Электроразрядный откол при микровзрыве проводника в шпуре
|
Введение
1 Феноменологическое описание электровзрывного откола и
разрушения твердых тел
1.1 Физические и термодинамические процессы в канале разряда
1.2 Динамика ударно-волновых процессов и напряженнодеформированного состояния твердых тел при электроразрядном
отколе
1.3 Механизмы зарождения и роста трещин в твердом теле
1.4 Обзор концепций математических моделей разрушения
твердых тел
2 Комплексная физико-математическая модель
электроразрядного откола горных пород и искусственных
материалов
2.1 Основные положения модели
2.2 Работа разрядного контура емкостного импульсного
генератора
2.3 Баланс энергии в плазменном канале пробоя
2.4 Импульсное деформирование упругопластической среды
2.5 Начальные и граничные условия
3 Исследование энергетических характеристик
электроразрядного откола
4 Исследование ударно-волновой динамики при
электроразрядном отколе твердых тел
4.1 Влияние параметров генератора и взрываемого проводника
4.2 Влияние габаритов образца и физико-механических свойств
исследуемого материала
4.3 Исследование влияния режима работы генератора
5 Верификация модели
Заключение
1 Феноменологическое описание электровзрывного откола и
разрушения твердых тел
1.1 Физические и термодинамические процессы в канале разряда
1.2 Динамика ударно-волновых процессов и напряженнодеформированного состояния твердых тел при электроразрядном
отколе
1.3 Механизмы зарождения и роста трещин в твердом теле
1.4 Обзор концепций математических моделей разрушения
твердых тел
2 Комплексная физико-математическая модель
электроразрядного откола горных пород и искусственных
материалов
2.1 Основные положения модели
2.2 Работа разрядного контура емкостного импульсного
генератора
2.3 Баланс энергии в плазменном канале пробоя
2.4 Импульсное деформирование упругопластической среды
2.5 Начальные и граничные условия
3 Исследование энергетических характеристик
электроразрядного откола
4 Исследование ударно-волновой динамики при
электроразрядном отколе твердых тел
4.1 Влияние параметров генератора и взрываемого проводника
4.2 Влияние габаритов образца и физико-механических свойств
исследуемого материала
4.3 Исследование влияния режима работы генератора
5 Верификация модели
Заключение
В настоящее время известно несколько десятков способов разрушения
твердых тел (в том числе горных пород). Основными из них и самыми
распространенными являются взрывной (разрушение протекает под
действием энергии взрывчатых веществ) и механический (путем воздействия
на твердые тела породоразрушающего инструмента) методы. Однако,
несмотря на различные достоинства этих методов, они имеют и ряд
недостатков, которые не удовлетворяют всем требованиям и потребностям
эксплуатации. Поэтому чрезвычайно актуальной проблемой является
разработка новых эффективных, экологически безопасных методов и
технологий для разрушения твердых тел.
Большую популярность приобретает способ электроразрядного
разрушения, который обладает некоторыми преимуществами по сравнению с
традиционными (взрывным и механическим) методами, такими как:
избирательность разрушения;
минимальное загрязнение получаемых продуктов “аппаратурным”
металлом;
отсутствие износа породоразрушающего инструмента;
возможность регулирования в процессе проведения разрушений
величины и скорости выделяемой энергии, а соответственно и характеристик
разрушения;
отсутствие бризантности;
отсутствие выделения вредных веществ;
обеспечение заданного, направленного откола.
Универсальность и эффективность применения электроразрядного
способа для разрушения особо крепких горных пород отображает тот факт,
что при многократном отличии прочности материалов на сжатие их
электрическая прочность практически не отличается, например, в случае
кварцита и песчаника.2
В данной работе рассмотрен способ электроразрядного откола, при
котором разрядный канал формируется при микровзрыве проводника в
шпуре. Электровзрыв проводника является наилучшей заменой взрыва
взрывчатых веществ.
Несмотря на многочисленные экспериментальные и теоретические
исследования, последовательной теории, описывающей все аспекты
электровзрывного откола и разрушения, до сих пор не создано. Препятствием
служат, как сложность экспериментальных методик изучения развития
электровзрывных явлений в твердом теле и его последующего разрушения,
так и теоретические трудности, связанные с нелинейностью и
многомасштабностью протекающих процессов. Существующие модели
описывают отдельные стадии электровзрывного разрушения. В
экспериментальных работах также рассматриваются только отдельные
аспекты явления. Таким образом, отсутствует не только физикоматематическая модель этих процессов в их взаимосвязи, но и их единое
феноменологическое описание.
Поскольку экспериментальные исследования электроразрядного
разрушения дорогостоящи, актуальным является компьютерное
моделирование электровзрыва, позволяющее теоретически исследовать все
стадии электровзрыва и разработать рекомендации для выбора параметров
высоковольтного оборудования. Моделирование позволяет сократить
количество и время проведения физических экспериментов, исследования
носят более гибкий характер, существует возможность выдержать
идентичность условий и вести наблюдение за изменением одних параметров
при сохранении постоянными других.
Для исследования и моделирования электроразрядного откола в
работе были поставлены следующие задачи:
1) разработка феноменологии электроразрядного откола в
конденсированных средах;
2) анализ механизмов зарождения и роста трещин в твердом теле;3
3) литературный обзор существующих математических моделей
электроразрядного откола;
4) исследование энергетических характеристик и ударно-волновой
динамики при электроразрядном отколе, влияние отраженной волны, режима
энерговвода, размеров и физико-механических свойств бетонного блока на
эффективность электровзрывного откола;
5) сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных;
6) разработатка рекомендаций к выбору режимных и энергетических
характеристик высоковольтного оборудования.
твердых тел (в том числе горных пород). Основными из них и самыми
распространенными являются взрывной (разрушение протекает под
действием энергии взрывчатых веществ) и механический (путем воздействия
на твердые тела породоразрушающего инструмента) методы. Однако,
несмотря на различные достоинства этих методов, они имеют и ряд
недостатков, которые не удовлетворяют всем требованиям и потребностям
эксплуатации. Поэтому чрезвычайно актуальной проблемой является
разработка новых эффективных, экологически безопасных методов и
технологий для разрушения твердых тел.
Большую популярность приобретает способ электроразрядного
разрушения, который обладает некоторыми преимуществами по сравнению с
традиционными (взрывным и механическим) методами, такими как:
избирательность разрушения;
минимальное загрязнение получаемых продуктов “аппаратурным”
металлом;
отсутствие износа породоразрушающего инструмента;
возможность регулирования в процессе проведения разрушений
величины и скорости выделяемой энергии, а соответственно и характеристик
разрушения;
отсутствие бризантности;
отсутствие выделения вредных веществ;
обеспечение заданного, направленного откола.
Универсальность и эффективность применения электроразрядного
способа для разрушения особо крепких горных пород отображает тот факт,
что при многократном отличии прочности материалов на сжатие их
электрическая прочность практически не отличается, например, в случае
кварцита и песчаника.2
В данной работе рассмотрен способ электроразрядного откола, при
котором разрядный канал формируется при микровзрыве проводника в
шпуре. Электровзрыв проводника является наилучшей заменой взрыва
взрывчатых веществ.
Несмотря на многочисленные экспериментальные и теоретические
исследования, последовательной теории, описывающей все аспекты
электровзрывного откола и разрушения, до сих пор не создано. Препятствием
служат, как сложность экспериментальных методик изучения развития
электровзрывных явлений в твердом теле и его последующего разрушения,
так и теоретические трудности, связанные с нелинейностью и
многомасштабностью протекающих процессов. Существующие модели
описывают отдельные стадии электровзрывного разрушения. В
экспериментальных работах также рассматриваются только отдельные
аспекты явления. Таким образом, отсутствует не только физикоматематическая модель этих процессов в их взаимосвязи, но и их единое
феноменологическое описание.
Поскольку экспериментальные исследования электроразрядного
разрушения дорогостоящи, актуальным является компьютерное
моделирование электровзрыва, позволяющее теоретически исследовать все
стадии электровзрыва и разработать рекомендации для выбора параметров
высоковольтного оборудования. Моделирование позволяет сократить
количество и время проведения физических экспериментов, исследования
носят более гибкий характер, существует возможность выдержать
идентичность условий и вести наблюдение за изменением одних параметров
при сохранении постоянными других.
Для исследования и моделирования электроразрядного откола в
работе были поставлены следующие задачи:
1) разработка феноменологии электроразрядного откола в
конденсированных средах;
2) анализ механизмов зарождения и роста трещин в твердом теле;3
3) литературный обзор существующих математических моделей
электроразрядного откола;
4) исследование энергетических характеристик и ударно-волновой
динамики при электроразрядном отколе, влияние отраженной волны, режима
энерговвода, размеров и физико-механических свойств бетонного блока на
эффективность электровзрывного откола;
5) сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных;
6) разработатка рекомендаций к выбору режимных и энергетических
характеристик высоковольтного оборудования.
В ходе проделанной работы была разработана феноменология
электроразрядного разрушения и откола твердых тел при электровзрыве
проводника.
С помощью разработанной физико-математической модели
электровзрыва в конденсированных средах, включающей генерацию ударноволновых возмущений расширяющимся плазменным каналом в капилляре,
формирование изменяющихся полей механических напряжений и
упругопластических деформаций, было проведено компьютерное
моделирования процесса электроразрядного откола.
Исследования показали, что разрядный канал является источником
ударно-волновых возмущений только на первом полупериоде разрядного
тока, когда достигается максимальная мощность энерговыделения и высокая
объемная плотность энергии в канале, последующие колебания тока
оказывают слабое влияние на эффективность откола.
Исследовано влияние параметров генератора, проводника и
исследуемого материала на энергетические характеристики и ударноволновую картину откола. При увеличении значений U0 и С, увеличивается
запасаемая генератором энергия, и следовательно, энергия ударной волны.
Увеличение диаметра и длины взрываемого проводника нецелесообразно с
точки зрения потерь энергии на его нагрев и последующий взрыв.
В работе показано, что с увеличением расстояния до свободной
поверхности разрушаемого материала уменьшается влияние отраженной
волны на формирование растягивающих напряжений, формирующих
зарождение и рост трещин. Для зарождения трещин необходимо
реализовывать режимы энерговвода в канал с меньшим периодом колебаний
тока.54
Для прогноза возможной картины откольного разрушения применялся
критериальный подход, в основе которого лежит условие для разрушения
твердых тел при достижении ими предела прочности на растяжение.
В работе проведены оценки коммерческого, инновационного
потенциала и экономической эффективности исследования, рассмотрены
вопросы социальной и экологической безопасности технологического
процесса электроразрядного откола.
электроразрядного разрушения и откола твердых тел при электровзрыве
проводника.
С помощью разработанной физико-математической модели
электровзрыва в конденсированных средах, включающей генерацию ударноволновых возмущений расширяющимся плазменным каналом в капилляре,
формирование изменяющихся полей механических напряжений и
упругопластических деформаций, было проведено компьютерное
моделирования процесса электроразрядного откола.
Исследования показали, что разрядный канал является источником
ударно-волновых возмущений только на первом полупериоде разрядного
тока, когда достигается максимальная мощность энерговыделения и высокая
объемная плотность энергии в канале, последующие колебания тока
оказывают слабое влияние на эффективность откола.
Исследовано влияние параметров генератора, проводника и
исследуемого материала на энергетические характеристики и ударноволновую картину откола. При увеличении значений U0 и С, увеличивается
запасаемая генератором энергия, и следовательно, энергия ударной волны.
Увеличение диаметра и длины взрываемого проводника нецелесообразно с
точки зрения потерь энергии на его нагрев и последующий взрыв.
В работе показано, что с увеличением расстояния до свободной
поверхности разрушаемого материала уменьшается влияние отраженной
волны на формирование растягивающих напряжений, формирующих
зарождение и рост трещин. Для зарождения трещин необходимо
реализовывать режимы энерговвода в канал с меньшим периодом колебаний
тока.54
Для прогноза возможной картины откольного разрушения применялся
критериальный подход, в основе которого лежит условие для разрушения
твердых тел при достижении ими предела прочности на растяжение.
В работе проведены оценки коммерческого, инновационного
потенциала и экономической эффективности исследования, рассмотрены
вопросы социальной и экологической безопасности технологического
процесса электроразрядного откола.