Автореферат (1143854), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В этом случаевзаимодействие магнитного поля МИД с образцом имеет сложную структуру, однако можновыделить зоны, в которых имеют места типичные режимы на углах проводников. В одномслучае это соответствует ситуации, когда линии наведенного тока параллельны грани угла, а вдругом перпендикулярны ей. Проведено численное моделирование для этих характерныхслучаев процесса нелинейной диффузии магнитного поля.
Так протекание тока вдоль граниприводит к усилению плотности тока на ней (см. рисунок 2в), а при протекании тока поперекграни плотность тока на грани стремится к нулю (см. рисунок 2г). Нагрев материала приводитк перераспределению плотности тока и смещению максимума плотности тока в толщупроводника.
Распределения тока на углу влияет на распределение нагрева и силы Лоренца,что обуславливает характер деформации, например в зоне токоподвода соленоида, гдеотсутствие тока на углу проявляется в отсутствии силы Лоренца в этой зоне.7Длявыясненияструктурынаведенных токов в проводящемобразцепроведеночисленноемоделированиепроцессавзаимодействияимпульсногомагнитногодрайвераобразцомполяв3-Дспостановке,а)в)результаты которого показывают,чтовзонемаксимальныхдеформаций при использованииквазикоаксиальногодрайвераплотность наведенного тока близкак нулю.
Джоулев нагрев образца отнаведенныхтоковприиспользовании простого МИД непревышает 200С в микросекундномдиапазоне нагружения.Вэтойжерезультатыглавеприведенычисленногомоделирования с использованиеммоделиДжонсона-Кука(JC)б)г)Рисунок 2.
Ориентация (а) поперечного и(б) продольного полей. Распределение плотноститока на краю проводника при (в) поперечном и (г)продольном поле: 1 - без учёта нагрева; 2- с учетомнагрева.напряженно-деформированногосостоянияобразца,демонстрирующие в зависимости от соотношения размеров последнего и длительностинагружения возможность формирования ударно-волнового или квазистационарного режиманагружения. При этом достигаются скорости деформирования меди OFHC до 104-105 1/с.Глава 3. Экспериментальное и численное исследование формирования импульсногодавления и влияния неоднородностей в токоведущих элементах на его параметрыПриведено описание генератора импульсных токов ГИТ-50/12, адаптированного кпроведению исследований по формированию импульсных давлений с использованием МИД.Показано, что при ёмкости Cp=14.8 мкФ и собственной индуктивности Lp=79 нГн этотгенератор при зарядном напряжении 25 кВ формирует импульс тока в виде затухающейсинусоиды с амплитудой ~350 кА с периодом 5.9 мкс.
Включение ГИТ на индуктивнуюнагрузку в виде МИД обеспечивает формирование импульса давлений с амплитудой порядка0.5 ГПа с длительностью первой полуволны синусоиды около 4 мкс. Управление амплитудоймагнитного давления возможно путём изменения амплитуды тока (зарядного напряженияГИТ) и/или ширины шин драйвера.Внесение в магнитную систему МИД проводящего образца приводит к изменениюструктуры магнитного поля, вид которой, в соответствии с результатами численногомоделирования, для различных МИД и образцов с различной проводимостью приведён на8рисунке 3, демонстрирующий существенное влияние проводимости образца на распределениемагнитного поля.
По результатам численного моделирования проведено уточнениепараметров магнитного давления, определяемых формулой (2.1), для используемых вдальнейших экспериментах размеров МИД.а)б)в)Рисунок 3. Распределение магнитного поля МИД: а) простой МИД, проводящий образец;б) квазикоаксиальный МИД, проводящий образец; в) простой МИД, непроводящий образец.С учетом требований к однозначному определению пространственного распределениядавления, прикладываемому к образцу, обусловленного требованиями к анализунапряженного состояния в образце, проведено численное моделирование влияния возможныхдефектов на краю токоведущих шин драйвера и показано, что их влияние на равномерностьраспределения давления проявляется на масштабе дефекта.Экспериментально исследовано развитие дефекта в виде микротрещины, нормальной ккромке шины и показано, что размер кратера в вершине трещины, возникающего в процессепротекания тока зависит от размера дефекта и определяется структурой токораспределениявблизи его вершины.Также проведено экспериментальное исследование и численное моделирование процессанакопленияпластическихдеформацийнатонкостенногоодновитковогосоленоидаприкромкегенерацииимпульсных магнитных полей.Принакоплениидеформацийкритическихнакромкепроисходит зарождение дефекта,развитиедальнейшемсоленоидакоторогоприиспользованииноситкатастрофический характер, см.рисунок 4.Рисунок 4.
Пластические деформации и разрушениесоленоида после пропускания n=7 импульсов тока.9Глава 4. Экспериментальное исследование проводящих образцов при импульсномнагружении, создаваемом магнитноимпульсным способомВ настоящей главе проводится экспериментальное исследование образцов с макродефектомтипа трещины из углепластика с проводимостью ~103 1/(Ом∙м) и из меди с проводимостью~6∙107 1/(Ом∙м) магнитноимпульсным способом по схеме рисунка 1а .Для исследования свойств углепластика из последнего выполнено 10 образцов смакродефектом типа трещины и проведена серия экспериментов с применением простогоМИД. В этих опытах структура магнитного поля близка к показанной на рисунке 3в. Наоснове полученных данных построена зависимость длины образующегося дефекта (трещины)в вершине паза после нагружения от амплитуды приложенного давления, см.
рисунок 5.Видно, что разрушение углепластика вдинамическомрежименоситпороговыйхарактер, при длительности импульса ~4 мкспороговое значение амплитуды импульсадавления составляет ~95 МПа.При помощи численного моделированияпроведена оценка напряженного состояния ввершине паза образцов при нагружении,соответствующем пороговому и статическиммодулемупругостивнаправлениисоответствующем растяжению материала вРисунок 5. Зависимость длины дефекта отамплитуды магнитного давления.рассматриваемой серии экспериментов.
По результатам расчёта, в динамическом режимезначения предельного напряжения и энергии упругой деформации существенно выше, чемпри испытании материала образцов на статическое растяжения. Для точного определениядинамического предела прочности углепластика с помощью численного моделированиеэксперимента при нагружении образца с пороговой амплитудой, нужно определение егоанизотропных свойств при статическом нагружении.Для исследования свойств меди М1 магнитноимпульсным способом по схеме рисунка 1а,из неё выполнены образцы двух типов, вид и размеры которых представлены в таблице 1.
Впредставленных образцах, выполнены отверстия диаметром d для снижения неоднородностираспределения напряжений в вершине паза и увеличения деформируемости образцов. Вобразцах IIа в вершинах паза выполнен прорез (прекрэк), диаметромt =0.4мм. На образцахIIб в вершине паза нанесена квадратная сетка с шагом 0.1 мм при помощи лазера, длярегистрации деформирования.На 10 образцах IIа выполнена серия экспериментов с применением простых МИД, приизменении ширины последних и зарядного напряжения конденсаторов.
Результатыэкспериментов для относительного раскрытия краёв паза he/h и прекрэка hcre/hcr, где he, hcre высоты краёв паза и прекрэка после эксперимента, приведены на рисунке 6.10На образцах IIб выполнена серия экспериментов с применением квазикоаксиальных МИД,при изменении ширины последних и амплитуд тока. Результаты экспериментов дляотносительного раскрытия краёв he/h и вершины hte/ht, где hte - высота 4-х элементов сеткипосле эксперимента, приведены на рисунке 7.Вид образцаТаблица 1 Типовые размеры экспериментальных образцовРазмеры.Вершина пазаТип IIа ( t=0.4 мм)Тип IIб= =3 см;=2 мм;=16.5 мм;=3 мм;=1.1 см;Здесь , , –длина, ширина и толщина образца; – длина паза до вершины; , cr = t,ht– высоты краёв паза, прекрэка и 4-х ячеек сетки в вершине паза для образца без прекрэкасоответственно.Рисунок 6.
Зависимости относительного раскрытия прекрэка hcre/hcr - I и краёв паза he/h - II отамплитуды давления. Пустые точки - эксперимент, заштрихованные - расчет по моделиДжонсона-Кука.Из рисунка 6 видно соответствие экспериментальных результатов при применении простыхМИД и численного расчёта в диапазоне раскрытия прекрэка ~17-30 %, при этом средниерасчётные скорости деформирования достигают ~ 5300 - 7500 1/c. При больших раскрытияхпаза ~106 % расхождение эксперимента с расчетом может быть связано с появлением трещинв вершине паза.11а)б)Рисунок 7.
Зависимости относительного раскрытия краёв he/h (а) и вершины hte/ht (б) паза отамплитуды давления.Сопоставление результатов конечной деформации в ходе экспериментов на образцах IIб сприменением квазикоаксиальных МИД и результатов численного моделирования,см. рисунок 7, выявило соответствие расчётной модели Джонсона-Кука (JC) для OFHC меди сэкспериментальными данными для меди марки М1 до раскрытия вершины паза ~35%. Приэтом расчётные скорости деформирования лежат в диапазоне 2000-7250 1/с. При большихдавлениях и раскрытиях наблюдается расхождение, которое ток же может быть связано споявлением частичного разрушения вершины паза.Максимальный расчётный нагрев образца под действием наведённого тока при применениипростого МИД составил 18 0C, что согласно модели Джонсона-Кука повлияет на снижениепредела упругости на 2%.
Расчётное давление в вершине паза на образец за счет наведенныхтоков при применении простого МИД не превышает 10 МПа, при воздействии на берега пазаобразца магнитного давления 421 МПа.Сопоставление рассчитанных конечных деформаций по модели JC и результатовэксперимента показывают соответствие расчетных данных и экспериментальных, как дляпростых так и для квазикоаксиальных МИД. При этом в случае квазикоаксиального МИДнаведённаяплотностьтокаввершине паза равна нулю и вокрестностивершинысущественнониже(см. рисунок 8б), чем в случаепростого МИД, где плотность токадостигает значений 30-45 кА/мм2(см. рисунок 8а). Таким образом,сильно затухающий импульсныйэлектрический ток, пропускаемыйв начале деформирования образца,a)б)Рисунок 8.
Распределение плотности тока в образцах(а) с прекрэком при простом МИД и (б) без прекрэкапри квазикоаксиальном МИД.12длительностью ~4 мкс и амплитудой плотностью ~30-45 кА/мм2 не влияет на конечнуюдеформацию.Дляисследованиявлиянияимпульсноготоканаконечнуюдеформациюпроведенынесколькосерий экспериментов при установке наквазикоаксиальный МИД 1-2 образцов,см. рисунок 9.В первой серии экспериментов поодному из образцов пропускалсядополнительный импульсный ток, приподключенииобразцачерездобавочнуюиндуктивностьLsecпараллельно МИД (мода I, Рисунок 9).При этом амплитуда импульсного тока,Рисунок 9.
Схема испытания двух одновременноиспытываемых образцов при пропускании поодному из них тока.пропускаемого по образцу составляла 1-2 кА на сечении 5 мм2, при сохранении формы токаМИД, см. Рисунок 10а. В данной серии было проведено 11 опытов на двух образцах. Прикаждом последующем опыте брались образцы,деформированные в предыдущем эксперименте.При этом между опытами по образцу, которыйподвергалсятоковомувоздействиюпропускались ещё два аналогичных импульсатока амплитудой 1-2 кА.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
