Диссертация (Численное моделирование виброударного нагружения конструкций на стендах взрывного действия при имитации нагрузок от срабатывания пиротехнических средств разделения), страница 6

Наиболее распространенные ВВ –детонационныйшнурипластическое(листовое)ВВ.Непосредственноенагружение резонирующей конструкции взрывом вызывает распространение поконструкции высокоинтенсивных (более 10000 g), высокочастотных (более 10кГц) колебаний. Для изменения высокочастотной компоненты в резонирующейсборке используют заряды с резиновыми, пенопластовыми и стальнымидемпферами. Типовые средства нагружения представлены на рисунках 1.4.1–1.4.2.Рисунок 1.4.1 – СредствонагружениясдетонационнымшнуромРисунок 1.4.2 – Средство нагруженияслистовым(пластическим)взрывчатым веществомСледующим варьируемым параметром является материал плиты-резонаторавконструкцииударногостенда.Обычноосновная(базовая)плита,воспринимающая взрывную нагрузку изготавливается из стали, последующиеплиты для двойных и тройных стендовых сборок - из алюминия.

Плитыскрепляютсямеждусобойсиспользованиемболтовыхсоединенийиалюминиевых (стальных) втулок. Высота втулок, их количество - следующийварьируемый параметр, влияющий на интенсивность ударной нагрузки. Нарисунке 1.4.3 представлена типовая схема виброударного стенда на основедвойной резонирующей сборки.34Рисунок 1.4.3 – Схема типового ударного стенда взрывного действияНа рисунках 1.4.4 и 1.4.5 представлены экспериментальные средства ThalesAlenia Space. Данные испытательные стенды предназначены для моделированиянагрузки, характерной для средней и дальней зоны.Рисунок 1.4.4 – Ударный стендРисунок 1.4.5 – Ударный стендвзрывного типа, вариант 1взрывного типа, вариант 2В конструкциях стендов взрывного типа применяется алюминий, которыйобладает меньшим акустическим импедансом по сравнению со сталью.

Припадении волны на границу раздела двух сред, часть энергии будет отражаться, ачасть – проходить далее. В случае, если резонирующие плиты изготовлены изодного материала, в конструкции стенда возникают ударные волны высокойинтенсивности от подрыва заряда ВВ, что будет соответствовать характерувоздействия для ближней зоны. Поэтому для воспроизведения нагрузки,характерной для средней и дальней зоны следует фильтровать высокочастотныекомпоненты ударного спектра, конструируя резонатор из плит с различным35импедансом и используя известные соотношения для интенсивности проходящейи отраженной волн:2 Z − Z0 α = 1 . Z1 + Z 0 (1.4.1)Для алюминия Z0=14,58 106, а для стали Z1=40,56 106. Коэффициент отражения(1.4.1), при падении плоской волны на границу раздела сталь-алюминий α=0.22,т.е.

22 % всей энергии отразится, что позволит снизить амплитуду ударногонагружения в высокочастотной области на графике ударного спектра.1.4.3. Устройства локального нагруженияВ последнее время получают распространение устройства локальногонагружения (УЛН) – генераторы ударных импульсов [16, 34, 33, 36, 37].Генераторы состоят из ствола и разгоняемого ударника, который ударяет сзаданной скоростью в испытуемую сборку или в резонирующую конструкцию(виброударный стенд) (Рисунки 1.4.6–1.4.7).

Разгон ударника осуществляется сиспользованием пороховых или взрывных газов и достигаемая скорость непревышает 60 м/с [16, 33]. Для изменения параметров нагрузки используютсяспециальные демпферы–формирователи ударного импульса. Использованиеустройств локального нагружения при испытаниях натурных сборок позволяетреализовать расчетные, а не эксплуатационные нагрузки, как при срабатыванииштатных пиросредств, то есть проводить квалификационные испытания.Рисунок 1.4.6 – Устройстволокального нагруженияDassault Aviationс (Франция)Рисунок 1.4.7 – Устройство локальногонагружения ФГУП ЦНИИмаш: 1 – ЭКВ; 2 –пробка; 3 – ствол 14,5 мм с ударником; 4 –демпфер; 5 – шпангоут отсека36Генераторы позволяют реализовать трехкомпонентное воздействие путемодновременного нагружения резонирующей плиты по трем ортогональнымнаправлениям.Наиболее перспективным представляется применение устройств локальногонагружения при испытаниях летных изделий, где невозможно применениештатныхсредствразделения,крометого,квалификационные и функциональные испытания.этопозволяетпровести37ГЛАВА 2.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХРЕЖИМОВ УСТРОЙСТВА ЛОКАЛЬНОГО НАГРУЖЕНИЯДанная глава посвящена определению режимов работы устройствалокальногонагружения(УЛН)(рисунок2.1),вкоторомдляразгонамеханического поршня-ударника используется энергия продуктов горения пороха(индустриальные патроны Д1-Д4). Режим работы устройства определяется двумяосновнымипараметрами:Экспериментальноемассойопределениепоршня-ударникапоследнейиегопредставляетскоростью.значительныетрудности ввиду небольшого размера устройства и ограниченной длины ходапоршня (порядка 60 мм). Поэтому использовался подход определения скорости наоснове численного моделирования процесса метания ударника пороховымигазами.

Далее рассмотрены вопросы определения исходных данных для моделигорения пороха, проведение численного моделирования, сравнение получаемыхрезультатов с экспериментальными данными, вычисление скорости ударника вУЛН при использовании патронов Д1-Д4.Рисунок 2.1 – Устройство локального нагружения: 1 – устройствоинициирования патронов; 2 – казенник под патрон; 3 – ствол с подвижнымпоршнем-ударником; 4 – демпфер; 5 – нагружаемая конструкцияМетодика моделирования процесса горения пороха, образования продуктовгорения и ускорения ими ударников представляет интерес также для расчетарежимов метания ударников более широким классом взрывных устройств [38,39].382.1.

Модель горения порохаМатематическое описание процессов горения пороха и ускорения ударникаявляется сложной задачей, однозначное решение которой с применениемчисленного моделирования требует оснащения расчетной модели комплексомфизических характеристик [40]. При этом математические модели, в зависимостиот поставленной задачи имеют различные входные параметры и требуютсоответствующих методов решения. Так, при исследовании воспламенительногопериода, конвективного горения или межфазного взаимодействия необходимоприменение методов механики гетерогенных сред [41], а для оценки дульнойскорости снаряда достаточно известного геометрического закона образованияпороховых газов [42].В программном пакете ANSYS Autodyn реализована модель горения порохаPowder Burn (Beta) (далее - модель горения) [43].

Преимущество данной моделизаключается в использовании физического закона горения, что, как будетпоказано далее, позволяет частично преодолеть неточности, свойственныегеометрическому закону. Данная модель горения пороха является двухфазной, вкоторой при реализации численной схемы в одной расчетной ячейке в один и тотже момент времени находятся и газ и материал [44].

Масса вещества в каждойрасчетной ячейке определяется как сумма массы газа и твердого вещества.Использование модели горения для баллистических расчетов сопряжено снеобходимостью определения исходных данных методом пересчета по известнымфизико-химическимпараметрам[45,46]элементарныхпороховыхзерен(пластинки, трубки и т.д.), входящих в состав пороховых зарядов.2.1.1. Образование пороховых газовПроцесс горения порохов согласно [46,47] включает в себя следующиестадии:- зажжение, или начало горения, в результате внешнего тепловоговоздействия;- воспламенение – процесс распространения пламени по поверхностипорохового элемента;39- собственно горение – распространение фронта горения вглубь пороховогоэлемента.Согласно современным представлениям [40, 45, 47] фронт горенияпорохового элемента состоит из четырех зон. Первая зона – зона прогрева,примыкающая к конденсированному элементу.

Вторая зона – зона газификации,где происходят превращение пороха в газообразные продукты по достижении наповерхности пороха некоторой критической температуры TП (эндотермическаяреакция). Третья зона – зона прогрева продуктов газификации вследствиетеплообмена и слабых экзотермических реакций, до температуры реакции Tр.Четвертая зона – зона экзотермической химической реакции (Рисунок 2.1.1).Рисунок 2.1.1 – Структура фронта горенияПри достаточно больших давлениях конечных продуктов PГ>15 МПа,толщинафронтагорениянезначительнаиможетрассматриватьсякакповерхность разрыва (поверхность горения). Скорость плоскопараллельногоперемещения поверхности горения называется собственной скоростью горения U.Результат, получаемый при использовании уравнений для оценки дульнойскорости снаряда на основе геометрического закона, не всегда согласуется сэкспериментальными данными, несмотря на достаточно точное выполнениегипотезы о горении пороха параллельными слоями, лежащей в его основе.Следует выделить несколько основных недостатков геометрической модели:40- предполагается, что воспламенение заряда происходит мгновенно [42];- скорость горения пороховых элементов U во всех точках поверхностиодинакова, одинакова и зависимость ее от давления в течение всего процесса;однако для трубчатых и многоканальных пороховых элементов зависимость U отPГ может быть различной на разных этапах процесса;- коэффициенты формы и индивидуальные геометрические характеристикипороховых элементов принимаются в предположении об их постоянстве, что несоответствует действительности;-вмоментокончаниягорениякоэффициентпрогрессивностиσ(t)(отношение площади поверхности горения в момент t к площади поверхности вначальный момент t0) равен нулю, но в геометрическом законе это невыполняется.Для моделирования процесса горения в программном пакете решаетсясистема уравнений вида [43]: dF dt = G ⋅ σ (t ) ⋅UU = H ( Pg )ρg D Pg = ρ g Eg eV = C + C ( H ( P ))(1 + γ ( ρ ))gs12 FT (t ) = F (t ) ⋅ I (t ).(2.1.1)В первом уравнении dF/dt – относительное количество газа (газоприход),1/с, выделяемого при горении в единицу времени в одной расчетной ячейке,устанавливаемое через следующие величины:- G – коэффициент формы порохового зерна, 1/м;- σ(t)=(1+F(t))c – относительная поверхность горения или коэффициентпрогрессивности пороха (физический закон горения в форме Шарбонье) [42,43];- U – скорость собственного горения пороха, 1/м, зависящая от давленияпороховых газов Pg.В третьем уравнении Pg41– давление пороховых газов, зависящее отследующих параметров:- ρg – плотность продуктов горения, кг/м3;- Eg – внутренняя энергия пороховых газов на единицу массы, Дж/кг;- D – константа, определяемая по экспериментальным данным, кг/м3.ВчетвертомуравненииV–скоростьвоспламенения(процессраспространения пламени по поверхности порохового элемента), определяемаячерез следующие величины:- С1, м/с, и С2 – константы, определяемые по экспериментальным данным;- H(Pg) – зависимость скорости горения от давления пороховых газов;- γ(ρs) – зависимость показателя адиабаты от средней плотности твердоговещества по всему объему.В последнем уравнении FT(t) – суммарный коэффициент реакции,показывающий долю конденсированного вещества, перешедшего в газообразноесостояние, вычисляемый для совокупности расчетных элементов, в которыхначался процесс собственного горения, зависящий от следующих величин:- F(t) – объем образовавшихся газов в каждой расчетной ячейке;- I(t) – коэффициент реакции, зависящий от скорости воспламенения ичисленно равный доле расчетных ячеек, в которых начался процесс собственногогорения.Сравнение физического закона с геометрическим законом горения,позволяет заключить следующее:- наличие в модели функции H(Pg) позволяет задавать нелинейнуюсобственную скорость горения (будет показано далее) для порохового элементапри различных внешних условиях;- наличие в модели горения скорости воспламенения V позволяетмоделировать постепенное горения порохового заряда.