Экспериментальное исследование автомодельных закономерностей разрушения керамик при ударно-волновом нагружении
Автор: Банникова И.А., Уваров С.В., Наймарк О.Б.
Статья в выпуске: 3, 2015 года.
Бесплатный доступ
Исследуются статистические закономерности фрагментации керамических трубчатых образцов при динамическом нагружении, инициированном электрическим взрывом проводника (ЭВП), расположенным вдоль оси образца, погруженного в жидкость (дистиллированная вода). Амплитуда импульсного нагружения образцов в установке ЭВП регулировалась изменением энергии на емкостной батарее. Длительность разряда составляла 0,3-0,8 мкс. Фрагменты разрушенного образца собирались для дальнейшего анализа. Масса собранных фрагментов в среднем составляла 98 % от массы исходного образца. Размеры (масса) фрагментов разрушенного образца определялись двумя методами: «взвешивания» и «фотографии». Результаты, полученные обоими методами, хорошо согласуются. Фрагменты можно разделить на два класса: квазидвумерные (2D), для которых характерный размер фрагмента d* больше или равен толщине стенки трубки d, и трехмерные (3D), для которых характерный размер меньше толщины стенки. Обнаружено, что статистика распределения 3D-фрагментов описывается степенным законом распределения, где значение степени оставалось постоянным и не зависело от удельной энергии разрушения. В то же время распределение 2D-фрагментов описывалось экспоненциальной функцией. Показано, что точка излома в распределениях фрагментов смещается в сторону меньших масштабов с увеличением удельной энергии. Обосновывается предположение о существовании двух типов распределений: для фрагментов различных масштабов (экспоненциального и степенного) и характерного значения удельной энергии для образцов с отношением толщины трубки к внутреннему радиусу, меньшему единицы.
Электровзрыв проводника, керамика, фрагментация, автомодельные закономерности, экспоненциальный и степенной законы распределения
Короткий адрес: https://sciup.org/146211571
IDR: 146211571 | УДК: 539.4 | DOI: 10.15593/perm.mech/2015.3.03
Experimental research of self-regularities of ceramics fracture under shock wave loading
A series of UEWE (underwater electrical wire explosion) experiments were carried out to study the fragmentation of ceramic tubes under shock wave (SW) loading caused by explosion of the axial conductor. The amplitude of shock wave loading of the samples in the UEWE setup was regulated by varying the energy of the battery of capacitors charged by high voltage source. Duration of the discharge was 0,3-0,8 µs. The statistical distribution of the tube fragments was determined by gathering fragments from the bottom of the explosion chamber. The mass of the collected fragments was about 98 % of the mass of the original sample. The size of fragments estimated by two methods is “weighing” and “photography”. The “photography” method was based on the form factor of fragments, which was calculated separately. The distributions obtained by both techniques were in good agreement. Since the mass of the tubes was varied, the parameter of the specific energy of the loading pulse was introduced in order to correlate the data. The collected fragments can be divided into two classes: quasi-two dimensional objects (2D) with characteristic fragment size d* is greater or equal to the thickness d of the tube wall and three-dimensional (3D) with characteristic size less than the wall thickness. It was found that the distribution of the 3D objects could be described by a power law, in which the value of the power remains constant and does not depend on the specific energy. Distribution of the 2D fragments obeys an exponential law. It is shown that the inflection point of the fragment distribution curve is shifted toward smaller scales with increasing of the specific energy. The existence of different distributions for the different scale of the fragments is explained.
Список литературы Экспериментальное исследование автомодельных закономерностей разрушения керамик при ударно-волновом нагружении
- Meibom A., Balslev I. Composite power laws in shock fragmentation//Physical Review Letters. -1996. -Vol. 76. -No. 14. -P. 2492-2494.
- Katsuragi H., Ihara S., Honjo H. Explosive fragmentation of a thin ceramic tube using pulsed power//Physical Review Letters. -2005. -Vol. 95(9), 095503. -P. 095503(1-4). DOI: DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.095503
- Grady D. Fragmentation of rings and shells. -Springer -Verlag Berlin Heidelberg, 2006. Printed in Germany. -374 p.
- Давыдова М.М., Уваров С.В., Наймарк О.Б. Пространственно-временная масштабная инвариантность при динамической фрагментации квазихрупких материалов//Физ. мезомех. -2015. -Т. 18, № 1. -С. 100-107.
- Статистика осколков, образующихся при разрушении твердых тел взрывом/Э.А. Кошелев, В.М. Кузнецов, С.Т. Софронов, А.Г. Черников//ПМТФ. -1971. -№ 2. -С. 87-100.
- Fragmentation of shells/F.K. Wittel, F. Kun, H.J. Herrmann, B.H. Kröplin//Physical Review Letters. -2004. -Vol. 93. -No. 3. -P. 035504(1-4).
- Ching Emily S.C., Lui S.L., Xia Ke-Qing. Energy dependence of impact fragmentation of long. Glass rods//Physica A. -2000. -Vol. 287 -P. 83-90.
- Katsuragi H., Sugino D., Honjo H. Crossover of weighted mean fragment mass scaling in two-dimensional brittle fragmentation//Physical Review E. -2004. -Vol. 70(62), 065103. -Р. 065103/1-065103/4. DOI: DOI: 10.1103/PhysRevE.70.065103
- Mott N.F. A theory of the fragmentation of shells and Bombs//Ministry of Supply. -1943. -No. A.C.4035.
- Mott N.F. Fragmentation of Shell Cases//Proc. Royal Soc. -1947. -Vol. 189. -No. 1018. -P. 300-308. DOI: DOI: 10.1098/rspa.1947.0042
- Davydova M., Uvarov S. Fractal lows for spatial and temporal variables of brittle fragmentation//Proceeding of the 19th European Conference on Fracture “Fracture Mechanics for Durability reliability and Safety”, Kazan, Russia, 26-31 August 2012. -Kazan, 2012. -(119). -(СD-ROM).
- Davydova M., Uvarov S. Fractal statistics of brittle fragmentation//Fracture and Structural Integrity. -2013. -Vol. 24. -P. 60-68. DOI: DOI: 10.3221/IGF-ESIS.24.05
- Chace W.C. Exploding wires//Physics Today. -1964. -Vol. 17. -No.8. -P. 19-24.
- Образование страт при быстром электрическом взрыве цилиндрических проводников/В.И. Орешкин, К.В. Хищенко, П.Р. Левашов, А.Г. Русских, С.А. Чайковский//Теплофизика высоких температур. -2012. -Т. 50, № 5. -С. 625-637. DOI: DOI: 10.1134/S0018151X12050148
- Экспериментальное исследование неньютоновских свойств воды в условиях электровзрывного нагружения/И.А. Банникова, С.В. Уваров, Ю.В. Баяндин, О.Б. Наймарк//ПЖТФ. -2014. -Т. 40. -Вып.17. -C. 87-93. DOI: DOI: 10.1134/S1063785014090041
- Simulation of electric explosion of metal wires/V.I. Oreshkin, R.B. Baksht, A.G. Rousskikh, A.V. Shishlov, P.R. Levashov, I.V. Lomonosov, K.V. Khishchenko, I.V. Glazyrin//AIP Conf. Proc. -2002. -Vol. 651. -P. 384-387. DOI: DOI: 10.1063/1.1531356
- Банникова И.А., Наймарк О.Б., Уваров С.В. Разработка методики по исследованию релаксационных свойств жидкостей с использованием электровзрывной установки//XV Харитоновские тематические научные чтения. Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны: тр. междунар. конф. -Саров, 2013. -C. 745-750.
- Долгобородов А.Ю., Воскобойников И.М. Скорость звука в ударно-сжатых корунде, карбиде бора и карбиде кремния//Журнал технической физики. -1993. -Т. 63. -Вып. 2. -С. 203-208.
- Морфология разрушения цилиндрических оболочек на волновой стадии/Е.Ф. Грязнов, Е.В. Карманов, В.В. Селиванов, С.В. Хахалин//Проблемы прочности. -1984. -№ 8. -С. 89-92.
- Динамическая стохастичность и скейлинг при распространении трещины/О.Б. Наймарк, В.А. Баранников, М.М. Давыдова, О.А. Плехов, С.В. Уваров//Письма в ЖТФ. -2000. -Т. 26. -№ 6. -С. 67-77. DOI: DOI: 10.1134/1.1262809
- Exponential and power-law mass distributions in brittle fragmentation/J.A. Åström, R.P. Linna, J. Timonen, P.F. Moøller, L. Oddershede//Physical Review E. -2004. -Vol. 70(22), 026104. -P. 026104-1-026104-7. DOI: DOI: 10.1103/PhysRevE.70.026104
- Katsuragi H., Sugino D., Honjo H. Scaling of impact fragmentation near the critical point//Physical Review E. -2003. -Vol. 68(42), 046105. -P. 0461051-0461056.
- Grady D.E., Kipp M.E. Geometric statistics and dynamic fragmentation//J. Appl. Phys. -1985. -Vol. 58. -No. 3. -P. 1210-1222. DOI: DOI: 10.1063/1.336139
- Oddershede L., Dimon P., Bohr J. Self-organized criticality in fragmenting//Physical Review Letters. -1993. -Vol. 71. -No. 19. -P. 3107-3110.
- Kadono T. Fragment mass distribution of platelike objects//Physical Review Letters. -1997. -Vol. 78. -No. 8. -P. 1444-1447.
- Kadono T., Arakawa M. Crack propagation in thin glass plates caused by high velocity impact//Physical review E. -2002. -Vol. 65(3), 035107. -P. 035107/1-035107/4. DOI: DOI: 10.1103/PhysRevE.65.035107
- Сильвестров В.В. Применение распределения Гилварри для описания статистики фрагментации твердых тел при динамическом нагружении//Физика горения и взрыва. -2004. -Т. 40, № 2. -С. 111-124.
- Experimental analysis of lateral impact on planar brittle material/F.P.M. Dos Santos, V.C. Barbosa, R. Donangelo, S.R. Souza//Physical Review E. -2010. -Vol. 81(4). -P. 046108(1-9). DOI: DOI: 10.1103/PhysRevE.81.046108
- Study of ceramic tube fragmentation under shock wave loading/I. Bannikova, S. Uvarov, M. Davydova, O. Naimark//Procedia Materials Science, ECF 20, Norway. -2014. -Vol. 3. -P. 592-597. DOI: DOI: 10.1016/j.mspro.2014.06.098
- Bannikova I., Uvarov S., Naimark О. Analysis of fragmentation statistics of alumina tubular specimens//AIP Publishing LLC. -2014. -Vol. 1623. -P. 59-62. DOI: DOI: 10.1063/1.4898882
- Brodskii R.Ye., Konevskiy P.V., Safronov R.I. Size distribution of sapphire fragments in shock fragmentation//Functional Materials. -2011. -Vol. 18. -No. 2. -P. 200-205.
- Банникова И.А., Наймарк О.Б., Уваров С.В. Исследование фрагментации трубчатых керамических образцов с использованием электровзрывной установки//Иерархически организованные системы живой и неживой природы: материалы междунар. конф. -Томск: ИФПМ СО РАН, 2013. -С. 206-209. (CD диск).
