Несущая способность комбинированных оболочек вращения с учетом влияния технологии изготовления на их деформативность тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

РГО од

/ 3 »'.¡А;!

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ЕЫСЕЕЙ ШКОЛ И И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ-МОСКОВСКИЙ АВИЛЦИОШШЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени К. 3.ЦИОЛКОВСКОГО

На правах рукописи УДК 539.3:678.5

ЧУРСИН Александр Алексеевич

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ КОИШИРОВШЫХ ОБОЛОЧЕК ВРАЩЕНИЯ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НА ИХ ДЕСОРИАТНВШЗСТЬ

Специальность 01.02.06. - "Динамика, прочность магин, приборов и аппаратуры"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисшшэ ученой степени кандидата технических наук

Москва 1952

Работа вшоленена в Московском авиационном технологически институте им. К.Э.Циолковского.

1

Научный руководитель - доктор технических нау1 ' профессор Зайцев Г.П.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Полилоз А.Н.;

кандидат технических нау] Финогеноз Г.Н.

Ведущее предприятие - Научно-производственное объединен им. Лавочкина.

Защита состоится ЛШЛ.. 1993г. на заседании спецн

.тезированного Совета К 063.56.С, при Московском авиационном те нологическом институте им. К. Э.Циолковского по адресу: г. Носке ул. Ульяновская, 13; почтовый адрес: •103767, г.Москва. К-2 ул. Петровка, 27. ' ' , '

-с диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскс •авиационного технологического института им. К.Э. Циолковского.

Автореферат разослан ".. 199З г.

Учений секретарь специализированного Совета

Солдатов с

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа: В авиакосмической технике, современном втомобилестроении и других отраслях находят широкое применение осуды давления. Технических уровень подобных конструкций ценивается по их массовому совершенству. Использований оппозиционного материала (КМ) в комбинированных сосудах давления герметиэирущэй оболочкой из металлических сплавов, позволяет ущественнс погасить данный показатель. основной причиной, граничивающей рост этого показателя в подобных консгрукцлх зляется несоответствие предельных упругих деформаций эталлических сплавов и композитов.

Характер развития современного материаловедения показывает, го в настоящий момент и а ближайшем будущем не удается привести-оптимальное соответствие дефоркативные характеристики металлов композитов, используеиих в качестве материалов для изготовления >мбинированных сосудов давления. В настоящий момент темпы роста :ругих деформаций в новых металлических сплавах значительно гстают от данного показателя в композитах. Поэтому, рзшенке юблекы, связанной с оптимизацией 'совместного деформирования грметизирувдих »"«силовых оболочек комбинированны/. сосудов нзления. за счет рационального проектирования, улучшения :: »здания новых технологий является актуальной в настоящее время. ,

Цель работа: на основе анализа несущей' способности 'Мбинированннх оболочке вращения,. предложить метод создания 'Мбинировйнных сосу/(01? • давления, обеспечивающий оптимальное ПструктгБНо-тзкнопогпческсе решение проблемы совместности

деформировацип металлических и композитных оболочек сосуда.

Научная нози?на работа. Предложен конструктивный критер: оптимальности комбинированных оболочек, согласно которому сре, всех конструкции, воспринимающих данную нагрузку, изготовленш из заданных материалов и по определенной технологии, ' минимально массой обладает та конструкция, в кавдоп точке которой вегличш деформаций по различным направления!.! достигают поверхнос предельной упругой деформации.

Разработан способ . управления полем остаточн технологических 'деформаций в силовых оболочках из КМ математическая модель процесса формования, позволяющие проводи совместное .проектирование структуры композита и технологическо процесса изготовления при высоких уровнях натяжения армирующ элементов. С помощью данного способа в оболочке.из КМ реализует максимальная удельная жесткость и создается необходимое д оптимальной работа герметизируй Л оболочки деформационное полз

'Предложен метод , оценки-несуц^Й способности силовых обслоч с участками из гибридных КМ, учитывающий взаимосвязь ц'еременн параметров жесткости и прочности оболочек с их деформативнооть Данный метод позволяет'управлять яесткостыо оболочки. • ■

Разработан метод оценки несущей способности комбинирован*

/

оболочек вращения,/ позволяющий проводить оптимизацию структ^ одловых 'оболочек из КМ без расчета напряженного состоя* конструкций/,. -

Практаадот ■ ценность' работы заключается в том, что ЗДаоваши1 ■■'.проведённых теоретических и зкеперименталы 1гс^§доваН11й; разработана инженерная методика расчета иесу!

способности комбинированных оболочек] позволяющая определять 'оптимальные' конструктивно-технологические' параметры подобных конструкций и реализошвать технологические процессы изготовления комбинированных сосудов давления в промышленных условиях. При этом для ряда металлических сплавов и КМ получены экспериментальные'данные по комплексу физико-механических свойств и -.разработан пакет прикладных программ, необходимых для проведения.практических расчетов.

Внедрение результатов. Методики и программы внедрены т ряда предприятий в расчетную практику для • проектирования комбинированных баллонов давления, а результаты экспериментальных «следований и технологические рекомендации использованы при разработке технологических процессов изготовления. В НПО 'Энергия" результат»' работы использовались при создании баллонов 1 чизкомодульной титяновсП герметизирующей оболочкой, а в НПО им. 1авочкинз при создании срганостеклопластиковых комбинированных галлонов.При этом были достигнуты технические .эффекты.-связанные о снижением массы и повышением надежности конструкций баллонов.

Апробация работы. . основные положения работы доложены и бсукдены: на научно-технической конференции Теомзтрические :пекты проектирования, технологии изготовления, деформирования и ззруиения элементов ЛЛ" общества "Знание" и НТО "Машпром" \г. гсква. 1989 г.). Всесоюзной конференции "Лни науки ВДОХ СССР" \. Москва. 1990 г.), ХП отраслевой научно-технической шферёнцки молодых специалистов , и ученых МОМ (г. Калининград V.. 1930 г.).

- 6 - • * Структура а объём работы. Работа состоит.из введения, пят* глав и списка литературы. :■ • ,-, ■ .. , '.;..- .,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ . , ... .. '.. . '

Введение. Во впадении отмечена актуальность работы, сформулирована -.?чь ра -тты,. отмечена ее практическая значимость.

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ , НЕСУГ/Л "'СПОСОБНОСТИ КОМБИНИРОВАННЫХ ОБОЛОЧЕК ВРАЩЕНИЯ В большинстге работ по теме "комбинированные оболочки" различнее' авторы рассматривают проблему, связанную, с решением ^ гптимизацией задачи'совместности деформирования металлических I композитных оболочек. Значимость данной проблемы обусловливаете* существенным различием физико-механических свойств металлически» сплавов и КК к отличием , видов их деформирования: упруго-пластическое у металле* у, , упругое (или упругое с переменными параметрами упругости) у композитов.

Болышнет. •• авторов предлагают , 'конструктивные ' / способ! решения данной проблемы., основанные на уменьшении конструктивно! яесткости герметизирующей оболочки за счет.различных технически? .решений. ; . '• ' '. /

Известны также' технологические методы повышения' общеР упругой деформация металлических оболочек., основанные ■ н£ использовании области сжимающих упругих деформаций. Основная цел* •данных методов - обеспечить ' перераспределение остаточны> напряжений между оболочками, при этом в металлической оболочке .Должны Сыть сжимающие напряжения при разгрузке сосуда давления. .Несмотря ка большое количество различных предложений,

использование как конструктивных, так и технологических методов повышения диапазона у:р"г:'- деформаций весьма ограничено в реальных конструкциях, - и? , слокчостой,' связанных с технической реализацией данных предло...-к'й,

Таким обрапол, основной конс^уктигжоИ схемой исполнения, комбинированных сосуд.« является традиционная двухоболочечная схема.

Наиболее персп^стиат •* ма\, --гмеыи для лзг «товлеиия ' герметизирующих» оболочек явх.отсп титановые; сплавы. При определенных технологических ¡-..-¿шах переработки у др'.ннх сплавов наблюдается существенное сниженир модуля упругости и значительная анизотропия упругих и прочностных свойств,. Поэтому для обеспечения оптимальных технологических режимов переработки титановых, сплавов, необходимо проведение исследований: по определению .влияния данных режимов на несущую способность герметизирующих оболочек в деформационном поле.

Технология изготовления существенным образом влияет и на физико-механические свойства КМ. Как известно, основными технологическими факторами при изготовлении оболочек из КМ является натяжение армирующих элементов', содержание связующего и температурный радам,' Данные Факторы изменяются на протяжении всего процесса изготовления, поэтому для оценки распределения, физико-механических свойств матэриала в оболочке необходимо описать с помощь» математической ¡мдели эти изменения, и конечным значениям технологических -факторов поставить в соответствий комплекс свойств материала.

Традиционно для оценю! несущей способности изделий кз КМ используются усреднение Физико-механические свойства, получении® на образцах. В этом случче. мс.гн'о исиользовагь более достоверно

данные о свойствах материала, соответствующих определенному участку оболочки. '

Важной проблемой при создании комбинированных оболочек является управление полем остаточных технологических деформаций. Существует два -основных способа . управления:. '"силовой", реализуемый за счет • натяжения арматуры и механического воздействия на пакет,' и "температурный", в котором используется переменное температурное поле. ;

Для обеспечения и поддержания необходимого уровня деформаций 'в оболочке при намотке и термообработке ' наиболее приемлемым является "силовой" метод, с использованием внутреннего и внешнего, давления. .

Гласа 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМШШКОСШ КОМБИНИРОВАННЫХ ОБОЛОЧЕК НА ИХ МАССОВОЕ СОВЕРШЕНСТВО Для сосудов давления основным параметром качества является коэффициент массового совершен /¡-а. (К), представляющий собой отношение энергоемкости конструкции к ее кассе. . Этот параметр комплексно отражает как конструктивную эффективность сосуда давления, так и 'технический -уровень материала и. технологии изготовления. Однако традиционная форма записи для К не позволяет' проанализировать. влияние технологии изготовления на их массовое -совершенство сосудов давления, . -

В работе для оценки массового совершенства комбинированных конструкций была, предложена сл.еяукнцая'.форма записи для К:- ; - с анизотропной металлической герметизирующей оболочкой

1 » ( + кгА» ^ Vе«' .

К » — , I |----,---1----Кф< < ^ ( ! ,

- 9 -

- с герметизирующей оболочкой из Км 1 „ I - 1 _ 1 'Е

П ' 1 *в в

К - — ■ 2 | Ск1 +.--с^ I--( )

П 1,1V К * ' Р

зап. 'к

где: Кф - коэй'нцпент. характеризующий форму оболочки:

"уст. г "п " нэпРЯЖ0,ше потери устойчивости металлической оболочки при сжатии и предел текучести металла при одноосном растяжении в направлении 1;

Е, - модулы упругости металла в направлении 1: к . к2 - параметры учитывающие влияние деформирования в ортогональном отравлении;

ск~. ек| - максимальные деформации, при которых сохраняется герметичность композита при сжатии и растяжении;

Кв. Е - объемное содержание и модуль упругости эолокна;

рх - плотность км:

Каап - коэффициент запаса прочности.

Форма записи (1) и (2) выражения для К позволяет определить )сновные направления, которые обеспечивают повышение массозого ювершенстиа:

увеличение предельных упругих деформаций в герметизирующих полочках «.«

к. Ает..+

- еЯ1 - шах,

1 _ — ♦

с +--с

к! к1 к1

к

зяп.

1(1 -

повиненив (юличина удельного модуля упругости композита

Vе, г,- »

■ Е - ГГйХ,

рк Рк

внбор оптимальной ¿ормы оболочки, с учетом технологически ограничений

На основами ""з выражений (1) и (2) бил сформулирова конструктивна'1 г-- П оптимальности комбинированных оболочек который опрь_...яет условие максимума коэффициента массовог совершенстр':.

"Мюктивность критерия максимальных упругих деформаци (деформац'ло.'п-ий критерий) обусловлена тьм, что он непосредотвенн записывается через паре:'тгри, определясаиз . деформационно состояние конструкции. Данный контерий справедлив при услизки что "слабы.; звеном" в комбкчданных конструкциях являете, геривтиаирущая ободочка, т.з.; ' . .

'•' " ЕМ1 < £орр ПРЙ епр к > 1раз ^ металлических .оболочек

Г, < г , . ' для оболочек из, КМ,,

где: Г; и £ - дефермацш ' комбинированной оболочки пр '^прессовочных и разрушающих нагрузках; " гпр ■ " предельная-деформация металлической оболочки.

• Для случаев, ЧМ1 > еопр приТпр щ ) I справедли .ИЗрзотный критерия равнопрочное™ конструкции. На рис.1 показан область определения деформационного критерия для различных па ■современных и перспективных материалов в зависимости от заданны коэффициентов запаса прочности комбинированных оболочек.

Как видно из представленных зависимостей (рис.1) при ни^ки

• - и

значениях кза|) для по- -тщего Солышнстка пар материалов целесообразно [ - ->:eime лцмоииого f- " гсрг 1.

критерия от иоз^нниента запаса прочности для , различный материалов.

Для оценки предельных леФ:;'-'зцйй игр^лния 'сплошоотя герметизирующих оболочек из КМ установлено условие ' ионслитиосгя яля слоя пластика, годящегося в .деформационном поле. , при ¡¡оставлении данного условия использовались известные yp:.-:HSf!ik киномеханики и энергетический щ'тгоий прочности. В результате дальнейшего анализа было установлено, что осиоеиКлЯГ-*! факШамр.

ргогодими на монолитность КН в, деформационном поле, являются содержание связующего в комплексной нити (Ус). величина отношения модулей упругости наполнители и матрицы, прочность матрицы. Для реализации расчетных значений ус была разработана специальная технология, обеспечивающая получение герметизирующего пластика на основе эпоксидного связующего. •

Апробация данной технологии проводилась на оболочках двух типов: сферической Форш с внутренним объемом (V) 25 литров и цилиндрической со сферическими днищами V - 40 литров.

Таким образом, в результате анализа уравнений микромеханики и механизма разрушения микропластика созданы теоретические предпосылки для разработки варианта технологии изготовления герметизирующих оболочек из КМ.

- -Глава 3.- ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИТНЫХ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ ОБОЛОЧЕК В ДЕФОРМАЦИОННОМ ПОЛЕ.

Основная цель данной 'г^-м: определение "верхнего" и "нимнего" допустимых пределов деформирования металлических и композитных герметизирующих оболочек. ■

Для исследования поведения металлических оболочек из титановых сплавов использовались образцы трех типов: плоские с двухсторонней выточкой, трубчатые и полусферические. Данные образцы позволяют оценивать предельные характеристики, такие как пределы прочности'(бв) и текучести (бт) и максимальное удлинение ■СУд). в условиях- двухосного ; НДС. В . образцах , с помощью ^термообработки обеспечивались различные уровни предельных характеристик.

В результате проведенных экспериментальных исследований било установлено,что предельные характеристики сплавов зависят от вида

- 1У -

1ДС. Так при двухосном деформирования оущестпенпо снижается яздичина с . , по сравнению с одноосным. ла счет уменьшения мощадки текучести, а при г«умойбраОотк» до высоких уровней точности может наблюдаться хрупкое разрушение в упругой области. 1оэтому при определении технологических ре-жимов термообработки [еталлических оболочек. не следует выбирать режимы, беспечнвающие максимальные значения бв или 6Т, из-за еобх'одимостк обеспечения величины суа , соответствующей нормам рочности сосуда давления.

/

В исследуемых сплавах наблюдалось превышение бд ;и бт а'териалз при двухосном НДС в сравнении с данными величинами при цноосном. .Это явление противоречит критериям прочности для зотропных материалов и свидетельствует об анизотропии зойств.Поэтому при оценке несущей способности оболочек из >добных сплавов необходимо использовать критерии, учитывающие шзотропию И ВИД НДС.

Особое внимание было уделено исследованиям по определению шяния режимов термообработки на изменение и анизотропию, ¡рактеристик упругости. Следует заметать, что снижение модуля ругости и проявление анизотропии оценивается как отрицательный раковочныП) фактор при изготовлении'подавляющего большинства делий. В данном случае герметизирующая оболочка является ключением. Снижение модуля упругости 'в оболочке позволяет высить массовое совершенство сосудов.давления,

В результате тензометрирования,оболочки объемом 100 литров, рмообработанной по специальному режиму, было установлено шение модуля упругости до 80 ГЦа, ' при зтом наблюдалось завномерное распределение характеристик,упругости по оболочке.'

Реализация "нижнего" предела . упругих деформаций

герметизирующих оболочек иабл; •-тся при сжатии. Значительные деформации металлических оболоч в сжатой зоне приводят к потере устойчивости. Для оценки потер! устойчивости используется модель квазиизотропной оболочки с :;ачальньши несовершенствами Форкы нагруженной внешним давлением. Влияние адгезии к силовой оболочке учитывается с помощью коэффициентов. Адгезионные'коэффициента определялись эксперименталы. на специальных комбинированны* плоских образцах. При ~ ' установлено, что при .толщинах металлических пластинок порядка 0,1 - О А ?•:;.! адгезионные. 'спая оказывают существенное влиячке на предельные • деформации потерн устойчивости, а при- толщинам более 0,4 ' мм это влияние уменьшается.

При определении "верхнего" и "нишего" пределов деформирования композитной .герметизирующей оболочки необходим: учитывать, то что о„э додана соответствовать- требованиям п-г газопроницаемости. • Проведенные исследования газопроницаемое«: стеклопластика на специальных трубчатых образцах с различим« содержанием волокна (ув ) показали _ что. закон изм«> коэффициента газопроницаемости . (Ка^01! ) 'довлей -лтельнс описывается правилом смеси при значбнилх^ » 0„3...0,55. Т.е. : ростом Уа газопроницаемость уменьшается, ко при стой уменьшает« и предельная деформация потери сплошности исв ). вслэдствн; влияния концентрации напряжений (рис.2). Поэтому лля каждол варианта конструкции оболочки выбирается оптимальное с'оотношенш с и К При этом к, выбирается соответствующим тз. I

СП. ПрОК ярой.

,есп наибольшим для данного \п.

- При проведении экспериментальных исследований установлен анизотропия упругих и предельных характеристик герметизирувдег стеклопласти.Ча. В направленна основы данные характеристики н

20-25% выше чем по утку. Поэтому герметязу^щую . соолочку Целесообразно' изготавливать намоткой либо .^одольных. либо кольцевых слоев. Кольцевая намотка приценяется для :линдрич'. :ких частей оболочек, а продольная (или спиральная с малыми уг.чзми армирования на ■ экваторе) для намотки оболочек двои ой кривизны, при этом целесообразно использовать однозошшй метод.

Ее

СП.

д ¿п (Нпрои.) Н3-П_____

, Л ,т М I I ,«>4

Ц* -Ла

А

........»«{а«»

,6,2 0,Н О,С 0,$ 1

. Рис!2. Зависимость предельной'деформации потери оплошности теклопласткка от содержания волокна - ц зависимость .оэффициента газопроницаемости (К .(| ) от уо - 2.

определение "нгашего" предела деформирования герметизирующей бчдочки из КМ. связано, прежде всего, с различием -форм азрушения: общая и местная потеря устойчивости оболочки или отеря монолитности от действия сжимавщеЦ нагрузки.

- 16 - •

Общая потеря устойчивости оболочки, наблюдалась на стадии отверждения силовор оболочки, когда еще не бил сформирован взаимный адгезионный контакт.* Оценка предельных деформаций в этом случае производится . аналогично , случаю с металлическими оболочками.' Местная потеря устойчивости наблюдалась в слоях, лежащих Слизко к .внутренней, поверхности в местах с нарушением регулярности укладки. Местная Потеря устойчивости в бездефектных Оболочках не наблюдалась.

Потеря монолитности . от действия , сжимающих Нагрузок определяется в •соотвотствшг с предложенным условием монолитности.

Глава 4.' ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НА ■. ■ НОРМАТИВНОСТЬ СИЛОВЫХ ОБОЛОЧЕК ИЗ КОМПОЗИТА. . .

Важнейшими моментами, при разработке и изготовлен;« комбинированных оболочек является реализация в силовой ■оболочка из КМ максимальной удельной жесткости и рационального пол? остаточных технологических деформаций.

Данные величина зависят ' от модуля . упругости пластика I направлении, армирования (Е '). а на, величину Е( оказываем существенное влияние содержание , волокна ) и натяжение е армирующих элементах (Ив).

Т. к. величины V и меняются в процессе изготовлен;«

В в

оболочки, то для оценки влияния технологии на величину модуш упругости были проведены экспериментальные исследования.

Исследования проводились с использованием плоских образцов, изготавливаемых методом прессования. В этом случае удаетс.! избежать взаимного влияния Ив и т.к. можно считать чт< изменение V не зависит от натяжения,

в

В экспериментах использовалась специальная плоская оправка.

. - 17 -

инструкция оправки позволяет создавать необходимую постоянную' ¡¡личинунатяжения в, нитях за счет перемещения подвижной части., ¡равкн под действием силы упругости- балки. Давление формования »вспенивается за счет ' давления ' оказываемого на боковые верхности.

В результате, эксперимента были определены'зависимости вида: » Г1Ив. ув). для Стекло- и ■органопмастиков на основе . нзующего ЭДТ-Ю, которые в дальнейшем-использовались при оценке зткости оболочки. '

' 3'процессе намотки .и Формования оболочки из КМ происходят тные физика-химические процессы,, приводящие . К изменению шоиачал'ыюго натяжения в слоях. Изменение натяжения особенно ■ .чительно сказывается на величинах остаточных деформаций, когда мование ведется при высоком уровне натяжения (20-50% от' рушащего), т.б. для Варианта, рассматриваемого в данной гге. •■,.-'.'.-..

Из-за уменьшения натяжения -происходит' снижение значения да упругости и объемного содержания волокна, что приводит к ¡ьиению удельной жесткости "оболочки, из КМ. Для того чтобы якать эти потери необходимо исключить или уменьшить' радиальные ¡мещения материала, это' '"может быть достигнуто',, если низоёать перемещение внутренней поверхности оболочки в-ессе нзмотки и отверждения по определенной программе.. При тке целесообразно использовать ьнутреший поддув оболочки. . а отверждений; гидроклавное формование,'с. раздельным' управлением эенним-(Р8Н) к,и'внешник .(Р^)' давлением.,на оболочку.; Для 01?енки 1екия натяжения в процессе подобного двухстороннего звания была "разработана специальная методика, основанная -лй

ч . • ' - '. . "

шии 'фйльтрации, связующего и взаимного влияния слоев друг на

' • .;..'. - 18 -друга. ' Данная методика позволяет такж§ оценить' распределение величины vв в различны* участках "Солочки. А с учетом, описанной ранее экспериментальной'.зависи- и::: Б, * ПЛе. vв), определять и ' распределение модуля упругости 1 слоях. '

Как известно, .укладка.намаожаемого материала производится по 'линиям .близким 1 к-геодезическим для данной поверхности, чтс приводит к определенной;закономерности. начального распределения Толщин сдоев , материала в оболочке. ' Если учесть изменение мв е

• процессе намотки, то можн определить толшкы' слоев в различны) сечениях отверженной .. ободочки. • Расчет ййсткости оболочек £ соответствующих -сечениях производился с , учетом распределена характеристик" упругости,, по -известным зависимостям для пакет* пластика.

Контроль за величинами деформация в процессе моделирована технологического процесса ' осуществляется по положенш ■ (деформациям) внутренней поверхности оболочки. Это позволяет ш в'сех ' стадиях процесса формования силовой оболочки поддерживав уровень ■ -деформаций в пределах допустимого диапазон! деформирования герметизирующей оболочки" .

. -.' Экспериментальная проверка предложенной методики проБодилас

• ■на оболочках' сферической формы. После изготовление оболочк .разрезалась- -в ■ плоскости', оси' вращения. Затем из., всег

меридианального' сечения были изготовлены шлифы, по' которы методом микроструктурного анализа определены толщины слоев . Расчетные значения ' распределения . толгаин удовлетворителен совпадают'с. ' эксп?рвмталышки- данными. Наиболыюе отклонен-/

• расчетных -¿качс-кий от экспериментальных наблюлз'зт- и в г,пласт лодшшх'отверстий.

Глава 5. РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ СОСУДОВ ДАВШШ ■

НА-ОСНОВЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ .•

' .И МИНИМАЛЬНОЙ МАССЫ - ' •

. 'При разработке сосудов давления, для которых целесообразен

"деформатизныП" подход, использовалась методика, основанная на

фитерии максимальных упругих. деформаций. '

"^пользование критерия обеспечивает . условие минимизации

шссы. а необходимая несущая способность достигается за счет

!Ыбора соответствующих конструктивно-технологических параметров

1

хмбинированной оболочки. ' . • ■ /

Ввиду малой, относительной толщины, счь.комбисирсгазшой полочки, расчет несущей способности проводится по-Сезмомент!:*;-■еории оболочек. Следует заметить, что-.'такие 'конструктивна лем.енты, как фланцы 'и.узлы крепления. ,а также зоны-с краевыми ФФектами-. учитывается на дальнейших- стадиях разработки сосуда авления, при этом несущая способность определяется известными поссбами. ' \ - .

Разработка оболочки производится'..в два этапа.'. На первом тале выбираются .оптималъныа. , конструктивяо-техйологические араметры герметиэируювгзй оболочки, - соответствующие максимальному лапазону упругах объемных деформаций,- не приводящих к нарушению грметичности.' . Загём. определяются оптимальные деформационные хля, учитывающие различные стадии'нагружёния сосуда, давления/

На втором этапе разработки ■ . '■ выбираются

жструктивн.о-тедаологические параметры силовой оболочки- из КМ. ¡еспечивающие деф&рмирозаниесосуда, давления в соответствии с шсчитанными деформационными полями. . При этом ,в слоях силовой ¡стчки необходимо' реализовывать максимально "возможное значено

20/- " ■ модуля упругости'в направлении армирования.

Следует заметить,, что на стадии проектировочного расчет •оценка НДС силовой оболочки'производится не чз полном объеме, т. к отсутствует, расчет напряженного состояния.

Для решения задач! связанных с • совместным проектирование конструкции и технологического процесса изготовляли • комбинированных оболочек, был разработан специальных пзке " прикладные программ! Данный пакет состоит из двух частей:' набо программ для расчета несущей способности и программы для оценк влияния' теуяологичесгш 'факторов на - деформативност комбинированных оболочек. ;

В работе предложена математическая модель разрушения гибридного КМ, позволяющая оценивать изменение модуля упругости (Е ) материала в зависимости от уровня деформирования. В модели используются уравнения механики разрушения, которые описывают-раскрытие и рост дискообразных трещин с учетом взаимодействия трещин между собой. Предложены расчетные зависимости Ек для гибридов двух видов: со смешанным расположением однотипных наполнителей и слоистым. Установлено, что основными факторами, влияющими на Е , являются величина раскрытия соответствующих микро- или макротрещин, характер разрушения границы волокно-матрица и величина предельной деформации высокомодульного наполнителя. Результаты теоретических расчетов Ек совпадают с экспериментальными данными.

Промышленная, апробация предложенных в работе методо: проводилась , при , создании комбинированных баллонов давления дву типов:, с герметизирующей оболочкой из титанового сплава ВТ-23 . стеклопластика ЛЭС ЭДГ-10. ■"' . _ ■

ВИНО ""Энергия" результаты работы " использовались пр]

разработке комбинированных шар-баллонов. и следувдми характеристиками: внутренний объем (V) - 100 л, максимальное эабочее давление (Р ) - 23 МПа. коэффициент запаса прочности (К ) - 2,0. Это позволило достигнуть уменьшения массы баллонов (а 152 в результате сншкения модуля упругости титановой оболочки I использования рациональной схемы армирования.

Замена титановых шар-баллоков (V - 25 л, Рв -- МПа, Кзоп -'.,0} на оргаиоствклопластичовые позволяет НЛО им, Лавочкина сомпеисировать недостачу донной продукции, ранее производившейся

I

¡а Украине. При этой пасса баллонов сохраняется ка ^прежнем /•ровне. а безопасность эксплуатации повышается ' за . счет безосколочности разрушения.

В настоящий момент проводятся работы по . созданию ¡теклопластшсовых баллонов для автомобилей. для ■ которых сарактерны низкая себестоимость из-за использования дешевых ¡сходных материалов. Результаты испытаний партии баллонов , шлпндрическоА формы (V .= 40 л* Р » йСНШа-. Кзоп - 2.6) показали ¡ерспективность ■ использованиябаллонов из стеклопластика в 1втомосилестроенщ1. ' . '

Основные результата п выводы 1. Разработан мэтод оценки массового совэршенства юнбинированнах оболочек давления, учитывающий влияние «изотропии. упругих и ' прочностных .. свойств материалов ■ериетизирующюс оболочек на их несуцуи способность. . Данный метод юзволяет определить основные ... направления ' совершенствования ' •ехнологии изготовления комбинированных сосудов давления. 1 :'* ... 2.. Установлено. Что. основными .факторами,, влияющими на шолитность кошо.зищганнах материалов- вдеформационном ' пол'е вляотся; содэрзаниз' связующего ' в .. комплексной ннт величина

- . • . - 22 - • отношения модулей упругости наполнителя и матрицы, прочность

■ матрицы. Ка основе проведенных •? -?оретических исследований была разработана технология, обеспечивающая сохранение герметичности .оболочек из КМ при значительных уровнях'деформирования.

3. Получены .экспериментальные данные по деформативности металлических оболочек с переменными параметрами .упругости и анизотропией физико-механичхких свойств, позволяющие установить Взаимосвязь между параметрами, технологического процесса изготовления оболочек и предельными упругими и пластическими деформациями - в условиях двухосного НДС. Данные исследования

• позволили выявить основные требования/ предъявляемые к технологии изготовления - металлических оболочек комбинированных сосудов давления.

4. Установлена экспериментальная зависимость между ■газопроницаемостью, Физико-механическими свойствами . и

• деформациями потери герметичности для эпоксидного стеклопластика, что позволяет определить оптимальные значения углов армирования и содержание волокна для материала герметизирующих сйолочек из КМ.

5. Получены, -эксперименгальяье зависимости характеристик упругости наметочны:: КМ от технологических. факторов, чте позволяет формировать исходные данные для поверочных расчэтов.

■ соответствующих определенным участкам оболочек.

6. Предложен метод расчета. основанный на уравнениях механики разрушения, позволяющий определять значение модуля упругости гибридного КМ в зависимости от уровня деформации • .7. Разработала инженерная методике , дня проектирования комбинированных оболочек вращения, основанная на предложенных е работе конструктивном критерии и мето'де оценки нес.ущег 'способности.' Данная методика учитывает особенности технологи.

- 23 -

изготовления подобных конструкций.

8. Разработан пакет прикладных программ ьич „¿счета несущей способности комбинированных оболочек с учетом влияния технологии изготовления на их дэформатнвность.- Данное программное обеспечение используется ь расчетной практике на ряде предприятий. ■ ■ '

9. Созданы теоретические предпосылки и предложены практические рекомендации для разработки нового типа конструкции: комбинированные сосуды давления из КМ, в которых и силовая, и

I

герметизирующая .оболочки. изготавливаются из армированных пластиков. Испытания баллоног из КИ показали перспективность использования • подобных конструкций в ряде отраслей, машиностроения. '

Основные результаты работы опубликованы в следующих печатных трудах:. ■ . •

1. Бахарев A.A.. Чурсин A.A. Методика расчета несущей /

способности комбинированных емкостей из армированного пластика. -М.. 1986г., рукопись деп. в ВШИ N 86-2775.

2. Евсеев Е.Г., Ларин В.А., ' Чурсин A.A. Подсистема оценки устойчивости ■ металлической оболочки в САПР комбинированной эмкости.- М.,1990г., Межвузовский сборник "Геометрия и прочность з САПР изделий". ■

3. Бахарев A.A..' Чурсин 'А.А.. ' '. Расчет

Ч '

тпряженно-дефсрмированного состояния пластика с учетом изменения температуры. г,Калининград Ш.о.\ 1987г. ЦНИКМаш ОФАП МОК I 3159. ' . ' '

. 4. .Бахарев A.A.', Чурсин л."А., Орлов А.Л. Расчет структуры ¡рмированного'' пластика в комбинированных конструкциях. '.'Калининград М.о., tOVJr ЦНИКМаш ОФАП МОИ N 3513! ~