книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

tD

*

Рис. 39. Напряженно-деформированное со­ стояние в зоне соединения элементов со­ ставных оболочек с соединительными коль­ цами типа А.

ружных напряжений позволяет судить о том, что применение колец третьего вида приводит к появлению их максимальных значений (—7,1 р), действующих в опорной зоне.

Изолинии радиальных напряжений в последнем случае показывают

зону действия растягивающих	напряжений в торце стеклоэлемента
и количественно характеризуют	их. Внутренний выступ стеклоэле­

мента подвержен действию значительных (0,27 р) растягивающих нап­ ряжений. С уменьшением величины выступа растягивающие напряже­ ния постепенно снижаются и при выступе 0,6—0,8 мм полностью исчезают. Следовательно, максимально допустимое значение внутренне­ го выступа ограничивается величиной, взятой относительно толщины оболочки и составляющей 1/15 ее часть.

Вид соединения оболочек, подобный третьему, ранее использова­ ли в экспериментах на опытных конструкциях. При этом получены данные, качественно совпадающие с расчетом. Распределение напря­ жений в зоне такого соединения объясняет явление скола выступов в стеклоэлементе. Становится понятно, почему первым всегда скалы­ вался внутренний выступ.

Применение экваториальных соединительных колец типа А (см. рис. 38) не позволяет получить прочную оболочку, в которой ра­ ционально реализуется высокий уровень прочности стекла, определен­ ный на составных образцах, вследствие неудачного конструктивного решения соединения. Последний тезис подтвержден эксперименталь­ но. Испытание составных цилиндрических оболочек с наружным диа­ метром порядка 215, толщиной стенки 11 и длиной 450 мм, изготовлен­ ных из двух равновеликих элементов с монолитными полусферически­ ми концевыми заглушками из стекла МК.Р-1, с помощью клеевого соединения, включающего стальное соединительное кольцо типа А1, позволило зафиксировать оптимально низкую несущую способность последних под действием внешнего гидростатического давления. Обо­ лочки разрушались под нагрузкой 19—52 МПа; при этом в стеклоэлементах действовали максимальные сжимающие напряжения — 188— 530 МПа. Максимальные напряжения в кольце не превышали предел текучести и составляли —244 -------688 МПа. Низкая стабильность полученных результатов объясняется использованием в оболочках заготовок с существенной разнотолщинностью стенок; технологичес­ кое несовершенство сборки узла соединения позволяло частично мо­ делировать два других конструктивных решения, в которых использу­ ются соединительные кольца, имеющие несколько большие или, нао­ борот, меньшие внутренний и наружный радиусы по сравнению с таковыми оболочечного стеклоэлемента. В противоположность этим результатам получены относительно высокие экспериментальные данные прочности сборных оболочек, в которых аналогичная вставка выпол­ нена из листового оконного стекла. Стеклянная сферическая оболочка с узлом неразъемного соединения, включающим указанную вставку, теряла несущую способность под действием внешнего давления 91— 113 МПа и соответствующих ему напряжениях в стеклоэлементах 30— 37 и —610 -------757 МПа. Прочность испытанных конструкций перво­ го типа в три раза превосходит прочность других конструкций, что

Рис. 40. Напряженно-деформированное состояние в зоне соединения элементов сборных оболочек с соединительными кольцами типа Б (д) и В (б).

следует учитывать при разработке принципиально новых схем компа­ новки прочного корпуса из хрупких материалов данного класса.

Металлическое кольцо типа Б использовали с целью улучшения конструкции соединения путем снижения интенсивности действия всех исследуемых напряжений в этой зоне. Полусферы с кольцом так­ же соединяли клеем Д-9. Толщина опорного клеевого шва составляла 0,04 мм. Внутренний паз между полусферой и кольцом заливали тол­ стым (1 мм) слоем компаунда, обеспечивающим принудительное ра­ диальное перемещение полусферы в узле соединения относительно кольца. Ожидаемого уменьшения напряжений, действующих в стеклян­ ном элементе, не зафиксировано. В то же время в металлическом коль­ це окружные напряжения снизились на 20 % (рис. 40, а).

Значительным шагом вперед при создании узлов неразъемных сое­ динений в оболочечных конструкциях из хрупких материалов следу­ ет считать применение соединительных колец двутаврового попереч­

динительного кольца (последний из рассмотренных типов). При этом следует помнить, что напряженно-деформированное состояние состав­ ной оболочки в зоне узла соединения обусловлено не только жесткостью соединительного кольца, т. е. суммарной площадью его поперечного сечения, но и конструкцией последнего.

Введение нового параметра позволяет проследить, как влияет на напряженно-деформированное состояние изменение приведенной жест­ кости . В данном случае последняя изменялась вследствие примене­ ния соединительных колец из различных материалов: стали, титана, стекла, алюминия. Форма и соотношения геометрических размеров кольца-соединителя соответствовали кольцу типа В (см. рис. 38). В расчет вводили упругие характеристики, данные в табл. 11. Приве­ денная жесткость соединительного кольца изменялась и составляла соответственно 1,82; 0,95; 0,75; 0,61. Результаты численного исследова­ ния напряженно-деформированного состояния трех составных конструк­ ций с соединительными кольцами из титана, стекла и алюминия пред­ ставлены на рис. 41. Оболочечная конструкция со стеклянным соеди­ нительным кольцом подразумевалась цельной, т. е. изготовленной без применения клея. Титановое и алюминиевое соединительные кольца

омоноличивались со стеклянными полусферами с помощью			клея Д-9
по ранее рассмотренной схеме. Толщину клеевых		швов принимали
постоянной	и равной таковой в конструкции со	стальным коль­
цом.
Анализ	полей изолиний напряженно-деформированного		состоя­

ния конструкций с соединительными кольцами из различных материа­ лов показал, что экваториальные кольца с приведенной жесткостью, близкой к 1—2 (титановые, высокопрочные стальные и, очевидно, стекло­ пластиковые), позволяют обеспечить благоприятное напряженное сос­ тояние в зоне соединения в стеклоэлементах. При этом напряжения на внутренней и внешней поверхностях несущественно отличались, хотя и были больше напряжений равнопрочных монолитных сфер. Экваториальные кольца, приведенная жесткость которых в одном слу­ чае значительно больше двух, а в другом меньше единицы, вызывают ощутимую концентрацию меридиональных и окружных сжимающих напряжений и появление растягивающих радиальных напряжений в наиболее опасной зоне — в узле соединения. Эпюры напряжений, построенные по толщине стеклоэлемента в зоне наибольшей концент­ рации, свидетельствуют о наличии существенных изгибных напряже­ ний в обоих случаях.

Напряженно-деформированное состояние монолитной конструкции со стеклянным кольцом, образующим фланец (рис. 41, а), объясняет ранее необъяснимый эффект скола фланца по меридиональному кон­ туру оболочки вдоль линий внутренней и наружной поверхностей. Вследствие возникновения во внутреннем выступе стеклянного флан­ ца значительных растягивающих радиальных и меридиональных напряжений происходит его отрыв по линии максимального действия последних. Разрушение внутреннего выступа вызывает перераспреде­ ление напряжений в зоне наружного выступа стеклянного фланца, заключающееся в появлении растягивающих радиальных напряже-

6

Рис, 41. Напряженно-деформированное состояние в зоне неразъемного со­ единения элементов сферической оболочки, включающего соединительное кольцо типа В из титана, стекла (а) и алюминия (б).

ний в нем, что, в свою очередь, приводит к его сколу. В дальнейшем: место скола фланца можно считать слабым звеном в конструкции.

Выше рассмотрен один из способов изменения радиальной жесткости; в зоне соединения составной конструкции. Суть другого способа сос­ тоит в изменении поперечного сечения соединительного кольца. Этот способ предусматривает рассмотрение разнообразных конструктивных вариантов оформления торца стенки стеклоэлемента в металлическое- кольцо-обойму.

Заметим, что неразъемное соединение рассматриваемого типа вно­ сит значительное возмущение в напряженное состояние составной обо­ лочечной конструкции из стекла по сравнению с таковым в монолит­ ной или омоноличенной оптимальным клеевым швом. При проектиро­ вании такого соединения необходимо учитывать параметр приведенной, жесткости соединительного кольца, который в случае оптимальногопроектирования должен равняться примерно 1—2.

В дальнейшем по мере накопления экспериментального материала можно построить зависимости (например, приведенная жесткость соединительного кольца — несущая способность составной оболочеч­ ной конструкции), которые должны широко подтверждать результа­ ты анализа напряженно-деформированного состояния и выводы, сле­ дующие из него для таких конструкций. Кроме того, необходимо про­ анализировать результаты исследования технологических факторовсборки оболочек с соединительными кольцами, т. е. необходимых и достаточных толщин омоноличивающего клеевого шва и допусков на центрирование во время сборки элементов между собой, обеспечи­ вающих расчетные значения зазоров. Следует помнить, что отсутствие контроля во время склейки элементов усилия прижима оболочки к кольцу приводит к различной толщине омоноличивающего опорного клеевого шва и изменению глубины вклеивания стеклоэлемента в коль­ цо-обойму. Несоосная подгонка элементов во время сборки вызовет смещение относительно друг друга, что впоследствии приведет к нека­ чественной сборке, характеризуемой разнотолщинными боковыми клеевыми швами. Указанные параметры требуется фиксировать в каж­ дом конкретном случае, так как именно эти факторы, на наш взгляд, значительно изменяют напряженно-деформированное состояние тор­ ца стенки стеклоэлемента и могут вызывать ощутимый разброс харак­ теристик несущей способности таких оболочек.

Влияние изменения толщины опорного клеевого шва на напряжен­ ное состояние торца стеклоэлемента исследовали на составной сфери­ ческой оболочке с рассмотренным выше стальным соединительным кольцом. При этом толщина боковых клеевых швов Д2 и Д8 соответ­ ствовала принятой ранее.

Построение полей изолиний главных напряжений в рассмотренных вариантах конструкций (рис. 42, а, б) позволяет выяснить степень влияния утолщения опорного клеевого шва на ухудшение напряжен­ ного состояния торца стенки стеклоэлемента и выбрать в данном слу­ чае его толщину. Изменение толщины опорной клеевой прослойки Дх от 0 до 2,5 мм вызывает резкое перераспределение главных напря­ жений в торце стеклоэлемента, что приводит к отрицательным эффек-

Рис. 42. Главные напряжения в зоне неразъемного соединения элементов конструкции со стальным соединительным кольцом при различной тол­ щине клеевых швов:

а , б — опорного А] (0 и 2,5 мм), в, г — боковы х Д2» А* (0 и 0,1 мм).

там: в стекле возникают существенные радиальные растягивающие напряжения (2,0 р) и увеличивается концентрация меридиональных и окружных напряжений. В зоне наибольшей концентрации меридио­ нальных сжимающих напряжений а3 достигает значительных вели­ чин ( < — 10 р).

Проведенный анализ позволил рекомендовать к применению в подобных составных конструкциях опорную эпоксидную клеевую про­ слойку с равномерной толщиной от 0,03 до 0,10 мм, что в общем слу­ чае в относительных единицах составит 0,003—0,009 толщины стенки оболочки. При этом клеевая прослойка максимальной толщиной

0,10 мм незначительно изменяла напряженное состояние торца стеклоэлемента: концентрация меридиональных и окружных сжимающих напряжений увеличивалась соответственно на 6 и 3 %, а растягива­ ющие радиальные напряжения полностью отсутствовали.

Вывод из исследования узла неразъемного соединения в стерж­ невой системе об использовании тонкого бокового клеевого шва рав­ номерной толщины в составном образце из стекла не удается реали­ зовать для составных оболочечных конструкций, так как допуски на изготовление стеклянных крупногабаритных оболочек значительно отличаются от таковых для малоразмерных образцов.

Рассмотрим составную оболочку со стальным экваториальным соединительным кольцом с площадью поперечного сечения, указанной выше, в которой попытаемся максимально реализовать эффект обоймы от применения данного кольца-обоймы. С этой целью исследуем иде­ ализированную конструкцию, в которой отсутствуют омоноличивающие клеевые швы, а контакт реализуется жестко по линии между стек­ лом и металлом (перемещения и углы поворотов по линии стыка рав­ ны). Необходимо иметь в виду, что возникающую в стеклоэлементе значительную концентрацию меридиональных напряжений не следует учитывать, поскольку она впоследствии снимается (на 43 %) большой фаской в кольце, заливаемой эпоксидным компаундом. Другие, ре­ ально реализуемые варианты конструкции, отличающиеся толщиной боковых клеевых швов Д2 и Д3, сравним с идеализированным, что позволит оценить, насколько эффективно в них реализуется эффект от применения кольца-обоймы. В этих вариантах толщину внутренне­ го и внешнего боковых клеевых швов примем одинаковой.

Изучение распределения полей изолиний главных напряжений в рассмотренных вариантах конструкций (рис. 42, в, г) дает возможность определить влияние утолщения боковых клеевых швов на изменение напряженного состояния торца стенки стеклоэлемента и рекомендо­ вать их оптимальные значения. Одновременное увеличение толщины боковых клеевых швов от 0 до 1,00 мм приводит к перераспределению исследуемых напряжений, выражающемуся в постепенном снятии эф­ фекта обоймы для торца стенки стеклоэлемента.

В реальных конструкциях с учетом допусков на изготовление со­ бираемых элементов удается получить минимально возможную, при­ мерно равномерную, толщину боковых клеевых швов, равную 0,1 мм. Анализ полей распределения изолиний главных напряжений в такой конструкции свидетельствует о благоприятном распределении напря­ жений в торце стенки стеклоэлемента, хотя и зафиксировано незна­ чительное снижение эффекта обоймы. Дальнейшее увеличение толщины боковых клеевых швов постепенно вызывает повышение меридиональ­ ных напряжений в торце стенки стеклоэлемента. Последнее требует ограничить по длине меридиана краевую зону в стеклоэлементе, бо­ ковые поверхности которой требуют качественной механической обра­ ботки с целью получения в ней равнотолщинного сечения.

Проведенное исследование позволило рекомендовать для примене­ ния составные конструкции с соединениями, в которых'использованы боковые клеевые швы Д2 и А3 от 0,10 до 0,15 мм, что в общем случае

составляет (0,011—0,014) h. Это достигается путем создания высоко­ точной сборки деталей в узле соединения оболочки.

Необходимое условие создания высокопрочных герметичных сос­ тавных конструкций — соблюдение примерно постоянного соотноше­ ния толщин боковых клеевых швов, которое равняется 1. Не следует изготавливать конструкции, в которых толщина внутреннего шва зна­ чительно превышает толщину наружного, что при циклическом наг­ ружении неизбежно приведет к разрыву последнего вследствие боль­ шой податливости торца стенки стеклоэлемента относительно кольца, а следовательно, к разгерметизации и разрушению составной конструк­ ции.

Выполнение конструктивно-технологических рекомендаций при разработке узла неразъемного клеевого соединения с металлическим

Фаска

а

б

Рис. 43. Конструкции срединного (о) и торцового (б) неразъемных клеевых соединений элементов с инородной вставкой, реализуемые в составных оболочках из стекла.

соединительным кольцом, основанных на численном исследовании глав­ ных параметров соединения (рис. 43), позволяет существенно снизить интенсивность напряжений в локальной зоне стеклоэлемента за счет эффективного использования соединительного кольца, а следователь­ но, повысить несущую способность и уменьшить разброс ее значений в составных оболочках. Эти положения подтверждены эксперименталь­ но на реальных составных сферических и цилиндрических оболочках из технического стекла с новым соединением, включающим стальное соединительное кольцо рекомендуемого профиля и типоразмеров при различных режимах нагружения внешним гидростатическим давле­ нием. Получены экспериментальные данные о напряженно-деформиро­ ванном состоянии составных оболочечных конструкций из стекла с раз­ работанным неразъемным соединением, проведены его анализ и срав­ нение с теоретическим решением, что дало возможность оценить точность последнего. Определение несущей способности оболочек при однократном кратковременном нагружении вплоть до разрушения пред­ шествовало испытаниям при длительном действии статической нагрузки и ограниченных повторно-статических нагружениях. Кратковре­ менные, циклические и длительные нагружения проводили с целью