Effekten av 5kg TNT. Make your world a safer place

Transkript

1

2 Effekten av 5kg TNT

3

4

5

6 OPCW Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons Nobels fredspris 2013

7 Bild från svt Nobelstudion del

8

9

10 Låda i position att föras in i laddkammare 1

11 Låda i laddkammare 1

12 Låda i laddkammare 2

13 Låda på väg att tippas ner i Detonation Chamber

14 Destruktionen startad

15 Tömning av skrot

16 Spränglast och strukturrespons

17 Vad karaktäriserar en spränglast? En detonation orsakar en stötvåg. Stötvågens tryck är högt (runt bar), diskontinuerligt och har kort varaktighet (tiondels millisekunder). Stötvågen reflekteras mot ytor den träffar och kan liknas vid ett släggslag. Tryck gånger varaktighet ger en specifik impuls [Pa s]. Man säger att stötvågen ger upphov till en impulslast. Energin och gasmassetillskottet från sprängämnet ger upphov till ett efterföljande kvasi-statiskt tryck (10-100bar).

18 Stötvågsutbredning i en bombvagn

19 Strukturrespons Stötvågens varaktighet är kortare än strukturens (kärlets) radiella responstid. Stötvågen exciterar kärlet och skapar komplexa vibrationer (strukturrespons)

20 Tryckkärlsgodkännande av SDC1000 Två impulslastade kärl ingår i konstruktionen: 1. Loading Chamber 2 (LC2) 2. Detonation Chamber (DC)

21 Vad finns för stöd för dimensionering av impulslastade kärl? Vi har hittat: I ASME BPVC, Section VIII, Division 3 finns: Code Case 2564 Impulsively Loaded Pressure Vessels, skapad av en arbetsgrupp som initieras av Los Alamos National Laboratories Dynasafe deltar i arbetsgruppen sedan PED (EN13445) ger inget uttryckligt stöd för spränglaster eller strukturresponser. På en förfrågan 2004 till TÜF om ett liknande kärl (som SDC1000) var att betrakta som ett tryckkärl var svaret: -Nej, inte nödvändigtvis. Ingenmansland för vår produkt.

22 Problem med Code Case 2564 CC2564 var i första han utformat för att möta specifik behov hos Los Alamos National Laboratory och kom därför att placeras i Division 3. Division 3 avser i allmänhet kärl med designtryck >700bar Få tillåtna material Inga gjutgods Väldigt få som kan tillverka i enlighet med Division 3

23 Vi tog kontakt med Inspecta för att utreda möjligheten att : Få Detonation Chamber godkänd under PED baserat på EN Få hela SDC 1000 godkänd som aggregat under PED baserat på EN och EN 13480

24 Analys av DC (Detonation Chamber) Baserad på EN Annex B Design by analysis (DBA) som medger: Godtycklig kärlutformning Godtycklig last FEM- och CFD-beräkningar tillåtna. Passar vår applikation.

25 Lastfall Statiskt tryck 10 bar Explosiv last (TNT ekvivalent) 1 kg 1,5 kg 2,5 kg

26 Relevanta beräkningskontroller EN B Trots den höga temperaturen i ugnen så är inte kryphållfastheten relevant pga den kraftiga konstruktionen. Därför kan följande relevanta beräkningskontroller enligt B göras: Stor plastisk deformation ( GPD) Progressiv plastisk deformation (PD) Utmattning (F)

27 Modeller Full 3D. Kopplad fluid-strukturrespons. Volymelement upplösning ca 10mm ca 1,47 miljoner element. Fullständig modell dock utan hänsyn till lokala spänningskoncentrationer. Stötvågen simuleras med 3D-CFD som kopplar mot FEMberäkningar i strukturen. 2D-Axisymmetrisk Axisymmetriska element med generell upplösning 5 mm. I kritiska områden 1 mm totalt element. Stötvågen simuleras med 3D-CFD som mappas mot efterföljande FEM-beräkningar i strukturen.

28 Volymselement

29 Axisymmetriska element

30 Stor plastisk deformation ( GPD) 10 bar ( Max huvudtöjning<0,1%) 2,5 kg TNT (Max huvudtöjning< 1,7%)

31 Progressiv plastisk töjning (PD) Explosionslasten skapas med 2D MMALE och mappade tryckkurvor på 3D strukturmodell. Tryckkurvorna upprepas 10 gånger efter varandra för att simulera 10 efterföljande explosioner. Materialmodellen är linjär-elastisk ideal-plastisk, dvs. inget hårdnade används. Typ Last Krav (Antal lastcykler) Explosion 1.0 kg TNT 6600 Explosion 1.5 kg TNT 1280 Explosion 2.5 kg TNT 20

32 Progressiv plastisk töjning (PD) Tillvägagångssätt 1. Använd säkerhetsfaktorer enligt standard, dvs Kör simulering med 10 upprepade detonationer. 3. Plotta max huvudtöjning (max principal strain). (Detta inträffar på nedre ugnsdels tänder.) 4. Filtrera kurvan för att kunna extrapolera. 5. Räkna ut lutningen för detonation 7-10 och extrapolera kurvan till angivet antal detonationer. 6. Kontrollera om max huvudtöjning ligger under 5 %, i så fall är kontrollen uppfylld.

33 Vi använder fallet 2,5 kg TNT som exempel. Krav: Kammaren ska klara 20 detonationer

34 Simulering 10 upprepade detonationer (2,5kg TNT)

35 Töjningar från 2,5 kg TNT

36 Filtrerad kurva, lutning beräknad på detonation 7-10

37 Kurvan extrapolerad till krävt antal, 20 detonationer Kravet uppfyllt: Max huvudtöjning <5%

38 Utmattning (F) Materialmodellen är linjär-elastisk ideal-plastisk, dvs. inget hårdnade används. Fyra kritiska radier R1-R4 på tänderna undersöks. Korrigering för att låständerna inte är axisymetriska, (materialparametrarna halveras). Typ Last Krav (Antal lastcykler) Explosion 1.0 kg TNT 6600 Explosion 1.5 kg TNT 1280 Explosion 2.5 kg TNT 20

39 Vi använder R2 och 2,5 kg TNT som exempel Eftersom R2 blir utsatt för plastisk töjning ska total (elastisk+plastisk) effektiv (von Mises) töjning studeras.

40 Radie 2 2,5kg TNT

41 Spänningshistogram från en lastcykel (kapitel 8.18) Effektiv töjning och materialparametrar används i Fatigue toolbox för att räkna fram skadan från en lastcykel m.h.a. S/N-diagram och Paris law. Förväntad livstid 436 cykler> krav 20

42 Resultat och slutsatser EN ger via Annex B tillräckligt normstöd för att kunna utföra beräkningskontroller på ett spränglastat kärl. Beräkningsgången skiljer sig inte avsevärt från egenutvecklad metodik för beräkningskontroller. LC2 och DC är nu PED-godkända spränglastade kärl. SDC1000-anläggningen (som innnehåller fler kärl) är nu PEDgodkänd.

43 TACK!