книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

лась неравномерно. Вследствие этого разнотолщинность стенок в се­ чении отреза полусферы от цилиндрической части колпака-заготов­ ки лежала в пределах 10,90— 16,52 мм. Отклонение размера стенки в сечении отреза фланца от цилиндрической оболочки было несколько ни­ же и не превышало 27 % ее минимальной толщины. Другим типом несовершенств, требующих учета, следует считать наличие как закры­ тых, так и вскрытых газовых пузырей, инородных включений, механи­ ческих повреждений огненнополированных внутренних и наружных боковых поверхностей стенки, мелких сколов кромок и опорных поверх­ ностей стеклоэлементов.

Экспериментальное изучение конструкционной прочности стекла в замкнутых составных системах первоначально проводилось путем моделирования подводных условий нагружения на земле с помощью гидравлических испытаний в камерах высокого давления, а в после­ дующем — в натурных условиях океана. В связи с этим дадим крат­ кую характеристику использованного специального лабораторного обо­ рудования.

Установки для испытаний. При разработке новых изделий необ­ ходимо моделировать эксплуатационные условия ввиду следующих существенных недостатков натурных испытаний: высокая стоимость эксплуатации океанографических исследовательских кораблей; низ­ кая точность измерения из-за большой длины проводов, соединяющих установленные в опытной конструкции датчики с приборами, располо­ женными на корабле; случайные потери конструкций из-за обрывов тросов или их катастрофического разрушения; дороговизна глубоко­ водных приборов, которые теряются при потере или разрушении изде­ лия; влияние метеорологических условий, которые могут сказаться на общих сроках проектирования новой конструкции. Поэтому необхо­ димо иметь возможность моделирования глубоководных условий в лабо­ ратории. В идеальном случае установка должна позволять испытывать прочный корпус целиком и не только в условиях ступенчато-нарастаю- щих и комбинированных механических воздействий, но й с учетом кли­ матических воздействий (высокой и низкой температуры, влажности, разрежения, солнечной радиации и дождевания) и коррозионной ат­ мосферы в виде соленых брызг и тумана, песка и пыли, грибков. Модели­ рование эксплуатационных внешних воздействий на прочный корпус подводного технического средства в глубинах океана требует тщатель­ ного контроля факторов механических, химических, радиационных, электрических и других окружающих условий. Однако учитывая, что требуемая глубина погружения новых конструкций определяется дав­ лением, которое является основным параметром, и принимая во внимание экономичность, далее рассмотрим лабораторное моделирование только механических окружающих условий, представляющих для нас наиболь­ ший практический интерес при исследованиях масштабных моделей и натурных образцов изделий.

Лабораторные испытания опытных конструкций на прочность воз­ действием внешнего гидростатического давления осуществляли на уста­ новках высокого давления ИПП АН УССР и Николаевского корабле­ строительного института. Использованные установки современны и

Т а б л и ц а 9. Технические характеристики установок высокого давления для исследования оболочек из хрупких материалов типа неорганического стекла при высоком внешнем гидростатическом давлении

				Камеры высокого давления
	Х арактеристика		КВД-1 •	КВ Д -2 **	квд-з •	КВ Д -4 ♦*
М аксимальное давление, МПа			30	79	118	157
Габаритные	размеры	рабочего	про­
странства	установки,	мм
диаметр			250	250	700	290
высота			320	500	1155	390

Максимальные размеры исследуемых оболочек, мм

диаметр	230	200	680	270
высота	300	450	ИЗО	370

Средняя максимальная скорость п о д ъ ­ ема давления в камере, наполненной ж идкостью , М П а/с

0—59						0,03	0.16	0,32	0,50
59— 157						—	0,16	0,03	0,06
Рабочая ж идкость						М асло	Вода	Масло	Масло
Источник		высокого давления — насос
масляный						Ручной,	—	Н-451 А,	УНГР-2000
водяной						ГН-500		УНГР-2000
						—	ГС-2	«Кама»	“
Точность		измерения давления, %
0—59		М Па				0,6	0,6	0,6	0,6
59— 157 МПа					линейных	_	1.5	1.5	1.5
Приборы		д л я	измерения			ЦТМ-3 о ком­		ЦТМ -3 в ком­	ЦТМ-3 в ком­
деформаций			в оболочке			плекте с		плекте с	плекте с
						ПД-100М,		ПД-Ю0М,	ПД-ЮОМ,
						ЭУМ-23.		ЭУМ-23,	МСР-60М
Точность		измерения		деформаций при		МСР-60М		МСР-60М	4.5
						4,5		4,5
использовании				тензорезисторов
2Ф КП А -5, %
Габаритные размеры				установок, мм
диаметр						330	420	1000	540
высота						450	900	2825	780
М асса	установки, к г					345	490	12 250	1450
М асса	крыш ки-затвора» к р					53	78	2058	78
О борудование			д л я	монтажа и демон­		Ручное	М ехани­	Э лектриче­	М еханическое
таж а	затвора камеры						ческое	ская таль ТЭЗ
♦ Оборудование И П П					УССР; **	оборудование Н иколаевского		кораблестроительного инсти­
тута.
подобны лучшим образцам						зарубежного	экспериментального обору­

дования. Ввиду того что такое оборудование относится к категории особо опасного, оно размещается в специально оборудованных помеще­ ниях, где с помощью защитных ограждений обеспечены безопасные условия эксплуатации.

Четыре камеры высокого давления обеспечивают проведение трех необходимых видов испытаний: кратковременных, повторно-статиче­ ских и длительных нагружений по различным программам, модели­ рующим работу реальных конструкций. Комплекс камер позволяет проводить испытания при любом заданном давлении от 0,1 до 157 МПа, что в верхнем пределе эквивалентно глубине нагружения около 15 310 м. Краткая характеристика специального испытательного оборудования {рис. 31) представлена в табл. 9.

Камера КВД-1 с максимальным рабочим давлением, равным 30 МПа, предназначена для изучения напряженно-деформированного состояния

*

поверхностях объектов. Токовводы в камеры осуществлены выводом электрических проводов от тензорезисторов через монтажный клеевой шов между заглушкой и корпусом тензоввода [80]. Тензовводы первой и третьей установок имеют по ПО измерительных каналов, а четвер­ тый — десять каналов. Для надежного обеспечения электрической изо­ ляции проводников измерительной цепи и снижения трудоемкости работ по препарированию оболочек тензорезисторами в камерах исполь­ зуется машинное масло СУ-8.

Для лабораторного изучения напряженно-деформированного со­ стояния оболочек из хрупких неметаллических материалов типа неор­ ганического стекла и ситалла применен 100-канальный измерительный комплекс, включающий цифровой тензометрический мост ЦТМ-3 с расширенным до 4 % диапазоном измерения деформаций в комплекте с переключателем датчиков ПД-100М и цифропечатающей машинкой ЭУМ-23. В мостовой схеме комплекса для компенсации сопротивления тензорезисторов использованы магазины сопротивлений МСР-60 клас­ са 0,02.

Для создания в камерах высокого статического давления исполь­ зованы ручной поршневой насос ГН-500, водяной насос ГС-2, высоко­ производительные масляные насосы Н-451А (< 5 9 МПа), универсаль­ ные гидравлические плунжерные станции УНГР-2000 и НСВД-2500, которые были постоянно соединены с резервуаром, наполненным маслом или пресной водой; рабочая среда определялась целью испытаний. Ско­ рость повышения давления была различной и изменялась от 3,4 до 19,6МПа/мин. Опыты производил и. при изменении диапазона рабочих температур от 283 до 335 К. Давление жидкости в установке, создавае­ мое насосом, измеряли с помощью манометров моделей: МО, МКО, МГИ, МЗМ, СВ с ценой деления — 0,2; 0,5; 2,0; 2,5 МПа, пределами измерения— 24,5; 39,2; 58,9; 117,7; 157; 176,6; 245,3; 392,4 МПа и классом точности — 0,4; 0,6; 1,0; 1,5, подключенных к сливному тру­ бопроводу гидравлической системы и установленных в системах уп­ равления установками.

Замкнутые гидравлические системы камер высокого давления вклю­ чают соединительные стальные трубопроводы со стандартными уп­ лотнениями и унифицированные игольчатые вентили. Управление уста­ новками производится с пульта, на который выведены показания кон­ тролируемого параметра и управляющие устройства: включатели на­ сосов, вентили сливных трубопроводов и др.

Опробованный метод испытания в лабораторных условиях, как правило, состоял в закреплении их с помощью кронштейна под крышку установки и последующем монтаже в камеру давления. Затем установ­ ку заполняли машинным маслом или пресной водой и в ней с помощью насоса повышали давление: при кратковременных статических испы­ таниях — вплоть до разрушения или предельной для используемого оборудования нагрузки, а при повторно-статических и длительных — по принятой программе до определенного уровня. Отсчет момента раз­ рушения конструкций проводился по скачкообразному падению давле­ ния на манометре, сопровождаемому звуковым ударом. Затем давление снимали, оболочку или ее остатки извлекали из камеры и детально

изучали с целью обнаружения места зарождения или наступления пер­ воначального разрушения и определения качества клеевого соедине­ ния между элементами сборки. Отсутствие стандартных методик экспе­ риментального исследования конструкционной прочности хрупких не­ металлических материалов данного класса в рассматриваемых систе­ мах позволяло применять какой-либо один вид испытания или чере­ довать и нормировать их по усмотрению исследователя. Лабораторные испытания всегда моделировали нагружение — разгрузку, проведен­ ные по жесткой программе цикла в период эксплуатации разрабатывае­ мых систем.

Результаты экспериментального исследования напряженно-дефор­ мированного состояния рационально сконструированной составной сферической оболочки с рекомендуемыми параметрами узла неразъем­ ного стыкового клеевого соединения представлены в виде графиков

.меридиональных и окружных деформаций на наружной и внутренней поверхностях вдоль меридионального сечения (см. рис. 28). Значения несущей способности оболочек, определенные при однократных крат­ ковременных нагружениях вплоть до разрушения, приведены в табл. 10.

При данном способе нагружения испытано 17 оболочек, предвари­ тельно изготовленных за 5—36 дней до опыта. Оболочки 1—5, 9— 12, 32—36 отличаются качественным изготовлением, тщательностью под­ бора стеклоэлементов, точной подгонкой и сборкой. Краевые области в них дополнительно обрабатывали алмазным инструментом для полу­ чения относительно равнотолщинных стенок в поперечном сечении со­ единения. После обработки разнотолщинность торцов элементов в попе­ речном сечении в зоне соединения составляла ±0,18 мм. Этим стеклоэлементы указанных оболочек отличались от таковых оболочек 6—8, где толщина стенки в торцовой зоне изменялась от 10,90 до 16,52 мм, что составляет примерно 52 % отклонения от минимального размера конструктивного параметра стенки. Точное прилегание стыкуемых поверхностей во всех оболочках (зазор не более 0,02 мм) способствовало получению качественного клеевого шва постоянной толщины. Пло­ щадь поверхности взаимодействия стыкуемых элементов для сфериче­

ских и цилиндрических оболочек составляла 7,4 10-3 и 7,6	10-3 м2
для случая сборки деталей с разнотолщинными торцами стенок, 6,8 X
X 10_3 и 7,1 10~3 м2 — для деталей с равнотолщинными	торцами

стенок; среднее арифметическое отклонение профиля опорных поверх­

ностей находилось в пределах (0,80—0,32)	10-6 м. Кромки опорных
поверхностей притуплялись фасками 0,3 х	45°.

Оболочки 9 и 32 подвергали тензометрированию. На оба элемента этих оболочек, промытых в содовом растворе и обезвоженных спиртом, препарировали по 76 тензорезисторов 2ФКПА-3 на каждую оболочку (согласно данным работ [55,80], погрешность частных значений, изме­ ряемых относительных деформаций составляла до 4 %). При построе­ нии схемы расположения тензорезисторов исходили из цели исследо­ вания. Тензорезисторы на оболочки препарировали с помощью эпо­ ксидного компаунда, приготовленного на основе эпоксидной смолы

ЭД-16 и отвердителя — полиэтиленполиамина; для разжижения консис­ тенции и увеличения срока схватывания в компаунд добавляли ацетон. Тензорезисторы термообрабатывали при 343 К в течение 7 ч. Далее элементы обеих оболочек обезжиривали по поверхностям склейки и со­ бирали конструкции. Чтобы получить рекомендуемый параметр кле­ евого шва, стеклоэлементы прижимали друг к другу усилием 88— 109 Н в течение 12— 18 ч. Затем оболочки термообрабатывали по ранее предложенной программе. Только после этого с помощью эпоксидного компаунда и металлических заглушек заделывали монтажные отверстия в полюсах элементов, предназначенные для облегчения технологии сборки и вывода электрических проводов от тензорезисторов, установ­ ленных на внутренних поверхностях оболочек.

Оболочки, подготовленные к тензометрированию, прикрепляли к крышке испытательной камеры КВД-1, подпаивали проводники из­ мерительной цепи и погружали в масляную среду. На установке вы­ сокого давления проводили тензометрирование в процессе первично­ го нагружения — разгрузки по программе 0—24,5 МПа — 0.

Тензометрированием в процессе нагружения при нагрузках 0— 24,5 МПа через каждый 1 МПа с помощью тензометрического моста ЦТМ-3 исследовали относительные линейные деформации на внешней и внутренней поверхностях по обе стороны от соединения в элементах составных оболочек. Это позволило в назначенных точках оболочек зафиксировать реальные меридиональные и окружные деформации, благодаря которым удалось подтвердить полученные численно данные о равномерности деформирования меридионального сечения оболочек по обе стороны от зоны стыка и установить отсутствие остаточной дефор­ мации в зоне спроектированного соединения. Экспериментальная про­ верка, проведенная на оболочках 9 и 32, показала хорошую сходимость результатов вплоть до нагрузки 24,5 МПа. Напряжения, определенные по экспериментально полученным деформациям и численно, совпали в исследуемых оболочках с точнстью до 3 %, т. е. точность численного решения сопоставима с точностью проведенного эксперимента. Отсюда сделан вывод о том, что принятая методика численного исследования осесимметричных составных стеклянных оболочек с неразъемным клее­ вым соединением хорошо моделирует напряженное состояние реаль­ ных конструкций как в целом, так и в локальных зонах стыковки эле­ ментов.

Затем все оболочки подвергали действию однократного кратковре­ менного гидростатического давления вплоть до разрушения. Резуль­ таты испытаний свидетельствуют о влиянии как конструктивного, так и технологического факторов сборки составных оболочек на их предельную несущую способность. Так, несущая способность оболочек 1—8, у которых увеличена толщина клеевого шва и присутствуют мак­ симальные несовершенства в виде радиальных смещений кромок в сты­ ке, составила 59— 135 МПа; наибольшие расчетные напряжения в мо­ мент действия предельной нагрузки составили 44—95 и —309 —

— 1075 МПа — для стеклоэлемента, 15—63 и —302------685 МПа — для клеевого шва. Минимальной несущей способностью в этом случае обла­ дают оболочки, узел соединения которых выполнен с помощью утолщен-

с неразъемным клеевым соединением элементов встык под действием внешнего ния

П араметры повторно-статических испытаний

§

а

§ 8

0 5

55 . .

55 О

6 ч

| S

3*

а

ч

S

О

|

3

2 а

Is

Си . Раз ние

М аксимальное расчетное напряж ение в цикле (над чертой) при р а з ­ рушении (под чертой),

МПа

	в стекло-	в
		клеевом
	элементе
		шве

а

о к ч к

о в

Я (D

В4й

1— 59—		29-------- 437—			-3 0 0	100
I		44;		—504
1—98—	98	48 .		— 726	—501	11
I		48	’	- 7 2 6	—501
1 - 9 8 —	87	73		—839	—501	8
I		65 :		- 7 4 7	- 4 4 6
1— 98—	85	73		— 839	—501	2
I		63	:	—726	—433
1— 98—	90	63		—798	— 501	1
		5 8 ’		— 734	- 4 6 0
1— 98—	98	73 .		- 8 3 9	- 5 0 1	1
1		73 1		—839	- 5 0 1

П араметры д л и тел ь ­ ных испытаний

Примечание

Оболочка с за­ крытием выре­ за в полюсе стеклоэлемента

Оболочка собра­ на J43 четырех равновеликих стеклоэлементов

Стеклоэлементы оболочек по­ вреждении не получили