CC BY
93
МАШИНОСТРОЕНИЕ И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ
УДК: 620.262:662:539.3
И. Д. Ахмадиев, В. Я. Базотов, А. Н. Анисимов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСПЫТАНИЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К УДАРУ
ВЗРЫВЧАТЫХ СОСТАВОВ
Ключевые слова: взрывчатый состав, чувствительность к удару, октоген, метод
конечных элементов.
В статье приведены результаты моделирования испытаний по определению частости взрыва взрывчатых составов на основе октогена в приборе №2. Ставилась задача минимизации пластической деформации во взрывчатом веществе путем подбора различных флегматизаторов.
Keywords: explosive compound, impact sensitivity, hmx, finite element method.
In this article the results of modeling of impact sensitivity tests of HMX explosive compounds are given. A objective was a minimization of plastic deformation of explosive material by retarder selection.
Разработка малочувствительных взрывчатых веществ (ВВ) является одной из приоритетных задач по обеспечению безопасности работ во всех отраслях, использующих эти вещества. Решение этой задачи невозможно без понимания условий инициирования ВВ. Определение критических условий - предвестников взрывчатого разложения ВВ, дает возможность целенаправленно изменять свойства компонентов взрывчатых составов (ВС) для снижения их чувствительности к внешним воздействиям. Снижение чувствительности - флегматизация - решается физическими и химическими методами. Задача химической флегматизации ВВ успешно решена в работе [1]. Механизм химической флегматизации активируется на более поздней стадии инициирования - развития очагов и ускорения химической реакции разложения. Вместе с тем комплексный подход требует развития методов физической и механической флегматизации, которые бы действовали совместно с химическими.
В настоящее время существует несколько теорий относительно механизма возбуждения взрыва при механических воздействиях. Наибольшее распространение получила тепловая теория инициирования. Тепловая теория наиболее подробно проработана в работах Афанасьева и Боболева. Согласно [2] инициирование ВВ проходит в несколько стадий. Сначала, под воздействием внешней силы заряд упруго деформируется. При достижении предела текучести, начинается пластическая деформация материала. При пластической деформации происходит диссипация механической энергии. Повышение температуры приводит к локальному снижению механических характеристик деформируемого материала, что в свою очередь способствует локализации пластической деформации и тепловыделения. Далее при достижении предела прочности и предельной деформации материал разрушается, что приводит к образованию фрикционных
поверхностей. Начиная с момента разрушения, появляются условия для больших перемещений новых поверхностей относительно друг друга, сопровождающихся выделением большого количества тепла, достаточного для образования локальных разогревов, способных инициировать взрывчатое превращение. При этом, чтобы преодолеть ограничение на величину разогрева, накладываемое температурой плавления, необходимо наличие вокруг очага давления, повышающего температуру плавления. Авторы привели два условия, без выполнения которых невозможно инициирование взрывчатого превращения: условие прочности и условие критических напряжений.
где Рпр - давление при котором происходит разрушение образца ВВ, апр - предел прочности образца, й - диаметр образца, И - высота образца.
Р > Р
кр
где Ркр - критическое давление, являющееся в первом приближении индивидуальной характеристикой ВВ.
Принимая во внимание то, что пластическая деформация кристаллических тел обусловлена образованием и движением дислокаций, в рамках тепловой теории развиваются дислокационные модели инициирования ВВ механическими воздействиями. Так, Коффи предложил универсальную дислокационную модель, описывающую инициирование ВВ при любых скоростях нагружения. В работе [3] автор ссылается на экспериментальные данные, согласно которым инициирование происходит в тех кристаллах которые расположены в областях интенсивного пластического течения заряда. Коффи дает приблизительную оценку энергии, диссипированной в кристалле за время Д!
где N - количество дислокаций в кристалле, V - коэффициент Пуассона, О - модуль сдвига, Ь - вектор Бюргерса, К - эффективный радиус ядра дислокации, У0 - скорость сдвиговой волны, р - плотность кристалла, Ь - постоянная решетки, Т - вероятность того что двигающаяся дислокация будет туннелировать через потенциальный барьер окружающей решетки, Д! - время, в течение которого диссипируется энергия.
Таким образом, в большинстве современных моделей главную роль в инициировании ВВ при механических воздействиях играет пластическая деформация и сдвиговое напряжение. Данное обстоятельство нужно учитывать при разработке новых малочувствительных взрывчатых составов. Очевидно, что при механическом воздействии на ВС, разогрев будет происходить за счет пластической деформации как ВВ, так и флегматизирущей добавки. По-видимому, наиболее опасной будет пластическая деформация именно ВВ. Если не принимать во внимание химическую совместимость компонентов ВС, что допустимо при рассмотрении начальной - механической стадии инициирования, то задача снижения чувствительности ВС может быть решена с использованием метода конечных элементов.
В данной работе проведено моделирование определения частоты взрывов в приборе №2. Условия испытаний: масса груза 10 кг, высота сбрасывания груза 25 см. Ставилась задача минимизировать величину пластической деформации во взрывчатом материале путем подбора флегматизатора с различными физико-механическими характеристиками (табл. 1). Решение задачи методом конечных элементов состоит из нескольких стадий:
построение твердотельной модели, создание конечно-элементной сетки, приложение граничных условий, решение системы дифференциальных уравнений. Так как наша модель обладала осевой симметрией, для решения использовалась одна четвертая часть. В таком случае предполагается, что напряженное и деформированное состояние будет симметричным. В качестве взрывчатого вещества был выбран октоген. Массовая доля октогена равнялась 50%. Низкое содержание ВВ было обусловлено отсутствием достаточных вычислительных мощностей, необходимых для моделирования высоконаполненных систем с тонкими прослойками между частицами. Для экономии процессорного времени материал груза и приборчика моделировался абсолютно жестким. Размерность модели составляла 100000 гексаэдрических элементов, причем более 80000 элементов приходилось на модели ВВ и флегматизатора. Качество сетки оценивалось по стандартным параметрам skewness и aspect ratio, равным 0,75 и 0,4 соответственно. В построенной сетке не было ни одного вырожденного элемента, что с учетом ее параметров качества позволяет избежать появления элементов с отрицательным объемом при низких значениях относительной деформации.
Таблица І - Физико-механические характеристики флегматизаторов
Флегматизатор Модуль Юнга, МПа Предел текучести, МПа
Сополимер стирола и акрилонитрила 3800 527
Полиметилметакрилат 3100 51
Полипропилен 1500 8
Несмотря на высокое качество сетки в процессе моделирования мы столкнулись с появлением отрицательного объема в некоторых конечных элементах, относящихся к ВВ. После появления отрицательного объема элемент удалялся и расчет продолжался. Очевидно, что причинами данного события являются условия копровых испытаний (деформация в тонких слоях) и относительная жесткость ВВ. В таких условиях поперечная деформация конечных элементов ВВ затруднена и продольные деформации достигают больших величин, что приводит к образованию отрицательных объемов.
Из рисунка 1 видно, что расчетная величина пластической деформации материала ВВ снижается с уменьшением физико-механических характеристик флегматизатора. В случае состава с полипропиленом, обладающего малыми модулем Юнга и пределом текучести, механическая энергия груза диссипируется в материале флегматизатора, что является необходимым условием для снижения чувствительности состава.
Рис. 1 - Мгновенная максимальная пластическая деформации в частицах ВВ для различных флегматизаторов: 1 - полипропилен, 2 - полиметилметакрилат, 3 -сополимер стирола и акрилонитрила
Рис. 2 - Характер роста давления в материале ВВ для различных флегматизаторов: 1 - полипропилен, 2 - полиметилметакрилат, 3 - сополимер стирола и акрилонитрила
Большой интерес представляют расчетные величины давлений, развиваемые в ВВ в процессе нагружения. На рисунке 2 видно, что полипропилен не только снижает величину пластической деформации в ВВ, но и позволяют избежать появления высоких давлений. Таким образом, низкомодульные флегматизаторы одновременно уменьшают пластическую деформацию, а следовательно и ее тепловой эффект, а также ограничивают
возможную максимальную температуру разогрева, препятствуя росту температуры плавления за счет снижения давления.
На рисунке 3 показан момент, когда частицы ВВ, увлекаемые материалом флегматизатора, вылетают из под роликов. Флегматизатор за счет способности к большим деформациям и низкого предела текучести способствует перемещению взрывчатого материала за пределы зоны сжатия, что приводит к снижению давления в материале и следовательно к невозможности выполнения условия критических напряжений.
Рис. 3 - Эпюры максимальных сдвиговых напряжений для состава с
полиметилметакрилатом
Таким образом, можно сделать вывод, что флегматизаторы с низкими физикомеханическими характеристиками будут в большей степени снижать чувствительность. Такая зависимость флегматизируещей способности от физико-механических свойств в большинстве случаев соответствует экспериментальным данным. Легко деформируясь, мягкие флегматизаторы поглощают механическую энергию груза, снижают пластическую деформацию материала ВВ и выводят частицы ВВ из зоны больших напряжений.
Литература
1. Анисимов, А.Н. Прогнозирование чувствительности к удару полинитросоединений с использованием молекулярных дескрипторов / А.Н. Анисимов, В.Я. Базотов, Д.В. Андреев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2008. - №3. - С. 45-49.
2. Андреев, С.Г. Физика взрыва. В 2 т. Т. 1 / С.Г. Андреев, А.В. Бабкин, Ф.А. Баум; под ред. Л.П. Орленко. - М.: Наука, 2004. - 832 с.
3. Коффи, К.С. Инициирование ВВ ударом или слабыми ударными волнами / К.С. Коффи // Химическая физика. - 1998. - Т.17 №1. - С. 4-10.
© И. Д. Ахмадиев - асп. каф. технологии твердых химических веществ КГТУ, ltcm@inbox.ru; В. Я. Базотов - д-р техн. наук, проф., директор ИХТИ, зав. каф. технологии твердых химических веществ КГТУ; А. Н. Анисимов - канд. техн. наук, ассистент, той же кафедры.
