ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ ДЕТОНАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО
CYLINDRICAL DETONATION DEVICE

Изобретение относится к области испытания материалов, к исследованию свойств материалов при динамическом воздействии, в частности к взрывным устройствам нагружения для исследования сжимаемости материалов с применением цилиндрических зарядов взрывчатых веществ (ВВ) с внешним инициированием, и может быть использовано в любой области техники, где необходимо знание свойств, например, перспективных конструкционных материалов при динамических нагрузках.
Одна из задач, стоящих в рассматриваемой области техники, связана с созданием в исследуемом материале ударной волны при обеспечении требуемого уровня нагрузки на объект исследования, минимизируя количество ВВ, используемого в устройстве нагружения.
Известны из предшествующего уровня техники устройства исследования свойств материала при динамическом нагружении, например, в условиях сложнонапряженного динамического нагружения образцов цилиндрической формы но патенту RU 2221233 (публик. 10.01.2004). Заряд ВВ выполняют в виде слоя возрастающей по длине образца толщины и размещают на поверхности образца. Инициирования заряда ВВ осуществляют с одной стороны заряда, параллельно основанию образца.
Однако данный способ не обеспечивает создание требуемых полей напряжений сжатия на поверхности образца.
Известна конструкция нагружающего устройства для исследования сжимаемости материалов (патент RU 2284447, публик. 27.09.2006), которое выбрано в качестве наиболее близкого аналога. Устройство включает заряд ВВ, выполненный в форме цилиндра с осевой цилиндрической полостью, в которой размешен образец из сжимаемого материала - цилиндрический стержень, при этом система инициирования цилиндрического заряда ВВ включает источник инициирования, концентрически расположенный внешний заряд ВВ, представляющий собой полый усеченный конус, снабженный внутренней металлической облицовкой и установленный с кольцевым зазором относительно цилиндрическою заряда ВВ, и узел инициирования внешнего заряда, расположенный на его большем основании и детонационно соединенный с источником инициирования. Угол между образующей внешнего заряда и осью устройства определяется по формуле Тэйлора.
Технический результат: уменьшение уровня разнодинамичности нагружения образца из исследуемого материала (выравнивание амплитуды давления на поверхности образца из исследуемого материала).
Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что в детонационном устройстве для исследования сжимаемости материалов, содержащем цилиндрический заряд ВВ с внутренней осевой цилиндрической полостью для размещения исследуемого материала и систему инициирования цилиндрического заряда с источником инициирования, новым является то, что система инициирования цилиндрического заряда выполнена в виде размешенной в двухслойной инертной матрице детонационной разводки, состоящей из идущих вдоль поверхности слоев матрицы каналов и перпендикулярных им концевых участков, общий входной участок которой расположен в верхнем слое матрицы, при этом матрица расположена концентрично вокруг цилиндрического заряда, нижний слой матрицы выполнен толщиной, превышающей толщину верхнего стоя в 1.2-1,5 раза, и включает концевые участки с прямоугольной разбивкой, при которой расстояние S между концевыми участками, противоположно расположенными в углах прямоугольника по диагонали, выбирают в зависимости от толщины Н цилиндрического заряда из следующего соотношения: S/H=0.2-0.5.
Выполнение системы инициирования цилиндрического заряда в виде размешенной в двухслойной инертной матрице детонационной разводки, состоящей из идущих вдоль поверхности слоев матрицы каналов и перпендикулярных им концевых участков, общий входной участок которой расположен в верхнем слое матрицы, позволяет уменьшить негативное влияние продуктов взрыва при срабатывании каналов детонационной разводки друг на друга и дает возможность увеличить плотность распределения концевых участков, что обеспечивает минимальную разновременность инициирования, получение необходимого профиля, что приводит в дальнейшем к упрощению обработки результатов эксперимента.
Размещение матрицы концентрично вокруг цилиндрического заряда ВВ позволяет обеспечить одновременность инициирования цилиндрического заряда ВВ и задать требуемое направление движения детонационной волны.
Выбор толщины нижнего слоя матрицы, превышающей толщину верхнего слоя в 1.2-1,5 раза, и выбор расстояния S между концевыми участками, противоположно расположенными в углах прямоугольника по диагонали при прямоугольной разбивке, в зависимости от толщины Н цилиндрического заряда из указанного выше соотношения, был осуществлен экспериментально и связан с необходимостью равномерности распределения концевых участков по инициируемой поверхности, уменьшения негативного влияния продуктов химического превращения, выделяемых при прохождении детонационного импульса по участкам детонационной разводки, расположенным вдоль поверхности матрицы, обеспечения одновременности прихода импульса к поверхности образца из исследуемого материала с требуемым распределением интенсивности вдоль поверхности за счет сглаживания фронта детонационной волны, формирующийся в цилиндрическом заряде ВВ, и выравнивания амплитуды давления на поверхность образца из исследуемого материала.
На фиг. 1 представлен эскиз заявляемого устройства, на фиг. 2 - двухслойная матрица, на фиг. 3 - схема элементарного участка верхней поверхности нижнего слоя матрицы, на фиг. 4 - схема детонационных каналов верхней поверхности нижнего слоя матрицы, на фиг. 3, 6 - фотохронограмма срабатывания заявляемого устройства, где;
1 - источник инициирования; 2 - верхний слой матрицы; 3 - нижний слой матрицы; 4 - цилиндрический заряд ВВ; 5 - образец из инертного исследуемого материала.
BB
В качестве примера конкретного выполнения заявляемого устройства может служить взрывное нагружающее устройство для исследования сжимаемости материалов, выполненное с цилиндрической симметрией. Устройство включает цилиндрический заряд ВВ, толщиной 6 мм с внутренней осевой цилиндрической полостью радиуса R для размещения образца из инертного исследуемого материала. Система инициирования цилиндрического заряда ВВ выполнена в виде размещенной в двухслойной инертной матрице детонационной разводки, состоящей из идущих вдоль поверхности слоев матрицы канатов и перпендикулярных им концевых участков, общий входной участок которой расположен в верхнем слое матрицы и детонационно связан с источником инициирования, который установлен на верхнем слое матрицы и соединен с высоковольтным генератором. Матрица расположена концентрично вокруг цилиндрического заряда, нижний слой матрицы выполнен толщиной 8 мм, а верхний - 7 мм. Нижний и верхний слои матрицы склеиваются между собой и приклеиваются к цилиндрическому заряду ВВ. Матрица собирается из четырех четвертей нижнего и верхнего слоев на наружной поверхности цилиндрического ВВ. Нижний и верхний слои матрицы изготовлены по аддитивной технологии на 3D-принтере из смолы Accura. Нижний слой - внутренним радиусом R. С внутренней поверхности этого слоя выполнена выборка с ребрами по периметру, в которую установлено пластичное ВВ, образуя подслой. На внешней поверхности слоя расположены детонационные каналы, схема которых выполнена в виде повторяющихся элементарных участков на 64 ныряющих отверстия с одной запальной шашкой диаметром 2,5 мм. Концевые участки детонационных каналов, оканчивающиеся ныряющими отверстиями диаметром 2 мм, выполнены с увеличенным сечением каналов. Каналы и отверстия снаряжаются пластичным ВВ. Концевые участки выполнены с прямоугольной разбивкой, при которой расстояние S между концевыми участками, противоположно расположенными в углах прямоугольника по диагонали, составляет 1.8 мм.
BB
1.
1
Верхний слой матрицы изготовлен внутренним радиусом R+Δ, где Δ - толщина нижнею слоя матрицы (8 мм). На его наружной поверхности выполнена детонационная разводка с ныряющими отверстиями диаметром 2.5 мм, количество которых равно количеству элементарных участков в детонационной разводке нижнего слоя матрицы. Расположение отверстий совпадает с расположением запальных шашек детонационной разводки нижнего слоя матрицы. Каналы начинаются от запальной шашки диаметром 3 мм, на которую устанавливают источник инициирования. Канаты и ныряющие отверстия снаряжают пластичным ВВ.
Цилиндрическое детонационное устройство работает следующим образом.
От срабатывания высоковольтного генератора взрывается источник инициирования 1 и подрывает запальную шашку верхнего слоя матрицы 2. Детонация по детонационным каналам и отверстиям верхнего слоя 2 распространяется и инициирует запальные шашки элементарных участков (фиг. 3) слоя матрицы 3. Детонация от этих запальных шашек распространяется по детонационным каналам и отверстиям (фиг. 4) к подслою (фиг. 2) и инициирует его. При срабатывании каналов детонационной разводки верхнего слоя матрицы 2 формируются ударные волны, которые достигают поверхности ВВ канатов детонационной разводки (фиг. 4) нижнего слоя матрицы 3 раньше прихода на них детонационного сигнала, что не препятствует прохождению детонационных сигналов по каналам этого слоя матрицы 3 и приводит к синхронности срабатывания. Детонационный импульс практически одновременно достигает выходов детонационной разводки, равномерно размещенных по поверхности подслоя (фиг. 2), по которому детонация распространяется в радиальном и боковом направлениях. Детонационные волны, распространяющиеся в радиальном направлении, инициируют поверхность цилиндрического заряда ВВ 4. Детонационные волны, распространяющиеся в боковом направлении, сталкиваются. В зонах столкновения увеличивается амплитуда давления - в 2,4 раза и в этих зонах инициируется поверхность цилиндрического заряда ВВ 4. Чисто этих зон в 2 раза больше числа ныряющих отверстий, расположенных в нижнем слое матрицы 3. В результате число зон инициирования поверхности цилиндрического заряда ВВ 4 увеличивается в три раза, что обеспечивает снижение уровня начальной асимметрии на фронте детонационной волны в цилиндрическом заряде ВВ 4. Инициирование заряда ВВ 4 в радиальном направлении синхронизировано с инициированием заряда ВВ 4 в зонах столкновения. Форма фронта детонационной волны, полученная на поверхности цилиндрического заряда ВВ 4 от выходов детонационной разводки, соответствует его форме при обеспечении синхронности возникновения фронта в цилиндрическом заряде ВВ 4. Была осуществлена проверка работоспособности заявляемого цилиндрического детонационного устройства. Фотохронограмма, зарегистрированная при срабатывании цилиндрического нагружающего устройства, показана на фиг. 5, 6. По фотохронограмме можно определить, что максимальная асимметрия на фронте детонационной волны составила ~0,3 мкс. Этот экспериментальный результат подтверждает работоспособность заявляемою цилиндрического детонационного устройства, обеспечивающего минимальную разнодинамичность нагружения образца из исследуемого материала 5. На поверхность образца из исследуемого инертного материала 5 падает детонационная волна с выровненной амплитудой давления. После падения детонационной волны на поверхность образца из исследуемого инертного материала 5 происходит его обжатие. Длительность состояния сжатия в исследуемом инертном материале 5 зависит от толщины цилиндрического заряда ВВ. Заявляемое устройство может быть использовано для изучения поведения материалов при сверхвысоких давлениях.