Диссертация (1143855), страница 6
Текст из файла (страница 6)
При малом затухании (1.4 – 1.5):'.Методики измерения параметров, определяющих работу ГИТ (зарядноенапряжение, разрядный ток), при коммутации больших импульсных токовхорошо известны и приведены в многочисленной литературе, см. например [51,117]. Измерения тока при известном токораспределенеипи в магнитной системепозволяет однозначно связать параметры тока с магнитным давлением [111, 1].Нагружающее устройство для формирования магнитного импульсногодавления – магнитноимульсный драйвер (МИД) может быть выполнен (см.Рисунок 1.5): а - параллельными плоскими проводниками, б - спиральнымсоленоидом, в - цилиндрическим соленоидом и др.При протекании тока по проводникам МИД - 1 создаётся импульсноемагнитное поле которое оказывает давление на проводники МИД, которое затеммеханически передаётся на образец - 2 через диэлектрическую вставку - 3.33Рисунок 1.5 Схема магнитноимпульсного нагружающего устройства.
1 –проводники МИД; 2 – толкатель/ образец/ опора; 3 – изоляция.ДляслучаяМИДвыполненногопараллельнымпроводникамиицилиндрическим соленоидом (см. Рисунок 1.9а,в) при выполнении условия:c h ,ܿ – ширина шин,(1.46)– расстояние между шинами, магнитное давление в центрепроводника МИД может быть определено по выражению:гдеܿ– магнитная проницаемость,(1.47),– напряжённость магнитного поля,– токпротекающий по шинам.Выражение (1.47) получается при интегрировании силы Лоренца, вдольтолщины проводника МИД :ܿ,(1.48)В случае ферромагнитных материалов объемные силы в соответствии с [39,40] в одномерном случае, соответствующему плоскости симметрии МИДопределяются выражением:∇34,(1.49)Давление создаваемое ферромагнитным МИД можно оценить при помощиинтегрирования вдоль линии симметрии объёмной силы, тогда магнитноедавление:(1.50),1.4.3.
Управляемые воздействия для задач неразрушающего контроляОдним из основных требований к средствам неразрушающего контроляявляется стабильность зондирующих сигналов. В ряде случаев, например, придиагностикисостояниятехногенныхобъектов,стандартныеспособынеразрушающего контроля становятся неэффективными. Это связано с большойпротяжённостью объектов, сильным ослаблением и частотной дисперсиейзондирующих сигналов.
Для этих целей эффективным становится использованиемагнитоимпульсного способа нагружения, достоинством которого становятсябесконтактное возбуждение проводящих элементов конструкции импульсамидавления,амплитудакоторыхсущественнобольшеиспользуемыхвультразвуковой диагностике и не превышает при этом упругий предел материала.Ниже продемонстрирована возможность использования этого метода длядиагностики сложной техногенной структуры в виде модели устья подводнойскважины для нефтедобычи [7].В данных системах при создании импульсного токаот ГИТ вцилиндрическом соленоиде, расположенном в диагностируемой системе соосныхтруб, в первой трубе создаётся магнитное давление прикладываемое к внутренней35стенке. Дальше давление передаётся через слои воды и труб, достигая последнейтрубы.
Отражённые волны от всех границ, имеющихся в системе возвращаются кпервой трубе на внутренней стенке которой при помощи датчика можнорегистрировать давление. Перемещая индуктор вдоль трубы и регистрируядавление при помощи датчиков получается пространственно-временная картинадавления на внутренней стенке трубы от места положения индуктора.Для анализа механического поля давления в программе ANSYS APDLвыполнен автоматизированный расчет (код приведён в приложении А). Призадании геометрии системы и изменении места положения прикладываемого ирегистрируемого давления выполнена серия расчётов, на основе которыхпостроена пространственно-временная картина давления, представленная наРисунке 1.6.Рисунок 1.6 Экспериментальная многослойная система, экспериментальная ирасчётная пространственно-временные картины распределения давления навнутренней стенке внутренней трубы [7].36Расчетвыполненвгеометрии,соответствующейреальнойэкспериментальной установке [7].
В которой длина системы труб составляет 5 м.Всего 5 стальных труб между которым залита вода. В последнем слое на уровне2.7 м залит цемент. В результате на расчётной пространственно-временнойкартине распределения давления виден "клин", указывающий на уровень границыразделацемент-водавпоследнемслоесистемы.Расчётасовпадаетснаблюдаемым в эксперименте результатом, см. Рисунок 1.6.
При этом былразработан генератор импульсных токов в погружном исполнении [52]. Генераторработает на индуктивную нагрузку, представляющую из себя восьми витковыйсоленоид, длиной 10 см, формирующий в зазоре между своей обмоткой истальной трубой, в которую он помещён, поле амплитудой магнитной индукции~1 Т и длительностью периода колебаний ~80 мкс, максимальный ток разряда~2.5 кА.По данным результатам, см. Рисунок 1.6, можно определить уровеньзаливки цемента в последнем слое, что является практический важной задачей.Аналогичное применение магнитноимпульсного способа для неразрушающейакустической диагностики возможно и в других системах. Здесь следует отметить,что необходимо поддерживать стабильность прикладываемого импульсногодавления в разных позициях для анализа результатов.
Магнитноимпульсныйспособ при современном развитии электрофизической аппаратуры позволяетобеспечить стабильность параметров разрядного тока (даже при взаимодействии сферромагнитными средами [39]) для целей неразрушающего контроля.371.4.4. Магнитноимпульсное нагружение проводящего цилиндраПод действием импульсного тока, протекающего по тонкостенномупроводящему цилиндру, в нем создаётся магнитное давление направленное всторону его растяжения в радиальном направлении. Если магнитное давлениедостаточно для преодоления предела упругости материала, то в нем будутнаблюдаться остаточные деформации, соответствующие пластическому течению.Такимобразомнапример,импульсноемагнитноеполеприменяютдляформообразования металлических заготовок - магнитноимпульсная обработкаматериалов давлением [53].Кроме формообразования, сопоставление экспериментальных данных срезультатами численного моделирования и известными свойствами материаласоленоида в квазистатическом нагружении может позволить определитьпараметры материалов при динамическом деформировании.
Например такимобразом можно подобрать параметризвестных параметрах , , , ,,для модели JC, описанной в п. 1.4.1, придля квазистатического нагружения.В работах [54, 55, 56, 57, 58] показана возможность исследованиймеханических свойств проводящего кольца расположенного во внешнем полесоленоида.
Взаимодействия магнитного поля с наведёнными в кольце токамиприводит к расширению кольца. При этом формируется удобное для анализанапряжённое состояние. Известно, что в тонкой цилиндрической оболочке,радиус R которой существенно больше её толщины h, напряжения приприложении внутреннего давления P могут быть определены по простой формуле:(1.51)38Ток i, протекающий по кольцу, определяет магнитное давление, и еговеличина связана с напряжением в материале соотношением:(1.52)где b- ширина кольца.В результате протекания тока имеет место джоулев нагрев кольца, которыйможет быть определён в соответствии с интегралом действия [117]:1䁠ਲ਼(1.53)1ܿгде β – температурный коэффициент сопротивления, cv – теплоёмкость, ρ0 –удельное сопротивление при начальной температуре, t – время протекания тока.На основе численного моделирования физических полей (см. п.
1.4.1) впрограмме Comsol Multiphysics выполнен расчет для магнитной системы,представленной на Рисунке 1.7а, состоящей из соленоида - 5 витков, диаметром25 мм из медного провода, диаметром 0.5 мм и медного кольца, диаметром28.6 мм, толщиной 0.015 мм и высотой 1.6 мм, типичные для опытов, описанных в[55].На основе моделирования рассчитан интеграл по толщине кольцарадиальной силы Лоренца в центре кольца и на краях (см. Рисунок 1.7 б).
Дляоценки механических деформаций в программе Ansys autodyn полученноезначение интеграла сил, прикладывалось к внутренней стенке кольца, каквнешнеедавление.механическогоВрезультатенапряженияимоделированияотносительныеполученыпластическиеграфикидеформации(см. Рисунок 1.7г) без учёта нагрева с применением модели пластичности JC длямеди OFHC. На основе магнитного расчёта также получен график зависимоститемпературы от времени для середины кольца (см. Рисунок 1.7б).Сопоставляянагревкольцасотносительнымипластическимидеформациями видно, что к 10 мкс нагрев превысил температуру плавления меди,при этом пластические деформации без учёта влияния нагрева составляют 3.6 %.39а)в)б)г)Рисунок 1.7.
Магнитноимпульсное деформирование тонкого кольца.а) геометрия магнитной системы с распределением магнитного поля в моментвремени 1 мкс; б) Магнитное давление в центре/на краю кольца и температура вцентре от времени; в) Токи в катушке и кольце от времени; г) эквивалентныенапряжения и относительные пластические деформации от времени без учётатемпературы.Таким образом в данной геометрии рассматриваемой системы нужно учитыватьвлияние температуры на свойства материала.Для снижения нагрева кольца, можно увеличить его толщину, что приведётк уменьшению плотности тока в кольце. Так увеличение толщины кольца в 10 разприведёт к его нагреву до ~400 К, вместо ~1930 К.Помимо индукционного режима, описанного выше, магнитноимпульсныйспособ позволяет реализовать режим, при котором силовое воздействие надеформируемый образец передаётся токоведущим элементом, а образец неиспытывает при этом токового воздействия. Такие режимы могут быть40реализованы в плоской и цилиндрической конфигурациях, на Рисунке 1.8приведён пример такой цилиндрической системы [59].Здесь продольный ток пропускается по толкающему цилиндру, в которомсоздаётся импульсное магнитное давление и передаётся на испытуемый материал.В данной системе экспериментально реализованы скорости деформирования до7.5∙104 1/с [59].
Реализация этого способа обеспечивает формирование плоскогонапряженного состояния в образце при условии, что толщина образца многоменьше его диаметра. Формирование давлений, достаточных для исследованиймеханических характеристик в условиях таких экспериментов требует при этомимпульсных токов с амплитудой порядка ~1 МА и периодом ~4.5 мкс.В аналогичной системе помимо испытаний на динамическое растяжениецилиндра возможно реализация сжимающих нагрузок, как показано наРисунке 1.9 [60]. Здесь ёмкостной накопитель энергии 5 разряжается на лайнер 2через электроды 3 и 4. Внутри лайнера расположена капсула 1 из проводящегоматериала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
