تحقیق بررسی انفجار انرژی

تحقیق بررسی انفجار انرژی در 54 صفحه ورد قابل ویرایش
دسته بندی فنی و مهندسی
فرمت فایل doc
حجم فایل 63 کیلو بایت
تعداد صفحات فایل 54

تحقیق بررسی انفجار انرژی

فروشنده فایل

کد کاربری 6017

تحقیق بررسی انفجار انرژی در 54 صفحه ورد قابل ویرایش

مبانی تئوری انفجار:

1- مقدمه:

در طول حداقل 200 سال گذشته، كاربرد واژه انفجار متداول بوده است. در زمانهای قبل از آن این واژه به تجزیه[1] ناگهانی مواد و مخلوطهای انفجاری با صدای قابل توجهی نظیر «رعد» اطلاق شده است. این مطلب از دیرباز شناخته شده است كه انفجار تجزیه سریع مقدار معینی ماده است كه به محض رخداد یك ضربه یا گرمایش اصطكاكی اتفاق می‌افتد. بنابراین تجزیه این مواد در شرایط مناسب می‌تواند بصورت ساكت و آرام رخ دهد.

كلمه انفجار[2] از نظر فنی به معنی انبساط ماده به حجمی بزرگتر از حجم اولیه است. آزاد شدن ناگهان انرژی كه لازمه این انبساط است. غالباً از طریق احتراق سریع، دتونیشن[3] (كه در فارسی همان انفجار معنی می‌شود)، تخلیه الكتریكی با فرایندهای كاملاً مكانیكی صورت می‌گیرد. خاصیت متمایز كننده انفجار، همانا انبساط سریع ماده است. به نحویكه انتقال انرژی به محیط تقریباً بطور كامل توسط حركت ماده (جرم) انجام می‌شود. در جدول زیر مقایسه‌ای بین چند فرآیند آزادسازی انرژی انجام شده است:

برای شعله تقریباً هیچ انتقال جرمی به اطراف رخ نمی دهد در حالیكه نیروی پیشرانش یك اسلحه قادر به راندن گلوله است و یك ماده منفجره قوی[4] هر چیز در تماس با خود را تغییر شكل داده و یا ویران می‌كند. قدرت منهدم كننده این مواد را «ضربه انفجار»[5] نامیده می‌شود كه مستقیماً با حداكثر فشار تولید شده مرتبط است. توجه كنید كه در جدول (بالا)، هیچگونه توصیفی از محل رخداد (تونیشن ماده منفجره قوی ارائه نشده است. این بدان معناست كه فرایند دتونیشن از محدودیتهای فیزیكی مستقل است.

با توجه به مطالب بالا واضح است كه دتونیشن تنها یكی از انواع حالات پدیده انفجار است بعبارت دیگر واژه دتونیشن تنها باید به فرآیندی اطلاق شود كه در طی آن یك «موج شوك»[6] انتشار یابد.

متاسفانه بعلت قفرلفات مناسب فنی در زبان فارسی، دتونیشن به معنی عام انفجار ترجمه می‌شود و بنابراین در ادامه این مبحث برای پرهیز از اشتباه و رسا بودن مطلب همان واژه دتونیشن را به كار برده خواهد شد.

سرآغاز تحقیقات اخیر بر روی دتونیشن به سالهای 45-1940 م. كه «زلدویچ» و «ون نیومان» هر یك به طور جداگانه مدل یك بعدی ساختار امواج دتونیشن را فرمولبندی كردند باز می‌گردد، گرچه یك مدل واقعی سه بعدی تا اواخر سال 1950 م به تاخیر افتاد.

2- پدیده دتونیشن:

دتونیشن یك واكنش شیمیائی «خود منتشر شونده»[7] است كه در طی آن مواد منفجره اعم از مواد جامد، مایع، مخلوطهای گازی، در مدت زمان بسیار كوتاه در حد میكروثانیه. به محصولات گازی شكل داغ و پرفشار با دانسیته بالا و توانا برای انجام كار تبدیل می‌شود. فرض بگیرید قطعه‌ای از مواد منفجره، منفجر گردد. به نظر می‌رسد كه همه آن در یك لحظه و بدون هیچ تاخیر زمانی نابود می‌گردد. البته در واقع دتونیشن از یك نقطه آغازین شروع شده و از میان ماده بطرف انتهای آن حركت می‌كند. این عمل بخاطر آن آنی بنظر می‌رسد كه سرعت رخداد آن بسیار بالاست.

از نظر تئوری دتونیشن ایده‌ال واكنشی است كه در مدت زمان صفر (با سرعت بی‌نهایت) انجام شود. در اینحالت انرژی ناشی از انفجار فوراً آزاد می‌شود اصولاً زمان واكنش بسیار كوتاه یكی از ویژگیهای مواد منفجره است. هر چه این زمان كمتر باشد، انفجار قویتر خواهد بود. از نظر فیزیكی امكان ندارد كه زمان انفجار صفر باشد. زیرا كلیه واكنشهای شیمیائی برای كامل شدن به زمان نیاز دارند.

پدیده دتونیشن با تقریبی عالی مستقل از شرایط خارجی است و با سرعتی كه در شرایط پایدار[8] برای هر تركیب، فشار و دمای ماده انفجاری اولیه ثابت است منتشر می‌شود. ثابت بودن سرعت انفجار، یكی از خصوصیات فیزیكی مهم برای هر ماده منفجره می‌باشد در اثر دتونیشن، فشار، دما و چگالی افزایش می‌یابند. این تغییرات در اثر تراكم محصولات انفجار حاصل می‌گردند.

پدیده‌ای كه مستقل از زمان در یك چارچوب مرجع حركت می‌كند. «موج» نامیده می‌شود و ناحیه واكنش دتونیشن، «موج دتونیشن»[9] یا موج انفجار نامیده می‌شود. در حالت پایدار این موج انفجار بصورت یك ناپیوستگی شدید فشاری كه با سرعت بسیار زیاد و ثابت VD از میان مواد عبور می‌كند توصیف می‌شود واكنش شیمیائی در همسایگی نزدیك جبهه دتونیشن[10] است كه باعث تشكیل موج انفجار می‌شود. این موج با سرعتی بین 1 و تا 9، بسته به طبیعت فیزیكی وشیمیائی ماده منفجره حركت می‌كند. این سرعت را می‌توان با استفاده از قوانین ترموهیدرودینامیك تعیین نمود. عواملی كه در سرعت انفجار نقش دارند عبارتند از: انرژی آزاد شده در فرآیند، نرخ آزاد شدن انرژی، چگالی ماده منفجره و ابعاد خرج انفجاری.

یك مدل ساده برای این پدیده مطابق شكل زیر از یك «جبهه شوك»[11] و بلافاصله بدنبال آن یك ناحیه انجام واكنش كه در آن فشارهای بسیار بالا تولید می‌شود، تشكیل شده است. ضخامت ناحیه واكنش در انفجار ایده‌آل صفر است و هر چه انفجار بحالت ایده‌ال نزدیكتر باشد. ضخامت این ناحیه كمتر است. نقطه پایان این ناحیه، محل شروع ناحیه فشار دتونیشن[12] است.

مدل یك بعدی دتونیشن

فشار دتونیشن با رابطه زیر به سرعت دتونیشن و دانسیته مواد منفجره وابسته است:

(1)

كه P مصرف فشار دتونیشن و P مصرف چگالی محصولات و P0 چگالی ماده منفجره است. بر اساس این فرض كه چگالی محصولات دتونیشن بزرگتر از چگالی مواد منفجره اولیه است، یك رابطه كاربردی بصورت زیر استخراج می‌گردد.

(2)

از آنجا كه زمان رخداد واكنش شیمیائی در یك فرآیند دتونیشن بسیار كوتاه است. انتشار و انبساط گازهای داغ حاصل در ناحیه واكنش بسیار اندك و غیر متحمل است و لذا این گازها هم حجم مواد منفجره اولیه باقی می‌مانند. این مطلب دلیل اصلی این نكته است كه چرا فشار پشت جبهه انفجار بسیار بالاست. این فشار برای مواد منفجره نظامی در حدود Gpa 19 تا Gpa35 و برای مواد منفجره جاری كمتر است. همانطور كه قبلاً ذكر گردید، موج دتونیشن مستقل از شرایط خارجی است. علیرغم این استقلال، جریان محصولات گازی كه در پشت جبهه موج حركت می‌كنند به زمان و شرایط مرزی وابسته است برای مثال یك بلوك مستطیل بزرگ از یك ماده منفجره را در نظر بگیرید كه بر روی كل یكی از سطوح آن، به طور همزمان دتونیشن آغاز می‌شود. این سطح در خلا قرار دارد و هیچ مانعی برای انبساط گازها وجود ندارد. موج صفحه‌ای دتونیشن با سرعت ثابت بدرون ماده پیشروی می‌كند و گازهای حاصل از انفجار كه بلافاصله در پشت این جبهه موج قرار دارند با سرعتی كمتر از سرعت موج كه سرعت جرم نام دارد در همان جهت حركت می‌كنند. اما در سطح عقبی، گازها مشغول فرار در جهت مخالف هستند (در اثر خلا). همچنین فشار گاز در پشت جبهه موج بسیار بالاست، ولی در خلا پشت سر، صفر است لذا فشار بصورت منحن وار بین ایندو موقعیت تغییر می‌كند. نموداری از تغییرات فشار و سرعت جرم برای یك ماده منفجره جامد در شكل زیر نشان داده شده است.

همانطور كه ملاحظه می‌شود ناحیه همسایه منطقه واكنش بسیار كم تحت تاثیر تغییر شرایط مرزی قرار می‌گیرد.

آغاز همزمان دتونیشن از روی كل یك سطح مشكل است. در عمل آسانتر است كه آغاز انفجار از یك نقطه باشد. در اینحالت موج دتونشین از یك نقطه درون ماده منفجره گسترش یافته و گرادیان فشار در اینحالت از آنچه در شكل صفحه قبل نشان داده شده، تیزتر خواهد بود.

وقتی از مواد منفجره برای راندن و بحركت در آوردن سایر مواد و سازمان‌ها استفاده می‌شود محاسبه دقیق پروفیل فشار و سرعت جرم، ورودیهای لازم برای محاسبات حركت سازه رانده شده می‌باشد. شكل این پروفیلها به معادله حالت محصولات انفجار وابسته‌اند، معادلاتی كه تلاشهای بسیاری برای بدست آوردن آنها انجام شده و در دست انجام است.

3- موج شوك:[13]

یك موج شوك، جبهه شوك یا مختصراً یك شوك، موجی است كه در ماده یك جهش[14] فشاری (یا تنشی) ناگهانی و تقریباً ناپیوسته ایجاد می‌كند، این موج بسیار سریعتر از امواج صوتی منتشر می‌شود، بدین معنی كه این موج نسبت به محیط پیرامون خود فرا صوتی است و این خاصیت خود را بدون تغییر حفظ می‌كند.

موج شوك از جمله خواص اغلب مواد است و از خاصیتی از ماده كه بر اساس آن سرعت انتقال صوت در ماده بصورت می‌باشد منتج می‌شود. اندیس s معرف حالت آنتروپی پایاست. این موج از نظر ترمودینامیكی برگشت ناپذیر است. و لذا آنتروپی سیستم در جبهه شوك در اثر لزجت و هدایت حرارتی افزایش می‌یابد. امواج شوك كه امواج فشاری نیز نامیده می‌شوند، عامل شتابگیری ذرات ماده، در جهت انتشار خود هستند.

تاریخچه:

انرژی انفجار عمدتاً به عنوان ابزاری قدرتمند جهت تخریب به كار گرفته شده و اثرات سودمند آن كمتر مورد توجه و بررسی قرار گرفته است، با اینكه سالیان بسیاری است كه بشر این انرژی توانمند را به كار گرفته، لكن از سال 1950 تحقیقات در ضمیمه بكارگیری آن در جهت تولید و سازندگی آغاز گردید.

آنچه در ابتدای مطالعات توجه محققان را معطوف خود داشت، چگونگی رفتار قطعه در مقابل امواج دینامیك ناشی از انفجار بود كه در این راستا جهت بررسی تغییر شكل لحظه‌ای قطعات در مجاورت انفجار تلاشهایی صورت گرفته است.

با ابداعاتی كه توسط Johnson انجام گرفت، روشهای شكل دهی انفجاری جایگاه خود را در اذهان پیدا كرد. وی در سالهای 1966 و 1967 با استفاده از مختصات اگر انرژی برای مسائل دو بعدی با تقارن مدوری تحت اثر ضرب در ناحیه الاستیك – پلاستیك، یك روش تحلیلی ارائه نمود و با ارائه مثالهایی نظیر گلوله كره و استوانه نیكلی (با سرعت 150) با صفحات ضخیم آلومینیومی، آنرا تشریح كرده.

Jones در سال 1972، طی مقاله مفصلی، به بیان چگونگی پاسخ فلز به بارگذاری ضربه‌ای ناشی از انفجار یك ماده منفجره در تماس با سطح آن پرداخت. در این مقاله، سلسله اتفاقاتی كه در طی رخداد فرآیند انفجار در یك ماده منفجره رخ می‌دهد، چگونگی تولید و انتشار موج شوك در درون ماده منفجره و درون فلز و نیز برهمكنش موج شوك با فلز، به تفصیل توضیح داده شده است.

Pearson در سال 1972، در رابطه با روشهای كاربردی شكل‌دهی انفجاری، تحقیقاتی انجام داد و ضمن بیان پارامترهای موثر، فرآیندهای شكل‌دهی را با توجه به موقعیت ماده منفجره نسبت به سطح قطعه كار طبقه بندی نمود.

Zernow و Lieberman در سال 1972 با بیان چند مثال علمی، به بیان «تعامل ملاحظات فنی و اقتصادی» در فرآیندهای انفجاری پرداختند و در طی آن راهنماییهای ارزنده‌ای درباره نحوه ساخت و انتخاب جنس مواد مختلفی كه تجهیزات سیستم شكل‌دهی باید از آنها ساخته شوند بنحوی كه از لحاظ اقتصادی و فنی قابل توجیه باشند ارائه نمودند.

Heifitz در سال 1973 با ارائه مثالهائی در خصوص پوسته كروی و صفحه دایروی و مطالعه برآمدگی آنها پس از اعمال ضربه، ضمن توجه به تغییر شكلهای بزرگ و روند رشد كرنش پلاستیك با زمان، معادلات اساسی (روابط تنش- كرنش) را فقط به شكل عددی المان محدود به كار گرفته است.

Osaka و همكاران در سال 1986، تغییر شكل ورقهای گرد را برای ساخت مخازن تحت فشار، بوسیله انفجار در زیر آب و با استفاده از مختصات لاگرانژی و استفاده از روش تفاضل محدود مورد بررسی قرار داده‌اند و در بررسی معادلات تنش- كرنش، رفتار فلز را فقط بصورت الاستیك- كاملاً پلاستیك در نظر گرفته‌اند.

Fujita و همكاران در سال 1995 با ارائه سه مدل رفتاری در ناحیه الاستیك- پلاستیك صفحه فلزی تحت اثر بار ناگهانی با فشار یكنواخت را تحلیل نمودند و نشان دادند كه اثر موجهای خمشی روی مكانیزم تغییر شكل، با روش تحلیلی یكسان است و حاصل كار هماهنگی خوبی را نشان می‌دهد، حتی اگر اثرات كرنش و نرخ سخت شوندگی آن بر روی تغییر شكلهای بوجود آمده منظور شود.

Comstockr و همكاران در سال 2001 روش جدیدی برای شبیه‌سازی آزمایشهای شكل‌دهی انفجاری صفحات، ارائه كردند و نشان دادند كه این روش ابزار مهمی برای تشخیص شكل‌پذیری و تحمل بارهای خارجی برای آلیاژهاست. این شبیه‌سازی، بوسیله تئوری قوی و در محدوده بزرگی از تغییر شكل (تا حد كشش عمیق) انجام شده است، ولی در طی آن به عامل زمان و سرعت بارگذاری توجهی نشده است.

Mynors و Zhang در سال 2002 و در طی یك مقاله بسیار مفصل به بررسی همه جانبه تواناییها و قابلیت‌های شكل‌دهی انفجاری پرداختند. در تاریخچه این اثر تحقیقی، روندی كه در طی آن فرآیند شكل‌دهی انفجاری به یك روش تولیدی موفق و سودمند تبدیل شده است شرح داده شده است.

در طی یك ده اخیر توسط لیاقت و همكاران، تحقیقات گسترده‌ای در داخل كشور، بر روی فرآیندهای شكل‌دهی در سرعتهای بالا انجام گرفته و در حال انجام است مخصوصاً آزمایشهای شكل‌دهی انفجاری آنان كه به منظور تولید قطعات مخروطی برای كاربردهای نظامی و غیر نظامی انجام گرفت. بسیار قابل توجه است.

درویزه، پاشایی در سال 1381 با ساحت دستگاه شكل‌دهی ورقهای فلزی بروش انفجار مخلوط گازها، فعالیت‌های داخلی را وارد مرحله جدیدی نمود. استفاده از گاز بعنوان ماده منفجره یكی از جدیدترین رویكردهای شكل‌دهی انفجاری است.

شكل‌دهی فلزات با سرعت بالا:

فرایندهای شكل‌دهی فلزات در سرعت بالا (H.V.F) High Velocity Forming یكی از دستاوردهای مهم و ارزشمند صنعتی در عصر اتم و فضا محسوب می‌شود. این فرایندها ثابت كرده‌اند كه در حل بسیاری از مسائل و مشكلات تولید كه با استفاده از روشهای صنعتی بسیار مشكل، زمانبر و گران تمام می‌شود. بسیار مفید و توانمند هستند بزرگ شدن ابعاد قطعه‌كار، لزوم استفاده از مواد بسیار سخت و مقاوم در برابر روشهای متداول ماشینكاری و لزوم تولید قطعاتی دقیق و پیچیده از عوامل توسعه و پیشرفت دانش فنی این روش محسوب می‌شود اما عمده‌ترین مزیت این روشها، قابلیت آنها برای شكل‌دهی قطعات یكپارچه بسیار پیچیده، تنها در یك مرحله كاری می‌باشد. در حالیكه تولید چنین قطعاتی با روشهای سنتی تولید، ممكن است در چند مرحله و به كمك چندین فرایند جداگانه انجام شود و در نهایت به تولید یك سازه جوشكاری شده بینجامد. ]1[

گستردگی و تنوع منابع انرژی و روشهای اعمال آن برای تغییر شكل قطعه كار، سطح و توانایی روشهای شكل‌دهی سریع را قابل مقایسه و رقابت با روشهای سنتی شكل نموده است گسترده موادی كه در این روش قابل استفاده‌اند بسیار متنوع است. فلزاتی چون آلومینیم، بریلویم، تیتانیوم، فولادهای كربنی و آلیاژی، سوپر آلیاژا، فولادضد زنگ، مس، برنج و … بطور گسترده در این روش استفاده می‌شوند. ]1[

رفتار ماده در شكل‌دهی آن بسیار مهم است و فاكتورهائی چون اثر سرعت بر شكل‌پذیری و مقاومت ماده، پایداری هندسی و اثرات موج بر روی قطعه كار باید مد نظر قرار گرفته شود. همچنین اصطكاك بین سطح قطعه كار و سطح قالب نیز از جمله نكات مهم محسوب می‌شود. ضریب اصطكاك معمولاً با افزایش سرعت نسبی بین قطعه، قالب كاهش می‌یابد. در نتیجه این افزایش سرعت، دما به مقدار قابل ملاحظه‌ای افزایش خواهد یافت و در نتیجه روانساز بین قطعه و قالب تجزیه شده و از بین خواهد رفت. در سرعتهای بالا، دما ممكن است بعدی بالا كه یك لایه نازك از فلز در سطح تماس قطعه و قالب ذوب شده و خود بعنوان روانساز عمل كند. ]1[

ضرورتهای استفاده از شكل‌دهی با سرعت بالا عبارتند از:

مواد منفجره ضعیف: ]6[

انفجارهای ضعیف در فضاهای محدود انجام می گیرند و مواد منفجره ضعیف معمولاً در تركیبات بصورت ذرات دانه‌ای شكل به اشكال و اندازه‌های مختلف ساخته می‌شوند. سوزش این نوع مواد با گرما شروع می‌شوند و سوزاندن با افزایش فشار بطور خطی افزایش می‌یابد و ماكزیمم فشار متناسب با بار دانسیته خالی شده می‌باشد (حجم تقریبی مواد منفجره سوخته شده/ وزن مواد منفجره= دانسیته بار)، فشار تقریبی pa108×5/3 از دانسیته بار 26/0 گرم در سانتی‌متر مكعب نتیجه می‌شود زمان دست یافتن به فشار ماكزیمم و مدت سوختن معمولاً در محدوده 5 تا 25 میكروثانیه می‌باشد. دانسیته بار، شكل و اندازه دانه‌های مواد منفجره در قابلیتهای انواع منفجره تاثیرگذار هستند.

2- مواد منفجره قوی: ]6[

وسیع‌ترین مواد منفجره مورد مصرف دارای تركیبات شیمیایی واحدی هستند كه معمولاً از تركیبات نیتروژن همراه با مخلوط الكلها و اسید نیتریك ساخته می‌شود. ماده اصلی با تركیباتی از نرم كننده‌های چسباننده‌ها و پركننده‌ها مخلوط می‌گردند. از شكسته شدن مولكول ماده منفجره، منواكسید كربن، دی اكسید كربن آب و مقدار زیادی انرژی تولید می‌شود.

فرآیند انفجار بصورت پیوسته در مدت زمان كوتاهی اتفاق می‌افتد، سرعت انفجار مواد منفجره بكار رفته بطور عادی تقریباً 6100 است، فشار بطور آنی در جلو انفجار حدود pa109×9/6 می‌رسد انفجار در مواد منفجره تجارتی با چاشنی آغاز می‌شود.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *