CC BY
71
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 4 8211. Государственная регистрация №042 1200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Разрывное устройство трубопровода с использованием сплава TiNi
# 04, апрель 2014
DOI: 10.7463/0414.0708287 Колобов А. Ю., Алешин В. Ф.
УДК 629.783; 537.622
Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана kolobovfllaspace.ru victorfa amail.ru
В середине ХХ столетия был создан новый класс металлических материалов с ранее неизвестными физическими эффектами. Эти материалы способны при изменении температуры возвращать значительные неупругие деформации, проявлять резиноподоб-ную упругость, осуществлять преобразование тепла в механическую работу и т.д. Совокупность подобных эффектов обычно называют эффектом памяти формы (ЭПФ).
К настоящему времени известно большое количество соединений и сплавов, обладающих ЭПФ. Это сплавы на основе никелида титана (TiNi), сплавы на основе меди (CuAl, , Cu-Sn, Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Si и др.), золота и серебра (Ag-Cd, Au-Ag-Cd, Au-Cd-Cu, Au-Zn-Cu и др.), марганца (Mn-Cr, Fe-Cu, Mn-Cu-Ni, Mn-Cu-Zr, Mn-Ni и др.), железа (Fe-Mn, Fe-Ni, Fe-Al и др.) и другие соединения.
Сплавы с ЭПФ имеют разнообразное применение в технике и медицине: соединительные устройства, исполнительные механизмы, трансформируемые конструкции, медицинские имплантанты различного назначения и др.
В настоящей работе рассмотрена методика проектного расчета разрывного устройства трубопровода с использованием нитинола - сплава TiNi, которое можно использовать вместо пироножей. На рисунке 1 представлено схематичное изображение устройства.
Устройство представляет собой два полукольца из сплава TiNi, образующих втулку и упирающихся в буртики на трубопроводе. В месте разрыва на трубопроводе сделана кольцевая радиусная канавка.
L
К
Нагревательный элемент
Рис.1. Схематичное изображение устройства.
Полукольца подвергаются при температуре мартенситного перехода Мs>М>Мf деформированию до размера L и в деформированном состоянии устанавливаются в устройство. При нагреве до температуры аустенитного перехода As<А<Аf происходит переход из мартенсита в аустенит, при котором, восстанавливаются не только кристаллические структуры, но и соответствующие микро- и макродеформации. Запасенная нитиноловой втулкой энергия достаточно велика для создания деформаций трубопровода, приводящих к его разрыву в наиболее тонкой части - кольцевой выточке.
Устройство приводится в действие нагревательным элементом, устанавливаемым на нитиноловую втулку. В качестве простейшего нагревательного элемента можно использовать катушку с п витками провода.
Проектный расчет устройства
В качестве исполнительного органа берем втулку из сплава (47-50,5 % №), с температурой аустенитного перехода 80°С и деформацией восстановления 6-8%. Принимаем величину деформации восстановления 7%.
В качестве примера рассмотрим конструкцию с размерами L=50мм, Rl=32мм , К2=34мм, Rз=35мм, R4=40мм, г=1мм.
Коэффициент линейного расширения сплава амтс^ЫО-6 1/К, сплава АмГ6 -ам'п=24-Ш-6 1/К. Модуль упругости сплавов и АмГ6 - Е=70-109 Н/м2.
Принимаем, что нагрев втулки осуществляется с 20°С до 100°С, а температура тру-бопроводя за счет термоизоляции в два раза ниже температуры втулки.
Уравнение равновесия деформированных состояний втулки и трубопровода в зоне контакта втулки и трубопровода имеет вид:
Двт Дгр
В процессе аустенитного перехода уравнение деформированного состояния втулки имеет вид:
Лвт = дпф + ДГ - Д?
где
Апф - деформации восстановления формы, А®т - температурные деформации втулки, А^ - деформации от реакции трубопровода.
Двт = ДПф + a:^Vj7^jL•At
вт'
где
аМТ - коэффициент линейного расширения сплава TiNi, L - длина втулки, Лt - температура нагрева втулки, N - реакция трубопровода, Ем'П - модуль упругости материала втулки.
Уравнение деформированного состояния трубопровода в зоне контакта со втулкой А =а ■ I-А/" М • 1 кан , N - ^кан)
Атр "-тр и А1-Тр ~ Р р ' и р ,
стр'гкан стр'гтр
где
а^р - коэффициент линейного расширения материала трубопровода,
А^р - температура нагрева трубопровода в зоне контакта со втулкой, 1кян - длина канавки,
Fгр и Fкан - соответственно площади сечения трубопровода и канавки, Етр - модуль упругости материала трубопровода.
Условием разрыва трубопровода под действием силы N является превышение напряжения в канавке предела прочности материала трубопровода. Предел прочности сплава АмГ6 ав=0,32-109 Н/м2
При указанных размерах устройства величина напряжения в канавке составляет
9 2
7-109 Н/м2 , что обеспечивает гарантированный разрыв трубопровода.
При проектных расчетах температурные деформации составных частей устройства можно не учитывать. Погрешность расчетов при этом составит не более 1,6%.
Зависимость длины втулки на величину напряжения в зоне канавки представлено в таблице 1.
Таблица 1 Зависимость величины напряжения в зоне канавки от длины втулки
L, мм с, 10-9 Н/м2
20 5,86
30 6,0
40 6,07
50 6,12
Видно, что изменение длины втулки в достаточно широком диапазоне практически не влияет на величину напряжения в зоне канавки, т.е. на разрывную способность устройства.
Расчет времени срабатывания устройства
В качестве нагревательного элемента предлагается использовать катушку из медного провода диаметром 0,1мм.
Величина тепловыделения провода определяется по формуле
(( = /2 • я • т,
где
I - величина тока, А;
Я - омическое сопротивление провода, Ом;
Т - время нагрева.
Оммическое сопротивление
где
р - удельное сопротивление материала провода; Ь - длина провода; Б - площадь сечения провода.
Необходимое тепло для нагрева втулки с 20°С до 100°С
( = с • т • А*,
где
с -удельная теплоемкость т - масса втулки; А1=100-20=80°С.
^ 3 3
Для сплава с=469 Дж/кг-К; удельный вес р=6,5-10- кг/м . Для устройства, указанными выше размерами для нагрева втулки с 20°С до 100°С необходимо 5746 Дж.
Время нагрева определяется по формуле:
В таблице 2 приведены результаты расчета времени срабатывания устройства в зависимости от величины тока и количества витков нагревательной катушки.
Таблица 2 Зависимость времени срабатывания от параметров
I, А 1 2 3 4
Т, сек 600 витков 25,9 16,5 2,9 1,6
800 витков 19,4 4,85 2,2 1,2
1000 витков 15,5 3,9 1,7 0,96
Выводы.
1. Предложенное устройство на основе сплава TiNi, обладающим эффектом памяти формы, может быть использовано в космической технике для решения задачи разрыва топливных трубопроводов при отделении космического аппарата от ракеты вместо пироно-жей.
2 Приведены методики проектного расчета и времени срабатывания устройства. Приведены результаты расчета времени срабатывания устройства в зависимости от величины тока и количества витков нагревательной катушки.
3 Исследования показали, что изменение длины втулки в достаточно широком диапазоне практически не влияет на величину напряжения в зоне канавки, т.е. на разрывную способность устройства.
Список литературы
1. Материалы с эффектом памяти формы: Справочник. Т. 3 / под. ред. В.А. Лихачева. СПб.: НИИХ СПбГУ, 1998. 474 с.
2. Материалы с эффектом памяти формы: Справочник. Т. 4 / под. ред. В.А. Лихачева. СПб.: НИИХ СПбГУ, 1998. 268 с.
3. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Л.: Изд-во Ле-нингр. ун-та, 1987. 218 с.
4. Шишкин С.В., Махутов Н.А. Расчёт и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. 412 с.
5. Воронов В.К., Подоплелов А.В. Физика на переломе тысячелетий: конденсированное состояние. 2-е изд. М.: ЛКИ, 2012. 336 с.
6. Оцука К., Симидзу К. и др. Сплавы с эффектом памяти формы: пер. с японск. М.: Металлургия, 1990. 224 с.
7. Тихонов А.С., Герасимов А.П., Прохорова И.И. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М.: Машиностроение, 1981. 81 с.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THH BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. N»0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Explosive device of conduit using Ti Ni alloy # 04, April 2014 DOI: 10.7463/0414.0708287 A. Yu.Kolobov, V., F. Alyoshin
Bauman Moscow State Technical University, 105005, Moscow, Russian Federation
kolobov'Slaspaceru [email protected]
Presently, materials have been developed which are capable at changing temperate to return significant inelastic deformations, exhibit rubber-like elasticity, convert heat into mechanical work, etc. The aggregate of these effects is usually called the shape memory effect.
At present a great number of compounds and alloys with a shape memory effect has been
known.
These are alloys based on titanium nickelide (TiNi), copper-based alloys (Cu-Al, Cu-Sn, Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Si, etc.), gold and silver (Ag-Cd, Au-Ag-Cd, Au-Cd-Cu, Au-Zn-Cu, etc.), manganese (Mn-Cr, Fe-Cu, Mn-Cu-Ni, Mn-Cu-Zr, Mn-Ni, etc.), iron (Fe-Mn, Fe-Ni, Fe-Al, etc.), and other compounds.
The alloys based on titanium nickelide (nitinol) are the most widely used.
Alloys with shape memory effect find various applications in engineering and medicine, namely connecting devices, actuators, transformable design, multipurpose medical implants, etc.
There is a task of breaking fuel conduit during separating the spacecraft from the rocket in space technology.
The paper examines the procedure for design calculation of the separating device of conduit with the use of Ti-Ni alloy. This device can be used instead of the pyro-knives.
The device contains two semi-rings from Ti-Ni alloy. In the place of break on the conduit an annular radius groove is made.
At a temperature of martensite passage the semi-rings undergo deformation and in the strained state are set in the device. With heating to the temperature of the austenitic passage of bushing macro-deformation the energy stored by the nitinol bushing is great enough to break the conduit on the neck.
The procedures of design calculation and response time of device are given.
Publications with keywords: task of breaking fuel conduit, separating device of conduit, Ti-Ni alloy, procedure of the design calculation
Publications with words: task of breaking fuel conduit, separating device of conduit, Ti-Ni alloy, procedure of the design calculation
References
1. Likhachev V.A., ed. Materialy s effektom pamyati formy: Spravochnik [Materials with shape memory effect: Handbook]. Vol. 3. St. Petersburg, Inctitute of Chemistry of SPbSU Publ., 1998. 474 p. (in Russian).
2. Likhachev V.A., ed. Materialy s effektom pamyati formy: Spravochnik [Materials with shape memory effect: Handbook]. Vol. 4. St. Petersburg, Inctitute of Chemistry of SPbSU Publ., 1998. 268 p. (in Russian).
3. Likhachev V.A., Kuz'min S.L., Kamentseva Z.P. Effekt pamyati formy [Shape memory effect]. Leningrad, LSU Publ., 1987. 218 p. (in Russian).
4. Shishkin S.V., Makhutov N.A. Raschet i proektirovanie silovykh konstruktsiy na splavakh s effektom pamyati formy [Calculation and design of bearing structures made on alloys with shape memory effect]. Izhevsk, Scientific Publishing Center "Regular and Chaotic Dynamics", 2007. 412 p. (in Russian).
5. Voronov V.K., Podoplelov A.V. Fizika na perelome tysyacheletiy: kondensirovannoe sostoyanie [Physics at the turn of the Millennium: condensed state]. Moscow, LKI Publ., 2012. 336 p. (in Russian).
6. Otsuka K., Suzuki Y., Shimizu K., Sekiguchi Y., Tadaki G., Honma T., Miyazaki S., Funakubo H. (ed.). Shape Memory Alloys. Kyoto, 1984; Gordon and Breach Science, New York, 1987. (Russ. ed.: Otsuka K., Simidzu K., et al. Splavy s effektom pamyati formy [Alloys with shape memory effect]. Transl. from Japanese. Moscow, Metallurgiya Publ., 1990. 224 p.).
7. Tikhonov A.S., Gerasimov A.P., Prokhorova I.I. Primenenie effekta pamyati formy v sovremennom mashinostroenii [Application of shape memory effect in modern mechanical engineering]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981. 81 p. (in Russian).
