Диссертация (1149351), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Эксперименты выполнялись с использованием генератора импульсных токов (ГИТ).Рис. 2. Схема эксперимента.На рис. 2 представлена схема эксперимента по деформированию цилиндров[19].Данная диссертационная работа является развитием магнитно-импульсныхметодов деформирования и разрушения тонких металлических колец в широкомдиапазоне скоростей деформаций от 104 до 107 с−1 . В ней преимущественно затрагиваются фундаментально-научные проблемы, которые имеют выход на практическое применение. В представленной работе в качестве экспериментальных20образцов используются тонкие ленты толщиной 15 мкм, что позволяет значительно продвинуться в скорости деформации.
В этом исследовании основное внимание уделяется методическим вопросам высокоскоростного деформирования твердых тел.21Глава 1СХЕМЫ НАГРУЖЕНИЯ И ДЕФОРМИРОВАНИЯТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОЛЕЦМАГНИТНО-ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ§1.1 Основные аспекты схемы нагружения и деформированияметаллических кольцевых образцовОдна из известных схем нагружения металлических образцов была представлена американскими учеными Рави-Чандаром и Жанном [28-31]. Магнитноимпульсный метод реализуется с помощью электрической схемы, представленнойна рис.
3. После заряда конденсатора от внешнего источника с помощью разрядника k конденсатор разряжается на катушку индуктивности L.Рис. 3. Принципиальная электрическая схема для деформированиякольцевых металлических образцов.22Образец, используемый для эксперимента, представляет собой тонкое металлическое кольцо радиуса 0 c прямоугольным сечением размерами и ℎ, малыми по отношению к радиусу. Это кольцо помещается снаружи соленоида безсердечника, состоящего из витков.В то время как по катушке индуктивности протекает ток 1 , поток векторамагнитной индукции, пронизывающий образец, который представляет собой замкнутый контур, изменяется. Таким образом, в металлическом кольце индуцируется ток 2 . Согласно правилу Ленца, наведенный ток, возникающий в замкнутомконтуре при изменении магнитного потока, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.
Соответственно, ток в образце 2 будет направлен какпоказано на рис. 4.Рис. 4. Схема токов. Здесь 1 −ток, протекающий по виткам катушки индуктивности;2 − ток, индуцированный в кольцевом образце.Если рассмотреть малые отрезки любого витка катушки индуктивности икольцевого образца, то их можно считать параллельными. Как известно из законаАмпера, между параллельными проводниками, в которых текут токи противоположных направлений, возникает сила отталкивания.Сила Ампера для двух параллельных проводников с током может быть рассчитана по формуле:=0 21 2,4 (1.1)23где магнитная постоянная 0 = 4 ∙ 10−7 Гн/м, 1 − ток в первом проводнике, 2 −ток во втором проводнике, − расстояние между проводниками.Сила отталкивания создает давление на внутреннюю поверхность кольцевого образца, которое приводит к его деформации вплоть до разрыва.Рис.
5. Схема нагружения кольца. Здесь q – давление на внутренней поверхности кольца;σ – окружное напряжение кольца.Распределенную нагрузку, действующую на внутреннюю поверхностькольцевого образца, можно рассчитать по формуле:() =() () ()==,с(1.2)где − сила Ампера, − длина кольцевого образца, − площадь внутренней поверхности образца, − ширина кольца.Окружное напряжение может быть вычислено по формуле Лапласа:() =0 (),ℎ(1.3)где 0 − начальный радиус кольцевого образца, ℎ − толщина кольцевого образца.Здесь следует заметить, что расчет окружного напряжения по формулеЛапласа (1.3) правомочен только при медленном нагружении кольцевых образцов.
Как будет показано далее при высоких частотах гармонического нагружения24формула Лапласа перестает работать. Начинает все более сказываться инерционность материала при отклике на внешнее воздействие.В данной работе представлено развитие магнитно-импульсного метода деформирования и разрушения материалов [28-31] на более широкий диапазон скоростей деформаций. Будут рассмотрены три схемы нагружения и деформирования тонких металлических кольцевых образцов, которые позволят продвинуться вдиапазон скоростей деформаций от 103 до 107 с−1 .§1.2 Электрическая схема квазистатического нагружения идеформирования металлических кольцевых образцовмагнитно-импульсным методомМагнитно-импульсный метод квазистатического нагружения металлическихкольцевых образцов был апробирован [3] на базе генератора коротких высоковольтных импульсов ГКВИ-300, который способен формировать электрическоенапряжение с амплитудой (10 − 300) кВ.
Электрическая блок-схема представлена на рис. 6. Электрическая схема нагружения кольцевых образцов выполнена насосредоточенных элементах емкости и индуктивности . Емкость конденсаторасоставляла 0,5 мкф. Катушка индуктивности изготовлена из медного проводадиаметром 1 мм, имеет 5 витков, диаметр катушки 25 мм. Подобная схема рассматривалась в работах Рави-Чандара и Жанна [28-31].25Рис. 6. Блок-схема экспериментальной установки для случая синусоидальной электромагнитнойнагрузки с периодом (5-7) мкс.
AT – автотрансформатор; REC – выпрямитель; Rch – зарядноесопротивление; C – конденсатор; S – разрядник; L – катушка индуктивности (соленоид без сердечника); RC – пояс Роговского; Sample – образец (металлическое кольцо); PD – фотодиод;OSC – осциллограф.Выпрямительное устройство (), напряжение которого регулируется от12 до 24 кВ, заряжает конденсатор () емкостью 0,5 мкф. С помощью высоковольтного разрядника () конденсатор разряжается через катушку индуктивности(), на которую коаксиально помещен металлический кольцевой образец(). Металлическое кольцо представляет собой тонкую ленту радиуса Rшириной и толщиной ℎ.
Его поперечные размеры малы в сравнении с радиусом.В то время как по виткам соленоида проходит ток 1 , в индуктивно связанным сним контуре образца индуцируется ток 2 . Сила отталкивания, возникающая между витками катушки индуктивности и металлическим образцом, влечет за собойдеформацию последнего. Ток, проходящий по виткам соленоида измеряется с помощью пояса Роговского () и фиксируется осциллографом ().Данная схема реализована на сосредоточенных емкости и индуктивности.Представленная схема позволяет получить период электромагнитных колебанийпорядка = (5 − 7) мкс.На рис.
7 представлена в качестве примера одна из реализованных осциллограмм тока в катушке индуктивности.26Рис. 7. Осциллограмма тока в катушке (2) с периодом колебаний тока T=5,5 мкс.Проанализируем, какой наименьший период электромагнитных колебанийможет быть при использовании схемы, основанной на сосредоточенных параметрах ёмкости и индуктивности. Период колебаний контура, представленного нарис.
3, можно записать в виде: = 2√,(1.3)где − период собственных колебаний, − индуктивность катушки, − емкостьконденсатора.Для оценки минимального периода колебаний рассмотрим предельный случай, при котором соленоид состоит из одного витка кругового сечения. Его индуктивность в таком случае может быть определена по формуле [14]: = 0 (ln8 7− ),4(1.4)где − радиус витка катушки индуктивности, − радиус поперечного сеченияпровода.27Таким образом: = 2√ = 2√0 (ln8 7− ) .4(1.4)Для оценки минимального периода рассмотрим виток катушки индуктивности диаметром ≈ 30 мм, радиус провода которой ≈ 0,5 мм, а конденсаторемкостью ≈ 0,5 мкФ. Для этого случая получается, что минимальный периодколебаний электрического тока будет порядка 1,1 мкс.В реальных условиях необходимо учитывать индуктивность проводов, подводящих напряжение к катушке от конденсатора, их емкость, а также собственную индуктивность конденсатора.
При этом период электромагнитных колебанийможет возрасти в несколько раз по сравнению с рассмотренным идеализированным случаем. Для существенного сокращения периода электромагнитных колебаний, тем самым повышения скорости нагружения и деформирования образцов,необходима разработка принципиально новых схем. В настоящей работе предложены две принципиально новые схемы магнитно-импульсного нагружения, которые будут рассмотрены далее.§1.3 Первая электрическая схемадинамического нагружения и деформированиятонких металлических кольцевых образцовмагнитно-импульсным методомДля расширения диапазона скоростей деформирования была разработана [3,14] схема нагружения кольцевых образцов с меньшим (~1 мкс) периодом электромагнитных колебаний в связанном контуре катушки и кольца по сравнению со28схемой, описанной в предыдущем параграфе.
Блок-схема установки представленана рис. 8.Рис. 8. Блок-схема экспериментальной установки для случая синусоидальной электромагнитнойнагрузки с периодом 1 мкс. Rch – зарядное сопротивление; C – конденсатор; S – разрядник;IT – импульсный трансформатор; FL – формирующая линия; ЕD – выходное устройство;HVW – высоковольтный электрод; L – катушка (соленоид без сердечника);Sample – образец (металлическое кольцо); RC – пояс Роговского; PD – фотодиод;OSC – осциллограф.Разряд конденсатора () с регулируемым напряжением заряда от 12 до 24кВ осуществляется на первичную обмотку импульсного трансформатора () спомощью разрядника ().
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
