Влияние конструктивно-технологических факторов на деформативность и прочность баллонов давления типа "кокон" тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

пермский государственный технический университет

влияние конструктивно-технологических факторов на доормативность и прочность валлонов давления типа "кокон"

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин,

приборов и аппаратуры

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Р Г Б ОД 2 О ИЮН 133*1

На правах рукописи

г

еашш Геннадий Павлович

Пермь - 1994

Работа выполнена в Пермском государственном университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Н. Ф. ЛебэдеЕ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Н. А. Труфанов;

кандада т ф1!Зико-мат&матичвса» наук, старз;»й5 сотрз'ДН!.

А. А. Адамок

Ведущая организация: Катчно-прсггзаадстБачноэ

"Искра"

Защита состоится 24 июня 1994 года в часов на заседании специализированного совета К 063.6S.02 в Пермском государственном техническом университете по адресу: 614600, г. Пермь, Комсомольский пр., 29а, ауд. 423.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета.

Автореферат разослан мая 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доцент

Б. П. Свешников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы во всех промышленно развитых странах особое внимание уделяется легким и прочным изделиям из композитных материалов (КМ), объем выпуска которая постоянно возрастает. В первую очередь они находят применение в конструкциях летательных аппаратов к на транспорте. Наиболее эффективно достоинства этих материалов могут быть использоеэны при 'создании тонкостенных конструкций типа баллонов давления. В процессе роста объемов производства изделий из КМ все более жесткими становятся требования к их материалоемкости, а также требования к способам теоретического прогнозирования и неразрушающего контроля их несущей способности. Решение этих задач тесно связано с проведением экспериментальных исследований и созданием математических моделей, позволяющих учесть и оценить влияние наиболее значимых конструктивно-технологические факторов на напряженно-деформированное состояние (НДС) и прочность изделий.

Основным конструктивным элементом баллона давления типа "кокон", для.краткости называемого в дальнейшем просто "баллон", является тонкая силовая оболочка из композиционно-волокнистого материала. Особенностью таких оболочек является сложная структура материала и нестабильность некоторых эксплуатационных параметров, в том числе значительный разброс их прочности и деформативности. Это приводит к ситуации, когда уникальные прочностные свойства применяемых НМ используются иногда только наполовину, а достаточно сложные современные методы расчета не позволяют дать прогноз результатов эксперимента с требуемой точностью. Поэтому возникает необходимость теоретического и экспериментального исследования причин, порождающих разброс и снижение несущей способности баллонов, а также влияния на их несущую способность различных факторов.

Тема диссертационной работы совпадет с основным направлением научных исследований, проводимых на кафедре Механики твердого деформируемого тела Пермского госуниверситета и являлась составной частью ряда хоздоговорных работ и госбюджетной темы 1986-1990 г.г. "Разработка методов, алгоритмов и программ расчета конструкций из композитных материалов. Исследование напряженно-деформированного состояния композитных конструкций", государственный регистрационный номер 01860130174.

Объект исследования - баллон из КМ, изготовленный способом непрерывной "мокрой" намотки ленты конечной ширины на вращающуюся

- А -

опраЕку. Лента состойг из волокон, собранных в систему нитей и пропитанных перед намоткой эпоксидным связующим. Изготовление осуществляется симметричной по толщине поочередной намоткой кольцевых слоев на цилиндрической части и спиральных слоев (лентой, укладываемой под углом ± ср к меридиану) - на всей оправке. После намотки связующее полимаризуется и оправка удаляется. Внутреннюю часть баллона покрывает гермослой. Днища имеют по одному полюсному отверстии с закрепленными в них закладными элементами. В процессе испытаний отверстия закрываются жесткими крышками.

Все расчеты в предлагаемой работе Белись до уровня структуры, элементом которой является намоточная лента конечных размеров ("макроструктура" КМ). Заполимеризованная лента рассматривалась как сплошное однородное трансверсально изотропное тело. Ее механические характеристики принимались равными характеристикам одно-направленно армированных сопутствующих образцов.

При проведении экспериментов в процессе выполнения работы на каждый из баллонов наклеивалось от 20 до 200 тензорезисторов.

Цель работы: экспериментальное исследование, а также разработка методик расчета и получение конкретных результатов по оценке влияния ряда конструктивно-технологических факторов на дефор-мативность и прочность баллонов давления типа "кокон".

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи.

1. Уточнение , математических моделей рьсчета структурно-геометрических параметров, НДС и прочности баллонов путем: 1) учета ширины ленты при выводе формул для описания разнодлинности и углов намотки волокон, а также коэффициента армирования, толщины и упругих констант материала^силовой оболочки; 2) разработки методики оценки разброса НДС и прочности баллонов.

2. Реализация математических моделей в виде алгоритмов и программ для ЭВМ, а также их численный анализ.

3. Отработка методики экспериментального исследования дефор-мативности и прочности баллонов, включающая создание экспериментальной установки, автоматизированной системы неразрушающего контроля прочности и опытную оценку погрешности проводимых опытов.

4. Экспериментальное исследование толщины, деформативностй и прочности баллонов, имеющих различную конструкцию, изготовленных из различного материала и подвергнутых различным воздействиям.

Научная новизна:

1. Получены формулы для расчета углов намотки волокон на

всей ширине ленты, толщины и коэффициента армирования, позволяющие на десятки процентов уточнить имеющиеся решения. Проведено экспериментальное исследование толщины баллонов.

2. Разработаны методика и программа расчета НДС, учитывающие предложенные уточнения и позволяющие дать теоретический прогноз ожидаемого разброса деформативности и прочности баллонов при известном разбросе входящих в математическую модель факторов.

3. Исследовано влияние более двадцати конструктивно-технологических факторов на закономерности изменения и разброс деформативности и прочности баллонов давления.

4. Опытным путем изучены особенности деформирования и разрушения баллонов, тлеющих сферическую и изотензоидную форму днищ, различные диаметры полюсных отверстий и закладных элэментсЕ, резиновый и алюминиевый гермослой; изготовленных из стекло-, орга-но- и углепластика; подвергнутых в-процессе изготовления ультра^ звуковому и сверхвысокочастотному воздействиям; однократно и многократно нагруженных внутренним давлением, осевой и смещенной относительно оси растягивающей силой,

5. Создана автоматизированная система, позволяющая с помощью существующего метода неразрушащего контроля прочности баллонов осуществлять индивидуальную диагностику величины разрушающего давления с наблюдавшейся в опытах погрешностью не более 7%.

Практическая ценность. Основная часть проведенных исследований выполнена по заказам промышленных предприятий и используется на них для прогнозирования прочности и деформативности баллонов, а также для совершенствования технологического процесса их изготовления. Создана экспериментальная установка, а также автоматизированная система управления процессом измерений и обработки его результатов.

Достоверность результатов теоретических исследований обосновывается корректностью постановки задач, применением современной вычислительной техники и согласованием результатов расчета с результатами эксперимента. Достоверность результатов экспериментальных исследований обосновывается многократно проверенной их воспроизводимостью и проведенной в работе опытной оценкой их погрешности на приборах, прошедших метрологический контроль.

Реализация результатов работы. Методика и программа исследования влияния разброса деформативности и прочности баллонов внедрены на предприятии п/я А-1504. Методика рационального проектиро-

- б -

вания и результаты экспериментального исследования баллонов внедрены в НИМ Композиционных материалов (г. Пермь). Экспериментальная установка и автоматизированная система, позволяющие проводить неразрушащий контроль прочности конструкций, реализованы в Пермском госуниверситете и используются при проведении научных и лабораторных работ на кафедре Механики твердого деформируемого тела.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались: на II и III Всесоюзных симпозиумах "Теория механической переработки полимерных материалов" (Пермь, 1980 г. и 1935 г.); на IV Всесоюзном симпозиуме по механике конструкций из композиционных материалов (Новосибирск, 1982 г.); на региональной конференции "Применение композиционных материалов на полимерной и металлической матрицах" (Пермь, 1985 г.); на IX Всесоюзной зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1991 г.); на ежегодных областных конференциях молодых ученых и слвц^ятастов (Пермь, 1979-1984 г.г.); на ежегодных отчетных конференциях преподавателей и сотрудников Пермского госуниЕврситета (1979-1993 г.г.).

В полном объеме диссертация доложена на семинаре кафедры Механики твердого деформируемого тела Пермского госуниверситета (май 1993 г.), на общем семинаре Института механики сплошных сред Уральского отделения РАН (июнь 1993 г.) и на семинарах кафедр Пермского государственного технического университета: Динамики и прочности машин (октябрь 1993г.), Теоретической механики (ноябрь 1993 г.), Механики композиционных материалов (декабрь 1993 г.).

На защиту выносятся:

1. Методика и результаты теоретического и экспериментального исследования детерминированных и стохастических характеристик толщины, деформативности и прочности баллоноЕ.

2. Результаты численного анализа и экспериментального исследования влияния контруктиЕно-технологических факторов на деформированное состояние и прочность баллонов.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и пяти приложений. Материал изложен на 260 страницах машинописного текста включая ?? рисунков и /0 таблиц. Библиографический список содержит ЛУ наименования. Основной материал работы, исключая рисунки, таблицы, список литературы и акты внедрения, изложен на /^¿.страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее связь с запросами производства и основными направлениями исследований в данной области. Формулируются основные положения, выноси-мие автором на защиту. Отражены научная ноеизнз и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе дан аналитический обзор работ, посвященных решению проблем проектирования и поверочного расчета баллонов.

Отмечено, что большой вклад в разработку проблем прочности конструкций из композиционно-волокнистых материалов внесли H.A.

Л nrtwmia 15 Р тт/лгтчтхх Д Л Ртгттотггпэ Р А Raum! Т5 Р Da nurттт. о гэ

JlH^J AUIJ) Л-tmXJ» Л.М1Л.Л. , • -1 - ¡-1J UÜJkW^J f J- - J1 ■ UUlUJil f . • MiUL<U|

И. Зиккел, П.А. Зиновьев, A.K. Малмейстер, А.Б. Миткевич, Ю.В. Немировский, И.Ф. Образцов, A.C. Овчинский, А. Пипкин, Б.Е. Победа, В.Д. Протасов, В. Рид, Р. Ривлин, D.M. Тарнопольский, О.Б. Чвревацкий и др.

Проведены анализ и классификации основных конструктивно-технологических факторов, определяющих работоспособность конструкций, сформулированы цели и задачи исследования. -

В работе проводилось как теоретическое, так и экспериментальное решение сформулированных задач.

1. Теоретическое исследование основывалось на известной методике расчета тонких упругих оболочек из КМ с учетом краевого эффентэ. Новые результаты получены за счет уточнения математической модели путем еыеодэ более точных формул для расчета структурно-геометрических параметров и эффективных упругих констант баллона, а также оценки разброса его НДС и прочности.

2. Экспериментальное исследование проводилось не только с целью проверки расчетных методик, но в большей степени - для непосредственного изучения вопросов о влиянии факторов.

Во второй главе рассматривается этап намотки. Излагаются теоретические и экспериментальные исследования, уточняющие структурно-геометрические параметры баллонов, нобходимые для расчета НДС. В ряде случаев уточнение составляло десятки процентов.

К исследуемым параметрам относились углы намотки волокон, их разнодлинность, коэффициент армирования и толщина силовой оболочки. Уточнение решений получалось в результате учета реальной макроструктуры намоточного композита, которая для одного спирального слоя днища схематически изображена на рис. 1,а. На рис. 1,6 показана принимавшаяся ранее при расчетах упрощенная схема, в которой намотка лентой заменялась намоткой отдельным волокном.

Формулы (1) и (2) предназначены для расчета толщины силовой

- а -

оболочки Н и угла намотки <р произвольного волокна, расположенного на расстоянии V от среднего по ширине ленты волокна.

Рис. 1. Схема макроструктуры одного спирального слоя днища, изготовленного намоткой ленты (а) и отдельного волокна (б).

Кроме радиуса окружного сечения г, угла намотки среднего волокна ф( (для которого и=0), числа витков в слое Ш, площади поперечного сечения одной нити / и числа нитей в ленте т в них вошли три новых фактора: угол а между нормалью к поверхности и осью Еращения оболочки, ширина ленты Ь, угол у между крайними (или заданными, если 7 = "((V)) еолокнзми ленты, характеризующий переменность ее ширины:

/ т П Г [ Ъ'31п 7« соз а 1

Ев --<агса1п\а1п (<р - 7) + - I -

2 тс Ь соз а I I 2 7 г ]

(Ъ-з1п 7-соз а "1 1 з1п (ю + у) - - 1+27}, ("г, < г « г >;

1 г 7 г ] }

Т т И ! "1

Не = - агссоз I—- + 7|, (Г « Г « Г I,- (1)

Р Т. Ъ ППЯ ЛГ 4 Г ■>

2 % Ъ саз а г

! шЩ г

Нв--агссоз —- , (г « г < г ):

х Ъ соз а г

I-. и-з1п 7(0)'Соз а Ф, " ТМ| + - » ^

где _ радиуо полюоного отверотия в днище;

г - радиус точки возврата касающегося (при 7 > О - касание

в двух точках) полюсного отверстия крайнего волокна; г - радиус точки возврата волокна на другом краю ленты. .

График изменения расчетных углов намотки волокон на днище при намотке среднего волокна ленты постоянной ширины по геодезической траектории, представлен на рис. 2.

Г

90 ЬО 70 60 SO ко 30 ¿0

Гл-рчдиус экватор* г

^Ь J / ^

L. 1 ... 1 --wninu»

о.зг

Рис. 2.

0.S-Q

0.1Г

J2, П|

too

Зависимость углов намотки волокон с различной координатой V по ширине ленты от радиуса текущего окружного сечения.

Па =

На цилиндрической части формулы (1) принимают вид: f тУ aín 7 ' I 1 1

}

4 % г 7 [ coa сф(- 7 ; соз (ф,+ 7 J

В частном случае, для кольцевой намотки с шагом Л, где

-И"'

/ п

(3)

(4)

tg ф = 2 тс г / Л , из (3) имеем:

Пи = / т I--—— + , ,

[ (2 % г? Лг J Л

При Ъ -> О либо на цилиндрической части,, где а -» чс/2 , предлагаемые формулы (1) превращаются в известное соотношение:

/ т Л

ц. --i- , (5)

2 тс г соз ф(

которое нз днищах ирг Ъ > 0 дзет существенную ошибку в расчетах, особенно в окрестности полюсного отверстия (где ф(-» %/2, tie -» 00), на расстоянии О < S < ЗЬ от него, измеренном вдоль меридиана.

Из полученных формул для скорости изменения толщины и углов намотки следует, что эти параметры неограниченно возрастают на краю полюсного отверстия и на расстоянии ширины ленты от него.

В работе предложена методика теоретической оценки возможного разброса толщины вдоль окружных сечений. Разброс обусловлен ступенчатым характером наложения лент конечной ширины и случайным наложением отдельных слоев друг на друга.

Численный эксперимент по исследованию влияния числа слоев, ширины ленты и радиуса полюсного отверстия на расчетную толщину днища показал качественно новый характер получаемых решений по сравнению о йзвеотными результатами.

В работе проведено большое число натурных и численных экспериментов по определению толщины баллонов. Один из полученных графиков изображен на рис. 3, где Н - суммарная толщина волокон, Я -

Рис. 3. Сравнение опытной толщины с расчетной толщиной днища, подсчитанной по имеющимся (—) и предлагаемой (—) методикам.

толщина с учетом связующего. Интервалом показаны результаты замеров толщин в девяти сечениях, е каждом из которых было сделано от 55 до 145 замеров. Анализ показал, что детерминированные закономерности распределения толщины вдоль каждого из этих сечений отсутствуют. Наиболее хорошо вто распределение описывается трехпа-раметрическим законом Вейбулля, параметры которого приведены в

работе для каждого сечения. В результате анализа результатов эксперимента и сравнения их с теоретической кривой изменения толщины обнаружено, что коэффициент армирования <J) = РУН не является постоянным и закономерно изменяется вдоль меридиана, что ранее не учитывалось. Точный расчет этого параметра представляет сложную математическую задачу анализа технологического процесса намотки и термообработки силовой оболочки. Поэтому была предложена эмпирическая формула, позволяющая просто и достаточно точно описать искомую зависимость:

q-ln ф = const , (б)

где q - нормальное давление на опраЕку, создаваемое силоеой обо-

ПЛТШЛЙ О rvpou ттг.ф©ф|3 иОФОШйШХО trOWTTO^ ГОЦФЧ п \ТП1Ц ТТТДРМ Ф Рогчто

i-l (JjillUllJ^W1 11Ы 1 njTlUliJlll ilUllt^WJi tllUllliJ W J i'i -I • X LJW 'IV i

uoo гРучтштг no тшаст г>т*тг • . _

«11*71 -^-»Н"»,J -"О ilHiWWi и*!,",. n W -0 ф

4.t < "

,1, _,!)!? _ ,H N X T

где JV - расчетное число лент по толщине оболочки; эе - нормальная кривизна оболочки вдоль направления <.ср> в заданной точке меридиана. Звездочкой помечены параметры в некотором окружном сечении кокона или сопутствующего образца, где известны W ,Tt,x и опытным путем может быть определен параметр ф , осреднений по площади этого окружного сечения (ф.4 = К/Нч, где Н(- опытная толщина).

В работе е произвольных ортогональных криволинейных координатах выведены дифференциальные соотношения, на основе которых разработана методика расчета траекторий намотки отдельных волокон при заданной траектории намотки одного (например среднего) волокна ленты. Дана численная оценка различия в напряженности еолокон ленты, обусловленного их разнодлинностью при намотке с натяжением и без проскальзывания на поверхность оправки. Разнодлинность волокон обусловлена ненулевой гауссоиой кривизной поверхности и различием в траекториях намотки волокон, имеющих разную координату v по ширине ленты. Для изделий исследуемого типоразмера эффект разнодлинности способен привести к дополнительному снижению прочности на величину не более 2,5% и может не учитываться. При увеличении ширины ленты либо изменении формы оправки величина этого эффекта должна оцениваться зэноео. Полученное решение позволяет рассчитать необходимую для намотки минимальную предварительную деформацию ленты и максимально возможную ее ширину исходя из допустимого различия в напряженности волокон.

Задача расчета углов намотки на всей ширине ленты и расчета толщины намотанных оболочек с учетом ширины ленты впервые постав-

лена в 1969 году А.К. Добровольским и А.Б. Джерелиевским. Некоторые из вопросов, связанных с уточнением математической модели расчета НДС путем учета ширины намоточной ленты, параллельно с автором, но, как правило, с использованием иных подходов к их решению, рассматривались в работах К.А. Абдулхакова, A.A. Медведева, В.Д. Протасова, В.М. Котляр, A.A. Криканова, О.Д. Никитина, В.В. Федорова, С.Б. Черевацкого и др. Это обстоятельство свидетельствует о практической необходимости исследования указанных вопросов с целью совершенствования прочностных расчетов.

В третьей глава проведено экспериментальное и теоретическое исследование НДС баллоноЕ и елияния на него различных фактороЕ. На основе известной методики расчета тонких упругих оболочек вращения из КМ составлена программа для ЭВМ и проведены необходимые расчеты. При этом (с использованием сдвиговой модели Тимошенко) учитывался краевой эффект, возникающий в окрестности закладного элемента. Уточнение расчетных значений упругих констант и НДС кокона достигалось за счет учета полученных во второй главе результатов. В расчетах применена методика оценки разброса НДС, использующая линеаризацию решения с помощью планирования дробного факторного эксперимента на разработанной математической модели и гипотезу о суммировании дисперсий от воз действия каждого независимого фактора в отдельности. При этом интервал варьирования каждого фактора брался равным его опытному разбросу либо технологическому допуску, установленному на предприятии - изготовителе баллонов.

На построенной математической модели проЕеден дробный факторный эксперимент по исследованию влияния пятнадцати входящих в нее факторов на деформативность баллонов в безмоментной зоне и в зоне краевого эффекта. Дана оценка вклада разброса каждого из исследованных факторов в разброс деформативности баллонов. Следует отметить, что кроме модуля упругости волокон, существенное влияние на разброс НДС оказывает разброс суммарной толщины волокон, в зоне краевого эффекта - разброс толщины и коэффициента армирования, а е безмоментной зоне - разброс толщины еолокон и ширины ленты.

При исследовании существующих баллонов форма их днищ определялась по стандартной методике, а расчет НДС и прочности проводился по методике, предлагаемой в данной работе. Кроме того, за-

vnzj rm лттпр по протест vrHTrnavnziriTV] ттпа паггтгд по оо»яв1Шли о ткамрттфр тггттг—

^lUUii^JU^UiilUXU^l J^UlilU^V^UUl Ü Ли Ul........I , илил1ий1и Xi^lML

кимался кусочно-линейным, вполне удовлетворительно аппроксимирую-

щим известное решение этой задачи методом конечных элементов. Сравнение результатов расчета и экспериментального исследования деформаций показало их удовлетворительное совпадение (рис.4).

Рис. 4. Изменение опытных и расчетных деформаций вдоль волокон на поверхности днища органопластикового баллона (а). Тензорезисторы наклеивались в соответствии со схемой (б).

Многочисленные опыты по исследованию влияния величины внутреннего давления на деформации и перемещения силовой оболочки показали, что для баллонов с изотензоидными (спроектированными как рзвнонапряженные по стандартной методике) днищами эта зависимость близка к линейной вплоть до момента разрушения конструкции. Небольшая нелинейность наблюдалась лишь в отдельных частях изделий (например в зоне действия краевого эффекта) на начальном участке нагружения, до давлений порядка 2 МПа. т.е. порядка 10% от разрушающего. На рис. 5 представлены результаты замера деформаций 8 тензорезисторами, расположенными в одном окружном сечении без-моментной части днища.

0.«

0,6

ОЛ

№

£10

О < Я 3 4 * 6 Т 8 • 9 р, та. Рис. 5. Опытные деформации, замеренные в одном окружном сечении днища при нагружении баллона внутренним давлением.

Экспериментальное исследование разброса деформаций <85 тен-зорезисторов в одном окружном сечении безмомвнтной зоны днища и 45 - на цилиндре) показало, что коэффициент вариации деформаций на днище (11%) существенно выше, чем на цилиндре (4%). При этом статистическая плотность распределения деформаций (так же как и толщины) наиболее хорошо описывается трехпараметрическим законом Вайбуллз. Коэффициент вариации толщин, замеренных в этих же зонах: Ку=10% на днище и Ку=5% на цилиндре. Детальное исследование ошибок опыта показало, что погрешность проведенных экспериментов значительно (иногда на порядок) меньше, чем зафиксированный раз-

брас деформаций и составляет порядка 13Е от предельной деформации еолокон (е{= (1-3)%).

Опытным путем е работе установлено, что баллоны с изотензо-идными днищами не обнаруживают реологических сеойсте при нагруже-нш внутренним давлением. В днищах сферической формы обнаружена существенна.: ползучесть, причем после снятия нагрузки наблюдались остаточные деформации, которые накапливались при каждом повторном нагружешш. Форма сферических днищ изменялась таким образом, что приближалась к изотензоидной. На цилиндрической части баллонов ползучесть отсутствовала и остаточные деформации не возникали.

При каждом повторном нагружении баллонов как со сферическими, так и с изотензоидными днищами осевой и смещенной относительно оси растягивающей силой, имела место ползучесть и остаточные де-

(Ттлгл'аттт* ттохгртттттттэо тгпт. Ппч™ ттгутэптттх тжпт- гттт хггчлтптц/-^ т>ст*ттстс1_

^^иииции Ии1Ли11ии1ии|1и1иГ' ■ 1.'1111 АлЛ^лх ± отними

туре.

Экспериментальное исследование деформаций, возникающих в результате удаления оправки показало, что е местах, где, согласно расчетам, ожидалась максимальная деформация, ее величина не превышала 0,04%, т.е. ЗЖ от предельной величины. Поэтому в работе не учитывалось влияние этих деформаций на НДС нагруженных баллонов.

В работе описана постановка экспериментов и приведены результаты исследования деформаций тензометрическим способом на днищах и цилиндрической части баллонов, в окружных и меридиональных направлениях, а также вдоль направлений намотки волокон.

Четвертая глава посвящена исследованию прочности баллонов. Теоретическая оценка прочности производилась только для баллонов с изотензоидными днищами, разрушение которых всегда происходило в результате разрыва волокон и носило взрывной характер. Для оценки прочности таких баллонов, как известно, приемлемые результаты дает использование критерия наибольших нормальных напряжений, действующих вдоль направлений намотки еолокон.

На разработанной математической модели был проведен дробный факторный эксперимент. Он показал, что из пятнадцати факторов существенное влияние на разброс величины разрушающего давления, кроме временного сопротивления ленты на разрыЕ (до 12Ж), может оказывать также разброс толщины силовой оболочки (до 8%).

Численный однофакторный эксперимент по исследованию влияния радиуса полюсного отверстия и ширины ленты на прочность кокона показал, что разрушение кокона чаще должно начинаться на днище с большим радиусом полюсного отверстия. Этот факт вполне соответ-

стЕует результатам проведенных опытов. Расчетная зависимость прочности от ширины ленты имеет максимум, причем подобранная на производстве опытным путем ширина находится вблизи этого максимума. Указанный результат не является очевидным. Причиной его может быть перераспределение и резкое снижение толщины КМ в наиболее опасной зоне - над закладным элементом при значительном уменьшении ширины ленты далее некоторого оптимального уровня. Увеличение ширины по сравнению с оптимумом приводит к сильному снижению жесткости композита в опасной зоне вследствие увеличения разброса углов намотки волокон.

Наличие большого разброса прочности серии однотипных баллонов, изготовленных по одинаковой технологии, было подтверждено

Коте гтпгт/пигтж ипптгатгп'осчттлстпг тчмл тт 1-го ттпттоолялфоо ГТптт ттпгп-тт'питттт

ШЪ ииШ1иШ4 (4 Ни А1 Ч11Ч ии^и ± ии • АШШНЫШШ

двенадцати баллонов минимальное и максимальное разрукапцие давления различались почти вдвое, а коэффициент вариации составил 14?.

Из анализа полученных математических моделей следует, что вклад, вносимый технологическими факторами изготовления баллонов в разброс их деформативности и прочности сопоставим с вкладом, вносимым физико-механическими свойствами волокон и связующего.

В работе проведено экспериментальное исследование влияния ультразвуковой и сверхЕысокочастотной обработки материала (осуществляемой в процессе намотки) на прочность баллонов из органо-и углепластика. Испытания десяти баллонов показали', что вопреки известным исследованиям по прочности образцов, эффект повышения прочности баллонов отсутствует либо крайне мал - не более (2-4

Рациональное проектирование днищ основывалось на безмомент-ной.теории и использовало критерий равенства нулю осредненных по ширине ленты сдвиговых деформаций. Методика дала увеличение расчетной прочности исследуемых баллонов на величину около 5% и была практически использована для проектирования комбинированных баллонов новой конструкции.

Испытания баллонов с алюминиевым гермослоем показало, что в процессе нагружения этот гермослой переходит в пластическое состояние. Кривая деформирования в зонах, где-это произошло,' терпит излом и ожидаемое значение предельной нагрузки для всего баллона повышается. Днища баллонов после разгрузки имеют остаточные деформации т.е. частично сохраняют возникшие изменения формы. При этом форма меридиана изменяется таким образом, что днище приближается к оптимальному. При испытании баллонов о резиновым гермос-

лоем и днищами изотензоидной формы остаточных деформаций нэ наблюдалось даже при трех повторных нагружениях до давлений около половины разрушающего. Испытания трех баллонов с днищами сферической формы показало изменение формы их днищ в направлении оптимальной. В данном случав сдвиговые деформации и перемещения были столь значительны, что разрушение Есегда наступало в результате растрескивания связующего и резинового гермослоя. При этом силовая оболочка теряла герметичнооть, рабочая жидкость интенсивно просачивалась сквозь образовавшиеся поры и давление резко падало.

П ттгутаппо т.тггг\ пттоиттст Липа г»лгзттаиа отглттаптпшцшо п.иоа

тглфапло^а тх птэт^чо'т'тт'эттлтэаиттаст тхпп*аша гт^тгттл пиигт тг ттг*ттт.1т^о1ттг№

j имшп.и 1 и^У -...1^1 А А-Л*. 11^1111 А ШШ11 ■

ГЧлпточа гтоппттооф ттоосктч. чшппоиштА тж /о фли тттт (Тй и а

илиилни ниииилли 1 Диии^и 11 ' ' ..........- -' » 1 и]'] ии

экране компьютера) прогноз предельной нагрузки в процессе испытания баллонов на осноев использования известного тензометрического метода индивидуальной диагностики прочности. Прогноз осуществляется путем экстраполяции кривой деформирования до величины предельной деформации, установленной заранее. По результатам испытаний баллоноЕ с изотензоидными днищами погрешность прогноза составила не более 7%.

Автором совместно с доцентом А. И. Севруком с 1977 по 1991 год было испытано более тридцати баллонов типа "кокон", имеющих различную конструкцию и изготовленных по различной технологии из стекло-, органо-, и углепластика.

В заключении сформулированы основные результаты работы и сделаны выводы, которые состоят в следующем.

1. Усовершенствована математическая модель, позволяющая учесть особенности макроструктуры намоточного композита и рассчитать разброс НДС, а также прочности баллонов е зависимости от разброса входящих в модель факторов.

2. ИсследоЕано Елияние более двадцати конструктивно-технологических факторов на прочностные характеристики баллонов.

В частности, установлены следующие факты: а) эффект ползучести практически отсутствует в баллонах давления с изотензоидными днищами, однако имеет место для сферических днищ; б) деформации силовой оболочки, появляющиеся е результате удалешш опрэЕки, незначительны (менее 0,04%), что позволяет не учитывать их при проектировании формы опраЕки и расчетах НДС; в) предварительная ультразвуковая и СЕврхЕЫсокочзстотная обработка материала в процессе намотки практически не влияют на прочность баллонов.

3. Подробно исследовано влияние ширины намоточной ленты на прочностные характеристики баллонов, что позволило в некоторых случаях на десятки процентов уточнить известные ранее расчеты.

Установлено, что прочность баллонов каждого типоразмера максимальна при определенной ширине ленты, причем реальная, подобранная на производстве ширина оказалась близка к оптимальной.

4. Вклад, вносимый разбросом технологических факторов в разброс НДС и прочности баллонов имеет тот ке порядок, что и вклад, вносимый разбросом модуля упругости и временного сопротивления намоточной ленты. Следовательно, нет смысла уменьшать разброс только прочностных свойств ленты или только технологических факторов.

5. Разработана автоматизированная система для неразруиавщего контроля прочности баллоноЕ. В экспериментах погрешность прогноза ееличины разрушающего давления не превышала 7%.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Башин Г.П. Дисперсии при планировании эксперимента на математической модели объекта исследования // Механика сплошных сред / Уральская зональная конференция молодых ученых и специалистов: Тез. докл. - Пермь, 1980. - С. 47-48.

2. Ибраев Г.К., Корниенко С.Э., Севрук А.И., Башин Г.П. Исследование деформированного состояния оболочки из армированного пластика в зоне краевого эффекта // Теория механической переработки полимерных материалов / II Всесоюзный симпозиум: Тез. докл. - Пермь, 1980. - С. 129.

3. Башин Г.П. Толщина оболочек, изготовленных намоткой // Молодые ученые и специалисты - одиннадцатой пятилетке: Тез. докл. / Областная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов, март 1983 г. - Пермь, 1983. - С. 9-10.

4. ИбраеЕ Г.К., Перминов В.П., Башин Г.П., Корниенко С.Э., СвЕрук А.И. Исследование напряженно-деформированного состояния баллонов давления типа "кокон" // Механика конструкций из композиционных материалов / Сб. трудов IV Всесоюзного симпозиума по механике конструкций из композиционных материалов. - Новосибирск,

1984. - С. 160-164.

5. Башин Г.П. Исследование структурно-геометрических параметров оболочек, изготовленных намоткой / Пермский ун-т. - Пермь,

1985. - ББ о. - Деп. в ВИНИТИ 22.06.85, N 6283-85. - РЖ 16, "Мв-

ханика". - 1985, N 11.

6. Еашин Г.П., Ибраев Г.К. Исследование макроструктуры оболочек, изготовленных намоткой // Теория механической переработки полимерных материалов / III Всесоюзный симпозиум: Тез. докл. -Пермь, 1985. - С. 15.

7. Бзшин Г.П., Выдрин В.М. К Еопросу о рациональном проектировании днищ баллонов давления в зоне контакта с фланцем // Применение композиционных материалов на полимерной и металлической матрицах / Региональная научно-техническая конференция: Тез. докл. - Пермь, 29-31 скт. 1985 г. - С. 6-7.

8. Еашин Г.П., Ибраев Г.К. Исследование влияния ширины ленты на структурно-геометрические параметры оболочек, изготовленных намоткой // Применение композиционных материалов на полимерной и металлической матрицах / Региональная научно-техническая конференция: Тез. докл. - Пермь, 29-31 окт. 1985 г. - С. 7.

9. Выдрин В.М., Башин Г.П. Рациональное проектирование цель-номотанных оболочек из армированных материалов с учетом макроструктуры // Теория механической переработки полимерных материалов / III Всесоюзный симпозиум: Тез. докл.- Пермь, 1985. - С. 43.

10. Еашин Г.П. Анализ влияния ширины намоточной ленты на напряженно-деформированное состояние баллонов давления // Динамика и прочность механических систем: Межвуз. сб. научн. тр. -Пермь: Изд-во Пермского политехи, ин-та, 1986. - С. 104-109.

11. Башин Г.П. Анализ влияния макроструктуры на жесткостные параметры оболочек, изготовленных намоткой // Математические методы решения задач механики / Пермский ун-т. - Пермь, 1986 - С. 88-116. Деп. в ВИНИТИ 14.07.86, N 5061-В. РЖ 16, "Механика". -1986, N 10.

12. Лебедев Н.Ф., Башин Г.П. Расчет разнодлинности волокон по ширине ленты, намотанной на поверхность произвольной формы. / Пермский ун-т. - Пермь, 1990. - 12 с. - Деп. в ВИНИТИ 04.09.90, N 4871-В. - РЖ 16, "Механика", 1990, N 12.

13. Башин Г.П. Компактные формулы для рационального проектирования изготавливаемых намоткой оболочек / Пермский ун-т. -Пермь, 1991. - 13 с. - Деп. в ВИНИТИ 15.05.91, N 1984-В. - РЖ 16, "Механика", 1991, N 9.

14. Бзшин Г.П. Экспериментальное исследование влияния конструктивно-технологических факторов на прочность и деформзтив-

unnrpr. Лап плипо ттатэ пот*а фтггто "ит/ли" / TY Pponnviauoa omroqq mvn по

J1UU1U L'UJIJlWllUU ^UUaflUiUfl i JÜ1U IVWllUll / U\.'U U'UlUUilU;! UU\UillU

по механике сплошных сред: Тез. докл. - Пермь, 1991. - С. 18.

Подписано в печать 16.05.ЭД. Печать офсетная, формат 60*84*/ . Усл. печ. л. Тираж 100 экз.

Заказ |Ц2..

Типография Пернского университета. 614600, г. Пермь, ул. Еукирева, 15.