Peculiarities of britlle and ductile materials destruction and deformation during the explosion of industrial shaped charges

Purpose. To study the laws of deformation and destruction of brittle and ductile rocks and concretes under explosion of industrial shaped charges. Methods. In experiments, the following methods of investigation were used: method of contact sensors for determination of jet velocity; determination of the ultrasonic wave velocity in the concrete samples; methods of optical and electronic microscopy; X-ray phase analysis; measuring and visual analysis of the dimensions and nature of deformation and destruction zones. Findings. The work describes the experimental data on the destruction of barriers made of concrete, granite, steel ST 3, AMC-n alloy, and zinc by the explosions of shaped charges of serial production with porous liners. Calculation formulas for estimating the radius of a destruction zone of geomaterials and rocks in case of a semi-infinite barrier are suggested. The calculation method is based on the estimation of energy impact on the rock by jet penetration velocity into the barrier. Jet velocities are determined experimentally and by engineering methods. The reasons for deviations in the hole shape and deflection of the destruction zone from the symmetry axis were determined. Originality. The modes of penetration of shaped jets into rocks of different porosity, the size of the fracture zone around the hole and the causes and mechanisms of the deviations of the hole shape from the symmetric one are established. Practical implications. The results of the research will be used to design blasting-and-perforation operations in geotechnological wells and can be used to design initiating devices for borehole charges.Мета. Дослідження закономірностей деформування й руйнування крихких і пластичних гірських порід та бетонів при вибуху промислових кумулятивних зарядів. Методика. Метод контактних датчиків для визначення швидкості струменя; визначення швидкості ультразвукових хвиль у зразках бетону; оптична та електронна мікроскопія; рентгенофазний аналіз; вимірювання й візуальний аналіз розмірів та характеру зон деформування і руйнування. Результати. В роботі описані експериментальні дані про деформацію та руйнування перешкод з бетону, граніту, пінобетону, сталі Ст 3, сплаву АМЦ-н і цинку вибухами кумулятивних зарядів серійного виробництва з пористим облицюванням. Запропоновано розрахункові формули для оцінки радіусу зони руйнування геоматеріалів і гірських порід у разі напівнескінченної перешкоди. Визначено причини відхилень форми отвору і зони руйнування від осі симетрії. Наукова новизна. Визначено режими проникнення кумулятивних струменів у породи різної пористості, розміри зони руйнування навколо отвору, а також причини і механізми відхилення форми отвору від симетричної. Практична значимість. Результати досліджень будуть використані для проектування вибухо-прострілочних робіт у геотехнологічних свердловинах і можуть бути використані для конструювання ініціюючих пристроїв свердловинних зарядів.Цель. Исследование закономерностей деформирования и разрушения хрупких и пластичных горных пород и бетонов при взрыве промышленных кумулятивных зарядов. Методика. Метод контактных датчиков для определения скорости струи; определение скорости ультразвуковых волн в образцах бетона; оптическая и электронная микроскопия; рентгенофазный анализ; измерение и визуальный анализ размеров и характера зон деформирования и разрушения. Результаты. В работе описаны экспериментальные данные о деформировании и разрушении преград из бетона, гранита, пенобетона, стали Ст 3, сплава АМЦ-н и цинка взрывами кумулятивных зарядов серийного производства с пористыми облицовками. Предложены расчетные формулы для оценки радиуса зоны разрушения геоматериалов и горных пород в случае полубесконечной преграды. Определены причины отклонений формы отверстия и зоны разрушения от оси симметрии. Научная новизна. Определены режимы проникания кумулятивных струй в породы различной пористости, размеры зоны разрушения вокруг отверстия, а также причины и механизмы отклонения формы отверстия от симметричной. Практическая значимость. Результаты исследований будут использованы для проектирования взрыво-прострелочных работ в геотехнологических скважинах и могут быть использованы для конструирования инициирующих устройств скважинных зарядов.The authors extend their sincere gratitude to the staff of Scientific Research Centre “Materialoobrobka vybukhom” (Processing Materials by Explosion) of the Paton Institute of Electric Welding affiliated with the National Academy of Sciences of Ukraine for the assistance in organization and conducting of the research. We would like to express special thanks to S.I. Kochetkov for the provided data on the velocity of longitudinal sound in solid sandy rocks, and to V.P. Bugaits for the assistance in experiments

Моделювання і практичне використання силового поля під час вибуху конічного заряду

Наведено аналіз характеру формування полів ізоденс продуктів вибуху конічного заряду, отриманих шляхом математичного моделювання. Визначено особливості поширення енергетичного поля в залежності від напрямку ініціюючого усіченого конічного заряду. Обговорюється комплексний характер використання проміжного бойовика в свердловину заряді у вигляді усіченого конуса при його розташуванні в донній частині свердловини. Встановлено, що форма поля ізоліній щільності ПД обумовлена в першу чергу формою заряду незалежно від місця його ініціювання; переважний розвиток поля відбувається відносно осі Z, тобто вздовж осі Х конічного заряду з боку дії вузької його частини. Це обумовлено розлітанням продуктів детонації по нормалі до похилої поверхні конуса. Якщо загальну площу поля щільностей ПД пов’язувати з загальною енергією вибуху, надається можливість перерозподілу потоку енергії за рахунок насамперед орієнтації основ та бічних сторін усіченого конусного заряду, а затим – місця його ініціювання. Управління динамікою і напрямком розвитку силового поля можливе шляхом вибору місця прикладання ініціюючого імпульсу, а саме, розташуванням ініціатора з протилежної основи заряду для розвитку процесу в потрібному напрямку зосередження енергії вибуху. Завдяки специфічній «грушоподібній» формі випромінюваного енергетичного поля вибух оберненого конічного бойовика на стадії ініціювання основного (свердловинного) заряду спрямовує вектор початкової ділянки фронту хвилі напружень в бік верхньої вільної поверхні, тобто в бік поверхневих шарів, розташованих на рівні набивки. Ця область не піддається безпосередній дії системи стискуючих радіальних та розтягуючих тангенціальних навантажень від вибуху заряду в свердловині. зміна напрямку розвитку силового поля в бік верхніх шарів породи має сприяти більш якісному подрібненню цієї частини масиву. Такий спосіб можна реалізувати, використовуючи механізм взаємодії породних мас, що переміщуються назустріч і додатково руйнуються аналогічно умовам короткосповільненого підривання за врубовою схемою, тобто на механізм взаємодії на рівні більш повільного процесу - співударяння (стикання) мас, спрямованого в сторону верхньої вільної поверхні. Одночасне нижнє ініціювання подовжених зарядів в сусідніх рядах породжує нахилені до вільної поверхні уступу зустрічні фронти. Фактично в цьому випадку реалізується схема клинового або трапеційного врубу, але орієнтованого замість бічної вільної поверхні в бік покрівлі уступу, яка через її значну площу є основним джерелом негабаритних фракцій. полягає в одночасному паралельному підриванні трьох суміжних рядів свердловинних зарядів, що трактуються в якості одної групи, з наступним короткосповільненим підриванням суміжної трьохрядної групи тощо. Реалізація такої схеми дозволяє використати її переваги завдяки поєднанню механізмів переміщення мас у вертикальному напрямку та традиційного переміщення із співударянням ділянок масиву у горизонтальному напрямку. Переваги застосування мішаної схеми комутації мережі доведено промисловими випробуваннями методу.An analysis over of character of the isodenses of conical charge explosive products, got by mathematical design, is brought. The features of distribution of the power field are certain depending on direction of initiation of the truncated conical charge. The complex character of intermediate initiator using in a downhole charge as the truncated cone at his location in the ground part of hole is discussed. It is established that the shape of the field of isolines of the density of PD is due primarily to the form of the charge, regardless of the place of its initiation; the prevailing field development occurs relative to the Z axis, that is, along the X axis of the conical charge by the action of its narrow part. This is due to the spread of the products of detonation normal to the sloping surface of the cone. If you associate the total area of the PD density field with the total explosive energy, it is possible to redistribute the flow of energy due primarily to the orientation of the bases and sides of the truncated cone charge, and then to its initiation location. Control of the dynamics and direction of development of the force field is possible by choosing the location of application of the initiating pulse, namely, the location of the initiator on the opposite charge basis for the development of the process in the desired direction of concentrating the energy of the explosion. Due to the specific «pear-shaped» form of the radiated energy field, the explosion of the inverted conical fighter at the stage of initiation of the main (downhole) charge directs the vector of the initial section of the stress wave front towards the upper free surface, ie towards the surface sideways. This area is not subject to the direct action of a system of compressive radial and tensile tangential loads from a charge explosion in a well. changing the direction of development of the force field toward the upper layers of the rock should contribute to better grinding of this part of the array. This method can be implemented using the mechanism of interaction of rock masses, moving towards and additionally destroyed similar to the conditions of short-delay blasting in a schematic diagram, ie, the mechanism of interaction at the level of a slower process - the collision (collision) of the mass directed to the upper side. Simultaneous lower initiation of prolonged charges in adjacent rows gives rise to the front edges inclined to the free surface of the ledge (Fig.). In fact, in this case, the scheme of a wedge or trapezoidal cut is implemented, but oriented instead of the lateral free surface towards the roof of the ledge, which because of its large area is the main source of oversized fractions. consists in the simultaneous simultaneous detonation of three adjacent series of downhole charges treated as one group, followed by the short-term detonation of the adjacent three-row group and the like. The implementation of such a scheme allows to take advantage of its advantages by combining mechanisms of movement of masses in the vertical direction and traditional movement with the coincidence of areas of the array in the horizontal direction. The advantages of using a mixed circuit switching scheme have been proven by industrial testing of the method

Kinetostatics of Wheel Vehicle in the Category of Spiral-Screw Routes

International audienceDeterministic mathematical model of kinetostatics of wheel vehicle in terms of different modes of spatial motion in the context of curved route is proposed. Earth-based coordinate system is introduced which pole and axial orientation are determined by the convenience of route description as well as vehicle-related coordinates which pole axial orientation are determined within inertial space with the help of natural trihedral. Turn of the natural trihedral within inertial coordinates is described by means of quaternion matrices in the context of Rodrigues-Hamilton parameters. Rodrigues-Hamilton parameters are in matrix form in direct accordance with specified hodograph. Kinetostatics of wheel vehicle is considered in terms of spatial motion with an allowance for three-dimensional aerodynamic forces, gravity, and tangential and centrifugal inertial forces. In the context of spiral-screw lines deterministic mathematical model of wheel vehicle kinetostatics is proposed in the form of hodograph in terms of uniform motion, accelerated motion, and decelerated motion within following route sections: straight and horizontal; in terms of vertical grade; in terms of horizontal plane. Analytical approach to determine animated contact drive-control forces of wheel vehicle for structural diagrams having one and two support points involving of a driving-driven wheel characteristic is proposed based on kinetostatics equations. Mathematical model of wheel vehicle kinetostatics in terms of spatial motion is constructed on the basis of nonlinear differential Euler-Lagrange equations; it is proposed to consider physically implemented motion trajectories of wheel vehicles in the context of spiral-screw lines; hodograph determines spatial displacement; Rodrigues-Hamilton parameters determines spatial turn; Varignon theorem is applied to identify components of drive (control) force. The obtained results make it possible to solve a wide range of problems connected with dynamic design of wheel vehicles involving controllability, and estimation of dynamic load of both system and support surface

Thermal switching of indirect interlayer exchange in magnetic multilayers

We propose a magnetic multilayer layout, in which the indirect exchange coupling (IEC also known as RKKY) can be switched on and off by a slight change in temperature. We demonstrate such on/off IEC switching in a Fe/Cr/FeCr-based system and obtain thermal switching widths as small as 10--20~K, essentially in any desired temperature range, including at or just above room temperature. These results add a new dimension of tunable thermal control to IEC in magnetic nanostructures, highly technological in terms of available materials and operating physical regimes.Comment: 3 figures, Supplementary Inf

A new class of photo-catalytic materials and a novel principle for efficient water splitting under infrared and visible light - MgB2 as unexpected example

Water splitting is unanimously recognized as environment friendly, potentially low cost and renewable energy solution based on the future hydrogen economy. Especially appealing is photo-catalytic water splitting whereby a suitably chosen catalyst dramatically improves efficiency of the hydrogen production driven by direct sunlight and allows it to happen even at zero driving potential. Here, we suggest a new class of stable photo-catalysts and the corresponding principle for catalytic water splitting in which infrared and visible light play the main role in producing the photocurrent and hydrogen. The new class of catalysts based on ionic binary metals with layered graphite-like structures which effectively absorb visible and infrared light facilitating the reaction of water splitting, suppress the inverse reaction of ion recombination by separating ions due to internal electric fields existing near alternating layers, provide the sites for ion trapping of both polarities, and finally deliver the electrons and holes required to generate hydrogen and oxygen gases. As an example, we demonstrate conversion efficiency of 27 percent at bias voltage bias 0.5 V for magnesium di-boride working as a catalyst for photo-induced water splitting. We discuss its advantages over some existing materials and propose the underlying mechanism of photo-catalytic water splitting by binary layered metals

Ferromagnetic resonance and interlayer exchange coupling in magnetic multilayers with compositional gradients

Ferromagnetic resonance (FMR) in magnetic multilayers of type F1/f/F2, where two strongly ferromagnetic layers F1 and F2 are separated by a weakly magnetic spacer f with a compositional gradient along its thickness, is investigated. The method allows to detect the weak signal from the spacer in additional to the more pronounced and readily measured signal from the outer strongly-magnetic layers, and thereby study the properties of the spacer as well as the interlayer exchange interaction it mediates. Variable temperature FMR measurements, especially near the relevant Curie points, reveal a rich set of properties of the exchange interactions in the system. The obtained results are useful for designing and optimizing nanostructures with thermally-controlled magnetic properties.Comment: 6 pages, 3 figure