Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số kết cấu lượng nổ dạng máng đến khả năng cắt vỏ trụ tròn xoay

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài luận án: Xây dựng được mối liên hệ giữa các tham số kết cấu (bài toán năng lượng) với chiều sâu cắt vỏ trụ tròn xoay (bài toán phá hủy) của lượng nổ dạng máng tròn xoay.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số kết cấu lượng nổ dạng máng đến khả năng cắt vỏ trụ tròn xoay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ---------------------------- NGUYỄN QUANG HUY NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ KẾT CẤU LƯỢNG NỔ DẠNG MÁNG ĐẾN KHẢ NĂNG CẮT VỎ TRỤ TRÒN XOAY TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG ---------------------------- Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Nguyễn Trang Minh 2. TS Trần Văn Doanh Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Hồng Lanh Học viện Kỹ thuật quân sự Phản biện 2: PGS.TS Lương Hồng Sâm Trường Sĩ quan Kỹ thuật quân sự Phản biện 3: PGS.TS Trịnh Hồng Anh Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Luận án được bảo vệ tại hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ và họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào.....giờ, ngày...... tháng...... năm 2018. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt nam.
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng nổ để cắt các kết cấu vật liệu còn nhiều hạn chế. Các nghiên cứu về cắt nổ chủ yếu là trong quân sự để ứng dụng chế tạo và hoàn thiện các loại đạn chống tăng kiểu xuyên lõm, đạn xuyên mở vỉa trong khai thác dầu khí... là dạng nổ tạo lỗ xuyên. Trong khi đó, chưa có các nghiên cứu về cắt nổ các tấm vật liệu bằng lượng nổ dạng hốc lõm kéo dài (lượng nổ dạng máng thẳng và tròn xoay), để cắt nổ các tấm phẳng hoặc vỏ trụ. Do đó Nghiên cứu sinh đã chọn đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số kết cấu lượng nổ dạng máng đến khả năng cắt vỏ trụ tròn xoay. 2. Mục tiêu của đề tài luận án Xây dựng được mối liên hệ giữa các tham số kết cấu (bài toán năng lượng) với chiều sâu cắt vỏ trụ tròn xoay (bài toán phá hủy) của lượng nổ dạng máng tròn xoay. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là lượng nổ lõm dạng máng thẳng và lượng nổ lõm dạng máng tròn xoay. Phạm vi nghiên cứu của luận án là quá trình cắt nổ của lượng nổ lõm dạng máng thẳng cắt tấm phẳng và dạng máng tròn xoay cắt vỏ trụ với kết cấu đường sinh thẳng, hoạt động trong môi trường không khí, và cắt từ phía trong ra. 4. Nội dung nghiên cứu của luận án - Đề xuất mô hình nghiên cứu phù hợp, phản ánh được bản chất vật lý các quá trình diễn ra trong hệ thống, có thể giải được bằng các phương pháp truyền thống cũng như công cụ lập trình. - Nghiên cứu mô hình vật lý, xây dựng mô hình toán học mô tả các quá trình xảy ra khi cắt nổ bằng lượng nổ dạng máng (thẳng và tròn xoay). Sử dụng phương pháp giải tích và các phương pháp thích hợp khác để lập và giải bài toán quá trình hình thành lưỡi cắt bằng năng lượng nổ tập trung cũng như quá trình cắt của lưỡi cắt. - Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của một số tham số kết cấu cơ bản đến khả năng cắt vỏ trụ của lượng nổ dạng máng tròn xoay. Đưa ra một số kiến nghị hữu ích cho quá trình thiết kế các công tác cắt nổ trên thực tế. - Thiết kế mẫu thử kiểm chứng lại lý thuyết, thực nghiệm xác định các thông số khả năng cắt của lượng nổ mẫu, so sánh với kết quả tính toán lý thuyết, đánh giá tính đúng đắn phù hợp của mô hình lý thuyết. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để kiểm chứng kết quả lý thuyết.
2 Xây dựng mô hình vật lý và mô hình toán học mô tả các quá trình động học và động lực học của thiết bị cắt (lượng nổ dạng máng thẳng và tròn xoay) tương tác với vật cần cắt (tấm phẳng và vỏ trụ tròn xoay). Thiết kế một số mẫu thử đặc trưng của quá trình cắt nổ để kiểm chứng lý thuyết. Tiến hành đo lường xác định các thông số khả năng cắt thực tế của mẫu thử. So sánh với các kết quả tính toán khả năng cắt bằng lý thuyết. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Hoàn thiện cơ sở khoa học của phương pháp tính toán khả năng cắt của lượng nổ dạng máng (thẳng và tròn xoay) để cắt nổ các cấu trúc tấm phẳng và vỏ trụ. Trên cơ sở đó, nghiên cứu thiết kế kết cấu của lượng nổ dạng máng tròn xoay mà mục tiêu đề tài đặt ra. Kết quả nội dung nghiên cứu của luận án phục vụ cho thiết kế, chế tạo các công cụ cắt nổ các kết cấu tấm phẳng và vỏ trụ tròn xoay, các ống trong công nghiệp và cả trong quân sự. 7. Bố cục của luận án Luận án gồm phần mở đầu và 4 chương: - Chương 1: Tổng quan về phương pháp cắt vật liệu bằng nổ. - Chương 2: Nghiên cứu quá trình cắt vỏ trụ bằng máng nổ tròn xoay. - Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng của một số tham số kết cấu đến khả năng cắt vỏ trụ của máng nổ tròn xoay. - Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CẮT VẬT LIỆU BẰNG NỔ 1.1 Tổng quan về ứng dụng cắt vật liệu bằng năng lượng nổ 1.1.1. Giới thiệu về các ứng dụng cắt vật liệu bằng phương pháp nổ Theo điều kiện tiến hành thực hiện công tác cắt nổ, người ta đã phân chia ra các trường hợp ứng dụng cắt nổ sau [26]: - Cắt nổ trong tháo dỡ các công trình ở các tình huống đặc thù. - Cắt nổ trong các tình huống khẩn cấp. - Cắt nổ các ống trong công nghiệp... 1.1.2. Giới thiệu công nghệ cắt nổ các cấu trúc kim loại Theo cơ chế tác động của vụ nổ tới vật cần cắt, người ta phân chia công tác cắt nổ thành các phương pháp công nghệ khác nhau đó là: - Cắt bằng lượng nổ va đập; - Cắt bằng dòng tích tụ của vụ nổ; Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm và khả năng ứng dụng khác nhau trong thực tế.
3 * Cắt bằng lượng nổ va đập: Khó đưa vào ứng dụng khi đòi hỏi đảm bảo cắt tin cậy (vết cắt tạo ra đảm bảo tách rời hoàn toàn các phần của tấm vật liệu cần cắt). * Cắt bằng dòng tích tụ của vụ nổ: Để cắt các tấm vật liệu với Hình 1.2. Cấu tạo các lượng nổ va đập hiệu suất sử dụng chất nổ cao, kiểu kéo dài độ tin cậy cắt cao, người ta đã sử dụng các lượng nổ với hốc 1. Thuốc nổ; 2. Kíp nổ; 3. Vật liệu trơ; 4. lõm kéo dài trên suốt chiều dài Chi tiết phụ; 5. Chướng ngại. gọi là lượng nổ dạng máng hay máng nổ. Khi kích nổ lượng nổ dạng máng, các sản phẩm nổ bên trong lòng máng hội tụ tạo thành lưỡi cắt tích tụ có mật độ cao và động năng rất cao, cho phép cắt đứt những tấm thép có độ dày lớn. Kết cấu điển hình của lượng nổ lõm dạng máng thẳng cắt tấm phẳng được thể hiện trên hình 1.4 (а) và (b). (a) (b) Hình 1.4. Lượng nổ lõm dạng máng thẳng Hình 1.8. Mìn vòng tròn kết cấu hỗn hợp Để cắt nổ tin cậy các kết cấu vật liệu dạng vỏ tròn xoay, phương án tối ưu lựa chọn là công nghệ cắt nổ bằng lượng nổ dạng máng tròn xoay vì khi đó, biên dạng hoạt động của lượng nổ đồng dạng với biên dạng của vật liệu cần cắt, đảm bảo tiêu cự nổ đồng đều trên toàn biên dạng cắt (hình 1.8). 1.2. Những vấn đề chung về lý thuyết cắt nổ bằng dòng tích tụ Lý thuyết cắt nổ bằng dòng tích tụ của vụ nổ dựa trên nền tảng của các lý thuyết khác trong cơ học và vật lý nổ, đó là: Lý thuyết về sự lan truyền nổ trong chất nổ ngưng tụ; Lý thuyết về tác dụng đẩy của nổ; Lý thuyết thủy động của dòng sản phẩm nổ tích tụ; Lý thuyết về tác dụng phá hủy của dòng sản phẩm nổ tích tụ. Khi nổ định hướng với hốc lõm dạng nón, sản phẩm nổ sinh ra hội tụ theo đường trục của nón thành dòng tích tụ hình trụ có tốc độ và mật độ cao
4 phá hủy kết cấu vật cần cắt trên đường đi của nó tạo thành lỗ xuyên hình trụ tròn. Trường hợp này, tâm hội tụ là một điểm. Khi nổ định hướng với hốc lõm dạng máng thẳng, sản phẩm nổ sinh ra hội tụ theo mặt phẳng trung tâm của máng thành dòng tích tụ hình lưỡi cắt tích tụ phẳng có mật độ và tốc độ cao phá hủy kết cấu vật cần cắt trên đường đi của nó, tạo ra vết cắt (cắt tấm vật liệu phẳng). Trường hợp này, tâm hội tụ là tập hợp của nhiều điểm liên tục thẳng nhau (đường thẳng). Khi nổ định hướng với hốc lõm dạng máng cong, sản phẩm nổ sinh ra hội tụ theo mặt trung tâm của máng tạo thành lưỡi cắt tích tụ cong có mật độ cao và tốc độ cao phá hủy vật cần cắt trên đường đi của nó, tạo ra vết cắt (cắt tấm vật liệu hình mặt cong). Trường hợp này, tâm hội tụ là tập hợp của nhiều điểm liên tục (đường cong). 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về quá trình cắt nổ bằng dòng tích tụ 1.3.1. Trong nước Nghiên cứu quá trình cắt vỏ bom bằng lượng nổ dạng máng thẳng của Binh chủng Đặc công. Nghiên cứu quá trình cắt tấm thép bằng thanh nổ lõm dưới nước của Viện Tên lửa/ Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. 1.3.2. Ngoài nước Trên thế giới, đã có một số công trình nghiên cứu quá trình cắt vật liệu bằng dòng tích tụ của lượng nổ lõm được công bố, trong đó đầy đủ nhất là công trình nghiên cứu tính toán quá trình xuyên đích thép của đạn xuyên lõm. Cùng với đó là mô hình nghiên cứu quá trình xuyên phá vật liệu bằng luồng tích tụ của tác giả Lavrenchiev và mô hình tính toán va đập nghiêng đối với lượng nổ dạng máng thẳng của Giáo sư Mikhaylov. Mô hình tính toán tác dụng xuyên thép của đạn lõm đã được hoàn thiện, được công bố và áp dụng rộng rãi. Tuy vậy, mô hình này cũng chỉ dừng lại ở việc tính toán đối với quá trình nổ tạo lỗ xuyên. Mô hình nghiên cứu sự hình thành lưỡi cắt tích tụ của máng nổ thẳng được công bố chính thức trong các tài liệu do GS.TS Mikhaylôv N.P (Nga) đưa ra. Sơ đồ tính toán thể hiện trên hình 1.9. Mô hình nghiên cứu được xây dựng trên cơ sở phát triển mô hình tính toán nổ đẩy trong không gian dùng cho Hình 1.9. Sơ đồ hình thành lưỡi tính toán bài toán hàn nổ. cắt tập trung của máng nổ thẳng
5 Mô hình được xây dựng có cơ sở vững chắc từ lý thuyết và thực nghiệm, đã hệ thống hóa được các quan hệ toán - lý của quá trình cắt nổ bằng máng nổ thẳng từ đơn giản đến phức tạp, đã làm nổi bật vai trò của các thông số kết cấu và vật liệu ban đầu ( ,  , D, Dn ) khi khảo sát. Mô hình phù hợp cho việc khảo sát hiện tượng nổ đẩy tấm kim loại dùng trong các công nghệ gia công bằng nổ. Tuy nhiên, với đối tượng nghiên cứu của luận án là máng nổ thẳng và máng nổ tròn xoay, việc khảo sát sẽ gặp khó khăn vì: - Yếu tố vỏ bọc của lượng nổ làm tăng thêm hiệu suất sử dụng năng lượng nổ vào việc đẩy các phần tử máng lót và yếu tố vuốt dài lưỡi cắt cũng chưa được đề cập trong mô hình của GS.TS Mikhaylov. - Yếu tố ảnh hưởng của điều kiện và phương pháp kích nổ kích nổ cũng chưa được giáo sư đề cập trong mô hình này. Mặt khác, để cắt các vỏ trụ tròn xoay, phương án hữu hiệu nhất là sử dụng lượng nổ dạng máng tròn xoay vì phương án này cho phép tương quan vị trí giữa thiết bị cắt nổ và vật cần cắt là đồng đều, cho phép cắt tin cậy và hiệu quả. Vì vậy, cần thiết nghiên cứu sâu hơn bài toán cắt của lượng nổ dạng máng thẳng trên cơ sở mô hình của GS.TS Mikhaylov, để phát triển thành mô hình nghiên cứu bài toán cắt của máng nổ tròn xoay để cắt hiệu quả các ống dạng vỏ trụ tròn xoay. Kết luận chương 1: 1. Cắt bằng lượng nổ lõm được dùng phổ biến do có ưu điểm về độ tin cậy, đặc biệt đối với bề dày bản thép cần cắt lớn hơn 40 (mm) 2. Khi cắt nổ các ống, có thể dùng lượng nổ dạng máng để cắt từ ngoài vào hoặc cắt từ trong ra. Cắt từ ngoài vào có thể sử dụng các mô đun máng nổ thẳng nối ghép liên tiếp nhau trên chu vi cần cắt. Cắt từ trong ra sử dụng lượng nổ dạng máng tròn xoay sẽ đảm bảo cắt đứt tin cậy hơn. 3. Mô hình tính toán lượng nổ lõm dạng nón để xuyên đích thép đã được nhiều tác giả nghiên cứu và công bố, điển hình là các phương pháp АНИИ, БГТУ dựa trên cơ sở lý thuyết nổ đẩy, lý thuyết thủy động của nổ và lý thuyết tác dụng cắt của dòng sản phẩm nổ tập trung. 4. Mô hình tính toán lượng nổ dạng máng thẳng đã có những công bố nhưng chưa đầy đủ, khó sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến khả năng cắt. Mô hình tính toán lượng nổ dạng máng tròn xoay chưa có các công bố.
6 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH CẮT VỎ TRỤ BẰNG MÁNG NỔ TRÒN XOAY Đặt vấn đề: Xây dựng mô hình vật lý và mô hình toán học mô tả các quá trình động lực học xảy ra trong hệ tương tác lượng nổ - vật đích của máng nổ thẳng cắt tấm phẳng, làm cơ sở cho nghiên cứu quá trình cắt vỏ trụ bằng lượng nổ dạng máng tròn xoay. 2.1. Mô hình vật lý quá trình cắt vỏ trụ bằng máng nổ tròn xoay Mô hình kết cấu dạng tổng quát của máng nổ tròn xoay cắt tấm vỏ trụ được lựa chọn để nghiên cứu như trong hình vẽ 2.1: Hình 2.1. Mô hình kết cấu máng Hình 2.2. Mô hình kết cấu máng nổ nổ cắt vỏ trụ tròn xoay cắt tấm phẳng Lượng nổ có cấu tạo dạng máng tròn xoay với góc mở máng 2α đặt cách bề mặt trong của vỏ cần cắt một khoảng cách nhất định gọi là tiêu cự nổ f. Mô hình vật lý tổng quát của máng nổ thẳng cắt tấm phẳng như trong hình 2.2: Xem xét hai mô hình này (mô hình vật lý cắt nổ tấm kim loại bằng máng nổ thẳng và cắt nổ vỏ trụ bằng máng nổ tròn xoay) thấy rằng: - Kết cấu của trên mặt cắt ngang của hai lượng nổ giống nhau. - Kết cấu trên mặt phẳng cắt hai lượng nổ có những điểm khác biệt. Xem xét trường hợp tổng quát, lượng nổ có vỏ bọc và có liều dẫn nổ. Độ dày thuốc nổ thay đổi. Độ dày vỏ và máng lót không đổi theo chiều dài đường sinh. Chiều dài đường sinh, góc mở máng và tiêu cự cắt không đổi. Hình 2.4. Mô hình vật lý quá trình cắt của lượng nổ dạng máng Các quá trình xảy ra khi cắt của phần tử nghiên cứu đó là: a. Quá trình nổ nén ép tạo vận tốc của máng lót; b. Quá trình nhập khép hình thành lưỡi cắt;
7 c. Quá trình tương tác giữa lưỡi cắt và vật cần cắt. Do lý thuyết lan truyền nổ theo đường thẳng, góc nghiêng sóng nổ tạo ra trong máng nổ thẳng và máng nổ tròn xoay là khác nhau. Đối với máng nổ thẳng, góc nghiêng sóng nổ tạo ra là do tốc độ của liều dẫn nổ. Đối với máng nổ tròn xoay, góc nghiêng sóng nổ tạo ra do lượng nổ có bán kính cong, cho nên có thể xem quá trình hình thành lưỡi cắt của máng nổ tròn xoay như trong trường hợp máng nổ thẳng có liều dẫn nổ với tốc độ nổ của liều dẫn nổ quy đổi từ góc nghiêng sóng nổ φr. Trong trường hợp kích nổ đồng thời, quá trình hành thành lưỡi cắt tập trung của cả hai loại phần tử nổ này là giống nhau do góc nghiêng sóng nổ như nhau. Vì vậy, để nghiên cứu tính toán quá trình cắt nổ của máng nổ tròn xoay, trước hết xem xét nghiên cứu tính toán quá trình cắt nổ của máng nổ thẳng, tiếp đó, xem xét quan hệ ảnh hưởng của bán kính cong đến quá trình cắt nổ của máng nổ tròn xoay tổng quát. 2.2. Thiết lập mô hình tính toán đối với máng nổ thẳng Các giả thiết sử dụng trong mô hình tính toán 1- Bỏ qua ảnh hưởng của sóng giãn tại vị trí mặt biên của lượng nổ do tính đối xứng của quá trình truyền nổ. 2- Vận tốc nén ép máng lót khi nổ không thay đổi trên toàn bộ chiều dài máng và có hướng vuông góc với các bề mặt của máng. 3- Quá trình hình thành lưỡi cắt kim loại và quá trình cắt kim loại tuân theo quy luật thủy động học. 4- Bỏ qua tính bền của vật liệu, coi lưỡi cắt và vật đích đều là các chất lỏng lý tưởng không nén được. 5- Bỏ qua ảnh hưởng của áp suất không khí tại vị trí nổ. Các giả thiết trên sẽ được xem xét sử dụng trong tính toán các quá trình cụ thể của bài toán cắt nổ. 2.2.1 Quá trình nổ nén ép máng lót Xét kết cấu một phân tố nổ thứ i (nằm giữa mặt cắt thứ i và i+1) trên chiều dài đường sinh của phần tử lượng nổ dạng máng (hình 2.5). Ta phân tích quá trình hình thành lưỡi cắt theo bài toán nổ đẩy với các giả thiết 1- và 2-. Hình 2.5 Sơ đồ nổ đẩy của phân tố nổ Máng lót bị nén ép có vận tốc U0 = Vm được xác định theo biểu thức tính toán vận tốc đẩy của nổ: D  U0  (2.1) k  1 1  2 2 
8 Mỗi phân tố nổ thứ i sẽ đẩy một phân tố máng lót chuyển động với vận tốc U0i nhập khép vào mặt phẳng cắt tạo ra phân tố lưỡi cắt thứ i có chiều rộng lci. Tập hợp tất cả các phân tố lưỡi cắt tạo ra chiều rộng lưỡi cắt của phần tử lượng nổ Lc= Σlci. 2.2.2. Quá trình nhập khép máng lót hình thành lưỡi cắt Xem xét phần tử lượng nổ dạng máng có chiều dài đủ lớn, góc mở 2α, bề rộng của thành máng l0, tốc độ nổ của thuốc nổ chính D, tốc độ nổ của liều dẫn nổ DH, kích nổ tại điểm A (hình 2.6). Ta phân tích quá trình nhập khép của các phần tử máng lót tạo thành lưỡi cắt tích tụ với các giả thiết 2- và 3-. Quá trình lan truyền nổ theo quy luật hình học trên hình 2.6. Hình 2.6. Sơ đồ quá trình hình thành lưỡi cắt tích tụ Cần xác định các tham số động học và động lực học của lưỡi cắt bao gồm: bề rộng lưỡi cắt; bề dày lưỡi cắt và vận tốc lưỡi cắt theo nguyên lý thủy động của dòng chảy. Vận tốc của lưỡi cắt tích tụ được xác định bằng biểu thức:  U C  U 0 cot . (2.4) 2 Nhờ sự có mặt của liều dẫn nổ, mặt sóng nổ hợp với đường sinh của lượng nổ một góc  (hình 2-6) tính theo biểu thức: D   arcsin (2.5) DH Góc nhập khép máng lót tính theo biểu thức: =+a (2.12) 1 Với: a  arccos . U 02 1 2 DH tan 2  Điều kiện tạo thành lưỡi cắt được xác định từ biểu thức (2.12), tức là tồn   tại góc   , hay:   a . (2.13) 2 2
9 Chiều rộng lưỡi cắt lc0, được tính như sau:  U0   1  lC 0  l0  cot  tan  cot  . (2.14)  DH tan  2 2 cos   Bề dày lưỡi cắt được xác định theo biểu thức: 2 l   C  m 0 sin 2 . (2.15) lc 0 2 Một số trường hợp đặc biệt Trường hợp thứ nhất: Lượng nổ được kích nổ đồng thời. Trong trường hợp này tương đương với DH = , góc  = 0. Điều kiện (2.13) trở thành:  1    arccos . (2.16) 2 U 02 1 2 D Chiều rộng lưỡi cắt vẫn tính theo (2.14):    1  lC 0  l0  u0 cot  cot tan   .  2 2 cos   Trường hợp thứ hai: Lượng nổ không có liều dẫn nổ.  Có thể coi DH = D. Điều kiện (2.13) trở thành:   . (2.18) 2 Biểu thức (2.12) cho thấy:    .  Vận tốc của lưỡi cắt theo (2.4) trở thành: U C  U 0 cot . (2.19) 2 Chiều rộng lưỡi cắt theo (2.14) trở thành: lC 0  l0 . (2.20) Điều này có nghĩa là bề rộng lưỡi cắt luôn bằng bề rộng của thành máng lót, không phụ thuộc vào góc mở 2 của máng. 2.2.3. Quá trình tương tác của lưỡi cắt với vật đích Tính toán chiều sâu cắt của lưỡi cắt tích tụ theo lý thuyết của М.А. Lavrenchiev [1], ở đó bỏ qua tính bền của vật liệu, coi lưỡi cắt và vật cần cắt đều là các chất lỏng lý tưởng không nén được. Hình 2.8 mô tả sơ đồ tính toán chiều sâu cắt của một phần tử lưỡi cắt tích tụ có vận tốc Uc, chiều dài lc, mật độ m. Hình 2.8. Sơ đồ tính toán chiều sâu cắt của lưỡi cắt tích tụ
10 Bề dày vật cần cắt bị cắt bởi lưỡi cắt tích tụ được tính theo biểu thức: m b  lC (2.27) t Từ các biểu thức trên có thể thấy chiều sâu cắt không phụ thuộc vào vận tốc của lưỡi cắt. Tuy nhiên ảnh hưởng của độ bền vật liệu cần cắt vẫn là đáng kể, công thức (2.27) chỉ đúng khi vận tốc lưỡi cắt vượt quá một giá trị giới hạn U gh , giá trị này phụ thuộc vào vật liệu làm máng lót và vật cần cắt: U C  U gh . (2.28) Bề rộng đường cắt được tính theo biểu thức: A U 2 t t  C C . (2.31) 2 m 2.2.4 Trường hợp tính đến quá trình vuốt dài lưỡi cắt Trong trường hợp có sự thay đổi tốc độ lưỡi cắt từ vị trí miệng đến đỉnh máng theo chiều hướng tăng (UC.đ˃UC.m), xảy ra hiện tượng vuốt dài theo hướng tăng chiều rộng lưỡi cắt, làm tăng khả năng cắt của lượng nổ. Khi đó, mô hình tính toán khả năng cắt máng nổ thẳng có vuốt dài lưỡi cắt gồm các biểu thức sau: 1. Biểu thức tính vận tốc nén ép máng lót tại đỉnh và miệng máng: D 3đ D 3 m U0.đ  ; U0.m  (2.32) k 2  1 3  đ k 2  1 3  m m .đ m đ  , m  .m . Mm.đ Mm. m Trong đó: m .đ , m .m - khối lượng phân tố thuốc nổ tích cực tại các vị trí đỉnh và miệng máng lót, m  Mv.đ  Mm.đ  mm  Mv.m  Mm  m .đ  đ  1   ; m .m  1   ,(2.33) 2  Mv.đ  Mm.đ  mđ  2  Mv.m  Mm  mm  Mm.đ, Mm.m - khối lượng phân tố máng lót tại đỉnh và miệng máng, Mv.đ, Mv.m - khối lượng phân tố vỏ bọc tại vị trí đỉnh và miệng máng, mđ , mm - khối lượng phân tố thuốc nổ tại vị trí đỉnh và miệng máng. 2. Biểu thức tính vận tốc lưỡi cắt tại đỉnh và miệng máng:   U C .đ  U 0.đ cot đ ; U C .m  U 0.m cot m , (2.34) 2 2 Trong đó: UC.đ , UC.m - vận tốc phần lưỡi cắt tạo ra từ đỉnh và miệng máng lót,
11 U0.đ , U0.m - vận tốc nén ép máng lót tại đỉnh và miệng máng, đ , m - một nửa góc khép nhập máng lót tại đỉnh và miệng máng. 1 1  đ    arccos ;  m    arccos . (2.35) U0.2 đ 2 U0.m 1 2 1 2 DH tan 2  DH tan 2  3. Biểu thức tính chiều rộng lưỡi cắt khi vừa hình thành:  U C .đ U 1  lC 0  l0   C .đ tan   . (2.36)  DH tan  U 0.m cos   4. Biểu thức tính chiều rộng lưỡi cắt khi vuốt dài: lC  lC0  UC.đ  UC.m  t . (2.37) Trong đó: t - thời gian vuốt dài lưỡi cắt (khoảng thời gian sau khi lưỡi cắt hình thành đến khi chạm vật đích). 5. Biểu thức tính toán chiều sâu cắt lớn nhất: m b  lC . (2.38) t Kết quả trên đã được công bố tại tuyển tập các bài báo khoa học đăng trên tạp chí của hội nghị cơ học toàn quốc năm 2014. 2.3. Thiết lập mô hình toán đối với mángổ tròn xoay Nguyên lý kết cấu của máng nổ tròn xoay cấu tạo bởi 3 phần tử tròn xoay là: máng lót, khối thuốc nổ và vỏ lượng nổ (không sử dụng liều dẫn nổ). Xem xét trường hợp máng nổ tròn xoay kích nổ tại một điểm: Hình 2.9. Nguyên lý kết cấu của lượng Do nguyên lý lan truyền nổ theo nổ lõm dạng máng tròn xoay đường thẳng và mặt sóng nổ là các 1. Máng lót tròn xoay; 2. Thuốc nổ; mặt cầu có cùng tâm là tâm nổ cho 3. Vỏ lượng nổ. nên, khi kích nổ lượng nổ dạng máng tròn xoay tại một điểm, góc nghiêng của sóng nổ (φ) sẽ thay đổi theo hướng lan truyền sóng nổ. Các tham số hình học của sóng nổ trong trường hợp này thay đổi ảnh hưởng đến các tham số nổ khác.
12 Một nửa lượng nổ khai triển trên mặt phẳng có dạng một phần hình vành khăn (hình 2.10). Xem xét tính toán quá trình lan truyền sóng nổ trên máng nổ tròn xoay với các giả thiết của bài toán như trong mục 2.2.3, áp dụng các biểu thức tính các tham số của phân tố lưỡi cắt như trong trường hợp máng nổ thẳng, tính được các tham số lưỡi cắt Hình 2.10 Mặt sóng nổ trên mặt của máng nổ tròn xoay như sau: phẳng trung tâm của lượng nổ. Từ tương quan hình học trên hình 2.10 trong hệ tọa độ đề các xOy, giá trị góc nghiêng sóng nổ:  tan  m  kCC    arctan . (2.43) 2 1  tan  m kCC Như vậy, với mỗi giá trị độ cong của máng nổ tròn xoay khai triển (Rd; Rm ), quá trình lan truyền nổ nhận được một giá trị góc nghiêng sóng nổ nhất định mà không cần sự có mặt của liều dẫn nổ. Góc nghiêng sóng nổ tăng dần từ giá trị 0 đến giá trị φ tính theo biểu thức 2.43 và duy trì đến hết cung tròn lượng nổ. Các tham số của quá trình hình thành lưỡi cắt trong trường hợp này tương tự như máng nổ thẳng có liều dẫn nổ kích nổ tại một điểm, với giá trị tốc độ liều dẫn nổ quy đổi: DH(qđ)=D.arcsinφ. Khai triển máng nổ tròn xoay trên mặt phẳng nhận được một phần của hình vành khăn với góc mở . Cần thiết lập mối quan hệ hình học giữa các thông số kết cấu của lượng nổ lõm dạng máng tròn xoay và hình khai triển. r Rd  d , (2.47) cos Rm  Rd  l0 . (2.48) Các biểu thức (2.47) và (2.48) là chuyển đổi cần xác định. Từ đó có thể Rd 1 rút ra:  . (2.49) Rm l cos 1 0 rd Tính toán các biểu thức giải tích nói trên sẽ cho kết quả sự phụ thuộc của tham số góc nghiêng sóng nổ φ vào bán kính cong của lượng nổ. Xem xét trường hợp máng nổ tròn xoay kích nổ đồng thời: Lượng nổ được kích nổ đồng thời trên toàn bộ đường tròn đỉnh của lượng nổ dạng máng tròn xoay, do đó φ = 0. Góc nghiêng sóng nổ trong trường hợp này là nhỏ nhất, khả năng cắt của lượng nổ là lớn nhất. Các
13 tham số quá trình nổ tương tự trong trường hợp máng nổ thẳng kích nổ đồng thời. Tính khả năng cắt của máng nổ tròn xoay có vuốt dài lưỡi cắt: Áp dụng các công thức tính khả năng cắt của máng nổ thẳng cho trường hợp máng nổ tròn xoay, cùng với sự thay đổi góc nghiêng sóng nổ và tốc độ liều dẫn nổ quy đổi. Như vậy, biểu thức tính toán các tham số quá trình cắt nổ của máng nổ tròn xoay xây dựng được như sau: 1. Biểu thức tính khối lượng phân tố thuốc nổ tích cực tại đỉnh và miệng máng: m  Mv.đ  Mđ  mm  Mv.m  Mm  ma.đ  đ  1   ma.m  1   . (2.50) 2  Mv.đ  Mđ  mđ  2  Mv.m  Mm  mm  2. Biểu thức tính tốc độ nén ép máng lót tại đỉnh và miệng máng: D 3đ D 3 m UO.đ  UO.m  . (2.51) k  1 3  đ 2 k  1 3  m 2 3. Biểu thức tính một nửa góc nhập khép của máng lót tại đỉnh và miệng máng: 1 1  đ    arccos ;  m    arccos . (2.52) 2 2 U0.đ U0.m 1 2 1 2 DH tan 2  DH tan 2   tan  m  kCC Trong đó: - Góc nghiêng của sóng nổ:    arctan , 2 1  tan  m kCC Rd sin  m  sin  d Rm R R tan m Rd 1 kCC '  ;  m  arccos d ;  d  d ;  R Rm Rd Rm l cos cos m  d cos d 1 0 Rm rd - Tốc độ của liều dẫn nổ (quy đổi): DH(qđ)= D.arcsin φ 4. Biểu thức tính toán vận tốc của lưỡi cắt tại đỉnh và miệng máng:   U C .đ  U 0.đ cot đ U C .m  U 0.m cot m . (2.53) 2 2 5. Biểu thức tính toán chiều rộng lưỡi cắt khi mới hình thành:  U C .đ U 1  lC  l0   c.đ tan   . (2.54)  DH  qđ  tan  U 0.m cos   6. Biểu thức tính toán chiều rộng lưỡi cắt khi vuốt dài: lC  lC0  UC.đ  UC.m  t . (2.55) Trong đó: t - thời gian vuốt dài lưỡi cắt (khoảng thời gian sau khi lưỡi cắt hình thành đến khi chạm vật đích).
14 m 7. Biểu thức tính toán chiều sâu cắt lớn nhất: b  lC . (2.56) t 2 m l0 2  8. Biểu thức tính toán chiều dày lưỡi cắt:  C  sin . (2.57) lC 0 2 2 CUC2 t 9. Biểu thức tính toán bề rộng đường cắt:  t  . (2.58) 2 m  1 - Điều kiện tạo thành lưỡi cắt:    arccos (2.59) 2 U 02 1 2 DH  qđ  tan 2  - Điều kiện cắt tin cậy: UC  Ugh. (2.60) 2.4 Giải bài toán quá trình cắt vỏ trụ của máng nổ tròn xoay 2.4.1 Đặt bài toán Tham số kết cấu của máng nổ tròn xoay gồm: Các tham số hình dạng (góc mở máng, hình dạng máng); Các tham số kích thước (chiều dài đường sinh máng lót, độ dày máng, thuốc nổ, vỏ bọc, bán kính cong của lượng nổ); Các tham số vật liệu (mật độ máng lót, thuốc nổ, vỏ bọc, tốc độ nổ của thuốc nổ và liều dẫn nổ); Các tham số khối lượng (khối lượng thuốc nổ, vỏ bọc, máng lót). Tham số khả năng cắt gồm: chiều sâu cắt b và bề rộng đường cắt. Tham số gián tiếp liên quan đến khả năng cắt gồm: vận tốc lưỡi cắt; bề rộng lưỡi cắt; bề dày lưỡi cắt; góc nhập khép của dòng γ; góc nghiêng của sóng nổ φ. Điều kiện gồm: điều kiện hình thành lưỡi cắt; điều kiện cắt tin cậy. 2.4.2 Bài toán tính các thông số nổ của máng nổ tròn xoay: Trong khuôn khổ luận án, tác giả nghiên cứu thiết lập bài toán tổng quát, tính toán khả năng cắt của máng nổ tròn xoay có sự thay đổi vận tốc lưỡi cắt từ đỉnh đến miệng máng tạo ra lưỡi cắt có khả năng vuốt dài. Trong trường hợp không có sự thay đổi bề dày của lớp thuốc nổ, máng lót hoặc vỏ lượng nổ dẫn đến không có sự vuốt dài lưỡi cắt, bài toán trở về trường hợp không vuốt dài lưỡi cắt. Kết luận chương 2: 1. Trên cơ sở các lý thuyết về vật lý nổ như: lý thuyết nổ đẩy, lý thuyết thủy động của nổ, lý thuyết phá hủy của dòng tích tụ, và mô hình tính toán khả năng xuyên của lượng nổ lõm dạng nón đã được nhiều tác giả công bố, luận án đã xây dựng mô hình tính toán các thông số của quá trình cắt nổ của máng nổ thẳng có mặt cắt máng lót hình chữ V có sử dụng hoặc không sử dụng liều dẫn nổ.
15 2. Khi không sử dụng liều dẫn nổ, mặt sóng nổ nghiêng với miệng máng lót một góc φ = 450. Khi sử dụng liều dẫn nổ có tốc độ nổ lớn hơn tốc độ nổ của liều nổ (DH ˃ D) thì góc nghiêng này là: φ = arcsin (D/DH) 3. Trong trường hợp bề dày máng lót, thuốc nổ và vỏ lượng nổ dạng máng thẳng không thay đổi, không sử dụng liều dẫn nổ, các điều kiện (2.12), (2.13) và (2.28) được đảm bảo thì chiều rộng lưỡi cắt tích tụ không đổi và bằng với chiều dài đường sinh máng lót. 4. Trường hợp bề dày máng lót, thuốc nổ hoặc vỏ lượng nổ dạng máng thẳng thay đổi theo đường sinh máng lót, có thể dẫn tới tốc độ nén ép máng lót ở đỉnh máng lớn hơn ở miệng máng, dẫn tới lưỡi cắt hình thành có xu hướng mở rộng theo chiều chuyển động. Điều này sẽ làm tăng chiều sâu cắt, tuy nhiên, nó chỉ có hiệu quả khi duy trì được khoảng cách đáng kể từ miệng máng lót đến vật cần cắt. 5. Mô hình tính toán các tham số động học và khả năng cắt của máng nổ tròn xoay không sử dụng liều dẫn nổ được phát triển từ mô hình tính toán đối với máng nổ thẳng. Các thông số động học khi cắt nổ của lượng nổ dạng máng tròn xoay không có liều dẫn nổ sẽ tương đương với các thông số của lượng nổ dạng máng thẳng, với liều dẫn nổ có tốc độ nổ quy đổi: DH(qđ)= D.arcsin φ. Chương 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ KẾT CẤU ĐẾN KHẢ NĂNG CẮT VỎ TRỤ CỦA MÁNG NỔ TRÒN XOAY 3.1 Đặt vấn đề Để làm cơ sở cho việc thiết kế, cần thiết đánh giá ảnh hưởng của một số tham số kết cấu đầu vào đến khả năng cắt của lượng nổ, làm cơ sở cho việc thiết kế tối ưu công tác cắt các vỏ trụ tròn xoay bằng năng lượng nổ. Như vậy, trong khuôn khổ nội dung của luận án này, chúng ta sẽ khảo sát đánh giá ảnh hưởng của các tham số kết cấu chính của máng nổ tròn xoay bao gồm: góc mở máng lót 2α; chiều dài đường sinh máng lót l0; độ dày máng lót δm; bán kính cong của lượng nổ rđ; độ dày thuốc nổ δω; tốc độ nổ của thuốc nổ D, và một số tham số đặc trưng khác. Tham số khả năng cắt là: chiều sâu cắt và chiều rộng đường cắt. Các tham số gián tiếp ảnh hưởng đến khả năng cắt được khảo sát gồm: vận tốc lưỡi cắt; chiều rộng lưỡi cắt. Các điều kiện gồm: điều kiện hình thành lưỡi cắt; điều kiện hình thành toàn bộ lưỡi cắt; điều kiện cắt tin cậy. * Lựa chọn miền giá trị các tham số khảo sát: Trên cơ sở nguyên lý làm việc của máng nổ tròn xoay, yêu cầu cắt, điều kiện đảm bảo hoạt động của lượng nổ của lượng nổ dạng máng, yêu cầu giới hạn về vật liệu và công nghệ chế tạo để lựa chọn miền giá trị các tham số khảo sát.
16 * Lựa chọn giá trị các tham số cố định: Lấy trong miền giá trị của các tham số khảo sát đảm bảo các điều kiện về gia công chế tạo mẫu dễ dàng. Một số tham số cố định không tham gia khảo sát được lựa chọn theo các tài liệu tham khảo và mẫu thiết bị cắt nổ tương tự hiện nay. * Các tham số cần tính: - Vận tốc lưỡi cắt tại đỉnh máng: Ucđ(cm/s); - Vận tốc lưỡi cắt tại miệng máng: Ucm (cm/s); - Chiều rộng lưỡi cắt ban đầu: lC0 (cm); - Chiều sâu cắt: b(cm); * Sơ đồ thuật toán: Sử dụng phần mềm tính toán với bài toán vòng lặp đối với từng tham số được lựa chọn để khảo sát ảnh hưởng đến khả năng cắt và bộ tham số đầu vào cố định (tham số dừng). Sơ đồ thuật toán khảo sát như trong hình 3.1. Kết quả khảo sát dạng bảng số liệu nêu trong phần phụ lục. 3.2. Ảnh hưởng của góc mở máng lót đến quá trình cắt Trường hợp máng nổ tròn xoay kích nổ tại một điểm: Quan hệ ảnh hưởng giữa tốc độ lưỡi cắt, chiều rộng lưỡi cắt và chiều sâu cắt theo góc mở máng được trình bày trên hình 3.2. Hình 3.2. Ảnh hưởng của góc mở máng lót đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ tại 1 điểm Trường hợp máng nổ tròn xoay kích nổ đồng thời: Quan hệ ảnh hưởng giữa tốc độ lưỡi cắt, chiều rộng lưỡi cắt và chiều sâu cắt theo góc mở máng được trình bày trên hình 3.3. Hình 3.3. Ảnh hưởng của góc mở máng lót đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ đồng thời
17 3.3. Ảnh hưởng của chiều dài đường sinh máng lót 3.4 Ảnh hưởng của bề dày máng lót 3.5. Ảnh hưởng của thuốc nổ Trong mô hình tính toán khả năng cắt của máng nổ tròn xoay có vuốt dài lưỡi cắt, ảnh hưởng của thuốc nổ rất rõ nét thông qua bài toán nổ đẩy và bài toán lan truyền nổ. Ảnh hưởng của thuốc nổ đến chiều sâu cắt qua các thuộc tính như: tốc độ nổ, mật độ, độ đồng đều, khối lượng thuốc nổ. a. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ nổ: b. Khảo sát ảnh hưởng của bề dày thuốc nổ: Ta xem xét sự thay đổi khối lượng thuốc nổ tích cực tại đỉnh máng, miệng máng giữ nguyên. Trường hợp máng nổ tròn xoay kích nổ tại một điểm: Quan hệ ảnh hưởng giữa tốc độ lưỡi cắt, chiều rộng lưỡi cắt và chiều sâu cắt theo bề dày thuốc nổ tại đỉnh máng được trình bày trên hình 3.10. Hình 3.10 Ảnh hưởng của bề dày thuốc nổ đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ tại một điểm Trường hợp máng nổ tròn xoay kích nổ đồng thời: Quan hệ ảnh hưởng giữa tốc độ lưỡi cắt, chiều rộng lưỡi cắt và chiều sâu cắt theo bề dày thuốc nổ tại đỉnh máng được trình bày trên hình 3.11. Hình 3.11 Ảnh hưởng của bề dày thuốc nổ đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ đồng thời
18 3.6 Ảnh hưởng của bán kính cong của lượng nổ Trường hợp máng nổ tròn xoay kích nổ tại một điểm: Quan hệ ảnh hưởng giữa tốc độ lưỡi cắt, chiều rộng lưỡi cắt và chiều sâu cắt theo bán kính cong của lượng nổ được trình bày trên hình 3.12. Hình 3.12 Ảnh hưởng của bán kính cong lượng nổ đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ tại một điểm Trường hợp máng nổ tròn xoay kích nổ đồng thời: Quan hệ ảnh hưởng giữa tốc độ lưỡi cắt, chiều rộng lưỡi cắt và chiều sâu cắt theo bán kính cong của lượng nổ là hằng số. 3.7. Ảnh hưởng của mật độ vật liệu máng lót. 3.8 Ảnh hưởng của mật độ vật liệu vỏ bọc. 3.9 Khuyến nghị khi thiết kế đối với tham số kết cấu của lượng nổ. Qua khảo sát mối quan hệ ảnh hưởng của một số tham số kết cấu chính đến khả năng cắt, cùng với các đánh giá nhận xét đối với các số liệu tính toán và đồ thị, tác giả luận án đưa ra một số khuyến nghị trong việc lựa chọn các tham số đầu vào cho thiết kế máng nổ tròn xoay cắt ống thép như sau: * Đối với tham số góc mở máng lót: * Đối với tham số chiều dài đường sinh máng lót: * Đối với tham số bề dày máng lót: * Đối với tham số tốc độ nổ và khối lượng thuốc nổ tích cực: * Đối với tham số bán kính cong của lượng nổ: * Đối với tham số mật độ vật liệu máng lót: * Đối với tham số mật độ vật liệu vỏ bọc: Kết luận chương 3. 1. Ảnh hưởng của góc mở máng lót 2α. Trường hợp kích nổ tại một điểm, chiều sâu cắt tỷ lệ nghịch với độ lớn góc mở. Góc mở lớn nhất để lượng nổ hoạt động bình thường đước xác định bằng điều kiện hình thành lưỡi cắt (2.61) và điều kiện đảm bảo vận tốc lưỡi cắt lớn hơn vận tốc giới hạn (2.63). 2. Ảnh hưởng của chiều dài đường sinh máng lót: Chiều sâu cắt tỷ lệ tuyến tính với chiều dài đường sinh máng lót khi các điều kiện (2.61),