Моделирование процесса функционирования удлиненного кумулятивного заряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Фам Хонг Шон

• Фам Хонг Шон
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фам Хонг Шон

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 УДЛИНЕННЫЕ КУМУЛЯТИВНЫЕ ЗАРЯДЫ И МЕТОДЫ ИХ

РАСЧЕТА.

1.1 Общие сведения о кумулятивных зарядах.

1.2 Методы прогнозирования эффективности действия кумулятивных зарядов.

1.2.1 Методы экспериментальных исследований.

1.2.2 Теоретические методы расчета кумулятивных зарядов.

1.3 Особенности функционирования УКЗ.

1.4 Выводы по главе.

Глава 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА УНКЦИОНИРОВАНИЯ

2.1 Физическая модель процесса.

2.2 Моделирование несимметричного схлопывания пластин при косом соударении.

2.3 Расчет параметров кумулятивного ножа.

2.4 Расчет процесса проникания ножа в преграду.

2.5 Выводы по главе.

Глава 3 ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАСЧЕТОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УКЗ.

3.1 Общиие свдения о ПК УКЗ.

3.2 Тестирование ПК.

3.3 Выводы по главе.

Глава 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО УКЗ.

4.1 Анализ влияния конструктивных параметров.

4.2 Теоретический анализ влияния технологических факторов

4.3 Статистическое моделирование процесса функционирования УКЗ.

4.4 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процесса функционирования удлиненного кумулятивного заряда»

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

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

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

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

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

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

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

- инициирование и детонация заряда взрывчатого вещества (ВВ);

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

- движение кумулятивного ножа на траектории;

- взаимодействие кумулятивного ножа с преградой.

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

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

Достижение поставленной цели осуществляется путем решения следующих задач:

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

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

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

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

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

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

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Фам Хонг Шон

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фам Хонг Шон, 2008 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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