BADANIA EKSPERYMENTALNO-NUMERYCZNE ZJAWISKA PĘKANIA MEMBRANY ALUMINIOWEJ

Transkrypt

1 Dr inż. Jacek JANISZEWSKI Mgr inż. Michał GRĄZKA Mgr inż. Paweł PŁATEK Dr inż. Zbigniew SURMA Mgr inż. Kamil SYBILSKI Wojskowa Akademia Techniczna BADANIA EKSPERYMENTALNO-NUMERYCZNE ZJAWISKA PĘKANIA MEMBRANY ALUMINIOWEJ Streszczenie: Praca dotyczy próby określenia wpływu karbu wprowadzonego w geometrię membrany sterującej wartością osiąganego ciśnienia tak, aby sprawność miotania helowego układu miotającego była jak najwyższa. Wykonanie dużej ilości badań eksperymentalnych i numerycznych miało pomóc w doborze zarówno odpowiedniego rodzaju nacięcia, jak i grubości membrany tak, by helowy układ miotający pracował w najbardziej optymalnym punkcie. NUMERICAL-EXPERIMENTAL STUDIES OF FRACTURE PHENOMENA ALUMINIUM DIAPHRAGMS Abstract: The investigation presents on these pages shows results of numerical and experimental analysis. All experiments were made to presents how diaphragms used in helium gas gun help obtain higher speed of projectile. The goal of these analysis is optimal diaphragm with it can be used as a valve in gas gun. 1. WPROWADZENIE Prowadzone prace badawcze nad procesami szybko zmiennymi, takimi jak deformacja osiowo symetrycznych próbek w zderzeniowym teście Taylora, spowodowały potrzebę opracowania stanowiska pozwalającego napędzać próbki do prędkości powyżej 500 m/s. Dlatego też został zbudowany helowy układ miotający (rys. 1). Układ ten zasilany jest sprężonym helem, a jednym z podstawowych elementów składowych działa jest membrana, spiętrzająca gaz w przestrzeni zapociskowej (rys. 2). Wstępne badania pozwoliły zaobserwować znaczący wpływ membrany na prędkości wylotowe miotanych pocisków. Ich wynikiem była decyzja o podjęciu dodatkowych badań w celu określenia wpływu procesu pękania na działanie helowego układu miotającego. 2. BADANIA EKSPERYMENTALNE Testy dynamiczne membran wykonano za pomocą helowego układu miotającego. Układ ten składa się z następujących głównych elementów: lufy gładkiej o kalibrze 12,1 mm i długości 2400 mm; kołnierzy mocujących wymienną membranę; komory ciśnieniowej z manometrem; zaworu elektromagnetycznego, pełniącego funkcję urządzenia spustowego; 285

2 zaworu redukującego ciśnienie helu podawanego z butli; łoża (podstawy); butli z helem. W przeprowadzonych badaniach parametrami, które były odczytywane i na postawie których oceniano sprawność zespołu membran, były ciśnienie panujące w przestrzeni zapociskowej oraz prędkość wylotowa pocisku. Do pomiarów tych parametrów wykorzystano: tor pomiarowy ciśnienia: piezoelektryczny czujnik ciśnienia, przetwornik analogowo- -cyfrowy, komputer klasy PC; tor pomiarowy prędkości: bariera optyczna, timer, komputer klasy PC. Rys. 1. Widok helowego układu miotającego i zespołu membrany z elektrozaworem [3] Rys. 2. Układ kołnierzy z membraną Zmierzone za pomocą przedstawionych układów pomiarowych ciśnienie i prędkość wylotowa pocisku pozwalają na porównanie efektywności działa helowego w zależności od zastosowanego rodzaju membrany. Parametrami wejściowymi dla rozpatrywanego układu są grubość membrany, kształt nacięcia (karbu), wartość ciśnienia początkowego panującego przed membraną. Przeprowadzone badania miały na celu określenie wpływu grubości, kształtu nacięcia wykonanego na powierzchni czołowej membrany oraz ciśnienia wstępnego na efektywność układu. Badania eksperymentalne z udziałem helowego układu miotającego wykazały, 286

3 że obecność membrany w torze przepływu helu korzystnie wpływa na właściwości miotające układu. Dla przykładu na rysunku 3 przedstawiono przebiegi ciśnienia dla układu bez membrany i z membraną aluminiową o grubości 0,5 mm naciętej krzyżowym karbem, ciśnienie początkowe 100 bar. a) b) Rys. 3. Wykresy ciśnienia gazu w przewodzie lufy: a) bez membrany; b) z membraną Al 0,5 mm dla ciśnienia w zbiorniku 100 bar [3] Z porównania krzywych ciśnienia wynika, że membrana Al 0,5 mm pozwoliła na spiętrzenie ciśnienia do około 90 bar. Widać tu wyraźne poprawienie charakterystyk pracy układu, co objawia się wzrostem prędkości wylotowej pocisku. Dla teflonowego pocisku walcowego o masie 4 g, prędkość V 2 wyniosła 463 m/s dla konfiguracji bez membrany, natomiast gdy strzelano z membraną Al 0,5 mm, prędkość ta wzrosła do wartości 488 m/s. Kolejnym krokiem, jaki podjęto w prowadzonych badaniach, było zweryfikowanie kształtu nacięcia membrany na zdolność otwarcia oraz na wielkość średnicy tego otwarcia. W badaniach eksperymentalnych przebadano nacięcia w postaci krzyża (rys. 4) oraz gwiazdki (rys. 5). Rys. 4. Membrany z nacięciem krzyżowym [2] Rys. 5. Widok membran z nacięciem gwiazdowym [2] Jak pokazały wyniki, membrany nie zawsze otwierały się symetrycznie (rys. 6) było to związane z dokładnością wykonania nacięcia. Rys. 6. Widok membran z nacięciem krzyżowym o nieprawidłowym przebiegu pękania [2] 287

4 Podczas badań eksperymentalnych poruszony został również problem grubości membran. Jest to bardzo istotny parametr, jeśli chodzi o wytrzymałość membrany i sterowanie ciśnieniem panującym w przestrzeni za pociskowej. Grubość membrany powinna być tak dobrana, by zjawisko pęknięcia nastąpiło jak najbliżej maksymalnej wartości ciśnienia dla konkretnego strzału. Przebadane membrany posiadały grubości 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 i 1 mm. Grubość membran była zwiększana wraz ze wzrostem wartości ciśnienia. Wybrane wyniki z przeprowadzonych badań zebrano na rysunkach 7 i 8. a) b) Rys. 7. Wykresy przebiegu ciśnień po otwarciu membrany z nacięciem krzyżowym [2]: a) charakterystyki z kolejnych prób dla ciśnienia maksymalnego 70 bar i membrany grubości 0,6 mm, b) charakterystyki z kolejnych prób dla ciśnienia maksymalnego 70 bar i membrany grubości 0,7 mm a) b) c) d) Rys. 8. Wykresy przebiegu ciśnień po otwarciu membrany [2]: a) charakterystyki z kolejnych prób dla ciśnienia maksymalnego 70 bar i membrany grubości 0,6 mm z nacięciem w kształcie gwiazdki, b) charakterystyki z kolejnych prób dla ciśnienia maksymalnego 70 bar i membrany grubości 0,7 mm z nacięciem w kształcie gwiazdki, c) porównanie charakterystyk ciśnieniowych: membrana grubości 0,6 mm nacięta krzyżykiem, d) porównanie charakterystyk ciśnieniowych: membrana grubości 0,7 mm nacięta gwiazdką 288

5 Rysunki 7 i 8 prezentują przebiegi ciśnień panujące w przestrzeni zapociskowej w chwili strzału. Charakterystyka na rys. 7 obrazuje zmianę ciśnienia po otwarciu membrany z nacięciem krzyżowym, natomiast wyniki zaprezentowane na rys. 8 dotyczą membran z nacięciem gwiazdkowym. Wykresy (rys. 8c-8d) przedstawiają porównawcze charakterystyki uzyskane dla przebiegu ciśnienia po otwarciu membrany aluminiowej o grubości 0,6 i 0,7 mm. Jak można zaobserwować na tych charakterystykach, membrany z nacięciem gwiazdkowym pozwalają na uzyskanie większej wartości spiętrzonego ciśnienia, a jednocześnie poprzez większą średnicę otworu po otwarciu zapewniają lepszy przepływ gazu. Rys. 9. Zdjęcie porównawcze membran po pęknięciu: z lewej nacięcie krzyżowe, z prawej nacięcie gwiazdkowe Wyniki przeprowadzonych badań eksperymentalnych były inspiracją do podjęcia dalszych prac z wykorzystaniem zaawansowanych numerycznie metod. Ich wyniki pozwolą dokładnie poznać zagadnienie pękania membran układu działa helowego. 3. BADANIA NUMERYCZNE W celu odwzorowania mechanizmu pękania aluminiowej membrany zbudowano jej model numeryczny. Na podstawie dokumentacji 3D CAD wygenerowano płaszczyznę środkową membrany, którą następnie podzielono na elementy skończone. Utworzone elementy podzielono na trzy grupy. Do pierwszej zostały włączone elementy odzwierciedlające te obszary modelu CAD, w których blacha miała stałą grubość, równą 0,5 mm (rys. 10 kolor zielony). W drugiej grupie znajdowały się elementy opisujące bruzdy (rys. 10 kolor brązowy), które były wykonane w kształcie litery V. Na zewnętrznych krawędziach blacha miała grubość 0,5 mm, natomiast w miejscu występowania dna o połowę mniejszą. Kształt ten w modelu numerycznym został odzwierciedlony poprzez przypisanie różnych grubości do poszczególnych elementów skończonych, innych dla krawędzi zewnętrznych niż dla dna bruzdy. Do ostatniej grupy należą cztery elementy opisujące środek membrany (rys. 10 kolor czerwony). W tym miejscu zastosowano elementy o stałej grubości, równej 0,25 mm. Rys. 10. Widok siatki MES dla membrany 289

6 Ostateczny model numeryczny składał się z pełnocałkowalnych elementów typu QUAD 4, którym przypisano właściwości materiałowe stopu aluminium PA2. Dodatkowo do modelu wprowadzono erozyjny model zniszczenia opierający się na kryterium odkształceniowym. Węzłom należącym do kołnierza membrany odebrano wszystkie stopnie swobody. Elementy leżące poza kołnierzem obciążono krzywą ciśnienia przedstawioną na rysunku 12, uzyskaną podczas badań eksperymentalnych. Dla potrzeb analiz eksperymentalna krzywa ciśnienia została sprowadzona do charakterystyki jak na rysunku 12. Na powierzchni membrany wartość ciśnienia przyłożono w sposób jak na rysunku 11, zakładając jednocześnie rozkład Gaussowski. Rys. 11. Charakter obciążenia ciśnieniem membrany aluminiowej [2] Wszystkie obliczenia były realizowane z wykorzystaniem solvera LS-Dyna, który służy do obliczeń m.in. zagadnień szybkozmiennych oraz silnie nieliniowych. Na rysunku 13 przedstawiono naprężenia zredukowane wg hipotezy HMH w membranie dla wybranych chwil czasu. Największe wartości naprężeń zarejestrowano dla elementów odwzorowujących bruzdy dla czasu t = 3,8 ms (powierzchnia membrany posiada kształt płaski). W chwili czasu t = 9,2 ms środkowa jej część jest mocno wybrzuszona, a elementy opisujące środek membrany ulegają erozji. Wówczas następuje pękanie, które postępuje wzdłuż bruzd (rys. 13). Dalsze niszczenie materiału jest wynikiem powiększającego się pęknięcia pierwotnego. Po pęknięciu całej bruzdy, powierzchnie boczne ulegają zagięciu. Rys. 12. Krzywa ciśnienia przyłożona do powierzchni membrany 290

7 Rys. 13. Naprężenia zredukowane w kolejnych chwilach czasu [2] Badania numeryczne efektu pękania membrany pozwoliły na dokładniejsze poznanie oraz zobrazowanie tego procesu. Na podstawie otrzymanych wyników można zauważyć, że proces pękania jest złożony i istotną rolę odgrywa w nim karb będący wynikiem nacięcia. Od jego kształtu zależy, w jaki sposób pękniecie będzie propagować podczas deformacji membrany. Dodatkową zaletą badań numerycznych była możliwość przedstawienia zmian wielkości geometrycznych w funkcji czasu. Było to niemożliwe podczas badań eksperymentalnych, ponieważ membrana jest zamontowana pomiędzy kołnierze, które nie pozwalają na obserwację procesów zachodzących wewnątrz układu miotającego. 4. WNIOSKI Badania eksperymentalne i numeryczne pozwoliły na uzyskanie wyników, które jednoznacznie pokazują, że rodzaj nacięcia ma znaczący wpływ na to, w jaki sposób i jak bardzo membrana ulegnie deformacji po pęknięciu. Wynikiem tego procesu jest otwarcie światła przewodu lufy i napędzenie pocisku w niej umieszczonego. Z badań eksperymentalnych wynika, że nacięcie w postaci gwiazdki jest efektywniejszym rozwiązaniem w porównaniu do nacięcia w kształcie krzyża. Jest to związane z mniejszą odległością pomiędzy sąsiednimi ramionami nacięcia (rys. 4-5). Efekt końcowy takiego rozwiązania to łatwiejsze gięcie membrany na obwodzie i większa średnica przelotowa otworu powstałego na powierzchni membrany (rys. 9). Podczas licznych strzałów, oddanych z helowego układu miotającego zauważono, że membrany pomimo tego samego kształtu nacięcia nie zawsze ulegały pełnemu otwarciu (rys. 6). Zjawisko to związane jest najprawdopodobniej z dokładnością wykonania tego rodzaju nacięcia. Karb w pewnym stopniu pozwala na kontrolę, przy jakiej wartości ciśnienia membrana ulegnie zerwaniu. Jest to bardzo ważne z punktu widzenia użytkowania helowego 291

8 układu miotającego. Zjawisko niesymetrycznego otwarcia membrany wymusza dużą uwagę podczas wykonywania nacięcia tak, by było ono jednakowe na całej powierzchni membrany. Ideą montowania membran było wykorzystanie ich jako błyskawicznego zaworu, który spiętrzy ciśnienie do granicznej wartości, po czym pęknie, powodując powstanie impulsu prostokątnego, który będzie działał na dno pocisku, napędzając go do odpowiedniej prędkości wylotowej. Jak pokazują wyniki badań, dotychczas obrany kierunek identyfikacji i optymalizacji parametrów membrany spowodował znaczny wzrost efektywności helowego układu miotającego zarówno poprzez zmniejszenie ilości gazu potrzebnego do oddania pojedynczego strzału, jak i wzrost prędkości wylotowej miotanego pocisku. LITERATURA [1] Hallquist J.O.: Ls-dyna Theory manual, March [2] Janiszewski J. i inni: Badania eksperymentalne oraz analiza numeryczna wpływu parametrów geometrycznych i materiałowych membrany na prędkość wylotową wyrzutni helowej, Sprawozdanie merytoryczne z prac PBW GD 927, WAT, Warszawa [3] Janiszewski J. i inni: Budowa i badania działa pneumatycznego, Sprawozdanie merytoryczne z prac PBW GD 996, WAT, Warszawa