Прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки

Приведена оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки. Определен профиль сопла, что позволяет получить импульсную струю воды с заданной скоростью при минимальном давлении внутри установки. Исследуется напряженно-деформированное состояние как для реального экспериментального устройства, так и...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2006
Hauptverfasser:	Гескин, Э.С, Петренко, О.П., Русанова, О А., Семко, А.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2006
Schriftenreihe:	Проблемы прочности
Schlagworte:	Производственный раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47836
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки / Э.С. Гескин, О.П. Петренко, О А. Русанова, А.Н. Семко // Проблемы прочности. — 2006. — № 2. — С. 137-146. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-47836
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-478362013-08-02T21:34:22Z Прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки Гескин, Э.С Петренко, О.П. Русанова, О А. Семко, А.Н. Производственный раздел Приведена оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки. Определен профиль сопла, что позволяет получить импульсную струю воды с заданной скоростью при минимальном давлении внутри установки. Исследуется напряженно-деформированное состояние как для реального экспериментального устройства, так и для случая оптимальной геометрии. Расчет проводился по максимальному распределению давления воды на ствол, полученному с помощью численного метода Годунова, что позволяет сконструировать более легкое, мобильное и мощное устройство. Наведено оптимізацію сопла ствола порохової гідропушки. Визначено профіль ствола, що дозволяє отримати імпульсний водяний струмінь із заданою швидкістю при мінімальному тиску всередині установки. Досліджено напружено-деформований стан для реального експериментального пристрою і для випадку оптимальної геометрії. Розрахунок проводили за максимальним розподілом тиску води на ствол, отриманому за допомогою числового методу Годунова. Це дозволяє сконструювати більш легкий, мобільний і потужний пристрій. We have conducted optimization of powdercharge water jet barrel nozzle. We have determined the nozzle geometry, which provides water jet pulse with the preset rate at the minimal pressure within the device. We study the stress-strain state of both real test device, and the one with the optimal geometry. Calculations are made for the case of water pressure maximal distribution along the water jet nozzle, assessed using the Godunov numerical method. The results obtained are useful for the design of more light, mobile and powerful water jets. 2006 Article Прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки / Э.С. Гескин, О.П. Петренко, О А. Русанова, А.Н. Семко // Проблемы прочности. — 2006. — № 2. — С. 137-146. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47836 621.22.011 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Производственный раздел Производственный раздел
spellingShingle	Производственный раздел Производственный раздел Гескин, Э.С Петренко, О.П. Русанова, О А. Семко, А.Н. Прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки Проблемы прочности
description	Приведена оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки. Определен профиль сопла, что позволяет получить импульсную струю воды с заданной скоростью при минимальном давлении внутри установки. Исследуется напряженно-деформированное состояние как для реального экспериментального устройства, так и для случая оптимальной геометрии. Расчет проводился по максимальному распределению давления воды на ствол, полученному с помощью численного метода Годунова, что позволяет сконструировать более легкое, мобильное и мощное устройство.
format	Article
author	Гескин, Э.С Петренко, О.П. Русанова, О А. Семко, А.Н.
author_facet	Гескин, Э.С Петренко, О.П. Русанова, О А. Семко, А.Н.
author_sort	Гескин, Э.С
title	Прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки
title_short	Прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки
title_full	Прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки
title_fullStr	Прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки
title_full_unstemmed	Прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки
title_sort	прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Производственный раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47836
citation_txt	Прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки / Э.С. Гескин, О.П. Петренко, О А. Русанова, А.Н. Семко // Проблемы прочности. — 2006. — № 2. — С. 137-146. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Проблемы прочности
work_keys_str_mv	AT geskinés pročnostnojrasčetioptimizaciâsoplastvolaporohovojgidropuški AT petrenkoop pročnostnojrasčetioptimizaciâsoplastvolaporohovojgidropuški AT rusanovaoa pročnostnojrasčetioptimizaciâsoplastvolaporohovojgidropuški AT semkoan pročnostnojrasčetioptimizaciâsoplastvolaporohovojgidropuški
first_indexed	2025-07-04T07:53:22Z
last_indexed	2025-07-04T07:53:22Z
_version_	1836702083273719808
fulltext	ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ УДК 621.22.011 Прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки Э. С. Гескина, О. П. Петренкоа, О. А. Русанова6, А. Н. Семко6 а Нью-Джерсийский технологический институт (NJIT), Нью-Арк, Нью-Джерси, США 6 Донецкий национальный университет, Донецк, Украина Приведена оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки. Определен профиль сопла, что позволяет получить импульсную струю воды с заданной скоростью при минимальном давлении внутри установки. Исследуется напряженно-деформированное состояние как для реального экспериментального устройства, так и для случая оптимальной геометрии. Расчет проводился по максимальному распределению давления воды на ствол, полученному с помощью численного метода Годунова, что позволяет сконструировать более легкое, мо бильное и мощное устройство. К лю ч е в ы е с л о в а : профиль сопла, давление, метод Годунова, импульсная струя воды. Введение. Одной из наиболее исследованных установок для генериро вания импульсных струй жидкости, которые используются для разрушения крепких пород и материалов, является гидропушка. В ней реализуется инерционный принцип разгона воды, ускорение которой происходит в про цессе ее втекания в длинное сужающееся сопло. Задачи внутренней баллис тики гидропушки хорошо исследованы [1-4]. Развитые методы численных расчетов позволяют с достаточной точностью определять характеристики установок разных типов, в частности распределение давления внутри уста новки в различные моменты времени. Известно, что для получения высокоскоростных струй жидкости в корпусе гидропушки должно быть создано высокое давление [1], величина которого может находиться на пределе прочности материала. Точное значе ние этого давления необходимо для конструирования надежного и безопас ного устройства. Несмотря на это, вопросам прочностного расчета уделя лось недостаточно внимания. Обычно гидропушка моделируется как скреп ленные цилиндры, прочностной расчет проводится при постоянном стаци онарном максимальном давлении. В данной работе исследуется напряженно-деформированное состояние экспериментальной пороховой гидропушки с учетом реальной геометрии (используется в Water Jet лаборатории Нью-Джерсийского технологического института [5]) при наиболее опасном, критическом распределении давления, которое было получено по методу Годунова. Приведенный прочностной © Э. С. ГЕСКИН, О. П. ПЕТРЕНКО, О. А. РУСАНОВА, А. Н. СЕМКО, 2006 ISSN 0556-I7IX. Проблемы прочности, 2006, № 2 137 Э. С. Гескин, О. П. Петренко, О. А. Русанова, А. Н. Семко расчет гидропушки позволит улучшить конструкцию, снизить затраты на изготовление и сделать ее мобильнее. Параметры струи гидропушки существенно зависят от формы ее сопла. Определение профиля сопла, позволяющего получить импульсную струю воды с заданной высокой скоростью при минимальном давлении внутри установки, является важной задачей проектирования гидропушки. Приве дена оптимизация сопла пороховой гидропушки, что совместно с прочност ным расчетом даст возможность уменьшить ее вес и увеличить мощность. 1. Устройство, принцип работы и математическая модель пороховой гидропушки. Пороховая гидропушка (рис. 1) состоит из камеры сгорания 1, цилиндрического ствола 3, в котором между пыжами 6 находится водяной заряд 2, сужающегося сопла 4, заканчивающегося цилиндрическим коллима тором 5. Процессы в такой гидропушке начинаются с момента воспла менения пороха с помощью капсюля 7. Пороховые газы приводят в дви жение водяной заряд и разгоняют его в стволе. При втекании в сужающееся сопло водяной поток продолжает ускоряться и истекает наружу с большой скоростью. Обычно сопло заканчивается коллиматором - цилиндрическим участком, который служит для стабилизации струи и выравнивания ско рости по ее длине. 6 а Математическая модель гидропушки обычно строится при следующих допущениях. Принимается, что жидкость - идеальная и сжимаемая, вязкос тью, теплопроводностью и радиальным течением пренебрегают (квазиодно- мерное приближение) [1, 6, 7]. Влияние пыжей не учитывается. Граница раздела пороховые газы - вода считается плоской в течение всего выстрела. За начальный принимается момент воспламенения пороха, начало координат располагается у входа в сопло, ось х направлена вдоль оси установки. В принятой постановке квазиодномерное движение воды в гидропушке описывается системой уравнений нестационарной газовой динамики [6, 7]: д р Г д р ^ 0 д р уГ + д( р у 2 + р )Г )п ~ + ~ = 0 ~ + — д:̂ — = Р 1 Х ’ р = в [ ( р / р ° } - 1] (1) 138 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 2 Прочностной расчет и оптимизация сопла с начальными и граничными условиями V(0, х ) = 0; р(0, х ) = 0; р(0, х ) = 0; (2) Р ( і , х у ) = 0; р ( і , Xg) = p g ; V( і , Xg) = (3) где г - время; х - координата; V - скорость воды; Б - площадь поперечного сечения сопла; р и р - давление и плотность; В = 304,5 МПа, п = 7,15, 'У р о =1 г/см - постоянные в уравнении состояния воды в форме Тэта [4]; х § о, х ^о и х § , х у - соответственно начальные и текущие координаты контактной и свободной поверхностей; р ё и - давление и скорость пороховых газов на контактной поверхности. Горение пороха рассматривалось в квазистационарном приближении при допущениях, характерных для задач внутренней баллистики в артил лерии [8]: порох воспламеняется мгновенно и горит адиабатически парал лельными слоями по геометрическому закону; химический состав продуктов сгорания постоянный, их параметры одинаковые по объему и связаны упрощенным уравнением Ван-дер-Ваальса, учитывающим только собствен ный объем молекул. Система уравнений и начальные условия, описывающие квазистационарное горение пороха, имеют вид й2 «і Р ^ ^ «1 Рg - = тр 0 х М 2) - й і Ні 1 й ( Р g Vg ) Ні к -1 йі + Р КРи„ = д д . dV„ йх „ = Qg (1/ Р р — а ) + Vg F ; Vg = йі 2 = 0; V„ = V, й і ’ g ' g0; p g p g 0; x g x g (4) где Н1 - половина толщины порохового зерна; 2 - толщина сгоревшего слоя, отнесенная к Н1; «1 - постоянная скорости горения; Q g - скорость прихода пороховых газов; х 1 и о ( 2 ) - коэффициент и функция, зависящие от формы порохового зерна (например, для зерна трубчатой формы х 1 = = 1+ Н1/ с , о ( 2 ) = 1 — 2Н12 / ( с + Н1); с - половина длины порохового зерна); а - поправка на собственный объем молекул; т Р 0 - начальная масса пороха; к - показатель адиабаты пороховых газов; д и р р - удельная теплота сгорания и плотность пороха; Vg - объем пороховых газов; Vg0, Р &0 - параметры газа после срабатывания воспламенителя. 2. Расчет внутренней баллистики. Теоретические и эксперименталь ные исследования проводили на пороховой гидропушке, имеющей следу ющие параметры: диаметр ствола 32 мм, диаметр сопла 15 мм, длина сопла 70 мм, длина коллиматора 60 мм, масса водяного заряда 230 г, длина разгона водяного заряда 110 мм, охотничий порох марки “ВТ” массой 40 г, объем камеры сгорания 41,7 см , начальное давление пороховых газов 5 МПа, ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 2 139 Э. С. Гескин, О. П. Петренко, О. А. Русанова, А. Н. Семко прорывное давление пороховых газов 30 МПа, показатель адиабаты продук тов сгорания 1,257, коволюм пороховых газов 0,00121 м /кг, масса установ ки 15,2 кг Распределение давления и скорости струи внутри пороховой гидро пушки получено по методу Годунова [9], обобщенному на случай нестаци онарных движений жидкости [1, 6, 7]. Расчеты проводились с момента воспламенения пороха до окончания вытеснения жидкости из сопла гидро пушки. Расчетная сетка - равномерная и подвижная, перемещающаяся вмес те со свободной и контактной поверхностями. При истечении струи на срезе сопла ставилось такое же граничное условие, как и на свободной поверх ности (3). Система обыкновенных дифференциальных уравнений (4) реша лась улучшенным методом Эйлера второго порядка аппроксимации. Распределение давления в стволе гидропушки для моментов времени г = 1,05; 1,15 и 1,25 мс приведено на рис. 2. Видно, что давление достигает максимального значения 556 МПа на момент времени 1,15 мс. С развитием процесса давление падает. Прочностной расчет проводился для критичес кого значения давления. Р , МПа 400 200 0 ОД 0,2 0,3 х, м Рис. 2. Распределение давления в стволе гидропушки на моменты времени 1,05 (1) 1,15 (2) и 1,25 мс (3). 3. Прочностной расчет. Напряженно-деформированное состояние гидро пушки рассчитывается следующим образом. Гидропушка моделируется как скрепленные цилиндры, прочностной расчет проводится в стационарной постановке по максимальным значениям давления в разных сечениях гидро пушки. Рассчитываемый ствол - двухслойный и изготовлен с заданным натягом. Расчет осуществляется по наиболее опасному сечению, положение которого определяется по максимальному давлению в сопле гидропушки при выстреле и по радиусу сопла в этом сечении. По данным параметрам в рамках стационарной модели определяются предельные напряжения в мате риале. В действительности, как видно из рис. 1,6, ствол гидропушки не ци линдрический, а конический. Процессы в гидропушке носят кратковремен ный характер, и давление изменяется за доли миллисекунды. Расчет на прочность проводился для реальной геометрии экспериментальной порохо вой гидропушки (рис. 1,6) при максимальном давлении в сопле (рис. 2). 140 1&$М 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 2 Прочностной расчет и оптимизация сопла Один из наиболее используемых методов при расчете - метод конечных элементов, который лежит в основе вычислительного аппарата програм много комплекса ANSYS. В настоящее время аналитический комплекс ANSYS является одной из немногих программ, обладающих достаточной функциональной полнотой и содержащих все необходимые для работы расчетчика средства. Для решения данной задачи программа ANSYS/ Structural позволяет выполнить сложный прочностной анализ конструкций с учетом разнообразных нелинейностей, в частности геометрической и физи ческой. Задача решается в рамках теории упругости с учетом контактных явле ний. Вследствие симметрии для ее решения применяется осесимметричная постановка. При построении конечноэлементной модели используются 19000 — 3 2узлов, размер элемента составляет 10 м . Дискретизация проводится с помощью твердотельного 8-узлового элемента PLANE82, что позволяет решать задачу в осесимметричной постановке. Кроме того, использование более чем одной формы данного элемента дает возможность построить преимущественно упорядоченную прямоугольную сетку, и только там, где это невозможно, применить треугольные элементы. Механические свойства стали следующие: модуль упругости Е = 2 - 1011 Па; коэффициент Пуассона v = 0,3; коэффициент трения между стволом и бандажом л = 0,2. Внутреннее давление, рассчитанное по методу Годунова, задается с помощью сеточной функции в 128 точках, не связанных с узлами сетки, и функции *SET,PAR, определяющей набор данных, которые необходимо перевести из файла результатов в базу данных. Программа ANSYS использует линейную интер поляцию для задания значения нагрузки в узлах сетки. Согласно четвертой (энергетической) теории прочности, удельная по тенциальная энергия изменения формы является причиной достижения пре дельного напряженного состояния. Эта теория хорошо работает для плас тичных материалов и учитывает все три главных напряжения, условие для которых может быть записано в виде a eq = VV2((о 1 — о 2 )2 + ( о 1 — о 3 )2 + ( о 3 — о 2 )2) ^ [оL где a eq - эквивалентное напряжение по Мизесу; о 1, о 2 , о 3 - главные напряжения. Рис. 3 иллюстрирует полученные в результате расчета эквивалентные напряжения по Мизесу. Для материала экспериментальной установки имеем [о ]= 1520 МПа. Металл в скрепленной части конструкции претерпевает знакопеременное нагружение. До выстрела конструкция находилась в напря женном состоянии сжатия. В процессе выстрела увеличивается давление, ствол деформируется и деформации сжатия исчезают, а появляются дефор мации растяжения. Результирующее напряжение находится далеко от преде ла прочности материала. Возникшие в правой части бандажа высокие напря жения объясняются краевыми эффектами. Расчет показал, что конструкцию можно облегчить. ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 2 141 Э. С. Гескин, О. П. Петренко, О. А. Русанова, А. Н. Семко Рис. 3. Эквивалентные напряжения по Мизесу. При использовании сплавов титана, которые имеют небольшую плот ность, но высокую удельную прочность, теплостойкость и хорошую сопро тивляемость коррозии, массу гидропушки можно уменьшить до 42%. Сни зить массу можно также при использовании современных композитных материалов. В качестве теста гидропушка моделировалась как система скрепленных цилиндров. Задача определения напряженно-деформированного состояния скрепленных цилиндров, находящихся под действием внутреннего давления, решалась с помощью программы А ^ У Б и теоретически методами сопро тивления материалов. Полученные результаты хорошо согласуются между собой. 4. Оптимизация сопла гидропушки. Поскольку ускорение воды в гидропушке происходит по мере ее втекания в сопло, форма последнего су щественно влияет на такие важные параметры, как максимальное давление внутри установки и максимальная скорость струи. Поэтому определение про филя сопла, позволяющего получить импульсную струю воды с заданной скоростью при минимальном давлении внутри установки, является важной задачей проектирования гидропушки, которую можно решить как вариацион ную задачу или как задачу параметрической оптимизации. В первом случае составляется функционал, задаются соответствующие ограничения и находит ся профиль сопла, обеспечивающий экстремум функционалу. Во втором слу чае задаются определяющие критерии (например, максимальная скорость струи, длина высокоскоростного водяного потока, максимальное давление внутри установки, общая форма сопла) и путем подбора вариантов для задан ной общей формы сопла (например, сопло должно состоять из двух коничес ких участков) находят его узловые точки. В настоящей работе для определе ния оптимального сопла пороховой гидропушки используется первый подход. Рассмотрим следующую задачу. Необходимо подобрать профиль сопла, который состоит из двух конических частей и обеспечивает максимальную скорость струи не менее 1500 м/с. При этом длина сопла вместе с колли матором, его радиус и радиус ствола остаются постоянными, а давление в сопле должно быть как можно меньше и не превышать 1000 МПа. Для сравнения возьмем сопло из одного конуса. Изготовление конических сопел по сравнению с другими, например экспоненциальными, значительно проще и дешевле, так как осуществляется с помощью стандартных разверток. Рассмотрим оптимизацию гидропушки по импульсу струи. В качестве критерия оптимизации выберем импульс эффективной части струи [10], который определяется интегрированием по времени от начала истечения 142 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 2 Прочностной расчет и оптимизация сопла Ьош1 до момента 1е уменьшения скорости струи до 0,85 от максимальной за время выстрела: ^е 1 = 5 р 0 Ж > (5) где F s - площадь выходного сечения сопла; u s - скорость истечения. Оптимизируется сопло, состоящее из двух конусов. При этом варьиру ются длина L si и радиус Rsl первого конуса. Общая длина сопла L s, входной R c и выходной R s радиусы остаются постоянными. Кроме того, из соображений допустимости квазиодномерного приближения наклады валось ограничение на углы наклона образующих конических поверхнос тей: 0,05 < р < л / 4. Для решения задачи использовался алгоритм поиска локального безусловного минимума нелинейной функции симплекс-мето дом. Этот алгоритм входит в оптимизационный пакет Matlab и реализован в Matlab Math Library. Программа расчета выстрела гидропушки позволяет рассчитать критериальную функцию и ее значение fminsearch, которое реа лизует безусловный поиск экстремума. Математически задача сводится к нахождению координат x = L si и r = R si, доставляющих максимум функционалу (5), при следующих огра ничениях: 0 < x < L s ; R s < r < R c ; R c — r R c — r — ----- < 1; — ------ > 0,05; x x (6) r — R s------------------- r — R s ------- - > 0,05; -------- - < 1. L s — x L s — x За начальное приближение выбирался профиль сопла из одного конуса. На нем задавалась точка сопряжения конусов с координатой x , и по про грамме оптимизации находилась координата r, при которой импульс (5) был максимальным с учетом ограничений (6). На рис. 4 ,а приведены максимальные значения функционала I (x , r ). Видно, что сопло из двух конусов позволяет получить более высокий импульс струи, чем сопло из одного конуса. Оптимальный профиль сопла получается выпуклым вверх, т.е. первый конус имеет меньший угол, а второй - больший по сравнению с простым соплом из одного конуса. Координата начала второго конуса равна х = 0,063 м, r = 0,0135 м. Макси мальная скорость струи для оптимального сопла возрастает незначительно (2...3%), а импульс более существенно (до 20%). Заметное увеличение импульса струи для сопла из двух конусов объясняется тем, что струя имеет высокую скорость на большей части сопла. Однако, как показывают рас четы, такая форма сопла приводит к повышению давления жидкости, что может отрицательно влиять на прочностные параметры установки. На рис. 4 ,6 представлено распределение давления в оптимизированном сопле, рассчитанное по описанной в п. 2 методике, в пространстве и во времени. Видно, что наиболее опасным является давление на момент вре мени t = 1,18 мкс (рис. 4,в), с учетом которого проводился приведенный ниже расчет на прочность. Iout ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 2 143 Э. С. Гескин, О. П. Петренко, О. А. Русанова, А. Н. Семко !>: МПа 400 300 200 100 ОД 0,2 х, м в Рис. 4. Значения функционала I(х, г) (а) и распределение давления в оптимизированном стволе в пространстве и во времени (б), а также на самый критический момент г = 1,18мс (в). Напряженно-деформированное состояние ствола гидропушки опреде лялось с помощью пакета А ^ У Б (см. п. 3). Эквивалентные напряжения по Мизесу, приведенные на рис. 5,а, на выходе из сопла и в неупрочненной части ствола почти в пять раз меньше критического значения. Из рис. 5,а видно, что гидропушка спроектирована с большим запасом прочности для экспериментальных исследований с широким диапазоном изменения масс зарядов и их энергетических характеристик. Для серийной гидропушки такой большой запас прочности не оправдан, что приводит к ее утяжелению. На рис. 5,б приведено распределение эквивалентных напряже ний по Мизесу для наиболее опасного давления, полученное при уменьшении диаметров ствола и бандажа на 20% и геометрии оптимизированного сопла. Внешний радиус такой конструкции равен 31,5 см, радиус скрепления - 23,5 см. Натяг определялся с учетом этих радиусов по формулам сопро тивления материалов и составил 0,176 мм. Из рис. 5,б видно, что конст рукция безопасна, при этом ее вес снижается приблизительно на 20%. Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу для наиболее опасного давления при отсутствии бандажа показано на рис. 5,в. Очевидно, что наличие бандажа в конструкции гидропушки оправдано, при его отсут ствии возникают напряжения, превышающие критические, что приводит к разрушению установки. 144 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 2 Прочностной расчет и оптимизация сопла I 1 □ 2 Н 3 Ш 5 О 6 ■ 7 □ 8 □ 9 ШШ ю □ И П 12 ■ 130 И П 15 ] 17 1 I 18 а о Рис. 5. Эквивалентные напряжения по Мизесу: а) 1 - а = 987...1170 МПа; 2 - а = 802...987 МПа; 3 - а = 617...802 МПа; 4 - а = 433...617 МПа; 5 - а = 248...433 МПа; 6 - а = 62,7...248 МПа; б) 7 - а = 1150...1360 МПа; 8 - а = 935...1150 МПа; 9 - а = 721...935 МПа; 10 - а = 507...721 МПа; 11 - а = 293...507 МПа; 12 - а = 78,7...293 МПа; в) 13 - а = 1510...1790 МПа; 14 - а = 1220...1510 МПа; 15 - а = 934...1220 МПа; 16 - а = 648...934 МПа; 17 - а = 363...648 МПа; 18 - а = 77,3...363 МПа. в Заключение. Проведен прочностной расчет экспериментальной гидро пушки и рассмотрена оптимизация ее сопла. Показано, что вес эксперимен тального реального устройства можно уменьшить. Оптимальный профиль сопла имеет выпуклую наружную поверхность. Максимальная скорость струи для него возрастает на 2...3%, импульс - до 20%. Для гидропушки с оптимальным соплом можно существенно снизить вес. Данные расчеты позволяют сконструировать более надежную, легкую, мобильную и мощную гидропушку по сравнению с действующей моделью. Работа выполнена при поддержке фонда CRDF Project #: UE2-2441- D0-02. Р е з ю м е Наведено оптимізацію сопла ствола порохової гідропушки. Визначено про філь ствола, що дозволяє отримати імпульсний водяний струмінь із заданою швидкістю при мінімальному тиску всередині установки. Досліджено напру- ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 2 145 Э. С. Гескин, О. П. Петренко, О. А. Русанова, А. Н. Семко жено-деформований стан для реального експериментального пристрою і для випадку оптимальної геометрії. Розрахунок проводили за максимальним розподілом тиску води на ствол, отриманому за допомогою числового методу Годунова. Це дозволяє сконструювати більш легкий, мобільний і потужний пристрій. 1. А т анов Г. А . Гидроимпульсные установки для разрушения горных пород. - Киев: Вища шк., 1987. - 155 с. 2. A tanov G. A . Interior ballistics of impulsive water jet // Proc. 6th Int. Symp. on Jet Cutting Technology. - Cranfield; Bedford, England, 1982. - Paper C5. - P. 141 - 159. 3. Семко А. H . Расчет течения жидкости в гидропушке численным мето дом с искусственной вязкостью // Прикл. гидромеханика. - 2000. - 2 (74). - С. 88 - 91. 4. G lenn L. A . The mechanics of the impulsive water cannon // Comp. Fluids. - 1975. - 3. - P. 197 - 215. 5. A tanov G. A ., Sem ko A. N ., P etrenko O. P ., e t al. Peculiarities of the powder hydrocannon operation // Proc. 2003 ASME Int. Mech. Eng. Cong. & Exp. - Washington (Nov. 16-21, 2003). IMECE2003-42788. 6. А т анов Г. А ., Г убский В. И ., Семко А. Н . Внутренняя баллистика пороховой гидропушки // Изв. РАН. МЖГ. - 1997. - № 6. - С. 175 - 179. 7. A tanov G. A. a n d Sem ko A. N . The powder hydro-cannon // Proc. Int. Summer Sci. Scool “High Speed Hydrodynam ics” (HSH 2002). - Cheboksary (Russian); Washington (USA). - 2002. - P. 419 - 424. 8. О рлов Б. В. Проектирование ракетных и ствольных систем. - М.: Маши ностроение, 1974. - 828 с. 9. Г одунов С. К ., Забродин А. В ., И ванов М . Я . Численное решение многомерных задач газовой динамики. - М.: Наука, 1998. - 400 с. 10. C ooley W. C. a n d L ucke W. N. Development and testing of a water cannon for tunneling // Proc. 2nd Int. Symp. on Jet Cutting Technology. - Cambridge, England, 1974. - Paper J3. - P. 141 - 160. Поступила 26. 11. 2004 146 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 2

Прочностной расчет и оптимизация сопла ствола пороховой гидропушки

Institution

Ähnliche Einträge