УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА ДАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ВЗРЫВОМ ФОЛЬГИ
DEVICE FOR GENERATION OF MECHANICAL PULSE OF PRESSURE BY ELECTRIC EXPLOSION OF FOIL

Изобретение относится к технике создания импульсного давления посредством электрического взрыва проводника для образования кратковременной ударной волны с высокой амплитудой давления и может быть использовано для испытания образцов сложной формы (цилиндра, конуса и др.) на прочность к импульсному поверхностному воздействию.
Известно устройство для создания низкоинтенсивных импульсных нагрузок короткой длительности с помощью электрического взрыва проводников (ЭВП) [1], состоящее из конденсаторной батареи емкостью С и узла нагрузки, представляющего собой прямой и обратный токопроводы (ОТ), разделенные пленочным изолятором из лавсана, в качестве прямого токопровода используется взрывающийся проводник, а в качестве обратного - медная фольга, расположенная под прямым токопроводом. Недостатком данного устройства является то, что обратный токопровод влияет на параметры генерируемого механического импульса давления и создает отраженную от электрического взрыва вторую ударную волну на испытываемом образце.
Известно также устройство для электрического взрыва фольги, состоящее из конденсаторной батареи емкостью С в сочетании со взрывомагнитным генератором, и узла нагрузки, представляющего собой прямой и обратный токопроводы, расположенные в одной плоскости, в качестве прямого токопровода используется взрывающийся проводник, а в качестве обратного - две медные шины, расположенные равноудаленно от боковых торцов взрываемой фольги, при этом ток в прямом и обратных токопроводах течет параллельно и в противоположных направлениях [2]. Недостатком данной схемы является то, что она не позволяет обеспечить профилированное распределение импульсной нагрузки на поверхности нагружаемого образца.
Известно устройство для создания механического импульса давления электровзрывом фольги по патенту №2377532 от 25.07.2008 г., в котором специальная конструкция обратного токопровода позволила компенсировать деформирование (скручивание) электровзрываемой фольги при пропускании через нее импульса тока. Обратный токопровод располагается равноудаленно от боковых торцов фольги, и ток в нем течет параллельно и в одном направлении с током в фольге. Расстояние до обратного токопровода выбирают, исходя из условия равенства нулю значения напряженности магнитного поля на границе фольги с целью получения равномерного распределения механического импульса по поверхности нагружаемого образца при электровзрыве фольги. Недостатком устройства является то, что нагружаемый элементом может быть только плоский образец, хотя основными конструктивными элементами объектов техники являются цилиндрические оболочки (корпуса, отсеки и т.д.).
Наиболее близким к предлагаемому устройству (прототипом) является электровзрывное устройство для создания ударной волны по патенту №2343449 от 21.11.2007 г. на образцах цилиндрической формы, содержащее с целью профилирования (изменения) амплитуды импульса давления по поверхности образца сложной формы диэлектрический корпус, фольговый электрический взрываемый проводник, метаемый диэлектрический слой из полиэтиленового листа и образец, при этом корпус выполнен, по меньшей мере, двухслойным, наружный слой монолитный, а внутренний диэлетрический слой выполнен разной толщины из пористого материала и установлен с зазором к испытываемому образцу. Недостатками данного взрывного устройства являются сложность его реализации, обусловленная трудностью разгона участков полиэтиленового слоя разной толщины и обеспечения одновременности приложения нагрузки на испытываемый образец.
Предлагаемое изобретение направлено на получение профилированного по амплитуде распределения генерируемого механического импульса на поверхности нагружаемого образца.
Техническим результатом является создание электровзрывного устройства, снимающего ограничения по форме испытываемого образца и расширяющего область его использования с возможностью профилирования импульса давления по поверхности нагружения для воспроизведения распределенных по амплитуде импульсных нагрузок.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве обратные токопроводы имеют конфигурацию и расположение, обеспечивающие компенсацию влияния сжимающего магнитного поля, генерируемого током, протекающим по взрываемым секторам фольги, магнитным полем, генерируемым током, протекающим по обратным токопроводам, при этом фольговый электрически взрываемый проводник выполнен в форме нагружаемой поверхности в виде секторов для создания механического импульса давления, распределенного по косинусоидальному закону.
В качестве прямого токопровода используется взрывающаяся фольга из секторов, а в качестве обратного - токопроводящая шина, состоящая из участков, расположенных выше уровня взрываемой фольги, ток в которых течет в противоположном направлении току взрываемой фольги, и участков, соединяющих взрываемую фольгу и обратный токопровод.
В устройстве проводится одновременный взрыв нескольких параллельно расположенных секционированных фольговых участков за счет конструкции обратного токопровода в цепи разряда, позволяющего исключить появление отраженных от электровзрыва ударных волн и провести синхронный взрыв отдельных секторов (участков) фольги.
Схема реализации предлагаемого устройства представлена на фиг.1, где показаны: генератор, состоящий из накопительной емкости С, индуктивности L, управляемого разрядника P и узла нагрузки, включающего 1 - нагружаемый образец, 2 - взрываемую фольгу, 3 - прямой токопровод, 4 - обратный токопровод.
Обратный токопровод в электровзрывном устройстве образует поверхность, эквидистантную (равноудаленную) нагружаемой конструкции, и выполнен в виде тонких стержней для исключения возникновения отраженной ударной волны. Расстояние между стержнями выбирается из расчета таким образом, чтобы составляющая магнитного поля во взрываемой фольге была равна нулю.
Узел нагружения образцов электрическим взрывом фольги обеспечивает жесткое закрепление испытываемого элемента с помощью дисков, размещение фольги на поверхности и использование обратного токопровода в виде стержней для исключения повторного нагружения образца отраженной ударной волной и скручивания фольги перед электровзрывом.
Специальная конструкция обратного токопровода узла нагружения позволяет компенсировать скручивание электровзрываемой фольги при пропускании через нее импульса тока. Обратный токопровод располагается эквидистантно от прямого токопровода и ток в нем течет параллельно и в обратном направлении с током в фольге, что обеспечивает равномерность распределения тока по фольге.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Вначале устанавливают и закрепляют взрываемую фольгу 2 в блоке нагрузки, осуществляют заряд накопительной емкости С генератора от источника напряжения, затем осуществляют срабатывание управляемого разрядника P и разряд емкости С, создающий в узле нагрузки ток I, протекающий последовательно по прямому токопроводу 3, взрываемой фольге 2 и стержням обратного токопровода 4, приводящий к электрическому взрыву фольги и генерированию механического импульса давления.
За счет электровзрыва фольги разной толщины на разных секторах создается различный импульс воздействия на испытываемый образец в различных участках его поверхности. Это позволяет воспроизводить механическое действие на одной стороне нагружаемого образца. Электровзрыв секторов создает ступенчатую раскладку давления на поверхности образца, при этом может использоваться перфорированная фольга для обеспечения плавного спада импульса по угловой координате.
Управление электровзрывом осуществляется подбором мощности электроразрядной установки, применением сплошной и перфорированной фольги разной толщины, повышением давления в центральном секторе путем ограничения объема вокруг фольги полиэтиленовой пленкой (подбором разлета), уменьшением давления в крайних секторах с помощью пенопластового клина (демпфера). Совокупность приемов позволяет регулировать распределение амплитуды значения импульса по поверхности нагружаемого образца в широком диапазоне. Таким образом, прямой токопровод (взрываемая фольга) может выполняться из одного листа фольги, имеющего сектора с разными коэффициентами перфорации (фиг.2а) или из нескольких скрепленных слоев фольги с перфорацией на крайних участках (фиг.2б), при этом количество слоев и размер отверстий перфорации определяется расчетным путем в результате проектирования электровзрывного устройства.
Использование обратного токопровода данной конфигурации обеспечивает минимальное значение напряженности магнитного поля на внешней границе взрываемой фольги, а следовательно, равномерность распределения тока по фольге, устраняя тем самым эффект сжатия тока в проводнике. Расстояние до обратного токопровода, количество стержней в нем, их размеры выбираются исходя из условия равенства нулю значения напряженности магнитного поля в фольге.
Реализация заявленного устройства проводилась с использованием установки 12 ЦНИИ МО РФ «Зенит-К» с параметрами:
- максимальное зарядное напряжение - 50 кВ;
- емкость - 288 мкФ;
- индуктивность разрядного контура - 5,5 мкГн;
- сопротивление разрядного контура - 0,023 Ом.
Достоинством предлагаемого устройства является получение ударных волн электрически взрываемой фольгой, располагаемой в непосредственном контакте с испытываемым образцом. Это позволяет изучить характер деформирования материалов при условиях их работы в реальных конструкциях.
Источники информации
1. Павловский А.И., Кашинцов В.И., Глушак Б.Л., Новиков С.А. Генерирование механического импульса электрическим взрывом проводника. // Физика горения и взрыва. 1983. Т.19. №3. С.124-126.
2. Андержанов Э.К., Дивнов И.И., Зотов Н.И., Христофоров Б.Д. Зависимость параметров электровзрыва фольг и последующего разряда в воздухе от подводимой мощности. // Журнал технической физики. 1989. Т.59. В.8. С.17-23.