تحقیق بررسی انفجار انرژي

تحقيق بررسي انفجار انرژي در 54 صفحه ورد قابل ويرايش

مباني تئوري انفجار:

1- مقدمه:

در طول حداقل 200 سال گذشته، كاربرد واژه انفجار متداول بوده است. در زمانهاي قبل از آن اين واژه به تجزيه[1] ناگهاني مواد و مخلوطهاي انفجاري با صداي قابل توجهي نظير «رعد» اطلاق شده است. اين مطلب از ديرباز شناخته شده است كه انفجار تجزيه سريع مقدار معيني ماده است كه به محض رخداد يك ضربه يا گرمايش اصطكاكي اتفاق مي‌افتد. بنابراين تجزيه اين مواد در شرايط مناسب مي‌تواند بصورت ساكت و آرام رخ دهد.

كلمه انفجار[2] از نظر فني به معني انبساط ماده به حجمي بزرگتر از حجم اوليه است. آزاد شدن ناگهان انرژي كه لازمه اين انبساط است. غالباً از طريق احتراق سريع، دتونيشن[3] (كه در فارسي همان انفجار معني مي‌شود)، تخليه الكتريكي با فرايندهاي كاملاً مكانيكي صورت مي‌گيرد. خاصيت متمايز كننده انفجار، همانا انبساط سريع ماده است. به نحويكه انتقال انرژي به محيط تقريباً بطور كامل توسط حركت ماده (جرم) انجام مي‌شود. در جدول زير مقايسه‌اي بين چند فرآيند آزادسازي انرژي انجام شده است:




براي شعله تقريباً هيچ انتقال جرمي به اطراف رخ نمي دهد در حاليكه نيروي پيشرانش يك اسلحه قادر به راندن گلوله است و يك ماده منفجره قوي[4] هر چيز در تماس با خود را تغيير شكل داده و يا ويران مي‌كند. قدرت منهدم كننده اين مواد را «ضربه انفجار»[5] ناميده مي‌شود كه مستقيماً با حداكثر فشار توليد شده مرتبط است. توجه كنيد كه در جدول (بالا)، هيچگونه توصيفي از محل رخداد (تونيشن ماده منفجره قوي ارائه نشده است. اين بدان معناست كه فرايند دتونيشن از محدوديتهاي فيزيكي مستقل است.

با توجه به مطالب بالا واضح است كه دتونيشن تنها يكي از انواع حالات پديده انفجار است بعبارت ديگر واژه دتونيشن تنها بايد به فرآيندي اطلاق شود كه در طي آن يك «موج شوك»[6] انتشار يابد.

متاسفانه بعلت قفرلفات مناسب فني در زبان فارسي، دتونيشن به معني عام انفجار ترجمه مي‌شود و بنابراين در ادامه اين مبحث براي پرهيز از اشتباه و رسا بودن مطلب همان واژه دتونيشن را به كار برده خواهد شد.

سرآغاز تحقيقات اخير بر روي دتونيشن به سالهاي 45-1940 م. كه «زلدويچ» و «ون نيومان» هر يك به طور جداگانه مدل يك بعدي ساختار امواج دتونيشن را فرمولبندي كردند باز مي‌گردد، گرچه يك مدل واقعي سه بعدي تا اواخر سال 1950 م به تاخير افتاد.

2- پديده دتونيشن:

دتونيشن يك واكنش شيميائي «خود منتشر شونده»[7] است كه در طي آن مواد منفجره اعم از مواد جامد، مايع، مخلوطهاي گازي، در مدت زمان بسيار كوتاه در حد ميكروثانيه. به محصولات گازي شكل داغ و پرفشار با دانسيته بالا و توانا براي انجام كار تبديل مي‌شود. فرض بگيريد قطعه‌اي از مواد منفجره، منفجر گردد. به نظر مي‌رسد كه همه آن در يك لحظه و بدون هيچ تاخير زماني نابود مي‌گردد. البته در واقع دتونيشن از يك نقطه آغازين شروع شده و از ميان ماده بطرف انتهاي آن حركت مي‌كند. اين عمل بخاطر آن آني بنظر مي‌رسد كه سرعت رخداد آن بسيار بالاست.

از نظر تئوري دتونيشن ايده‌ال واكنشي است كه در مدت زمان صفر (با سرعت بي‌نهايت) انجام شود. در اينحالت انرژي ناشي از انفجار فوراً آزاد مي‌شود اصولاً زمان واكنش بسيار كوتاه يكي از ويژگيهاي مواد منفجره است. هر چه اين زمان كمتر باشد، انفجار قويتر خواهد بود. از نظر فيزيكي امكان ندارد كه زمان انفجار صفر باشد. زيرا كليه واكنشهاي شيميائي براي كامل شدن به زمان نياز دارند.

پديده دتونيشن با تقريبي عالي مستقل از شرايط خارجي است و با سرعتي كه در شرايط پايدار[8] براي هر تركيب، فشار و دماي ماده انفجاري اوليه ثابت است منتشر مي‌شود. ثابت بودن سرعت انفجار، يكي از خصوصيات فيزيكي مهم براي هر ماده منفجره مي‌باشد در اثر دتونيشن، فشار، دما و چگالي افزايش مي‌يابند. اين تغييرات در اثر تراكم محصولات انفجار حاصل مي‌گردند.

پديده‌اي كه مستقل از زمان در يك چارچوب مرجع حركت مي‌كند. «موج» ناميده مي‌شود و ناحيه واكنش دتونيشن، «موج دتونيشن»[9] يا موج انفجار ناميده مي‌شود. در حالت پايدار اين موج انفجار بصورت يك ناپيوستگي شديد فشاري كه با سرعت بسيار زياد و ثابت VD از ميان مواد عبور مي‌كند توصيف مي‌شود واكنش شيميائي در همسايگي نزديك جبهه دتونيشن[10] است كه باعث تشكيل موج انفجار مي‌شود. اين موج با سرعتي بين 1 و تا 9، بسته به طبيعت فيزيكي وشيميائي ماده منفجره حركت مي‌كند. اين سرعت را مي‌توان با استفاده از قوانين ترموهيدروديناميك تعيين نمود. عواملي كه در سرعت انفجار نقش دارند عبارتند از: انرژي آزاد شده در فرآيند، نرخ آزاد شدن انرژي، چگالي ماده منفجره و ابعاد خرج انفجاري.

يك مدل ساده براي اين پديده مطابق شكل زير از يك «جبهه شوك»[11] و بلافاصله بدنبال آن يك ناحيه انجام واكنش كه در آن فشارهاي بسيار بالا توليد مي‌شود، تشكيل شده است. ضخامت ناحيه واكنش در انفجار ايده‌آل صفر است و هر چه انفجار بحالت ايده‌ال نزديكتر باشد. ضخامت اين ناحيه كمتر است. نقطه پايان اين ناحيه، محل شروع ناحيه فشار دتونيشن[12] است.



مدل يك بعدي دتونيشن

فشار دتونيشن با رابطه زير به سرعت دتونيشن و دانسيته مواد منفجره وابسته است:

(1)

كه P مصرف فشار دتونيشن و P مصرف چگالي محصولات و P0 چگالي ماده منفجره است. بر اساس اين فرض كه چگالي محصولات دتونيشن بزرگتر از چگالي مواد منفجره اوليه است، يك رابطه كاربردي بصورت زير استخراج مي‌گردد.

(2)

از آنجا كه زمان رخداد واكنش شيميائي در يك فرآيند دتونيشن بسيار كوتاه است. انتشار و انبساط گازهاي داغ حاصل در ناحيه واكنش بسيار اندك و غير متحمل است و لذا اين گازها هم حجم مواد منفجره اوليه باقي مي‌مانند. اين مطلب دليل اصلي اين نكته است كه چرا فشار پشت جبهه انفجار بسيار بالاست. اين فشار براي مواد منفجره نظامي در حدود Gpa 19 تا Gpa35 و براي مواد منفجره جاري كمتر است. همانطور كه قبلاً ذكر گرديد، موج دتونيشن مستقل از شرايط خارجي است. عليرغم اين استقلال، جريان محصولات گازي كه در پشت جبهه موج حركت مي‌كنند به زمان و شرايط مرزي وابسته است براي مثال يك بلوك مستطيل بزرگ از يك ماده منفجره را در نظر بگيريد كه بر روي كل يكي از سطوح آن، به طور همزمان دتونيشن آغاز مي‌شود. اين سطح در خلا قرار دارد و هيچ مانعي براي انبساط گازها وجود ندارد. موج صفحه‌اي دتونيشن با سرعت ثابت بدرون ماده پيشروي مي‌كند و گازهاي حاصل از انفجار كه بلافاصله در پشت اين جبهه موج قرار دارند با سرعتي كمتر از سرعت موج كه سرعت جرم نام دارد در همان جهت حركت مي‌كنند. اما در سطح عقبي، گازها مشغول فرار در جهت مخالف هستند (در اثر خلا). همچنين فشار گاز در پشت جبهه موج بسيار بالاست، ولي در خلا پشت سر، صفر است لذا فشار بصورت منحن وار بين ايندو موقعيت تغيير مي‌كند. نموداري از تغييرات فشار و سرعت جرم براي يك ماده منفجره جامد در شكل زير نشان داده شده است.

همانطور كه ملاحظه مي‌شود ناحيه همسايه منطقه واكنش بسيار كم تحت تاثير تغيير شرايط مرزي قرار مي‌گيرد.

آغاز همزمان دتونيشن از روي كل يك سطح مشكل است. در عمل آسانتر است كه آغاز انفجار از يك نقطه باشد. در اينحالت موج دتونشين از يك نقطه درون ماده منفجره گسترش يافته و گراديان فشار در اينحالت از آنچه در شكل صفحه قبل نشان داده شده، تيزتر خواهد بود.

وقتي از مواد منفجره براي راندن و بحركت در آوردن ساير مواد و سازمان‌ها استفاده مي‌شود محاسبه دقيق پروفيل فشار و سرعت جرم، وروديهاي لازم براي محاسبات حركت سازه رانده شده مي‌باشد. شكل اين پروفيلها به معادله حالت محصولات انفجار وابسته‌اند، معادلاتي كه تلاشهاي بسياري براي بدست آوردن آنها انجام شده و در دست انجام است.

3- موج شوك:[13]

يك موج شوك، جبهه شوك يا مختصراً يك شوك، موجي است كه در ماده يك جهش[14] فشاري (يا تنشي) ناگهاني و تقريباً ناپيوسته ايجاد مي‌كند، اين موج بسيار سريعتر از امواج صوتي منتشر مي‌شود، بدين معني كه اين موج نسبت به محيط پيرامون خود فرا صوتي است و اين خاصيت خود را بدون تغيير حفظ مي‌كند.

موج شوك از جمله خواص اغلب مواد است و از خاصيتي از ماده كه بر اساس آن سرعت انتقال صوت در ماده بصورت مي‌باشد منتج مي‌شود. انديس s معرف حالت آنتروپي پاياست. اين موج از نظر ترموديناميكي برگشت ناپذير است. و لذا آنتروپي سيستم در جبهه شوك در اثر لزجت و هدايت حرارتي افزايش مي‌يابد. امواج شوك كه امواج فشاري نيز ناميده مي‌شوند، عامل شتابگيري ذرات ماده، در جهت انتشار خود هستند.

تاريخچه:

انرژي انفجار عمدتاً به عنوان ابزاري قدرتمند جهت تخريب به كار گرفته شده و اثرات سودمند آن كمتر مورد توجه و بررسي قرار گرفته است، با اينكه ساليان بسياري است كه بشر اين انرژي توانمند را به كار گرفته، لكن از سال 1950 تحقيقات در ضميمه بكارگيري آن در جهت توليد و سازندگي آغاز گرديد.

آنچه در ابتداي مطالعات توجه محققان را معطوف خود داشت، چگونگي رفتار قطعه در مقابل امواج ديناميك ناشي از انفجار بود كه در اين راستا جهت بررسي تغيير شكل لحظه‌اي قطعات در مجاورت انفجار تلاشهايي صورت گرفته است.

با ابداعاتي كه توسط Johnson انجام گرفت، روشهاي شكل دهي انفجاري جايگاه خود را در اذهان پيدا كرد. وي در سالهاي 1966 و 1967 با استفاده از مختصات اگر انرژي براي مسائل دو بعدي با تقارن مدوري تحت اثر ضرب در ناحيه الاستيك - پلاستيك، يك روش تحليلي ارائه نمود و با ارائه مثالهايي نظير گلوله كره و استوانه نيكلي (با سرعت 150) با صفحات ضخيم آلومينيومي، آنرا تشريح كرده.

Jones در سال 1972، طي مقاله مفصلي، به بيان چگونگي پاسخ فلز به بارگذاري ضربه‌اي ناشي از انفجار يك ماده منفجره در تماس با سطح آن پرداخت. در اين مقاله، سلسله اتفاقاتي كه در طي رخداد فرآيند انفجار در يك ماده منفجره رخ مي‌دهد، چگونگي توليد و انتشار موج شوك در درون ماده منفجره و درون فلز و نيز برهمكنش موج شوك با فلز، به تفصيل توضيح داده شده است.

Pearson در سال 1972، در رابطه با روشهاي كاربردي شكل‌دهي انفجاري، تحقيقاتي انجام داد و ضمن بيان پارامترهاي موثر، فرآيندهاي شكل‌دهي را با توجه به موقعيت ماده منفجره نسبت به سطح قطعه كار طبقه بندي نمود.

Zernow و Lieberman در سال 1972 با بيان چند مثال علمي، به بيان «تعامل ملاحظات فني و اقتصادي» در فرآيندهاي انفجاري پرداختند و در طي آن راهنماييهاي ارزنده‌اي درباره نحوه ساخت و انتخاب جنس مواد مختلفي كه تجهيزات سيستم شكل‌دهي بايد از آنها ساخته شوند بنحوي كه از لحاظ اقتصادي و فني قابل توجيه باشند ارائه نمودند.

Heifitz در سال 1973 با ارائه مثالهائي در خصوص پوسته كروي و صفحه دايروي و مطالعه برآمدگي آنها پس از اعمال ضربه، ضمن توجه به تغيير شكلهاي بزرگ و روند رشد كرنش پلاستيك با زمان، معادلات اساسي (روابط تنش- كرنش) را فقط به شكل عددي المان محدود به كار گرفته است.

Osaka و همكاران در سال 1986، تغيير شكل ورقهاي گرد را براي ساخت مخازن تحت فشار، بوسيله انفجار در زير آب و با استفاده از مختصات لاگرانژي و استفاده از روش تفاضل محدود مورد بررسي قرار داده‌اند و در بررسي معادلات تنش- كرنش، رفتار فلز را فقط بصورت الاستيك- كاملاً پلاستيك در نظر گرفته‌اند.

Fujita و همكاران در سال 1995 با ارائه سه مدل رفتاري در ناحيه الاستيك- پلاستيك صفحه فلزي تحت اثر بار ناگهاني با فشار يكنواخت را تحليل نمودند و نشان دادند كه اثر موجهاي خمشي روي مكانيزم تغيير شكل، با روش تحليلي يكسان است و حاصل كار هماهنگي خوبي را نشان مي‌دهد، حتي اگر اثرات كرنش و نرخ سخت شوندگي آن بر روي تغيير شكلهاي بوجود آمده منظور شود.

Comstockr و همكاران در سال 2001 روش جديدي براي شبيه‌سازي آزمايشهاي شكل‌دهي انفجاري صفحات، ارائه كردند و نشان دادند كه اين روش ابزار مهمي براي تشخيص شكل‌پذيري و تحمل بارهاي خارجي براي آلياژهاست. اين شبيه‌سازي، بوسيله تئوري قوي و در محدوده بزرگي از تغيير شكل (تا حد كشش عميق) انجام شده است، ولي در طي آن به عامل زمان و سرعت بارگذاري توجهي نشده است.

Mynors و Zhang در سال 2002 و در طي يك مقاله بسيار مفصل به بررسي همه جانبه تواناييها و قابليت‌هاي شكل‌دهي انفجاري پرداختند. در تاريخچه اين اثر تحقيقي، روندي كه در طي آن فرآيند شكل‌دهي انفجاري به يك روش توليدي موفق و سودمند تبديل شده است شرح داده شده است.

در طي يك ده اخير توسط لياقت و همكاران، تحقيقات گسترده‌اي در داخل كشور، بر روي فرآيندهاي شكل‌دهي در سرعتهاي بالا انجام گرفته و در حال انجام است مخصوصاً آزمايشهاي شكل‌دهي انفجاري آنان كه به منظور توليد قطعات مخروطي براي كاربردهاي نظامي و غير نظامي انجام گرفت. بسيار قابل توجه است.

درويزه، پاشايي در سال 1381 با ساحت دستگاه شكل‌دهي ورقهاي فلزي بروش انفجار مخلوط گازها، فعاليت‌هاي داخلي را وارد مرحله جديدي نمود. استفاده از گاز بعنوان ماده منفجره يكي از جديدترين رويكردهاي شكل‌دهي انفجاري است.



شكل‌دهي فلزات با سرعت بالا:

فرايندهاي شكل‌دهي فلزات در سرعت بالا (H.V.F) High Velocity Forming يكي از دستاوردهاي مهم و ارزشمند صنعتي در عصر اتم و فضا محسوب مي‌شود. اين فرايندها ثابت كرده‌اند كه در حل بسياري از مسائل و مشكلات توليد كه با استفاده از روشهاي صنعتي بسيار مشكل، زمانبر و گران تمام مي‌شود. بسيار مفيد و توانمند هستند بزرگ شدن ابعاد قطعه‌كار، لزوم استفاده از مواد بسيار سخت و مقاوم در برابر روشهاي متداول ماشينكاري و لزوم توليد قطعاتي دقيق و پيچيده از عوامل توسعه و پيشرفت دانش فني اين روش محسوب مي‌شود اما عمده‌ترين مزيت اين روشها، قابليت آنها براي شكل‌دهي قطعات يكپارچه بسيار پيچيده، تنها در يك مرحله كاري مي‌باشد. در حاليكه توليد چنين قطعاتي با روشهاي سنتي توليد، ممكن است در چند مرحله و به كمك چندين فرايند جداگانه انجام شود و در نهايت به توليد يك سازه جوشكاري شده بينجامد. ]1[

گستردگي و تنوع منابع انرژي و روشهاي اعمال آن براي تغيير شكل قطعه كار، سطح و توانايي روشهاي شكل‌دهي سريع را قابل مقايسه و رقابت با روشهاي سنتي شكل نموده است گسترده موادي كه در اين روش قابل استفاده‌اند بسيار متنوع است. فلزاتي چون آلومينيم، بريلويم، تيتانيوم، فولادهاي كربني و آلياژي، سوپر آلياژا، فولادضد زنگ، مس، برنج و ... بطور گسترده در اين روش استفاده مي‌شوند. ]1[

رفتار ماده در شكل‌دهي آن بسيار مهم است و فاكتورهائي چون اثر سرعت بر شكل‌پذيري و مقاومت ماده، پايداري هندسي و اثرات موج بر روي قطعه كار بايد مد نظر قرار گرفته شود. همچنين اصطكاك بين سطح قطعه كار و سطح قالب نيز از جمله نكات مهم محسوب مي‌شود. ضريب اصطكاك معمولاً با افزايش سرعت نسبي بين قطعه، قالب كاهش مي‌يابد. در نتيجه اين افزايش سرعت، دما به مقدار قابل ملاحظه‌اي افزايش خواهد يافت و در نتيجه روانساز بين قطعه و قالب تجزيه شده و از بين خواهد رفت. در سرعتهاي بالا، دما ممكن است بعدي بالا كه يك لايه نازك از فلز در سطح تماس قطعه و قالب ذوب شده و خود بعنوان روانساز عمل كند. ]1[

ضرورتهاي استفاده از شكل‌دهي با سرعت بالا عبارتند از:

مواد منفجره ضعيف: ]6[

انفجارهاي ضعيف در فضاهاي محدود انجام مي گيرند و مواد منفجره ضعيف معمولاً در تركيبات بصورت ذرات دانه‌اي شكل به اشكال و اندازه‌هاي مختلف ساخته مي‌شوند. سوزش اين نوع مواد با گرما شروع مي‌شوند و سوزاندن با افزايش فشار بطور خطي افزايش مي‌يابد و ماكزيمم فشار متناسب با بار دانسيته خالي شده مي‌باشد (حجم تقريبي مواد منفجره سوخته شده/ وزن مواد منفجره= دانسيته بار)، فشار تقريبي pa108×5/3 از دانسيته بار 26/0 گرم در سانتي‌متر مكعب نتيجه مي‌شود زمان دست يافتن به فشار ماكزيمم و مدت سوختن معمولاً در محدوده 5 تا 25 ميكروثانيه مي‌باشد. دانسيته بار، شكل و اندازه دانه‌هاي مواد منفجره در قابليتهاي انواع منفجره تاثيرگذار هستند.

2- مواد منفجره قوي: ]6[

وسيع‌ترين مواد منفجره مورد مصرف داراي تركيبات شيميايي واحدي هستند كه معمولاً از تركيبات نيتروژن همراه با مخلوط الكلها و اسيد نيتريك ساخته مي‌شود. ماده اصلي با تركيباتي از نرم كننده‌هاي چسباننده‌ها و پركننده‌ها مخلوط مي‌گردند. از شكسته شدن مولكول ماده منفجره، منواكسيد كربن، دي اكسيد كربن آب و مقدار زيادي انرژي توليد مي‌شود.

فرآيند انفجار بصورت پيوسته در مدت زمان كوتاهي اتفاق مي‌افتد، سرعت انفجار مواد منفجره بكار رفته بطور عادي تقريباً 6100 است، فشار بطور آني در جلو انفجار حدود pa109×9/6 مي‌رسد انفجار در مواد منفجره تجارتي با چاشني آغاز مي‌شود.