Импульсного напряжения

Свободные колебания стержня после импульсного нагружения. Рассмотрим колебания стержня (рис. 5.4) с сосредоточенными массами, которые возникают при действии импульсных сил или моментов. Качественный характер импульсной нагрузки (Р('\ T
Динамическая теория Миндлина, распространенная на слоистые пластины, применялась для исследования распространения волн, свободных колебаний и импульсного нагружения пластин в целом ряде работ (Рен и Ю [122]; By [192]; Чоу [46]; Тзо и др. [1681; Донг и Нельсон [55]; Сиу и Берт [135]).

Анизотропные волны в твердых телах рассматриваются в физике кристаллов и сейсмологии, однако они не свойственны конструкциям, изготовленным из таких распространенных материалов, как алюминий или сталь, и применительно к этим конструкциям не исследовались. Композиционные материалы имеют одно характерное свойство — степень их анизотропии может направленно -изменяться. Соответствующим выбором углов ориентации слоев можно изменять распределение волн напряжений в окрестности зоны импульсного нагружения, предотвращая тем самым повреждение конструкции.

Быстрый прогресс в решении волновых задач теории пластичности тесно связан с запросами современной техники: применением импульсного нагружения, созданием полостей в грунтах, действием землетрясений на конструкции, сейсморазведкой. Книга известного польского специалиста содержит обзор и современное изложение методов решения волновых задач на основе различных вариантов теории пластичности. Рассматриваются основные уравнения динамики неупругих сред, математические основы теории распространения волн, сферические и цилиндрические волны в различных средах. Подробно обсуждаются численные методы решения задач, приведены числовые примеры по распространению волн в пластических средах.

В настоящее время разработаны и успешно применяются технологические процессы одностороннего и двустороннего плакирования с использованием импульсного нагружения, изготавливаются с применением сварки взрывом многослойные листовые композиции и биметаллические трубы. Получаются либо заготовки, либо сразу готовые изделия, обладающие наивыгоднейшим сочетанием полезных свойств *.

Процесс сварки металлов взрывом протекает в условиях, отличающихся от условий обычной сварки. Процесс импульсного нагружения характеризуется почти мгновенным возрастанием нагрузки до максимальных значений и обычным ее снижением. Возникающие при этом напряжения локализованы и вызывают локальную деформацию в микроучастках.

Определяющие уравнения состояния при упруго-пластическом .деформировании описывают функциональную связь процессов нагружения и деформирования с учетом влияния температуры для локального объема материала, т. е. связь составляющих тензоров напряжений вц, деформаций кц и температуры Т с учетом их изменения от начального U до заданного t момента времени: F[aa(t), &n(t), T(t)]=Q. Конкретные формы такой связи, представленные в литературе, основаны на упрощающих допущениях, применение которых экспериментально обосновано для ограниченного диапазона режимов нагружения. Учитывая кратковременность процессов импульсного нагружения, в большинстве случаев процессами теплопередачи можно пренебречь и с достаточной для практических целей точностью принять процесс адиабатическим. Изменение температуры материала в процессе нагружения в этом случае определяется -адиабатическим объемным сжатием (изменением объема в зависимости от давления), переходом механической энергии в тепловую в необратимом процессе пластического деформирования и повышением энтропии на фронте интенсивных ударных волн (специфический процесс перехода в тепло части механической энергии при прохождении по материалу волны с крутым передним фронтом, в результате которого кривая ударного сжатия не совпадает с адиабатой [9, 11, 163]).

На основании общих физических представлений о поведении материала под нагрузкой его сопротивление деформированию определяется мгновенными условиями нагружения (температурой, скоростью деформации и другими ее производными в момент регистрации), а также структурой материала, сформированной в процессе предшествующего деформирования, который в га-мерном пространстве характеризуется траекторией точки, проекции радиуса-вектора которой —• составляющие тензора напряжений (или деформаций) и время (начальная температура является параметром, характеризующим исходное состояние материала, и изменяется в соответствии с адиабатическим характером процесса деформирования). Специфической особенностью процессов импульсного нагружения является сложный характер нагружения (составляющие тензора напряжений меняются непропорционально единому параметру) и влияние времени. Невозможность экспериментального исследования материала при различных процессах нагружения (траекториях точки указанного выше я-мерного пространства) вынуждает исследователей использовать упрощенные модели механического поведения материала. Это обусловило развитие исследований по разработке теорий пластичности, учитывающих температурно-временные эффекты [49, 213, 218] наряду с изучением физических процессов скоростной пластической деформации [5, 82, 175, 309]. Так, для первоначально изотропного материала исходя из гипотезы изотропного упрочнения связь тензоров напряжений и деформаций полностью определяется связью их инвариантов соответственно Si, 22, 2з и /i, /2, /з- С учетом упругого характера связи средних напряжений и объемной деформации для металлических материалов (а следовательно, независимость от истории нагружения первых инвариантов тензоров напряжений и деформаций Si, /i) процесс нагружения определяется связью четырех оставшихся инвариантов и величины среднего давления. В классической теории пластичности

Анизотропное упрочнение первоначально изотропного материала отличается зависимостью сопротивления деформированию от ориентации тензора скорости деформации по отношению к тензору упрочнения в процессе предшествующего деформирования, и кривая интенсивность напряжений — интенсивность деформаций зависит от пути нагружения. В статических испытаниях анизотропное упрочнение наиболее рельефно проявляется в возникновении «следа запаздывания» за угловой точкой билинейного пути нагружения. Изменение сопротивления в зависимости от пути импульсного нагружения является основой импульсной обработки материала с целью направленного формирования его характеристик прочности и пластичности. Представление анизотропного упрочнения как результата суммирования изотропного упрочнения и кинематического (связанного с изменением пути предшествующего нагружения) [430] позволяет описать поведение материала при сложном нагружении.

91. Джонс, Норвуд. Распределение деформаций и напряжений в поперечном сечении упругого цилиндрического стержня в условиях осесиммет-ричного импульсного нагружения.— Прикл. механика, 1967, № 3, с. 280— 288.

306. Щеглов Б. А. Распространение пластических деформаций в условиях импульсного нагружения.— В кн.: Высокоскоростная деформация. М. :: Наука, 1971, с. 28—31.

Мощные выпрямители обычно имеют трехфазную схему. Если требуется плавно вручную или автоматически регулировать выпрямленное напряжение, то в качестве вентилей используют тиристоры (рис. 1, г). Регулируя фазу импульсного напряжения, подаваемого от генератора импульсов ГИ на управляющие электроды тиристоров, изменяют длительность импульсов тока, проходящих через них, и тем самым величину выпрямленного тока. Сглаживающим фильтром в мощных выпрямителях обычно служит индуктивность дросселя или самой нагрузки. При холостом ходе U0 — 0,95)^2 f/jcos а, где а — угол управления, значение которого отсчитывается от момента вступления в работу очередного тиристора в неуправляемом выпрямителе t/06p —

электродами под действием прилож. импульсного напряжения. Сила тока в И.р. может достигать значений, близких, к силе тока КЗ. И.р. применяются для защиты аппаратуры высоковольтных ЛЭП и линий связи от перенапряжений при грозовых и др. разрядах (защитные И.р.), а также для переключения ВЧ и высоковольтных электрич. цепей в устройствах радиолокации, автоматики, телемеханики, измерит, и авиац. техники (коммутационные И.р.).

Процесс облучения производится при давлении в рабочей камере не ниже К)"4 тор. Ионный источник имеет трехэлектродную конструкцию. Схема питания ионного источника представлена на рис. 8.3. Основными частями источника являются катод, анод и поджигающий электрод. При подаче импульсного напряжения с трансформатора ТрЗ между катодом / и поджигающим электродом 2 по поверхности керамики 5 возникает "поджигающий" дуговой разряд. Затем вследствие поступления напряжения с трансформатора Тр2 между катодом / и анодом 3 из "поджигающего" разряда инициируется импульсный дуговой разряд, который поддерживается в течение всего времени действия напряжения. Плазма, состоящая из ионов, образованных из атомов материала

где указаны углы за период разгона муфты фр, поворота с постоянной скоростью ф0 и торможения фт. Отработка каждого импульса достаточно сложный процесс (рис. 133), который связан с работоспособностью отдельных элементов изделия. Исходным является сигнал импульсного напряжения на соленоиде ис, который подается системой -управления. Однако при восприятии команды ведомым звеном (барабаном) происходит потеря угла поворота и соответственно средней импульсной скорости, причем эта потеря зависит от степени износа механизмов системы. На рис. 133 показаны основные составляющие процессы формирования импульсного поворота барабана. На конечный результат влияют: запаздывание в рабочем соленоиде ть которое зависит от износа и коэффициента трения в его направляющих; запаздывание, связанное со смыканием муфты т2; апериодическое запаздывание в рабочей муфте т3, связанное с характером роста рабочего момента в муфте Л1р, необходимого для преодоления момента сопротивления Мс. Время т3 зависит от состояния фрикционных поверхностей муфты. На процесс передачи скорости барабану влияет также запаздывание т4 в передачах после муфты, что связано с износом зубчатых передач. На суммарное запаздывание при торможении <г7 влияет время тб при отключении рабочей муфты и время т6 — при действии тормоза. Указанные составляющие могут быть рассчитаны на основании рассмотрения процесса торможения и разгона фрикционных муфт с учетом динамики привода. Однако в настоящее время более надежен путь экспериментального исследования этих параметров.

Мощные выпрямители обычно имеют трехфазную схему. Если требуется плавно вручную или автоматически регулировать выпрямленное напряжение, то в качестве вентилей используют тиристоры (рис. 1,г). Регулируя фазу импульсного напряжения, подаваемого от генератора импульсов ГИ на управляющие электроды тиристоров, изменяют длительность импульсов тока, проходящих через них, и тем самым величину выпрямленного тока. Сглаживающим фильтром в мощных выпрямителях обычно служит индуктивность дросселя или самой нагрузки. При холостом ходе (/„ = 0,95)^2 t/jcos а, где а — угол управления, значение которого отсчитывается от момента вступления в работу очередного тиристора в неуправляемом выпрямителе t/06p= = V6 U,.

На особые возможности электрофизики, где еще не были затронуты глубокой научной проработкой процессы, связанные с проявлением сильных электрических полей и их взаимодействием с веществом, с электроразрядными процессами в различных средах, включая взаимодействие плазменного канала с твердым телом, указывал академик В.И.Попков. Различные виды электротехнологии внедряются в самые различные отрасли промышленности, что приводит к повышению производительности труда, снижению себестоимости затрат, повышению общей культуры производства. Многим критериям эффективного способа разрушения горных пород и руд отвечает электроимпульсный способ, использующий для разрушения твердых диэлектрических и полупроводящих материалов энергию импульсного электрического разряда при их непосредственном электрическом пробое. Идея способа была высказана еще в конце 1940-х годов профессором АА.Воробьевым. Он предложил производить разрушение горных пород и руд за счет их электрического пробоя с использованием импульсного высокого напряжения от емкостного накопителя энергии III. Исследования И.И.Каляцкого (1953 г., диссертация, г.Томск, Томский политехнический институт) реально подтвердили возможность отбойки углей электрическим пробоем с использованием генераторов импульсного напряжения типа Аркадьева-Маркса. Принципиально важные положения физического принципа способа в усовершенствованном варианте, названным электроимпульсным способом /2/, были обоснованы проф. ГА.Воробьевым (1963 г., диссертация, г.Томск, Томский политехнический институт) и впервые экспериментально подтверждены А.Т.Чепиковым (1962 г., диссертация, г. Томск, Томский политехнический институт). Положенный в основу способа эффект внедрения разряда в твердое тело на импульсном высоком напряжении, обоснованный и экспериментально подтвержденный АА.Воробьевым, ГА.Воробьевым и А.Т.Чепиковым, в 1999 г. зарегистрирован как научное открытие "Закономерность пробоя твердого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульсов напряжения" с приоритетом от 14 декабря 1961 г. Электроимпульсный способ может быть реализуем в непрерывном технологическом процессе разрушения массива горной породы или потока кусков руды. На его основе разработаны эффективные технологии для бурения скважин, проходки щелей в массиве, резания крупных блоков и обработки поверхностного слоя массива или отдельного блока, для дезинтеграции материалов и других

вклиниванием в межэлектродный зазор и своевременный вывод из рабочей зоны продуктов их разрушения. Отбойка породы от массива возможна лишь при ступенчатой форме забоя или при расположении электродов в специально выбуренных шпурах. Именно в таком варианте реализуется упоминавшийся выше (предисловие) способ отбойки углей электрическим пробоем с использованием генераторов импульсного напряжения типа Аркадьева-Маркса.

Создать технологию с непрерывным процессом разрушения массива затруднительно, поэтому дальнейшие исследования были направлены на то, чтобы снять указанные выше ограничения в условиях осуществления электрического пробоя. Требовалось создать условия, при которых пробой породы мог бы быть осуществим даже при наложении электродов только с одной свободной поверхности. В исследованиях электрической прочности жидких и твердых диэлектриков на косоугольной волне импульсного напряжения было установлено, что их вольт-временные зависимости пробоя (далее вольт-секундные характеристики - в.с.х.) характеризуются различным коэффициентом импульса ki. Данный коэффициент определяет степень роста напряжения пробоя на импульсном напряжении по отношению к напряжению пробоя на статическом напряжении (напряжении постоянного тока, тока промышленной частоты). С уменьшением времени экспозиции импульсного напряжения прочность жидких диэлектриков растет быстрее, чем для твердых диэлектриков, что приводит к инверсии соотношения электрических прочностей сред 121. На статическом напряжении электрическая прочность твердых диэлектриков, как правило, превышает прочность жидких диэлектриков в одинаковых разрядных промежутках. Однако на импульсном напряжении при экспозиции напряжения менее К)-6 с электрическая прочность диэлектрических жидкостей и даже технической воды возрастает настолько, что становится выше прочности твердых диэлектриков и горных пород.

На рисунке 1.1 схематично дано сопоставление вольт-секундных характеристик пробоя в одинаковом разрядном промежутке твердого тела (горной породы) и жидкой среды. Точка пересечения вольт-секундных характеристик А/с соответствует равенству прочностей и вероятности электрического пробоя сравниваемых сред, и при экспозиции импульсного напряжения менее К)-6 с горная порода становится электрически слабее такого жидкого диэлектрика, как трансформаторное масло, а при экспозиции менее 2-3-10'7 с - слабее технической воды. В области диаграммы левее А/, преобладает электрический пробой твердого тела. В диэлектрических жидкостях условия для реализации процесса более благоприятные, пробой в недиэлектрической жидкости требует импульсов напряжения с длительностью фронта на порядок меньше (Ю-7 с) и более высокого уровня напряжения (подробнее см. разд. 1.2). Так как в этом случае система электродов представляет для источника импульсов низкоомную нагрузку, то формирование на породоразрушающем инструменте импульсов напряжения с требуемыми параметрами представляет определенную техническую проблему /11/.

Рис. 1.3. Принципиальные схемы технологических применений электроимпульсного разрушения твердых тел: а - бурение; б - резание; в - дробление; г -разрушение ЖБИ; 1 -высоковольтный электрод; 2 - заземленный электрод; 3 - разрушаемая порода; 4 -искровой канал; 5 -источник импульсного напряжения

Бурение скважин. Упрощенная технологическая схема ЭИ-проходки скважин с обратной циркуляцией промывочной жидкости нагнетанием приведена на рис. 1.4. Схема включает источник импульсного напряжения, буровой снаряд с направляющими и спускоподъемными механизмами и систему промывки скважин. Главными элементами бурового снаряда являются буровой наконечник (буровая коронка), колонна буровых штанг и высоковольтный ввод. Буровые штанги кроме функций, присущих механическим способам бурения, выполняют также функцию передачи импульсов напряжения от генератора импульсов к буровому наконечнику, для чего они снабжаются центральным тоководом, а обратным тоководом служит наружная труба штанги.