Козлов Сергей Александрович. Магнитно-импульсная метательная установка для испытаний на ударные воздействия

Краткое описание

Козлов Сергей Александрович. Магнитно-импульсная метательная установка для испытаний на ударные воздействия : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.02 Владимир, 2006 216 с. РГБ ОД, 61:07-5/978

На правах рукописи
Владимирский государственный университет

МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МЕТАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА УДАРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.02.02- машиноведение, системы приводов и
детали машин
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент каф. «Приборостроение и информационно¬измерительные технологии» ВлГУ Татмышевский К.В.
Владимир 2006
СОДЕРЖАНИЕ
Стр
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЕ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ ПО ВОПРОСУ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОГО ПРИВОДА 15
ГГ Общие замечания 15
1.2. Магнитно-импульсный привод для обработки металлов давлением. ] 7
1.3. Магнитно-импульсный привод для проведения испытаний различ¬
ных материалов и изделий машиностроения 27
1.4. Применение магнитно-импульсного привода в других областях со¬
временной техники 36
1.5. Магнитно-импульсный привод в системах активной защиты объек¬
тов особой важности 40
1.5.1. Функционалвная схема и принцип действия магнитно¬импульсного привода в системах активной защиты 40
1.5.2. Оценка эффективности магнитно-импульсного привода в ,
системах активной защиты 50
1.6. Перспективы развития магнитно-импульсного привода. Цель и за¬дачи исследований 70
Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНО¬ИМПУЛЬСНОГО ПРИВОДА 73
2. Г Физические основы ускорения твердых электропроводящих тел
импульсным магнитным полем 73
2.1.1. Основные уравнения теории магнетизма 73
2.1.2. Получение импульсных магнитных полей в системах с кон-денсаторными накопителями энергии 75
2.1.3. Методика расчета импульсного магнитного поля в зазоре
«индуктор-метаемое тело» 85
2.1.4. Электромагнитные процессы, протекающие в метаемом теле. 99
2.1.5. Давление импульсного магнитного поля 94
2.1.6. Силы, действующие на индуктор 97
2.1.7. Обзор методов расчета электромагнитных полей. Метод ко¬нечных элементов 100
2.1.8. Уравнения движения метаемого тела Ю5
2.2. Обзор математических моделей и методик расчета основных па¬
раметров процесса магнитно-импульсного ускорения твердых электропроводящих тел в магнитно-импульсном приводе ^ ^
2.3. Трехмерное математическое моделирование магнитно¬импульсного привода 119
2.3.1. Трехмерное математическое моделирование магнитно¬
2.3.1.1. Краткий обзор возможностей пакета моделирова¬ния FEMLAB 119
2.3.1.2. Трехмерное моделирование импульсного магнит¬ного поля плоского спирального индуктора 125
2.3.1.3. Трехмерное моделирование силового воздействия
импульсного магнитного поля плоского спирального ин¬дуктора на осесимметрично расположенный индентор 133
2.3.1.4. Трехмерное моделирование силового воздействия
импульсного магнитного поля плоского спирального ин-дуктора на индентор, смещенный относительно оси ин-дуктора 135
2.3.2. Трехмерное моделирование в пакете 3D Studio Мах процес¬сов движения индентора в магнитно-импульсном приводе... 137
2.4. Результаты теоретических исследований магнитно-импульсного привода 145
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОГО ПРИВОДА 148
3.1. Задачи экспериментальных исследований 14g
3.2. Общее описание опытного образца магнитно-импульсной мета¬
тельной установки МИМУ-219-1 на основе магнитно-импульс¬ного привода 149
3.3. Силовой блок МИМУ-219-1 154
3.4. Узел индуктора МИМУ-219-1 151
3.5. Пульт дистанционного управления МИМУ-219-1 155
3.6. Метаемое тело (индентор) 159
3.7. Регистрирующая аппаратура 172
3.8. Методика проведения экспериментов 179
3.9. Результаты экспериментальных исследований магнитно¬
импульсного привода 182
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 195
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Диссертационная работа «Магнитно-импульсная метательная уста-новка для испытаний на ударные воздействия» посвящена вопросам эффек-тивного ускорения макротел (массой до 1 кг) до высоких скоростей с использо-ванием магнитно-импульсного привода в целях воспроизведения в лаборатор¬ных условиях высокоскоростных ударных нагрузок, имеющих место при экс¬плуатации различных изделий и материалов. Кроме того, работа так же посвя¬щена вопросам ускорения групп макротел до высоких скоростей с использова¬нием магнитно-импульсного привода в целях создания систем активной защиты объектов особой важности для повышения антитеррористической устойчивости последних.
Среди целого ряда разнообразных внешних механических воздействий, имеющих место при эксплуатации изделий и материалов, особо выделяют вы-сокоскоростные импульсные ударные нагрузки, характерной особенностью ко-торых является высокий уровень напряжений в материале и малая длительность импульса ударного давления. Задача проведения высокоскоростных ударных испытаний особенно актуальна при проектировании изделий и материалов авиационной, космической, военной техники - тех объектов машиностроения, работа которых происходит в условиях импульсных воздействий высокой ин-тенсивности. Известно, что свойства материалов и конструкций в значительной степени зависят от амплитуды и длительности ударного воздействия.
Цель ударных испытаний - проверка способности изделия выполнять свои функции во время ударного воздействия и после него. Главным условием при проведении испытаний является имитация внешних ударных воздействий таким образом, чтобы они достаточно точно соответствовали ударным воздей¬ствиям при определенных условиях эксплуатации изделия. С экономической и методической точки зрения предпочтительно проведение испытаний в лабора¬торных условиях при наличии универсального устройства, позволяющего вос¬производить широкий набор внешних ударных воздействий.
При экспериментальном исследовании поведения объектов испытаний под действием высокоскоростных импульсных ударных нагрузок используют различные методы разгона тел до требуемых скоростей. Для решения данных задач в настоящее время применяют специальные схемы с использованием энергии удара, взрыва, электромагнитного поля и других источников импульс¬ной энергии. Известные устройства разгона тел (многоступенчатые легкогазо¬вые установки, устройства для взрывного метания, рельсовые треки, рельсо- троны и т.д.) позволяют получить скорости до 15 км/с для тел различных масс. Однако, построенные на основе указанных устройств стенды для проведения ударных испытаний, как правило, не предназначены для применения в лабора¬торных условиях, поскольку являются громоздкими, достаточно сложными в обслуживании и эксплуатации, а так же экологически вредными. Кроме этого, большинство из подобных устройств ускоряют тела небольших масс (микро-, миллиграммы) [1].
Одним из наиболее перспективных методов решения задач эффективного разгона макротел до высоких скоростей для проведения ударных испытаний является использование энергии импульсного магнитного поля.
Испытательные установки, построенные на основе магнитно-импульсного привода, являются достаточно эффективным средством изучения поведения материалов и изделий при динамических воздействиях в лабораторных услови¬ях. Подобные установки по своим показателям выгодно отличаются от анало¬гичных устройств высокой степенью воспроизводимости испытаний, высокой производительностью испытаний, бесшумностью и экологичностью процесса испытаний, простотой обслуживания и относительно малыми габаритами, раз-нообразием форм и размеров метаемых тел и т.д.
Принцип высокоскоростного магнитно-импульсного метания твердых электропроводящих тел, лежащий в основе работы магнитно-импульсного при-вода, основан на возникновении механических сил отталкивания между про-водниками, по которым течет электрический ток - явлении, описываемом зако¬ном Био-С авара-Лапласа.
Вопросами физики и техники получения сильных магнитных полей и применения их для метания твердых электропроводящих тел занимались науч¬ные коллективы под руководством П.Л. Капицы, Г. Кнопфеля, Г.А. Шнеерсона, В.Н. Бондалетова, А.Н. Андреева, Г.Л. Башарина, К.В. Татмышевского. В даль¬нейшем данное направление получило свое развитие в исследованиях ряда из¬вестных ученых как в нашей стране, так и за рубежом.
Принцип действия магнитно-импульсных приводов, способных сообщать телам высокие скорости (до нескольких километров в секунду), предоставляет широкие возможности их применению в различных областях науки и техники. Подобные привода могут применяться для испытаний средств бронезащиты, для проведений испытаний на ударное нагружение взрывательных устройств боеприпасов и т.д.
В состав магнитно-импульсных приводов входят: накопитель энергии, коммутирующее устройство и индуктор. В качестве накопителей энергии ис-пользуются емкостные или индуктивные накопители. В качестве коммутирую¬щего устройства в магнитно-импульсных приводах используются различного вида разрядники - вакуумные, высокого или атмосферного давления, с твердым диэлектриком. В качестве индукторов могут использоваться одновитковые со-леноиды, многослойные спиральные соленоиды, плоские одновитковые и мно- говитковые катушки - индукторы.
В данной диссертационной работе исследуется магнитно-импульсный привод в качестве индуктора в котором используется плоская спиральная ка-тушка-индуктор, в качестве накопителя энергии - емкостной накопитель (бата¬рея высоковольтных импульсных конденсаторов), а в качестве метаемых тзл (инденторов) - твердые электропроводящие тела (рис. 1).
Индуктор является первичным контуром, с которым индуктивно связано метаемое тело (например, пластина), представляющая собой вторичный контур. При разряде емкостного накопителя на катушку-индуктор ток, протекающий в первичном контуре, наводит вихревые токи во вторичном контуре, в результате чего между индуктором и метаемым телом наводятся два противоположных по
направлению магнитных ПОЛІГ. ЭТО приводит к возникновению интенсивных пондеромоториых сил, за счет которых метаемое тело приобретает большую начальную скорость. Затем метаемое тело летит свободно до встречи с объек¬том испытаний. Таким образом, в данном процессе энергия электрического по¬ля емкостного накопителя (батареи конденсаторов) преобразуется в энергию магнитного поля индуктора, а затем в механическую работу выталкивания ме-таемого тела из зоны индуктивной связи индуктора, а также, частично, в тепло¬ту. Возможны различные схемы метания, в зависимости от конструкции индук¬тора.
Применение магнитно-импульсных приводов позволяет проводить в лабо-раторных условиях целый комплекс испытаний - на ударную устойчивость, на ударную прочность, на эрозионное изнашивание и т.д. При этом испытания мо¬гут проводиться как методом прямого, так и обращенного пусков. Это в ряде случаев значительно упрощает как проведение испытаний, так и обработку по¬лученной входе проведения испытаний измерительной информации. При испы¬таниях методом обращенного пуска (например, для испытаний изделий авиа¬космической техники) объект испытаний крепится неподвижно, а метаемое те¬ло (плоская пластина в качестве имитатора преграды) разгоняется до требуемой скорости.
Рис.1.
Схема метода магнитно-импульсного метания твердых электропроводящих тел с использованием плоской спиральной катушки-индуктора:
1 - емкостной накопитель;
2 - коммутирующее устройство;
3 -узел индуктора;
4 - метаемое тело (индеитор);
5 - объект испытаний
При этом скорость метания определяется напряжением заряда емкостного накопителя. Материал и толщина метаемой пластины-имитатора преграды вы-бираются такими же, как у реальной преграды. Метание тел плоской формы при испытаниях является наиболее актуальной задачей, т.к. к процессу соуда¬рения изделий авиакосмической техники с плоскими листовыми преградами может быть сведена существенная часть испытаний подобных изделий на функциональные возможности.
Кроме этого, как показал анализ, перспективной областью применения магнитно-импульсных приводов являются системы активной защиты объектов особой важности (для круглосуточной внутриобъектовой и наружной охраны).
Магнитно-импульсный привод, как устройство для метания готовых по-ражающих элементов наиболее полно соответствует требованиям, предъявляе¬мым на данный момент к средствам поражения для систем активной защиты особо важных объектов. Магнитно-импульсный привод для систем активной защиты объектов особой важности обладает; возможностью быстрой автомати¬ческой перезарядки; возможностью бесшумного метания групп тел поражаю¬щих элементов различной формы; возможностью оперативного регулирования степени воздействия на нарушителя; возможностью управления траекторий по¬ражающих элементов; возможностью применения в закрытых помещениях. При срабатывании магнитно-импульсного привода отсутствуют звук, вспышка, демаскирующие охраняемый объект. Значительно упрощается процедура при¬ведения системы в готовность и, особенно, снятия ее с боевого состояния.
Однако существующие на сегодняшний день математические модели и основанные на них методики расчета магнитно-импульсных приводов позво¬ляют проектировать привода только с осесимметричной конфигурацией систе¬мы «индуктор-метаемое тело». Данные модели обладают двухмерным режимом расчета. Они не позволяют производить расчет неосесимметричных моделей; моделей где присутствуют, например, спиральные индукторы у которых обра-зующая рабочей поверхности отличается от плоской, или индукторы сложной формы, а так же комбинации индукторов. Кроме этого, подобные модели не по-зволяют производить расчет процессов ускорения групп тел, а так же тел слож¬ной формы. Перечисленные недостатки существенно сдерживают дальнейшее изучение магнитно-импульсного привода.
Таким образом, на сегодняшний день существует необходимость создания трехмерной математической модели, лишенной вышеперечисленных недостат¬ков, с помощью которой можно было бы адекватно описать широкий спектр процессов магнитно-импульсного ускорения твердых электропроводящих тел, а именно процессов управления траекторией движения метаемых тел с целью формирования заданных траекторий.
Проведенный анализ показывает, что результаты исследований, направ-ленных на изучение эффективного ускорения макротел до высоких скоростей1 с использованием высокоскоростного магнитно-импульсного привода, могут быть широко использованы как в испытательной технике, так и в технике средств обеспечения защиты и безопасности.
Целью диссертационной работы является создание научно обоснованных методов управления кинетическими параметрами движения метаемых магнит-но-импульсным приводом тел.
В задачи диссертации входят:
1. Анализ физических процессов, протекающих при магнитно-импульсном ус-корении твердых электропроводящих тел для выявления факторов влияю¬щих на скорость и начальный угол метания;
2. Разработка трехмерной математической модели, адекватно описывающей процесс ускорения твердых электропроводящих тел импульсным магнитным полем. Целью математического моделирования является исследование воз-можности управления траекторией движения метаемых тел с целью форми-рования заданных траекторий;
3. Разработка трехмерной математической модели процесса магнитно- импульсного метания индентора (электропроводящей плоской пластины) при смещении индентора относительно оси плоского спирального индуктора с целью управления траекторией движения индентора;
4. Исследование возможности применения высокоскоростного магнитно-импульсного привода в системах активной защиты объектов особой важно¬сти с целью повышения антитеррористической устойчивости последних;
5. Проведение экспериментальных исследований магнитно-импульсного при¬вода.
Используемые в работе методы основаны на применении теории электроди-намики движущихся тел, электромагнитного поля, теоретических основ элек-тротехники, методов вычислительной математики, теории вероятности и мате-матической статистики, теории внешней баллистики, теории раневой баллисти¬ки.
Научная новизна работы заключается:
1. В исследовании возможности управления траекторией движения метаемых магнитно-импульсным приводом тел. В разработке трехмерной математиче-ская модели процесса магнитно-импульсного метания индентора (электро-проводящей плоской пластины) при смещении индентора относительно оси плоского спирального индуктора;
2. В получении новых зависимостей углов движения индентора (пластинві) от величины смещения индентора относительно оси плоского спирального ин-дуктора;
3. В разработке методик проведения испытаний методом прямого и обращен¬ного пусков с использованием магнитно-импульсного привода. В экспери-ментальном исследовании лабораторной магнитно-импульсная метательной установки на основе магнитно-импульсного привода. В экспериментальном исследовании процессов осесимметричного метания инденторов (плоских пластин), процессов метания инденторов под углом к оси индуктора, про¬цессов метания групп тел, процессов метания непроводящих тел с помощью специального поддона;
4. В разработке методик оценки эффективности магнитно-импульсного приво¬да в системах активной защиты объектов особой важности.
Практическая ценность работы определяется внедрением и использовани¬ем основных положений, выводов и рекомендаций, полученных при исследова¬ниях и разработке магнитно-импульсной метательной установки на основе маг-нитно-импульсного привода.
1. Разработана и апробирована лабораторная магнитно-импульсная метатель¬ная установка на основе магнитно-импульсного привода для проведения ис-пытаний различных изделий и материалов на динамические воздействия;
2. Предложены практические рекомендации по выбору конструктивных и энергетических параметров магнитно-импульсного привода и характеристик метаемого тела;
3. Определены факторы влияющие на углы движения метаемых тел (для ин-дукторов диаметрами 50, 72 и 130 мм);
4. Разработана схема применения магнитно-импульсного привода в системах активной защиты объектов особой важности;
5. Разработана программа расчета для оценки эффективности магнитнб- импульсного привода в системах активной защиты объектов особой важно¬сти.
Разработанные методики испытаний и результаты научных исследований внедрены: в ФГУП «ФНПЦ «Прибор» (г. Москва) и во Владимирском государ-ственном университете.
Материалы диссертационной работы используются в НИР с ФГУП «ФНПЦ «Прибор» (г. Москва) «Разработка магнитно-импульсного метательно¬го устройства для динамических испытаний выстрелов и их составных частей методом обращенных пусков».

Список литературы

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
По результатам теоретических и экспериментальных исследований магнитно-импульсного привода в рамках данной диссертационной работы были сформулированы следующие основные научные результаты и выводы:
1. Проведен анализ особенностей применения магнитно-импульсных приво-дов в установках для ударных испытаний. Доказано, что установки на основе таких приводов являются эффективным средством изучения поведения мате-риалов и изделий при ударных воздействиях в лабораторных условиях. Сформулированы основные требования к подобным установкам.
2. Разработана трехмерная математическая модель процесса магнитно-импульсного ускорения индентора (электропроводящей плоской пластины) при смещении индентора относительно оси плоского спирального индуктора; исследована возможность управления траекторией движения индентора с це-лью формирования заданных траекторий. Исследовано влияние величины смещения индентора относительно оси индуктора на угол движения и угол поворота индентора. Установлено, что угол движения и угол поворота ин-дентора зависят от величины смещения индентора относительно оси индук-тора.
3. Разработаны структурные и функциональные схемы устройств на основе' магнитно-импульсного привода для испытания материалов и изделий на ударные воздействия.
4. Разработана и исследована магнитно-импульсная метательная установка на основе магнитно-импульсного привода для проведения испытаний раз¬личных материалов и изделий на ударные воздействия в лабораторных усло¬виях.
5. Приведены основные технические характеристики разработанной магнит¬но-импульсной метательной установки и принципиальные схемы основных узлов и блоков. Обоснованы особенности выбора и указаны основные тех¬нические требования к элементам силового блока, узлу индуктора, метаемо¬му телу. Предложены практические рекомендации по выбору конструктив¬ных и энергетических параметров магнитно-импульсного привода и характе¬ристик метаемого тела.
6. Разработана и впервые реализована методика проведения испытаний ме-тодом обращенного пуска с использованием магнитно-импульсного привода. Методом физического моделирования подтверждены основные положения теории и адекватность разработанной математической модели. Эксперимен-тально установлены основные закономерности изменения углов движения и углов поворота инденторов. Экспериментально доказано, что изменяя значе¬ние величины смещения индентора относительно оси индуктора можно ме¬нять углы движения инденторов относительно оси индуктора, тем самым управлять траекторией движения метаемых тел. Экспериментально подтвер¬ждена возможность метания магнитно-импульсным приводом групп тел, тел сложной формы, в том числе тел из непроводящих материалов с помощью специальных поддонов.
7. Разработана методика оценки эффективности магнитно-импульсного при¬вода в системах активной защиты объектов особой важности. Доказано, что магнитно-импульсный привод, как устройство для метания готовых пора¬жающих элементов является эффективным средством поражения при созда¬нии систем активной защиты объектов особой важности.
Разработана компьютерная программа расчета эффективности магнитно-импульсного привода в системах активной защиты. Программа позволяет по¬лучить зависимости, характеризующие процесс полета метаемых тел и взаи¬модействия их с биообъектом в зависимости от параметров привода.