутатора при давлении азота 2 Атм лежит в пределах 20-50 кВ. Гарантированное число каналов - 7. Схема ГИТ-250 приведена на рис. 1.1. Собственная индуктивность ГИТ с учетом стекания тока на нагрузку (ширина токосъема в нагрузке 1 см) составляет 60 нГн. При зарядном напряжении 30 кВ в нагрузке генерируется импульс тока в виде затухающей синусоиды с амплитудой до 150 кА частотой 250 кГц с постоянной времени затухания 4.76 мкс. Формирование униполярного импульса тока в нагрузке достигается путем установки в цепи разряда конденсатора нелинейного сопротивления R, собранного из трех параллельно включенных пар вилитовых дисков диаметром 73 мм, выбор которых произведен по методике [117]. Описанная установка позволяет получить в нагрузке униполярный одиночный импульс тока, имеющий длительность 2 мкс и амплитуду до 200-250 кА, что соответствует импульсу давления амплитудой до 250-400 МПа, действующему на образец. ГИТ-125 выполнен по аналогичной схеме. В качестве накопительных элементов использованы два импульсных конденсатора типа КМК-50-6 емкостью 6 мкФ каждый на зарядное напряжение до 50 кВ. Этот генератор позволяет получить в нагрузке униполярный импульс тока с амплитудой до 600 кА длительностью около 4 мкс, что соответствует импульсу давления до 2000 МПа. Особенности коммутации сильноточных малоиндуктивных генераторов импульсных токов требуют использования малоиндуктивных коммутаторов с малым временем формирования проводящих каналов. Традиционно в таких схемах используются несколько типов разрядников, таких как: рельсовые разрядники в газовой среде под давлением [119, 120], разрядники с пробоем твердой изоляции [121, 122], коммутаторы с использованием разряда по поверхности диэлектрика [123, 124]. Устойчивая работа таких коммутаторов обеспечивается применением специальных высоковольтных схем управления, формирующих импульс напряжения с амплитудой 100-200 кВ со скоростью нарастания 1012-1013В/с. Трудности эксплуатационного характера, имеющие место при применении традиционных малоиндуктивных коммутаторов, явились побудительной причиной к созданию разрядника, обладающего близкими к упомянутым параметрами при использовании менее мощных схем поджига.
Принципиальным отличием разработанного разрядника является "принудительная" инициация заранее заданного числа токовых каналов при коммутации, выбираемого как из соображений минимизации собственной индуктивности коммутатора, так и диапазона амплитуд рабочего тока.
Режимы работы магнитноимпульснои установки. Опыт короткого замыкания
Конструктивно установка выполнена в виде трех функционально разделенных блоков: блок управления и заряда, высоковольтный блок и пульт управления. Общий вид установки приведен на рис. 2.8. Узел нагрузки размещен на столешнице высоковольтного блока, в котором расположен генератор импульсных токов.
Работа установки полностью автоматизирована. Временная диаграмма последовательности ее рабочих циклов приведена на рис. 2.9. Предусмотрена возможность управления дополнительными устройствами, которые могут быть использованы для диагностических или иных целей. Напуск газа производится в предварительно откачиваемые рабочие камеры разрядников. С целью повышения устойчивости работы установки после напуска газа предусмотрена временная пауза для установления термодинамического равновесия в рабочей камере. Перевод установки из режима колебательного разряда в режим одиночного униполярного импульса осуществляется деинсталляцией закорачивающей блок нелинейных сопротивлений плоской шины.
Проведенные испытания генератора показали [131], что в режиме короткого замыкания индуктивность системы составляет 18 нГн. При этом амплитуда тока достигает величины 1.2 МА при периоде колебаний 3 мкс. В режиме одиночного импульса генерируется импульс тока длительностью 1.6 мкс и амплитудой до 700 кА. При работе на реальную индуктивность в колебательном режиме разряда обеспечивается амплитуда до 0.9 МА с периодом осцилляции от 4 мкс. В случае разряда через блок нелинейных сопротивлений при напряжении до 25-27 кВ в нагрузке формируется строго одиночный импульс тока. Увеличение зарядного напряжения приводит к появлению второй полуволны в токовом импульсе, амплитуда которой может составлять до 10-15% первой амплитуды. 1. Разработана и изготовлена магнитноимпульсная установка для тестирования динамических свойств материалов с запасаемой энергией 12 кДж. Установка способна генерировать импульс механического давления с амплитудой до 3 ГПа в микросекундном интервале длительностей. 2. Разработан и изготовлен малоиндуктивный коммутатор тока мегаам-перного диапазона. Проведенные исследования и опытная эксплуатация подтверждают равномерное токораспределение по каналам и устойчивую работу коммутатора при коммутации токов мегаамперного диапазона в 5 10 рабочих циклов. 3. Использование элементов объемной ошиновки, модульной схемы и малоиндуктивных элементов формирует условия для равнонагруженности потоку основных элементов (коммутатор, нелинейные сопротивления) и обеспечивает величину собственной индуктивности батареи на уровне 18 нГн. 4. Автоматизация зарядно-разрядного режима обеспечивает устойчивую работу установки.
Проведение экспериментов по изучению свойств материалов требует не только полной информации о параметрах воздействующего импульса нагрузки, но и использование таких схем нагружения, которые позволяют провести аналитический анализ напряженно-деформированного состояния. Изучение процессов разрушения образцов с макродефектами типа трещин существенно затрудняет анализ и ограничивает круг возможных схем нагружения. Очевидно, что сложность и многофакторность процесса разрушения усугубляется при динамическом нагружении появлением дополнительного параметра, а именно - формы и длительности импульса нагрузки. Процесс нагружения в динамике принципиально отличается от статического и требует особого внимания при анализе напряженно-деформированного состояния системы.
Безусловно, динамические эксперименты должны проводится на материалах, физические характеристики которых при статическом нагружении максимально полно определены. К параметрам, влияющим на процесс разрушения, следует отнести статический предел прочности, статическую тре-щиностойкость, скорость звука, плотность материала и т.д.
Из литературных данных следует, что наиболее опасным является хрупкое разрушение материала. Наличие дефектов различного структурного уровня может провоцировать развитие разрушения. Наиболее сильно влияет на процесс разрушения наличие макродефектов, т.к. в месте их образования имеет место концентрация напряжений. Поэтому целесообразно провести исследование процесса разрушения материалов с различным структурным строением.
Так, в экспериментах по проверке применимости магнитоимпульсного способа нагружения для тестирования образцов из ПММА с макродефектами типа трещин, были определены пороговые разрушающие нагрузки, величины которых находятся на уровне 200-300 МПа. Для этого материала характерно наличие дефектов на молекулярном уровне.
В настоящее время большой интерес проявляется к искусственно создаваемым материалам. Примером материала, имеющего в своей структуре однородные микродефекты, может быть сферопластик с матрицей из полиэфирной смолы и наполнителя из стеклянных микросфер. Введение микросфер является удобным способом конструирования материалов с заданными свойствами. Учитывая большой практический интерес к таким материалам, для динамических испытаний был выбран сферопластик, содержащий 41% стеклянных микросфер, имеющих характерный размер 21-31 мкм.
Симметричная схема нагружения. Определение пороговых разрушающих нагрузок
Характерной особенностью динамических процессов является ударно-волновой характер распространения напряжения. Это обуславливает при постановке эксперимента, выборе схемы нагружения и образцов, необходимость учитывать возможность описания напряженно-деформированного состояния системы в ударно-волновой постановке. Исследование процесса разрушения образцов с макродефектами типа трещин затруднено в силу существующей в вершине трещины особенности напряженного состояния. Анализ литературных данных показывает, что характерные времена разрушения для различных материалов и схем нагружения составляют от единиц до десятков микросекунд.
Поэтому размеры образцов должны обеспечить возможность их разрушения до момента прихода отраженных от границ образца волн нагрузки, существенно изменяющих напряженное состояние в окрестностях дефектов. Кроме этого, безусловно важным фактором при выборе образцов и схемы нагружения являются технологические особенности их изготовления. На рис. 3.1 приведена схема опыта по симметричному нагружению образца импульсом давления, создаваемого магнитноимпульсным способом. Образец представляет собой квадратную пластину с пазом, в вершине которого изготавливается пропил толщиной и глубиной в зависимости от материала образца 0.2-0.3 мм и 1.5-3 мм соответственно. Медные шины толщиной 150-200 мкм устанавливаются в паз и плотно прижимаются к его берегам. Степень прижатия обеспечивает акустический контакт между шинами и берегами паза, исключая свободные перемещения шин. На рис. 3.5 приведены экспериментальные зависимости длины проросшей в образцах из ПММА, подвергнутых импульсному нагружению, трещины от амплитуды и формы действующих нагрузок.
Данные, полученные с использованием установки «-2» при длительности фронта одиночного импульса 2 мкс совпадают с полученными на экспериментальных установ- ках. Характерным для этих зависимостей является наличие пороговой (минимальной) нагрузки, при превышении которой начинается развитие трещины. Величина минимальной разрушающей (пороговой) нагрузки определяется путем экстраполяции зависимости длины трещины от амплитуды приложенной нагрузки Lcr(P) в область Lcr - 0. Фрагменты образцов с развившейся в результате импульсного воздействия трещиной приведены на рис. 3.6. Аналогичным образом, т.е. демонстрируя пороговый характер разрушения, ведут себя и другие материалы. Так, на рис. 3.7 приведены зависимости длины проросшей трещины в образцах из сферопластика, а на рис. 3.8 - в образцах из габбродиабаза. Для исследования разрушения бездефектных образцов традиционно используется откольная схема нагружения. Импульс сжатия создается на одном конце образца в результате взаимодействия последнего с ускоренным тем или иным способом бойком.
После прохождения импульса сжатия по образцу он отражается от свободного торца и возвращается в образец в виде волны растяжения. Параметры импульса действующего давления восстанавливаются по скорости движения свободной поверхности образца и зависят от свойств материала бойка, его скорости и размеров. В нашем случае в качестве загрузочного устройства использовались плоские шины различной ширины, конфигурация которых для определения параметров импульса давления позволяла использовать соотношение (1.12). Ударному нагружению подвергались образцы из габбродиабаза и ПММА в виде стержней сечением 5x6 мм2 длиной 180 мм. Шины приклеивались мономолекулярным клеем к отшлифованному торцу стержня и производился разряд ГИТ. Схема нагружения приведена на рис. 3.9. Амплитуда пороговой разрушающей нагрузки определялась путем увеличения нагрузки до разрушения образца. Каждый образец подвергался однократному ударному воздействию. Следует отметить, что данные эксперименты были ориентированы на определение динамической прочности разрушения на макроуровне. Определялось пороговое значение амплитуды импульса давления, ниже которого не происходило разрушения образца на две части, т.е. фиксировался порог, соответствующий макроразрушению образца. Форма импульса тока определялась нелинейным сопротивлением и соответствовала первому полупериоду синусоиды. Зависимость амплитуды разрушающей нагрузки от длительности импульса воздействия приведена на рис. 3.10.
Определение структурного времени разрушения из экспериментальных данных
Проведем анализ экспериментальных данных на основе решения соответствующих задач с использованием структурно-временного критерия. Анализ экспериментов по разрушению образцов с макродефектами типа трещин. В [115, 162, 163] показано, что условия эксперимента до момента прихо да отраженных от границ образца волн соответствуют следующей задаче. » Бесконечная упругая плоскость, содержащая полубесконечный разрез, R2\{(x,y): х 0, у=0}, подвергается ударному воздействию, приложенному к его берегам cjy = -p(t), тХу = 0, при начальном условии 1д t o=0 и условии, обеспечивающим однозначность решения задачи -V/ 0: U = const+0(r ),r- , $. В экспериментах было реализовано импульсное нагружение P(t) = Рт -Q(t) в виде униполярных импульсов. Решение такой задачи реально отражает реализуемую в опытах ситуацию до момента прихода в вершину трещины волн, отраженных от границ модели. Для использованных при проведении эксперимента образцов это время составляло чуть больше 100 мкс. Значение коэффициента интенсивности напряжений для такой задачи имеет вид [164]: Структурно-временной критерий для образцов с макродефектами типа трещин может быть преобразован к виду: где Кі (і) - текущий коэффициент интенсивности; т - структурное (инкубационное) время разрушения материала. Из (4.7) следует, что минимальная разрушающая (пороговая) амплитуда импульса определяется по формуле: где f(t)= \Q(s)f (t-s)ds, /0(ґ) = 1/2-Г1/2 находится из решения динамиче-о ской начально-краевой задачи. Значения пороговых разрушающих нагрузок определяются из экспериментальных зависимостей. С использованием соотношения (4.8) может быть определено структурное время разрушения материала т . Для ПММА это значение составило 32 мкс. Для габбро диабаза структурное (инкубационное) время разрушения, определенное по (4.8), дает значения т =130 мкс.
Это время существенно больше времени пробега волной нагрузки двойного расстояния от берегов трещины до границ образца 2 ljcx. Следовательно, к моменту разрушения напряженное состояние уже не соответствует условиям задачи, в отличие от ПММА [162, 163], и параметр х\к , определенный по (4.8) для габбродиабаза не соответствует условиям эксперимента. Можно утверждать, что величина данного параметра для габбродиабаза лежит в диапазоне 2 1/с{ х 130 мкс. Анализ экспериментальных данных по разрушению образцов в трехточечной схеме нагруженш В данном виде испытаний нагрузка передавалась через ударник (стальную призму), находящийся в непосредственном контакте с исследуемым образцом и токоведущими шинами. К ударнику прикладывалось импульсное воздействие F{t) = P(t)-s - сила, действующая на ударник, Р = Pm(sm(Tnt)) - давление токоведущих шин, действующее на площадь ос- нования ударника s, длительностью tl В [165] показано, что инерционные свойства системы существенно влияют на параметры импульса нагрузки, действующей на образец. В линейно-упругом приближении усилие, переданное на образец, определяется из следующего соотношения: где v = л[к/т - собственная частота колебаний системы, т - масса ударника, к - жесткость балки, А - амплитуда. Из (4.9) следует, что продолжительность и амплитуда импульса, действующего на образец, равны соответствен- но: Очевидно, что имеет место существенное влияние инерционных свойств элементов схемы нагружения (ударника) на параметры действующей на образец силы. Это проявляется в снижении амплитуды и увеличении длительности импульса. Так, импульс длительностью 12.7 мкс трансформируется в импульс длительностью 217 мкс.
Так как в этом случае реализуется режим квазистатической стабилизации поля напряжений в образце, то коэффициент интенсивности пропорционален действующей на образец нагрузке и может быть определен следующим образом: где Gc - усилие, разрушающее образец при статическом нагружении. Струк турное время разрушения определяется из соотношений (4.7, 4.9, 4.11). Разрушение в откольной схеме погружения Откольное нагружение позволяет осуществить импульсное растягиваю- щие напряжение, создаваемое волной растяжения, возникающей в результате отражения от свободного торца образца волны сжатия. В такой ситуации ответственным за разрушение кроме характеристик материала являются амплитуда, форма и длительность импульса. Напряженное состояние в этих экспериментах наиболее простое для анализа, т.к. полностью определяется волной растяжения. Для разрушения образцов в этих условиях структурно-временной критерий преобразуется к виду
