Высокоскоростное деформирование пластичных материалов магнитно-импульсным методом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Алексеев Дмитрий Игоревич

• Алексеев Дмитрий Игоревич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Алексеев Дмитрий Игоревич

Введение

1. Предпосылки применения магнитно-импульсного способа нагружения для тестирования различных материалов

1.1. Накопители энергии для генерации сильных и сверхсильных импульсных магнитных полей

1.2. Способы получения сильных и сверхсильных магнитных полей и их научно-техническое и промышленное применение

1.3. Процесс деформирования и факторы на него влияющие

1.4. Методы исследования материалов при высокоскоростном деформировании

1.5. Адаптация традиционных методов исследования материала под магнитно-импульсный способ создания механических усилий

Выводы по Главе

Постановка задачи

2. Схема нагружения для проведения экспериментов по исследованию высокоскоростного деформирования магнитно-импульсным методом

2.1. Экспериментальная схема нагружения и оценка требований к ней

2.2. Аналитический расчет индуктивности магнитной системы соленоид - диск

2.3. Численный анализ магнитной системы соленоид - диск

2.4. Численный анализ процесса деформации

2.5. Методы контроля параметров эксперимента

Выводы по Главе

3. Проведение исследования высокоскоростного растяжения

3.1. Исследование процесса высокоскоростного деформирования магнитно-импульсным методом на примере растяжения образцов из медной проволоки

3.2. Исследование процесса высокоскоростного деформирования магнитно-импульсным методом на примере растяжения образцов, изготовленных из плоского листа

Выводы по Главе

4. Прогностическая модель анализа высокоскоростного растяжения

4.1. Оценка предельных возможностей и ограничений магнитно-импульсного способа нагружения

4.2. Верификация модели пластичности

Выводы по Главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А (справочное) Типовая картина процесса деформации медного плоского образца сечением 0,5 мм2

Приложение Б (справочное) Типовая картина процесса деформации алюминиевого плоского образца сечением 1 мм2

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Высокоскоростное деформирование пластичных материалов магнитно-импульсным методом»

Введение

Развитие науки и техники в области создания магнитных полей позволяет считать сильные импульсные магнитные поля и сверхсильные импульсные магнитные поля подходящим инструментом как для решения различных технологических задач, таких как магнитно-импульсная штамповка, магнитно-импульсная сварка, так и для проведения исследований, связанных с различными направлениями современной прикладной и фундаментальной науки.

Высокая плотность энергии сильных импульсных магнитных полей позволяет включить в круг возможного их применения сопутствующие генерации процессы, например, возникающее магнитное давление, которое может быть использовано для изучения поведения материалов при импульсном нагружении. Импульсное магнитное поле, таким образом, может служить источником механического давления, прикладываемого к исследуемому образцу либо к движущимся частям испытательной установки, при этом скорости деформирования образца могут достигать значений порядка 103 1/с.

Деформирование пластичных материалов является сложным многофакторным процессом, связанным с различными характеристиками материала и явлениями, вносящими свой вклад в деформацию.

Оценка характера деформирования материалов в режимах экстремального нагружения имеет важное значение при исследовании и изучении электрофизических процессов, таких как исследование влияния прочностных характеристик материала при расчете и создании осесимметричных квазибессиловых магнитов [1], или при проектировании различных электрофизических аппаратов и установок [2-5], примером которых может служить исследование процесса деформирования токоведущих частей защитных аппаратов, применяемых в сложных электрофизических установках [2; 3; 6].

Традиционные методы и схемы нагружения для проведения испытаний пластичных материалов хорошо изучены и подразумевают под собой создание статических нагрузок на испытуемом объекте.

В то же время механические свойства материалов в динамических режимах (высокоскоростное деформирование) значительно отличаются от статических, и для выявления свойств материалов в динамических режимах необходимо применять методы, позволяющие быстро преобразовать запасенную энергию испытательной установки в механическую энергию, приложенную к испытуемому образцу [7-9]. Под скоростью деформации принято понимать приращение степени деформации во времени. К высокоскоростному деформированию относятся процессы, в которых скорость деформации превышает 103 1/с.

Отличительной чертой магнитно-импульсного метода является формирование нагруженного состояния без предварительного напряженного состояния, характерного для схем откольных испытаний в исследуемом материале, что необходимо для изучения процесса деформирования композиционных материалов, некоторых металлов, обладающих пространственной анизотропией деформационных характеристик [10-13], а также возможность выявить общие закономерности поведения непроводящих хрупких материалов, времени накопления энергии и других характеристик в процессе деформации [14-16] делают магнитно-импульсный метод нагружения более предпочтительным для исследования свойств различных материалов.

Также преимуществом магнитно-импульсного метода является возможность проведения исследований с осуществлением непосредственного контроля за параметрами импульсного воздействия и управления ими. Импульсное давление, создаваемое магнитным полем, определяется токораспрелением в проводящих элементах магнитной системы и самим генерируемым магнитным полем. Таким образом, задача контроля параметров воздействия сводится к измерению тока и индукции поля магнитной системы, способы измерения которых хорошо известны и достаточно легко реализуемы на практике.

Разработка системы нагружения пластичного материала с использованием магнитно-импульсного метода, в котором возможно реализовать высокоскоростное деформирование исследуемого образца исключительно за счет растягивающих усилий, позволит детальнее изучить как сам процесс высокоскоростного деформирования, так и влияющие на него параметры материала и внешние воздействующие факторы. Высокоскоростное деформирование и измерение скорости деформации в данной постановке может быть реализовано по схеме, схожей со схемой метода Гопкинсона-Кольского [9].

Данная тематика соответствует Паспорту специальности 1.03.13 -«Электрофизика, электрофизические установки», а именно пунктам:

- п. 1. Исследование физических явлений при накоплении и трансформации электромагнитной энергии. Физические процессы формирования и развития электрического разряда в газообразных, жидких, твёрдых и комбинированных средах. Ударные волны, инициированные разрядом. Технические применения разряда в плотных средах и газе.

- п. 3. Создание установок для получения сильных и сверхсильных электромагнитных полей на базе сверхпроводящих магнитных систем, соленоидов сверхсильного магнитного поля, магнитной кумуляции. Создание установок для генерации мощных импульсов сверхвысоких частот на основе сильноточных пучков.

- п. 9. Исследование электрофизических и электромагнитных явлений и процессов в различных средах для нужд электронной, приборостроительной, электротехнической промышленности, средств вычислительной техники и связи.

Актуальность работы заключается в проведении исследований поведения различных материалов при высокоскоростном одноосном растяжении. Востребованность выполнения подобной работы обусловлена не только возможностью исследований свойств известных материалов в условиях высокоскоростного деформирования, но и быстрым расширением номенклатуры новых материалов, требующих изучения прочностных и деформационных

характеристик, учитываемых при разработке различного электрофизического оборудования и установок [2; 3; 6] и оценке его функционирования в различных режимах эксплуатации.

Разработка экспериментальной системы для исследования одноосного высокоскоростного растяжения металлов, аналитический и численный анализ магнитной системы и схем нагружения, формирующих полностью определенное напряженно-деформированное состояние, является актуальной задачей, решение которой позволяет расширить применимость и усовершенствовать существующие методы тестирования материалов.

Степень разработанности темы исследования: Исследования в области высокоскоростного деформирования активно развиваются с начала ХХ века и в основном направлены на разработку различных экспериментальных методов. К наиболее распространённым методам исследования высокоскоростного деформирования можно отнести методы Тейлора, Гопкинсона-Кольского, откольный метод, раздача или расширение кольцевых образцов. Разработкой и совершенствованием указанных методов тестирования материалов занимаются ученые из таких научных организаций как Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН, Томский государственный университет, Институт машиноведения УрО РАН, ФГУП Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики и других. Наиболее интересны результаты, описанные в работах Брагова А. М., Канеля Г. И., Разоренова С. В., Фортова В. Е., Мещерякова Ю. И., Мушникова А. Н., Sreenivasan P. R., Зелепугина С. А., Кудасова Ю. Б.

Экспериментальные данные, полученные при проведении исследований с использованием вышеупомянутых методов, стали основой для создания и верификации различных моделей деформирования и разрушения, что отображено в работах Зелепугина С. А., Бузюркина А. Е., Zhen Wang, Silji Li, Buchely M., Baeker

M. Результаты, опубликованные в работах указанных авторов, могут быть использованы для оценки характера деформирования и разрушения изделий сложной геометрии. Над адаптацией магнитно-импульсного способа нагружения для тестирования материалов работают Gorman D., Hayes D., Psyk V., Кривошеев С. И., Магазинов С. Г.

Целью научной работы является расчетно-экспериментальное обоснование применимости магнитно-импульсного способа формирования управляемых импульсов давления для исследования свойств материалов в условиях высокоскоростного деформирования со скоростями деформации 103 1/с и более.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. выбор и разработка схемы нагружения для одноосного высокоскоростного растяжения магнитно-импульсным методом, исключающей наведенные токи и связанные с ними эффекты в образце;

2. численное моделирование магнитной системы, анализ ее взаимодействия с исследуемым образцом и адаптация к разработанной схеме нагружения;

3. реализация разработанной схемы нагружения и методов диагностики, и экспериментального исследования высокоскоростного деформирования образцов из меди марки М1 и алюминия марки АД0;

4. определение параметров модели Джонсона-Кука для адекватного описания процессов деформирования и разрушения при скоростях деформации 103 1/с c помощью численного моделирования;

5. исследование факторов, влияющих на предельные возможности магнитно-импульсного способа для высокоскоростного одноосного растяжения металлов.

Научная новизна исследования

Показана возможность использования магнитно-импульсного метода формирования управляемых импульсных давлений для реализации режимов нагружения для исследования высокоскоростного одноосного деформирования

проводящих образцов, исключающих влияние на процесс наведенных токов и связанных с ним эффектов в образце.

На основе экспериментальных данных определены параметры модели Джонсона-Кука, адекватно описывающие процесс деформирования и разрушения образцов из меди марки М1 при скоростях деформации 103 1/с и более.

Выявлено влияние параметров схемы нагружения, таких как масса метаемого драйвера, частота и амплитуда импульса тока в магнитной системе на процесс скоростного деформирования образцов.

Обосновано использование аналитического описания процесса деформирования для оценки требований к магнитной системе и схеме нагружения.

Научно-практическая значимость работы заключается в следующем:

Разработана и экспериментально адаптирована к проведению исследований методика магнитно-импульсного формирования управляемых нагрузок для одноосного высокоскоростного деформирования материалов в условиях прямого растяжения, которая может применяться для исследования динамических характеристик пластичных материалов и верификации параметров расчётной деформационной модели для расширения диапазона применимости.

Получены экспериментальные данные по деформированию и разрушению проводящих материалов, таких как медь марки М1 и алюминий марки АД0, в диапазонах скоростей нагружения от 102 до 103 1/с.

На основе экспериментальных данных определены параметры модели деформирования и разрушения Джонсона-Кука для меди марки М1, применение которых описывает характер разрушения материала при скорости деформации 2-3 • 103 1/с.

Показана взаимосвязь параметров магнитного поля и скоростных деформационных характеристик исследуемого материала, а также применимость аналитического описания характера деформации, используемого для оценки параметров скоростного нагружения.

Полученные параметры расчетной модели деформации были применены при оценке характера деформирования токоведущей части защитного размыкателя системы электропитания сверхпроводниковых обмоток международного термоядерного реактора ИТЭР, разрабатываемого и изготавливаемого в АО «НИИЭФА».

Методология и методы исследования: математический анализ процессов, имеющих место при проведении исследования поведения материалов, выполнялся как аналитически, так и численно, с использованием программной среды Comsol Multiphysics с помощью суперкомпьютерного центра СПбПУ на суперкомпьютере Политехник РСК Торнадо.

Формирование воздействия давления осуществлялось с помощью широко применяемого импульсного магнитного поля, формируемого методом прямого разряда емкостного накопителя. Экспериментальное исследование металлов проводилось на установке ГИТ-50/12, расположенной в испытательной лаборатории Высшей школы высоковольтной энергетики Института энергетики СПбПУ, с измерением тока в индукторе магнитной системы с помощью пояса Роговского и измерением магнитного поля индукционным датчиком магнитного поля. Измеряемые сигналы регистрировались с помощью цифрового осциллографа Tektronix DPO2024. Процесс растяжения исследуемого образца фиксировался оптическим методом с помощью цифровой скоростной видеокамеры Photron SA5.

Основные положения, выносимые на защиту

Выбрана схема нагружения для одноосного высокоскоростного деформирования материалов магнитно-импульсным способом, исключающая воздействие на испытательный объект неконтролируемых факторов, таких как нагрев образца и электропластический эффект.

Выполнено численное моделирование режимов работы разработанной схемы нагружения, на основе которого выбраны параметры и материалы для разработки и изготовления экспериментальной системы нагружения.

Выполнена аналитическая оценка процесса деформирования, описывающая результаты эксперимента-и позволяющая выявить влияние параметров системы нагружения на процесс деформации, определены параметры, показывающие возможности и ограничения магнитно-импульсного метода нагружения.

Проведено экспериментальное исследование высокоскоростного деформирования магнитно-импульсным способом в условиях прямого растяжения проводящих материалов, таких как медь марки М1 и алюминий марки АД0, в диапазонах скоростей нагружения от 102 до 103 1/с.

Выполнено численное моделирование процесса деформации с использованием моделей деформирования и разрушения Джонсона-Кука, результаты которого подтвердили применимость данной модели для описания процесса деформирования при скорости деформирования 103 1/с. Однако, для адекватного описания процессов разрушения и деформации потребовалось проведение существенной оптимизации параметров модели, что показано на примере образцов из меди марки М1.

Выполнена оценка процесса деформации и разрушения с применением модели Джонсона-Кука с оптимизированными параметрами для защитного размыкателя, разрабатываемого и изготавливаемого в АО «НИИЭФА», который входит с состав системы электропитания сверхпроводниковых обмоток международного термоядерного реактора ИТЭР.

Выполнена оценка процесса деформации и разрушения образца из меди марки М1 с применением модели Джонсона-Кука с оптимизированными параметрами в рамках работ, поддержанных грантом Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых -кандидатов наук МК-2816.2022.4.

Степень достоверности результатов обоснована адекватностью и апробированностью применяемых методик проведения эксперимента, воспроизводимостью результатов эксперимента, которые не противоречат известным по литературным источникам данным. Анализ физических параметров

проводился аналитически и численно, с использованием современных программных средств. Численный анализ выполнен с использованием верифицированных расчетных моделей. Результаты сопоставления аналитического и численного расчетов, а также результатов эксперимента имеют сходимость, достаточную для подтверждения достоверности результатов.

Личный вклад автора состоит в проведении анализа возможных схем нагружения материала магнитно-импульсным способом с последующим выбором концепции экспериментальной системы, на основе которого выполнен анализ и разработка и изготовление магнитной системы. Осуществлен выбор методик проведения эксперимента, выполнена разработка, изготовление экспериментальных образцов и проведение экспериментов. Автором проведён анализ, обобщение экспериментальных данных и результатов моделирования поведения образцов в условиях высокоскоростного одноосного растяжения, создаваемого магнитно-импульсным способом. Выполнен прогностический анализ возможностей и ограничений магнитно-импульсного способа нагружения. Автор принимал непосредственное участие в подготовке и написании статей и докладов на конференции по результатам работы.

Апробация работы. Основные материалы диссертации были доложены и размещены в сборниках конференций:

1. Кривошеев, С. И. Исследование быстрого деформирования металлов при магнитно-импульсном нагружении микросекундного диапазона / Кривошеев С. И., Магазинов С. Г., Алексеев Д. И. // International Conference NDT Days 2016 Proceedings, Созополь, Болгария. - 2016. - С. 369-373.

2. Krivosheev, S. I. The peculiarities of the application of magnetic-pulse method for forming controlled pressure pulses to test metal samples / Krivosheev S. I., Magazinov S. G., Alekseev D. I. // Proceedings of the fifteenth international conference on megagauss magnetic field generation and related topics. - 2016. - P. 39-42.

3. Krivosheev, S. I. On the impact of the elastic-plastic flow upon the process of destruction of the solenoid in a super strong pulsed magnetic field / Krivosheev S. I., Magazinov S. G., Alekseev D. I. // Proceedings of the fifteenth international

conference on megagauss magnetic field generation and related topics. - 2016. - P. 43-45.

4. Алексеев, Д. И. Магнитно-импульсное тестирование проводящих материалов с макродефектом / Кривошеев С. И., Магазинов С. Г., Алексеев Д. И.// Неделя науки СПБПУ: материалы научной конференции с международным участием. Институт энергетики и транспортных систем, Ч. 2. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. - 2017. - C. 5-8.

5. Алексеев, Д. И. Высокоскоростное деформирование проводящих материалов магнитно-импульсным способом / Алексеев Д. И., Кривошеев С.И., Магазинов С. Г. // Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием. Лучшие доклады. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та.

- 2017. - C. 39-44.

6. Кривошеев, С. И. Особенности магнито-импульсного способа деформирования проводящих образцов / Кривошеев С. И., Адамьян Ю.Э., Титков В. В., Черненькая Л. В., Алексеев Д. И., Магазинов С. Г. // Bulgarian Society for NDT, International Journal "NDT Days". - Vol. 1, № 3. - 2018. - С. 375.

7. Адамьян, Ю.Э. Некоторые особенности влияния увеличения локальной плотности тока на разрушение плоских проводников / Адамьян Ю. Э., Алексеев Д. И., Черненькая Л. В., Кривошеев С. И., Магазинов С. Г., Титков В.В. // Bulgarian Society for NDT, International Journal "NDT Days". - Vol. 1, #3.

- 2018. - С. 382.

8. Krivosheev, S. I. Interaction the high-density pulse current with material in the zone of local conduction disturbance at the edge of a thin wall magnetic system / Adamyan Y. E. Alekseev D. I., Chernenkaya L. V., Magazinov S. G., Krivosheev S. I., Titkov V. V. // Proceedings of the 2018 16th International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics, MEGAGAUSS. - 2018.

9. Adamyan, Yu. E. Investigation of Influence of Pulse Electric Current on HighSpeed Deformation of Copper M1 by Magnetic Pulse Loading / Adamyan Yu. E., Krivosheev S. I., Magazinov S. G., Alekseev D. I., Kolodkin I. S. // Proceedings of the 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). - 2019. - P. 788.

10. Alekseev, D. I. Uniaxial High Strain Rate Tension with the Use of Magnetic Pulse Method / Alekseev D. I., Magazinov S. G., Krivosheev S. I., Manzuk M. V., Adamyan Yu. E. // Proceedings of the 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, EIConRus 2020. January 2020

11. Manzuk, M. V. Experimental Study of the Deformation Processes of Current-Carrying Elements of Protective Switches for Fusion Application / Manzuk M. V.,

Alekseev D. I., Magazinov S. G., Krivosheev S. I., Adamyan Yu. E. // Proceedings of the 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2021. - 2021.

12. Alekseev, D. I. Application of magnetic pulse method for uniaxial high strain rate tension of different metals / Alekseev D. I., Magazinov S. G., Krivosheev S.I., Manzuk M. V., Adamyan Yu. E. // International Scientific Electric Power Conference ISEPC-2021. - 2021.

13. Манзук, М. В., Аналитическое и Экспериментальное Исследование Процессов Импульсного Взрывного Нагружения Разрушаемых Элементов Конструкции Защитных Коммутационных Аппаратов / Алексеев Д. И., Кривошеев С. И., Магазинов С. Г, Манзук М. В., Харченко В. В., Юрченко В. О. // международная конференция «Забабахинские научные чтения» - Снежинск. -2021.

14. Alekseev, D. I. Determination of pulsed magnetic system parameters from conditions of controllable high-strain rate uniaxial tension and fracture of materials / Alekseev D. I., Krivosheev S. I., Magazinov S. G., Manzuk M. V. // XXXVII Fortov International Conference on Equations of State for Matter ELBRUS 2022. -2022.

15. Alekseev, D. I., «High strain rate deformation of conductive materials with the use of pulse magnetic fields» / Alekseev D. I., Krivosheev S. I., Manzuk M. V., Magazinov S. G., Ostropiko E. O. // XVI Международная конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» - Екатеринбург. - 2022.

Публикации в изданиях перечня ВАК и Scopus:

1. Krivosheev, S. I. Adaptation of the magnetic pulse method for conductive materials testing / Krivosheev S. I., Magazinov S. G, Adamyan Yu. E., Alekseev D. I, Titkov V. V., Chernenkaya L. V. // Materials Physics and Mechanics. - Vol. 40. - 2018. -P. 117-123.

2. Krivosheev, S. I., Magazinov S. G., Alekseev D. I. High-speed deformation of copper samples with the use of magnetic pulse method / // MATEC Web of Conferences. - 145. -2018. - 05006.

3. Krivosheev, S. I., Magazinov S. G., Alekseev D. I. On the impact of the elastic-plastic flow upon the process of destruction of the solenoid in a super strong pulsed magnetic field // Journal of Physics: Conference Series. Krivosheev S. I., Magazinov S. G., Alekseev D. I Vol. 946. - 2018. - 012040.

4. Krivosheev, S. I., Magazinov S. G., Alekseev D. I The peculiarities of the application of magnetic-pulse method for forming controlled pressure pulses to test

metal samples // IEEE Transactions on Plasma Science. - Vol. 46, #4. - 2018. - P. 1054-1057.

5. Krivosheev, S. I. Interaction the high-density pulse current with material in the zone of local conduction disturbance at the edge of a thin wall magnetic system / Adamyan, Y. E. Alekseev D. I., Chernenkaya L. V., Magazinov S. G., Krivosheev S. I., Titkov V. V. // Proceedings of the 2018 16th International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics, MEGAGAUSS. - 2018.

6. Krivosheev, S. I. The impact of local current density increase on conductor destruction / Krivosheev S. I., Adamian Yu. E., Alekseev D. I., S G Magazinov, L V Chernenkaya, V V Titkov // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. -1147. - 2019. - 012033.

7. Adamyan, Yu. E. Investigation of Influence of Pulse Electric Current on HighSpeed Deformation of Copper M1 by Magnetic Pulse Loading / Adamyan Yu. E., Krivosheev S. I., Magazinov S. G., Alekseev D. I., Kolodkin I. S. // Proceedings of the 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). - 2019. - P. 788.

8. Alekseev, D. I. Uniaxial High Strain Rate Tension with the Use of Magnetic Pulse Method / Alekseev D. I., Magazinov S. G., Krivosheev S. I., Manzuk M. V., Adamyan Yu. E. // Proceedings of the 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, EIConRus 2020. - 2020.

9. Alekseev, D. I. / High strain rate deformation of conductive materials with the use of pulse magnetic fields / Alekseev D. I., Krivosheev S. I., Manzuk M. V., Magazinov S. G., Ostropiko E. O. // Procedia Structural Integrity, 16th International Conference on Mechanics, Resource and Diagnostics of Materials and Structures (MRDMS 2022). - 2023.

10. Алексеев, Д. И. Защитные системы детонационной автоматики в токамаках / М. В. Манзук, А. М. Кудрявцева, Ю. Н. Латманизова, В. В. Харченко, С. И. Кривошеев, С. Г. Магазинов, С. М. Микляев // Техносферная устойчивость. -2023. - С. 82-95.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, постановки задачи, четырёх

глав и заключения, списка использованных источников из 106 наименований,

перечня сокращений и 2 приложений. Работа изложена на 145 страницах, содержит

83 рисунков и 6 таблиц.

Первая глава посвящена анализу способов получения сильных импульсных магнитных полей и их применению в науке и технике, показаны физические ограничения этих способов. Рассмотрен процесс деформации и факторы, влияющие на него, такие как скорость деформации, температура, электропластический эффект. Показаны основные схемы исследования материалов при высокоскоростном нагружении и возможность их адаптации для применения магнитно-импульсного способа создания механического воздействия. Описаны исследования по применению магнитно-импульсного способа нагружения для высокоскоростного растяжения и деформирования образцов с дефектом типа трещина из различных материалов. На основе анализа, проведенного в первой главе, осуществлена постановка задач, которые решаются в следующих главах.

Во второй главе выполнен анализ магнитной системы экспериментальной установки, оценены возможные влияющие на процесс проведения эксперимента факторы. Разработана и изготовлена экспериментальная система нагружения. Выполнены расчет и разработка средств измерения и контроля параметров магнитной системы.

В третьей главе описано проведение экспериментальных исследований по высокоскоростному растяжению образцов из различных материалов, имеющих различную форму. Приведены фотографии экспериментальной установки и исследуемых образцов, результаты измерения параметров магнитной системы (ток и индукция магнитного поля), экспериментальные данные по одноосному растяжению металлов.

На основе полученных экспериментальных данных в главе 4 апробирована прогностическая модель, позволяющая сформулировать требования к магнитной системе, исходя из предполагаемого характера деформирования. Выполнена оценка потенциала магнитной системы, и показаны возможные способы повышения ее эффективности. Проведена верификация численной модели деформирования с использованием результатов аналитического расчета и экспериментальных данных.

Благодарности.

Научному руководителю Кривошееву Сергею Ивановичу за поддержку на всех этапах работы над кандидатской диссертацией.

Магазинову Сергею Геннадьевичу за поддержку в работах по численному моделированию и проведению экспериментальных исследований.

Аванесову Сергею Драстаматовичу за поддержку при разработке экспериментальной установки.

Коллективу Высшей школы высоковольтной энергетики института энергетики СПбПУ за экспериментальные исследования, моделирование и теоретические обоснования.

Суперкомпьютерному центру «Политехнический» за предоставление расчетных ресурсов и лицензий.

Исследования отраженные в данной диссертации частично выполнены в рамках работ, поддержанных грантом Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук МК-2816.2022.4.

1. Предпосылки применения магнитно-импульсного способа нагружения

для тестирования различных материалов

В данной главе рассмотрены области применения результатов исследования процесса высокоскоростного деформирования, виды накопителей энергии, способы получения сильных и сверхсильных импульсных магнитных полей.

Приведены возможные ограничения по достижимым параметрам импульсных магнитных полей в случае прямого разряда генератора импульсов тока (ГИТ) на индуктивность.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Алексеев Дмитрий Игоревич, 2025 год

/ Y

> К

N N III !■■■ - ■■ - "

■

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Время, мкс

Рисунок 51 - Характерные осциллограммы импульса тока экспериментальной установки по одноосному деформированию проволоки магнитно-импульсным

методом

Как видно из Рисунка 51, изменение параметров разрядной цепи генератора, в частности путем включения в цепи добавочного сопротивления позволяет регулировать амплитуду импульса тока и его частоту, тем самым управляя величиной и длительностью нагружения исследуемого образца.

Сравнительное фото образцов до и после эксперимента показано на Рисунке 52.

Рисунок 52 - Сравнительное фото образцов после деформации и исходного образца

Дальнейшим шагом по исследованию возможностей магнитно-импульсного метода для тестирования материалов стало уменьшение длины рабочей части образца. Новые образцы были изготовлены из проволоки длиной 40 мм. Применение таких образцов позволило увеличить скорость деформации до 6-102 1/с. Результаты экспериментов с образцами из проволоки длиной 40 мм сведены в Таблицу 4.

Таблица 4 - Результаты экспериментального исследования по растяжению проволоки длиной 40 мм

№ образца Исходная длина, мм Конечная длина, мм Относительная деформация Амплитуда импульса тока, кА Скорость деформации, 1/с Расчетная скорость деформации, 1/с Примечание

1 40 52 0,30 12,5 ~ 600 630 Разрыв проволоки

2 40 48 0,20 12,5 ~ 500 Разрыв проволоки

3 40 48 0,20 12,5 ~ 500 Разрыв проволоки

4 39 51 0,28 12,5 ~ 550 Разрыв проволоки

5 41 52 0,30 12,5 ~ 600 Разрыв проволоки

Результаты экспериментов по растяжению проволоки показали, что магнитно-импульсный метод применим для высокоскоростного одноосного растяжения. Однако для получения более высоких скоростей деформации необходимо увеличить величину магнитного поля, а также уменьшить деформируемую часть исследуемого образца.

Ввиду того, что проволока имеет различные деформации, полученные в процессе изготовления экспериментального образца, влияющие на проведение эксперимента. Для проведения дальнейших исследований был выбран образец, изготавливаемый из листового материала, вырезанный электроэрозионным методом.

Графическое представление результатов экспериментального исследования по растяжению образцов из проволоки длиной 40 мм и 100 мм с различными амплитудами показано на Рисунке 53.

100 мм, 8 кА 100 мм, 10 кА 100 мм, 12.5 кА 40 мм, 12.5 кА 700

600 х

500 х

ии

£ 400 & 300

(и

Л 200

& ■ ■

Л 100 ♦ ♦ ♦

§

° 0

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Относительная деформация

Рисунок 53 - Графическое представление результатов экспериментального

исследования по растяжению проволоки

3.2. Исследование процесса высокоскоростного деформирования магнитно-импульсным методом на примере растяжения образцов, изготовленных из

плоского листа

Для проведения данных экспериментов методом электроэрозионной резки были изготовлены новые образцы из листовой меди М1 твердой и мягкой (отожжённой) толщиной 0,5 и 1,0 мм и алюминия АД0 толщиной 1 мм.

Основываясь на предыдущих результатах, в новых образцах рабочая деформируемая часть была уменьшена до 10 мм. Тем самым повышение скорости деформации обусловливается увеличением относительной деформации при одинаковом перемещении метаемого драйвера.

Подготовленная к проведению эксперимента экспериментальная установка с исследуемым образцом, изготовленным из медного листа толщиной 1 мм, и габаритные размеры образца показаны на Рисунке 54.

Рисунок 54 - Испытуемый образец из меди

Для увеличения скорости деформации были изменены параметры разрядного контура, а именно убраны добавочные сопротивление, что привело к росту тока и магнитного поля. Осциллограмма измеренного импульса тока магнитной системы представлена на Рисунке 55.

О 50 100 150 200

Бремя, мкс

Рисунок 55 - Типовая осциллограмма импульса тока магнитной системы

Обобщающие результаты исследования высокоскоростного деформирования с использованием магнитно-импульсного метода нагружения представлены в Таблице 5.

Таблица 5 - Результаты экспериментального исследования по растяжению

образцов изготовленных из плоского листа

Сечение образца Материал Относительная деформация* Амплитуда импульса тока, кА Скорость деформации, 1/с*

1 мм2 Отожжённая медь 0,4 15,0 1280

0,4 32,5 2545

0,5 мм2 Отожжённая медь 0,2 32,5 2700

Продолжение Таблицы 5

Сечение образца Материал Относительная деформация* Амплитуда импульса тока, кА Скорость деформации, 1/с*

1 мм2 Твердая медь 0,2 15,0 1272

0,2 32,5 2063

0,5 мм2 Твердая медь 0,2 32,5 2500

1 мм2 Алюминий 0,5 32,5 3300

*Результаты усреднены для серии экспериментов

Графическое представление результатов экспериментального исследования по растяжению образцов из плоского листа показано на Рисунке 56.

♦ отожженная медь, 1 мм2, 15 кА а отожженная медь, 0.5 мм2, 32.5 кА х твердая медь, 1 мм2, 32.5 кА + алюминий, 1 мм2, 32.5 кА 4000

■ отожженная медь, 1 мм2, 32.5 кА х твердая медь, 1 мм2, 15 кА • твердая медь, 0.5 мм2, 32.5 кА

и и

иац

м р

о ф

е

д

ь т с

о р

рок

О

3000

2000

1000

0

0,15

**

х х

0,2

+

♦ ♦ ♦

0,25 0,3 0,35 Относительная деформация

0,4

0,45

Рисунок 56 - Графическое представление результатов экспериментального исследования по растяжению образцов из плоского листа

Процесс деформации также фиксировался с помощью скоростной видеокамеры. При проведении эксперимента была использована цифровая скоростная видео камера Photron Fastcam SA5. Частота кадров - 150000 FPS при разрешении изображения 256x144. Кадр процесса деформации, снятого с помощью скоростной видеокамеры, показан на Рисунке 57, полная картина процесса, снятого на скоростную камеру представлена в Приложениях А и Б.

Рисунок 57 - Кадр процесса деформации, красным отмечена зона, подверженная

деформации

Фотографии сравнения образцов до и после эксперимента показаны на Рисунках 58-59.

Рисунок 58 - Сравнительное фото образцов после деформации и исходного образца, изготовленных из мягкой (№1 и №2) и твердой (№3 и №4)

меди марки М1

Рисунок 59 - Сравнительное фото образцов после деформации и исходного образца, изготовленных из алюминия марки АД0

Анализ процесса деформации, зафиксированного высокоскоростной видеокамерой, показал, что характер деформации образцов одинаковой геометрии сильно зависит от материала образца. Образцы из меди разрушались с края зоны деформации, в то время как образцы из алюминия - по середине.

В результате экспериментального исследования были получены зависимости относительной деформации от времени процесса для различных материалов, которые показаны на Рисунке 60. Как видно из Рисунка 60 деформация имеет зоны где скорость деформации постоянна. Скорость деформации достигает величин порядка 103 1/с.

«0,25 к 1 0,2 1 0,15 5 Зз 0,1 ч и § 0,05 о К ь Л -Медь —Алюминий

Ю 160

О 0 0 20 40 60 80 100 120 1 Время, мкс

Рисунок 60 - Экспериментальная зависимость относительной деформации от

времени

Выводы по Главе 3

В данной главе представлены результаты экспериментального исследования высокоскоростного процесса деформации с использованием магнитно -импульсного метода нагружения. Проведено измерение электромагнитных характеристик процесса: измерение тока соленоида и магнитного поля в зазоре между диском и соленоидом, необходимое для сравнения с результатами аналитического решения, представленного в Главе 2 и его верификации.

Проведено экспериментальное исследование процесса растяжения образцов из медной проволоки различной длины в зависимости от амплитуды импульса тока. Получены скорости деформации в диапазоне от 102 до 103 1/с.

Выявлены недостатки конструкции, позволившие успешно модернизировать экспериментальную систему нагружения и разработать для исследования новую форму образцов.

Реализовано экспериментальное исследование медных и алюминиевых образцов с рабочей частью длиной 10 мм. Получены скорости деформации порядка 103 1/с. Деформация имеет зоны где скорость деформации постоянна.

4. Прогностическая модель анализа высокоскоростного растяжения

Результаты экспериментов позволяют считать магнитно-импульсный метод эффективным для проведения исследования высокоскоростного деформирования металлов, однако для оценки предельных возможностей метода и требований к магнитной системе необходима прогностическая модель, которая может учесть влияние параметров магнитной системы совместно с процессом деформации исследуемого образца.

Уравнение движения в рассматриваемой системе нагружения выглядит следующим образом:

my(t) = Pm(t) • - a(t) • Sw, (44)

где m - масса метаемого тела, Pm - магнитное давление, Sd - площадь сечения проводящего диска, о - механическое напряжение в исследуемом образце, Sw -площадь сечения исследуемого образца.

На Рисунке 61 схематично изображено направление сил в системе нагружения:

Рисунок 61 - Направление сил в системе нагружения

где т - масса метаемого тела, Рт - магнитное давление, Ба - площадь сечения проводящего диска, о - механическое напряжение в исследуемом образце, Бо - площадь сечения метаемого тела, 1о - начальная длина исследуемого образца.

В работе [93] представлено аналитическое решение схожей задачи, которое может быть использовано для выполнения оценки процесса одноосного растяжения в разрабатываемой схеме исследования. Решение уравнения движения, предлагаемое в [93], имеет следующий вид:

В Fx2 _2t y(t) = C-\SinyAt + C2cosvÄt —- + —-e * ■/w 1 2 A 2AT2 + 8

8Fnfr3 _2t

+ (4 + At2 - 16n2f2r2)2 + 256n2f2r2 6 T sin4nft (45)

FAT4

8Fnfr4 - 2Ft2 - _2t

+ (4 + At2 - 16n2f2r2)2 + 256n2f2T2 6 T cos4nft'

где A = S0a/ml0, B = S0b/m, F = S-P/m, a и b - параметры линейной аппроксимации кривой деформирования меди.

В аналитическом расчете в качестве воздействующей силы была использовано интегральное значение силы, полученное при численном моделировании данной задачи. Характерная зависимость перемещения алюминиевого диска под действием магнитного поля при разных амплитудах поля, рассчитанная с использованием данной зависимости, показана на Рисунке 62.

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Время, мкс

Рисунок 62 - Зависимости перемещения алюминиевого листа под действием магнитного поля при различных амплитудах импульса магнитного поля

4.1.

Оценка предельных возможностей и ограничений магнитно-импульсного способа нагружения

Корреляция результатов эксперимента и аналитического решения (см. Рисунок 63) позволяют использовать данное решение в качестве прогностической модели, позволяющей сформулировать требования к параметрам магнитной системы, исходя из интересующего характера исследуемого процесса нагружения.

-Аналитическое решение • Результаты эксперимента

Время, мкс

Рисунок 63 - Сравнение результатов аналитического решения процесса деформации с результатами эксперимента

Основными параметрами, оказывающими влияние на характер процесса деформации, можно назвать частоту магнитного поля и его амплитуду, массу метаемого драйвера и габариты образца.

Результаты аналитического решения, показанные на Рисунках 64-68, в котором за основу приняты параметры экспериментальной системы, позволяют оценить влияние параметров магнитной системы для одного и того же образца.

0.2

0.15

0.1

0.05

-г

-2 f

-5 f

10

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Время, мкс

Рисунок 64 - Зависимость относительной деформации от времени при различных частотах воздействующего на метаемый драйвер магнитного поля

Рисунок 65 - Зависимость относительной деформации от времени при различных

массах метаемого драйвера

Как видно из полученных результатов, при сохранении амплитуды магнитного поля, частота воздействующего импульса и масса метаемого драйвера оказывают существенное влияние на характер процесса. Так, увеличение частоты

воздействия не приводит к росту скорости деформации, а, наоборот, снижает ее. Причина такой зависимости заключается в большой инерционности системы, вследствие чего при более коротких импульсах ее сложнее привести в движение. В свою очередь, уменьшение массы метаемого драйвера ожидаемо приводит к росту скорости деформации исследуемого образца.

Рассмотрим более подробно результаты аналитического расчета процесса деформации в зависимости от частоты воздействующего импульса. Для дальнейшего анализа полученная экспериментально величина относительной деформации в 0,2 использована для оценки времени, требуемого для деформации, и достигаемой в исследуемых условиях скорости деформации.

На Рисунках 66-68 отмечены значения времени достижения заданной относительной деформации (83,6 мкс), скорости деформации (2392 1/с), полученные в эксперименте.

% 400

s

Си

0

-Э-

ц

п 300

X

X

Z

| 200 х

0J

£

-

1 юо

в? -

и сх CQ

о

Относительная частота, отн. ед.

Рисунок 66 - Зависимость времени достижения заданной деформации (пунктирные лини) и скорости деформации (сплошные линии) от частоты воздействующего на

метаемый драйвер магнитного поля

Результаты расчета показывают (см. Рисунок 66), что имеет место максимум скорости деформации и минимум времени, затраченного на деформацию, при

частоте 0,74 от исходной, а дальнейшее увеличение частоты воздействия не приводит к росту скорости деформации и уменьшению времени процесса.

Стоит отметить, что существенного роста характеристик процесса частоте воздействий при максимуме характеристик по сравнению с частотой в эксперименте не наблюдается.

Рисунок 67 - Зависимость времени достижения заданной деформации и скорости деформации от массы метаемого драйвера при различных частотах воздействующего магнитного поля

Более эффективным способом повышения скорости деформации является изменение массы метаемого драйвера (см. Рисунок 67). В данном расчете оценено влияние массы на процесс деформирования без изменения геометрии диска. Площадь сечения проводника, на которую действует магнитное давление, постоянна.

Как видно из Рисунка 67 уменьшение массы драйвера дает ощутимы прирост в скорости деформации. Также в результате данного расчета вновь подтверждается то, что увеличение частоты не приводит к росту рассматриваемых параметров процесса деформации.

0.5

1.5

Огноаггельная масса, сан. ед.

В качестве воздействия в аналитическом расчете использовано значение индукции магнитного поля, полученное в результате экспериментов на исследуемой магнитной системе. Повышение магнитной индукции при замене источника тока также позволяет получить более экстремальные режимы нагружения (см. Рисунок 68). В расчете выполнена оценка влияния амплитуды магнитного поля на процесс деформации для разных масс метаемого диска в диапазоне амплитуд магнитных полей до 100 Тл.

Магнитное поле, Тл

Рисунок 68 - Зависимость времени достижения заданной деформации и скорости деформации от амплитуды магнитного поля при различных массах метаемого

драйвера

Исходя из результатов расчета, показанных на Рисунке 69, можно сделать вывод о том, что увеличение амплитуды магнитного поля на ряду с уменьшением массы дают существенный прирост скорости деформации. Таким образом, возможно получить режимы нагружения, в которых скорость деформации может достигать значений до 104 1/с.

Увеличение амплитуды магнитного поля вносит значительный вклад в повышение параметров процесса деформации, однако, получение полей с большей амплитудой в схеме с разрядом ГИТ на индуктивную нагрузку приведет к потере управляемости магнитной системы, пересмотру концепции магнитной системы и

может потребовать существенных доработок как магнитной системы, так и источника импульсного тока.

При сохранении характеристик магнитной системы и источника тока, регулирование режима нагружения возможно при изменении удельной массы метаемого драйвера - отношения массы к площади сечения. Изменение удельной массы осуществляется путем снижения массы объекта при сохранении его площади, на которую воздействует магнитное поле.

Выполним оценку влияния удельной массы на режим нагружения для ряда возможных конфигураций метаемого драйвера с разной удельной массой с помощью численного анализа магнитной системы. Изменение удельной массы достигается путем внесения доработок в геометрию метаемого драйвера, таких как:

а. сквозные отверстия диаметром 1 мм;

б. отверстия на глубину 2/3 толщины диска диаметром 1 мм;

в. пазы на 2/3 толщины диска;

г. сплошной паз в виде кольца глубиной 1/3 толщины диска.

Расчётные области рассматриваемых конфигураций диска показаны на Рисунке 69.

У-1.Х у£.х

Рисунок 69 - Расчетные области: а) сквозные отверстия диаметром 1 мм; б) отверстия на глубину 2/3 толщины диска диаметром 1 мм; в) пазы на 2/3 толщины диска; г) сплошной паз в виде кольца глубиной 1/3 толщины диска

Численный анализ выполнен в среде СОМБОЬ МиШрИуБЮВ в трехмерной постановке, область расчета представляет собой сектор магнитной системы с углом в 5 градусов. В качестве воздействия в области соленоида задан импульс тока, аналогичный полученному в результате эксперимента. Рассчитаны перемещение диска и сила Лоренца, действующая на него (см Рисунок 70). Влияние испытательного образца на процесс для упрощения расчёта не учитывалось.

2

3

4

5

20

15

^10

(и м

е р

е

С 5

0

0

500

2

3

4

50

Время, мкс

100

5

100

0 50

Время, мкс

Рисунок 70 - Результаты численного моделирования силы Лоренца, действующей

на проводящий диск

1

1

На Рисунках 70 и 71 приняты следующие обозначения: 1 - диск без модификаций; 2 - диск со сквозными отверстиями диаметром 1 мм; 3 - диск с отверстиями диаметром 1 мм на глубину 2/3 толщины диска; 4 - диск с пазами на глубину 2/3 толщины диска; 5 - диск со сплошным пазом в виде кольца глубиной 1/3 толщины диска.

Результат численного анализа показал, что при уменьшении массы диска наблюдается увеличение перемещения при одинаковом силовом воздействии. Стоит отметить, что для диска со сквозными отверстиями сила воздействия

немного меньше в следствие того, что поле, проваливаясь в отверстия, уменьшает свое влияние на проводник.

В силу того, что механический расчет сложен для выполнения аналитически из-за, одновременного изменения сразу нескольких переменных, зависящих друг от друга, необходимо оценить степень влияния расстояния между метаемым диском и соленоидом на силу воздействия. Результаты данного анализа позволяют учесть влияние этого расстояния при механическом расчет системы (см. Рисунок 71).

-3,0 мм -3,5 мм -4,0 мм -4,5 мм

-5,0 мм -5,5 мм -6,0 мм

Время, мкс

Рисунок 71 - Результаты численного моделирования силы Лоренца, действующей на проводящий диск, в зависимости от расстояния между диском и соленоидом

Еще одним способом изменения конфигурации метаемого драйвера является замена проводящего диска на кольцо. Численный расчет магнитной системы такой конфигурации выполнен в той же постановке, в которой были выполнены предыдущие расчеты. Геометрия кольца выбрана на основе результатов численного моделирования, показанных в главе 2. Расчётная область, показана на

Рисунке 72, представляет собой сектор кольца со следующими геометрическими размерами: внутренний радиус - 17 мм, внешний радиус - 37 мм

Рисунок 72 - Расчетная область магнитной системы с кольцом

Результаты расчета (см. Рисунки 73-75) показывают, что магнитное поле также сконцентрировано в зазоре между кольцом и соленоидом, однако распределении поля отличается меньшей равномерностью по сравнению с конфигурацией магнитной системы, в которой метается проводящий диск (см. Глава 2, Раздел 2.3).

Радиус магнитной системы, м 0.01 0.02 0.03 0.04

Рисунок 73 - Распределение индукции магнитного поля в зазоре между соленоидом

и диском

20

3 15

Я

Э

<и

Диск

Кольцо

Диск

Кольцо

<и а <и

С

10

20

« О

500

400

300

200

100

40 60 Время, мкс

80

100

20

80

100

40 60 Время, мкс

Рисунок 74 - Перемещение проводящего кольца под действием магнитного поля и сила Лоренца действующей на него в сравнении с диском

5

0

0

Аналогично результатам предыдущего анализа, которые показаны на Рисунках 70-71, в случае геометрии магнитной системы, состоящей из кольца с соленоидом, уменьшение массы привело к двукратному увлечению перемещения, несмотря на тот факт, что изменение силового воздействия составило около 13 %.

Рисунок 75 - Распределение плотности тока и температуры по сечению кольцу

Несмотря на повышение эффективности работы магнитной системы при использовании проводящего кольца, с другой стороны, размещение кольца над соленоидом приводит к резкому возрастанию плотности наведенных токов на краях кольца, что, в свою очередь, приводит к существенному росту температуры кольца, которая может достигать температуры плавления, и снижению его прочности, иными словами к потере стабильности и, как следствие, потере контролируемости процессом нагружения.

Как видно из результатов численного моделирования, уменьшение удельной массы метаемого диска к увеличению перемещения. Однако прирост перемещения модификаций с отверстиями нельзя назвать существенным, а модификации с пазами снижают механическую прочность диска. Зависимость перемещения проводящего диска от удельной массы для магнитного поля с индукцией до 15 Тл и периодом импульса 83.6 мкс показана на Рисунке 76.

0,025

е и н

е ще

е м

е р

е

С

0,02

0,015

0,01

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Удельная масса, ед.

Рисунок 76 - Зависимость перемещения проводящего диска от удельной массы

Также можно отметить снижение силы, воздействующей на диск в конфигурации 2 - диск со сквозными отверстиями, которое обусловлен тем, что поле проникает вглубь отверстий и теряется часть магнитного потока, вследствие чего снижается передаваемая диску сила.

Таким образом, выполненный анализ позволил определить следующие факторы, влияющие на процесс одноосного высокоскоростного растяжения: частота воздействия, имеющая максимум, зависящий от характеристик системы поверхностная плотность материала метаемого диска и амплитуда воздействующего поля.

Частота воздействия импульса магнитного поля, при котором достигнутая скорость деформации будет максимальна, зависит от частоты собственных колебаний всей системы. Так, согласно аналитической оценке, для экспериментальной системы максимум скорости деформации может быть достигнут при частоте в 104 Гц, что составляет 0,74 от частоты воздействующего импульса (см. Рисунок 66), полученного при экспериментальном исследовании. Данный результат коррелирует с оценкой собственной частоты колебаний, полученной в ходе численного моделирования системы. Однако изменение частоты воздействия не окажет существенного влияния на процесс деформации.

Как отмечено выше, повышения скорости деформации можно добиться разными способами. Снижение поверхностной плотности материала метаемого диска за счет изменения его геометрии (добавление пазов, отверстий и т.п.) при сохранении поверхности и площади драйвера, на которое действует магнитное поле, позволяет существенно повысить скорость деформации. Однако модифицированная геометрия метаемого диска должна быть дополнительно проверена на механическую прочность.

Как показал эксперимент по растяжению образца из алюминия с использованием облегченного диска (Вариант г на Рисунке 69, показан на Рисунке 77), масса которого составила 40 грамм, снижение поверхностной плотности приводит к увеличению скорости деформации до 3600 1/с, по сравнению

с 3300 1/с при использовании диска без модификаций. Во время эксперимента облеченный диск получил деформации, которые не позволили использовать его повторно.

Рисунок 77 - Облегченный диск

Увеличение амплитуды воздействующего поля позволит повысить скорость метаемого диска и, как следствие, скорость деформации. Однако метод создания сильных магнитных полей имеет известные ограничения. Так применение магнитно-импульсного метода в диапазоне до 50 Тл позволяет обеспечить контроль и управляемость процесса нагружения путем измерения тока в соленоиде. Режим нагружения при полях в диапазоне от 50 до 100 Тл также позволяет контролировать процесс нагружения, однако только посредством измерения магнитного поля, при этом внесение датчика в поле изменит картину распределения и окажет влияния на процесс. Дальнейшее повышение амплитуды воздействующего импульса магнитного поля свыше 100 Тл приведет к проявлению нелинейных эффектов и потере управляемости вследствие взрыва скин-слоя, вызванного высокой плотности тока и нелинейной диффузии поля в среду с резко изменяющимися свойствами гидродинамического течения за фронтом ударной волны, инициированной магнитным давлением.

На Рисунке 78 показаны диапазоны применимости магнитно-импульсного метода, описанные выше. Также приведены результаты экспериментов по созданию сверхсильных импульсных магнитных полей, при которых произошло разрушение соленоида.

Рисунок 78 - Зависимость величины создаваемого давления от индукции

магнитного поля

Таким образом для проведения исследования процессов высокоскоростного деформирования применение магнитно-импульсного метода при полях до 50 Тл является наиболее эффективным с точки зрения возможности управления процессом высокоскоростной деформации и контроля за характером его протекания.

4.2. Верификация модели пластичности

Одной из наиболее распространённых численных моделей, используемых для анализа высокоскоростных деформационных процессов, является модель деформирования и модель разрушения Джонсона-Кука [62; 63]. В данной работе она также была использована для численного анализа высокоскоростного растяжения медной проволоки (Глава 2, Раздел 2.2.3).

В основе модели деформирования Джонсона-Кука лежит эмпирически полученное уравнение 41, в основе которого лежат параметры модели А, В, С, п, полученные на основе экспериментов с бескислородной медью, где:

-А - начальный предел текучести;

- В - упрочняющая постоянная;

- С - постоянная скорости деформирования;

- п - упрочняющая экспоненты.

Модель разрушения Джонсона-Кука определяется эмпирическим уравнением, согласно которому разрушение конечного элемента происходит, если параметр поврежденности D становится равным единице:

(46)

где А£р - приращение эффективной пластической деформации в конечном элементе на ьм шаге интегрирования по времени, а гу определяется формулой 47:

))( 4 £0) ( 5 Тт —Ту)

(47)

где О}... О5 - параметры материала; - эффективное напряжение; Р - давление в рассматриваемом конечном элементе.

Данная модель была использована для численного анализа процесса высокоскоростного одноосного растяжения. В качестве геометрии расчётной

области был использован участок утоньшения образца, изготовленного из плоского листа меди М1 толщиной 0.5 мм (смотри Рисунок 57). Приложенная сила получена при численном моделировании магнитного поля в системе нагружения, соответствующего магнитному полю, создаваемому измеряемым в ходе эксперимента током.

Результаты сравнения экспериментальных данных, аналитического решения, описанного в Главе 4 Раздел 4.1, и результатов численного моделирования показаны на Рисунке 79.

Рисунок 79 - Сравнение экспериментальных данных, аналитического решения и результатов численного моделирования при скорости деформирования 3000 1/с

Так для получения относительной деформации на уровне 0,2 были использованы следующие параметры модели разрушения (см. Таблицу 6):

Таблица 6 - Параметры модели разрушения

Параметр Исходное значение Новое значение

А 0,54 0,1

02 4,89 1,0

Оз -3,03 -8,0

04 0,014 0,014

Оз 1,12 1,12

Модели деформирования и разрушения Джонсона-Кука являются апробированными моделями численного анализа процесса деформации бескислородной меди, однако при использовании других материалов, например, меди М1 близкой по свойствам, но отличной от исходно заложенных в модели, требуется дополнительной верификации модели.

Полученная модель была использована для оценки процесса деформации и разрушения токоведущей части защитного размыкателя, описанного в [105]. Конструкция аппарата показана на Рисунке 80, результаты работы показаны в [106].

Исследуемый элемент - контактный цилиндр, изготовленный из меди марки М1, через который до момента коммутации протекает постоянный ток. Объем внутри цилиндра заполнен водой, выполняющей функцию отведения тепла, а в момент коммутации функцию передачи ударной волны, создаваемой вследствие детонации взрывчатого вещества, расположенного в нижнем заряде. Эта ударная волна воздействует на внутреннюю стенку контактного цилиндра, разрушая его (см. Рисунок 81).

Рисунок 80 - Конструкция защитного размыкателя [105]

Рисунок 81 - Вид контактного цилиндра до деформации (а)

и после деформации (б)

Поскольку материала, из которого изготовлен контактный цилиндр аналогичен материалу, использованному в данном исследовании (медь М1), выполним численный анализ процесса деформирования контактного цилиндра с учетом полученных ранее параметром модели разрушения (см. Таблицу 6) при заданном воздействии на стенку цилиндра.

Расчетная область представляет собой сечение стенки цилиндра с концентраторами механического напряжения и упорные кольца. К внутренней стенке цилиндра прикладывается заданный импульс давления, задача решается в осесимметричной постановке. Численный анализ выполнен с использованием исходных параметров модели разрушения и параметров, полученных в результате настоящего исследования для меди М1. В обоих случаях импульс воздействующего механического давления, а также прочие параметры модели одинаковы. Расчетная область показана на Рисунке 82.

Рисунок 82 - Расчетная область для численного анализа процесса деформации контактного цилиндра защитного размыкателя

Сравнение результатов численного моделирования процесса деформации контактного цилиндра при использовании разных исходных значения параметров модели разрушения и обновленных значений, полученных при экспериментальном исследовании растяжения меди М1, приведено на Рисунке 83.

Исходные значения параметров модели

Обновленные значения параметров модели

Эквивалентные напряжения

Эквивалентные пластические деформации

Скорость деформации Рисунок 83 - Сравнение результатов численного моделирования процесса

деформации контактного цилиндра

Как видно из сравнения результатов численного моделирования процесса деформации контактного цилиндра защитного размыкателя, использование полученных при эксперименте на растяжение аналогичного материала параметров модели разрушения, позволяет получить оценку характера деформирования, качественные и количественные показатели которой совпадают с результатами разрушения реального объекта.

Предложенный в работе экспериментальный метод исследования процесса высокоскоростного нагружения с использованием импульсного магнитного поля, как источника для формирования механического напряжения, показал свою применимость для изучения характеристик различных материалов в экстремальных режимах и возможность использования для верификации модели деформирования за пределами ее апробированной применимости.

Численное моделирование и эксперимент были произведены без учета влияния тока, протекающего по деформируемой части, который может существенно повлиять на процесс деформации, как засчет нагрева, так и за счет возможного проявления ЭПЭ.

Выводы по Главе 4

Результаты аналитического расчета и численного анализа позволяют сформулировать требования к магнитной системе и образцу при одноосном высокоскоростном растяжении магнитно-импульсным способом.

Кроме того, анализ демонстрирует возможность реализации системы нагружения, позволяющей проводить исследования металлов при высокоскоростном растяжении со скоростями деформации до 104 1/с.

Согласно проведенному анализу на процесс одноосного высокоскоростного растяжения оказывают влияние следующие определяющие факторы: поверхностная плотность материала метаемого диска, снижение которой позволяет существенно повысить скорость деформации, амплитуда воздействующего поля и частота воздействия, имеющая максимум, зависящий от характеристик системы. Изменение этих факторов может повысить достигаемые скорости деформации, однако их влияние имеет свои ограничения, вызванные, например, механической прочностью или эффектом взрыва поверхностного слоя метаемого диска, что приводит к потере управляемости процессом.

Совпадение результатов численного моделирования и аналитического расчета с данными, полученными в ходе экспериментального исследования, подтвердило достоверность моделей деформирования и разрушения Джонсона-Кука как апробированных моделей численного анализа процесса деформации, однако анализ материалов со свойствами, отличными о исходно заложенных в модели, требует дополнительной верификации модели, что может быть реализовано путем экспериментального исследования деформации образцов из исследуемого материала простой геометрии, где в качестве метода силового воздействия используется магнитно-импульсный способ нагружения.

Заключение

Магнитно-импульсный метод является эффективных и легко адаптивным методом создания различных режимов нагружения. В силу особенностей магнитного поля, таких как высокая плотность энергии, а также гибкость в создании, управлении и контроле посредством изменения геометрии, данный метод применим для создания экспериментальных систем нагружения, позволяющих проводить исследования поведения различных материалов в экстремальных режимах нагружения при скоростях деформации 103-104 1/с.

Разработана и рассчитана экспериментальная система нагружения, способная создавать магнитные поля до 15 Т, позволяющие создавать механические усилия, необходимые для получения скорости деформации исследуемого материала порядка 103 1/с. Разработанная система нагружения позволяет регулировать и контролировать воздействие на исследуемый образец и может быть применена для проведения исследований образцов различной формы, изготовленных из различных материалов.

Проведено исследование различных видов образцов, изготовленных из меди и алюминия режимах высокоскоростного одноосного растяжения магнитно -импульсным способом. Получены экспериментальные данные по одноосному растяжению меди в диапазоне скоростей деформации от 102 до 103 1/с. Исследованы различные способы повышения эффективности системы, в результате максимальная достигнутая скорость деформации составила 3,6-103 1/с.

Выполнен анализ определяющих параметров системы, влияющих на ее эффективность, и предложена прогностическая модель, позволяющая оценить возможности экспериментальной системы нагружения в зависимости от ее характеристик.

Совпадение результатов численного моделирования и аналитического расчета с данными, полученными в ходе экспериментального исследования, позволило подтвердить применимость магнитно-импульсный способ нагружения в качестве

силового метода воздействия для верификации достоверности численных расчетов с использованием моделей деформирования и разрушения Джонсона-Кука.

Также стоит отметить, что исследование материалов со свойствами, отличными о исходно заложенных в модели, требует дополнительной верификации модели, которая может быть реализована при экспериментальном исследовании деформации образцов из интересующего материала с малым сечением, где в качестве метода силового воздействия используется магнитно-импульсный способ нагружения. Полученная модифицированная модель была использована для описания процесса деформации и разрушения объектов при высокоскоростных воздействиях, имеющих сложную геометрию и сложное напряженное состояние.

Список сокращений и условных обозначений

1. ГИТ - генератор импульсов тока

2. МИОМ - магнитно-импульсная обработка металлов

3. МИД - магнитно-импульсный драйвер

4. ЭПЭ - электропластический эффект

Список литературы

5. Shneerson, G. A. Configurations of axisymmetric quasi-force-free magnetic systems / Shneerson G. A., Vecherov I. A., Degtev D. A., Koltunov O. S., Krivosheev S. I., Shishigin S. L. // Technical Physics. - 2008. - Vol.53, # 10. - P. 1278-1288.

6. Manzuk, M. V. The 70 kA pyrobreaker for ITER magnet back-up protection / Manzuk M. V., Avanesov S. A., Roshal A. G., Bestuzhev K. O., Nesterenko A. M., Volkov S. M. // Fusion Engineering and Design. - 2013. - P. 1537-1540.

7. Manzuk, M. V. Type tests of switches for the ITER coil power supply system / Manzuk M. V., Roshal A. G., Bestuzhev K. O. Milani F., Song I., Chiron J., Milyaev S. M. // Fusion Engineering and Design. - 2017. Vol. 124. - P. 35-39.

8. Сильников, М. В., Кулаков, С. Л., Кулаков, К. С. Экспериментальное исследование влияния параметров электрического разряда в жидкости на эффективность метания снаряда заданной массы // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук - Т. 1 (67). - 2011. - С. 8-17.

9. Сильников, М. В. Экспериментальное исследование характерных особенностей процесса преобразования энергии при электроразрядном способе метания снарядов заданной массы / Сильников М. В., Михайлин А. И., Кулаков К. С., Помазов В. С. // Вопросы оборонной техники. Серия 16: технические средства противодействия терроризму. - Т. № 1-2 (115-116). - 2018. - С. 125-133

10. Manzuk, M. V. Experimental Study of the Deformation Processes of Current-Carrying Elements of Protective Switches for Fusion Application / Manzuk M. V., Alekseev D. I., Magazinov S. G., Krivosheev S. I., Adamyan Yu. E. // Proceedings of the 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2021. - 2021

11. Брагов, А. М., Кадони, Э., Крушка, Л. Современные методы динамических испытаний материалов // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - Т. № 4 (5). -2011. - С. 2039-2040.

12. Taylor, G. The use of flat-ended projectiles for determining dynamic yield stress // Proceedings of the royal society A. - Vol. 194. A. - 1948. - P. 289-299.

13. Kolsky, H. An investigation of the mechanical properties of material at very high rates of loading // Proc. Phys. Soc. B. - Vol. 62. - 1949. - P. 676-700.

14. Bragov A. Use of the Kolsky method for dynamic tests of brittle media / Bragov A., Igumnov L., Lomunov A., Konstantionov A., Lamzin D., Kruczka L. // MATEC Web of Conferences 174, 02022 (2018), ECCE. - 2018.

15. Kanel, G. I. A failure wave phenomenon in brittle materials / Kanel G. I., Razorenov S. V., Fortov V. E.// Joint 20th AIRAPT and 43rd EHPRG International Conference on High Pressure Science and Technology. - 2005.

16. Kanel, G. I. New data on the kinetics and governing factors of the spall fracture of metals / Kanel G. I., Razorenov S. V., Garkushin G. V., Savinykh A. S. // Journal of Physics: Conference Series, International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter, ELBRUS 2017; Elbrus, Kabardino-Balkaria; Russian Federation.

- Vol. 946, # 1. - 2018.

17. Meshcheryakov, Y. Shock-induced structural instability and dynamic strength of brittle solids / Meshcheryakov Y., Divakov A., Zhigacheva N., Konovalov G. // Procedia Structural Integrity. - Vol. 2, - 2016. - P. 477-484.

18. Meshcheryakov, Y. Deformation and fracture mechanisms and structural changes in coarse-grained copper under shock-wave loading / Meshcheryakov Y., Divakov A., Zhigacheva N., Konovalov G. // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics.

- Vol. 55. - 2014. - P. 896-903.

19. Krivosheev, S. I. Destruction of brittle materials by microsecond pressure pulses at their formation by magnetic pulse method / Krivosheev S. I., Korovkin N. V., Slastenko V. K., Magazinov S. G. // International Journal of Mechanics. - Vol. 9. -2015. - P. 293-299.

20. Krivosheev, S .I. Problems of fracture of brittle bodies under pulse loading / Krivosheev S. I., Morozov N. F., Petrov Y. V., Shneerson G. A. // Materials Science,

- Vol. 32 (3). - 1996. - P. 286-295.

21. Авруцкий, В. А. Накопители энергии и их применение // Москва. - 1982. 78 с.

22. Физика и техника мощных импульсных систем // Ред. акад. Е.П. Велихов.- М.: Энергоатомиздат. - 1987. - 352 с.

23. Адамьян, Ю. Э. Электроэнергетика. Испытательные и электрофизические установки высокого напряжения. Учебное пособие. / Адамьян Ю. Э., Богатенков И. М., Бочаров Ю. Н., Янчус Э. И. - СПб: Изд-во СПбГПУ. - 2012. - 232 с.

24. Кривошеев, С. И. Энергетические ограничения при генерации сверхсильных магнитных полей // Научно-технические ведомости СПбГТУ. - Т. №4. - 2002. -С. 109-116.

25. Кривошеев, С. И., Титков В. В., Шнеерсон Г. А. // ЖТФ. Т. 67. - 1997.

26. Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение. // М. Наука. -1984. - 416 с.

27. Megagauss technology and Pulse power аррНса^ош. // Proc. of 4 Int. conf. on Megagauss magnetic field generation. // New-York. Plenum Press. - 1987. -Р. 879.

28. Megagauss fields and pulsed power systems. // Proc. of 5 Int. conf. on Megagauss magnetic field generation. Nova Science Publiher. New-York. - 1990.

29. Megagauss magnetic field generation and pulsed power application. I. // Proc. of 6 Int. conf. on Megagauss magnetic field generation. Nova Science Publisher Inc. New-York. - 1994. - P. 582.

30. Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения. Т. 1. // Труды седьмой международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам // Саров. ВНИИЭФ. 1997. С. 519.