книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

П араметры повторно-статических испытаний

X	i					1
	Q)	М аксимальное расчетное				>,
>	4					о.
	m	напряжение		в цикле (над		га
55						и
о.	§	чертой)	при	разруш ении		X
gc	<u	(под	чертой),		МПа	а
						ч
						о
s cS	1 a					X
	Ss	в стеклоэле-			в кл е ­	§
8§						о к
о*	p...	менте			еном	Ч Я
s 5	CO(U				шве	и S
СПЯ	ca я					XЧ>
E m	CL s					а- £
l—			— 302		—300	100
59— 1

1—	75	—403	— 400	18
78—	1	—383	—380

1—	78		— 403	—400	15
78— 1			— 403	—400
1—	69		—403	—400	9
78— 1			—353	—350	4
1—	73		— 403	—400
78— 1			—376	—373	3
1—	70		— 403	—400
78— 1	—		—358	—355	1850
1-		—	— 403	—400
78— 1
1—		-	—302	- 3 0 0	100
59— 1

—

П араметры дли тель­ ных испытаний

к га	5		<у
5С	1 '	К
I2га г?s.к		Р.Е;
	р	2ГС
	Эе	с	л
е*{5	2 &	га	о
		ш g
	- О.	2 н		га
= £	U
	к5	н ° С
	5 *
	О) м	2	2	-
	Р-О
	со С	CL я		н

Примечание

Кратковремен­ ное однократ­ ное нагруже­ ние предшест­ вовало пов­ торно - стати­ ческим испы­ таниям, Стеклоэлементы оболочек по­ вреждений не получили

Д ля оболочек 18— 22 пред­ шествующее испытание за­ вершено де­ вять месяцев назад

““

Стеклоэлементы
	оболочек пов­
	реждений		не
	получили
В	оболочках
	24—27	зафик­
	сированы ско­
	лы	стекла
	« 1 , 2	мм)	и
	клея
	« 2 , 0	мм)	в
	стыке

98	50 — 500 Оболочка	пов
	режденнн	не

получила

		Радиальное смещение		П араметры	кратковременных		однократных
		кромок	в стыке, мм		испытаний
					М аксимальное		расчетное на­
		Толщина			пряж ение в	момент действия
ВнД	Номер				предельной	нагрузки или
		клеевого		Давление
оболоч­	оболоч­	шва д ,.			разруш ения, М Па
ки	ки			иагруж е-
		мм	д 2	ния или
		*1		разруш е­
				ния, МПа	в стеклоэле-		в клеевом
					ментс		шве

2 9 -3 1	0,05—	0,55—	0 ,0 6 -	59	—	— 3Q2 —	— 300
	0,06	0,30	0.20

Ци-

ЛИНД-

рическа»

32	0,07	0,55	0,30	131	-	— 1064	—	— 1019
33	0,06	0,55	0,65	127	—	— 1029	—	— 978
34	0,06	0,30	0,70	119	—	—961	-	- 9 1 4
35	0,05	0,50	0,20	118	—	—953	—	— 906
36	0,05	0,35	0,30	115	—	—929	—	—884
37— 41	0,05—	0 ,6 0 -	0 ,7 5 -	59	-	—477	-	— 453
	0.08	0,20	0,10

37	0,08	0,60	0,35
38	0,07	0,40	0,30	—	—	—
39	0,06	0,55	0,10	—	—	—
40	0,06	0,20	0,60	—	—	—

41

0,05

0,35

0,75

Параметры повторно-статических испытаний

	а	<U	Максимальное расчетное		о.
		§
	со		напряжение в цикле (над		и
	>>	й			со
	а		чертой) при разрушении		Я
	Ь- я	%	(под чертой)*	МПа	а
					о
	Изменение цикле,в Л	O’			о
		Сн я			я
					а* х
		2 я			о
		2 Е	в стеклоэле-	в кле­	о
		I s			о к
		е. .	менге	евом	е; я
		СОО)		шве	а о
		га s			Я О)

—	—	—	—	—
—	—	—	—	—
—	—	—	—	—
—	—	—	—	—
—	—	—	—	—
1—		— — 635	- 6 0 4	100
78— 1

1—		—	— 477	- 4 5 3	1850
59— 1
1—	89		— 794	— 755	4
98— 1			— 723	— 687
1—	86		— 794	— 755	4
98— 1		~	— 699	— 665
1—	94		— 794	— 755	3
98— 1			— 763	— 725
1—	98		— 794	— 755	1
98— 1		~	— 794	— 755
1—	94		— 794	— 755	1
98— 1			— 759	— 722

Параметры длитель­
ных	испытаний
2	я	у
я
Я га	я 9	5 -с
	a	« о
SG	«•Я	В-я	Примечание
		К СП
р*£	§ §	га О
		г е<
	f &	—S
л Я		о 5
	*£•	2 н СО
53 р	к 2
га ¥	2 “	о а „
о 5,	о fct
U	CL о
	m о
10	100	- 5 0	В оболочке 29-й
20	100	— 100	стеклоэлемент
29	100	— 150	сборки	имел
			на контактной
			поверхности
			вскрытый	га­
			зовый пузырь.
			Оболочки	не
			имели види­
			мых дефектов
—	—	—	—
— .	—	—	—
—	—	—	—
—	—	—	—

—— — —

		Стеклоэлементы
		оболочек		и
		клеевой		шов
		получили		по­
		вреждения		в
		виде	мелких
		сколов
		« 1 , 9	мм)
		Сколы	стекло-
		элементов уве­
		личились		в
		размере		до
		2,6 мм
—	—	■	1

——

ного омоноличивающего шва. Неравномерное утолщение клеевой прослойки, как это имело место в работе [4], также снижает прочность составной оболочки и должно быть полностью устранено уже на ста­ дии проектирования узла.

Оболочки с соединением элементов, изготовленные согласно выше сформулированным рекомендациям, показали максимальную несущую способность при минимальном разбросе экспериментальных данных. Нижний уровень прочности таких конструкций возрос на 137 %, верх­ ний — на 10 %: в момент разрушения в стеклоэлементах и клеевом шве действовали только сжимающие напряжения, расчетная величина которых составляла—718------ 1064 и —685--------1019 МПа соответ­ ственно. Полученные данные эксперимента позволяют отметить, что максимальный уровень разрушающего внешнего гидростатического давления составляет не более 0,6 расчетного значения для подобных монолитных оболочек из того же материала. В то же время зафиксиро­ вано довольно высокое отношение среднего давления потери несущей способности конструкции к пределу прочности стекла при одноосном сжатии: 0,092 и 0,079 соответственно для сборных сферических и ци­ линдрических оболочек. Если при вычислении этого отношения, харак­ теризующего эффективность использования разработанного соединения в конструкции, принять в расчет, что создание в срединном сечении стеклянного стержня клеевого стыкового соединения, выполненного тем же компаундом Д-9 и расположенного перпендикулярно линии действия сжимающего усилия, на 35 % снижало прочность образца по сравнению с исходным монолитным, то данный параметр будет пре­ дельно высоким и составит 0,223 и 0,192 для тех же оболочек. При этом для сферических и цилиндрических оболочек 9,10 и 32,33, показавших предельную в данном опыте несущую способность, начиная с давле­ ния соответственно 133, 138 и 122, 119 МПа, в камере КВД-4 прослу­ шивалось активно возрастающее звонкое потрескивание, что говорит о выкрашивании клеевого шва и накоплении повреждений в оболоч­ ках в зоне узла соединения. Вследствие того что в оболочках 6—8, имеющих технологические несовершенства сборки в зоне узла соеди­ нения, потрескивание начиналось с давлений 107— 126 МПа и проис­ ходило более интенсивно, можно предположить, что характер разру­ шения оболочек примерно схож.

Под действием возрастающей нагрузки, составляющей 0,95 предель­ ного разрушающего давления для идентичной конструкции, в резуль­ тате частичного выкрашивания клеевого шва в качественно изготовлен­ ных оболочках в зоне стыка возникают свисающие участки, которые, скалываясь, постепенно разрушают узел соединения элементов. Проч­ ность сборных оболочек зависит от степени однородности напряженно­ го состояния и ее сохранении в процессе всего этапа их работы.

Отмеченные особенности неразъемного клеевого соединения элемен­ тов встык экспериментально подтверждены на различных схемах сборки составных оболочек из стекла. Так, учет рекомендаций по сбор­ ке и склейке стеклоэлементов составной сферической оболочки, состоя­ щей из четырех равновеликих элементов со взаимно перпендикуляр­ ным расположением омоноличивающих швов, позволил поднять пре­

Оболочки, предназначенные для ограниченных повторно-статиче­ ских нагружений, разделены на две группы. В первую входило пять оболочек с радиальным смещением внутренних (на 2,00—3,00 мм) и наружных (на 1,50—2,30 мм) кромок, омоноличиваемых поверхностей элементов в стыке (рис. 32); во вторую — 15 оболочек с рационально спроектированным соединением. Точное прилегание опорных поверх­ ностей во всех оболочках обеспечило получение оптимального, равно­ мерной толщины клеевого шва Дх.

Технология сборки исследуемых оболочек была аналогична опи­ санной выше. Срок хранения подготовленных к испытаниям конструк-

_.ций

был

различным и

изменялся от

2-х

дней

до 15

месяцев;

хранение

осуществлялось

в

изолированном

темном сухом помещении при темпе­

ратуре 290—303 К.

и

Опытные конструкции испытывали

1

J

7

15 19 tjMUH внешним давлением как

в

масляной,

так

и в водной

среде

при

темпера­

туре 283—318 К по

программам ука­

занным в табл. 10,

согласно режимов

нагружения,

представленных

на

рис.

33.

Повторно-статическое

на­

гружение

осуществляли

по

блочной

схеме испытания до 59,

78,

98

МПа

последовательным

ступенчатым

уве­

Рис.

33.

Режимы повторно-стати­

личением

или

уменьшением макси­

мальной

нагрузки в цикле после

100-

ческого

нагружения

стеклянных

кратного

приложения;

в

некоторых

оболочек внешним давлением.

случаях

этому

предшествовало

однократное

кратковременное

нагружение

давлением,

отлич­

ным от максимального в цикле. Уровень нагрузки при многократном повторном приложении в этих испытаниях составлял: 0,42; 0,55; 0,69 и 0,48; 0,64; 0,80 предельного давления при кратковременных нагруже­ ниях соответственно сферических и цилиндрических оболочек.

Испытания оболочек первой группы до 59, 98 МПа проводили в следующем временном режиме: нагружение 2,29 мин, выдержка под нагрузкой 5 мин, разгрузка 4,6 мин. Продолжительность одного цикла в каждом из двух режимов нагружения — 11 и 40 мин. Оболочки вто­ рой группы испытывали до 59, 78, 98 МПа: нагружение 6, 24, 31 мин, выдержка под нагрузкой 5 мин, разгрузка 6, 7, 12 мин; продолжитель­ ность цикла в режимах нагружения — 17, 40, 50 мин. После оконча­ ния испытаний по одному режиму продолжали нагружения практичес­ ки без перерыва при следующем измененном режиме; в отдельном слу­ чае — при изучении оболочек 18—22 — время между различными ре­ жимами испытания по блочной схеме нагружения составило девять месяцев.

Необходимо отметить, что все оболочки первой группы выдержали первый этап предложенной программы испытаний. Контроль состоя­ ния поверхности оболочек в процессе испытаний после каждых десяти

нагружений показал, что только после 90 циклов нагружений на обо­ лочках 13 и 16 наблюдалось несколько маленьких скольчиков, свиса­ ющих внутренних краев; смещенные наружные кромки в данном слу­ чае повреждений не получили. После 100 циклов нагружения сколы не подрастали. Остальные оболочки не имели никаких видимых повреж­ дений после 100 циклов нагружений. В целом оболочки первой группы остались пригодными для дальнейших исследований.

Затем была предпринята попытка проведения второго этапа про­ граммы испытаний для данных оболочек. Предполагалось провести нагружение до максимального давления в цикле 98 МПа. Испытание показало неспособность этих оболочек нести такую нагрузку. Оболоч­ ки 16 и 17 разрушались на первом цикле нагружения при давлении 90 и 98 МПа, оболочка 15 — на втором цикле при нагрузке 85 МПа. Оболочки 13 и 14 показали ограниченную работоспособность неразъем­ ного стыкового соединения при указанных нагрузках: первая разру­ шилась на 11 цикле при нагрузке 98 МПа, вторая на 8 цикле при дей­ ствии внешнего давления 87 МПа. Осмотр оболочки 13 после десяти циклов нагружений показал активное накопление повреждений в зоне узла соединения в виде сколов внутренних и наружных свисающих участков опорных поверхностей стеклоэлементов и выколов клеевого шва. При этом м аксимальные расчетные напряжения в стекле, соответ­ ствующие давлениям разрушения оболочек первой группы, находились в следующих пределах: а3 = (—726------839) МПа, = (48 — 73) МПа (см. табл. 10).

Оболочки второй группы, испытанные по той же методике, показали аналогичный результат в виде низкой способности сопротивления раз­ рушению: полная потеря несущей способности происходила на 1—4 цикле третьего этапа блочного нагружения при действии внешнего дав­ ления 86—98 МПа и соответствующих ему максимальных напряжени­ ях в стекле и клеевом шве —699 ------794 и —655 ------- 755 МПа.

Испытания оболочек второй группы по блочным схемам, програм­

мы которых предусматривали повышение максимального	давления
в цикле до 59 и 78 МПа в прямом и обратном порядках,	позволили

получить интересные результаты, подтверждающие наши предполо­ жения. Принципиально новым результатом для составных оболочек из стекла с неразъемным стыковым соединением, выполненным с по­ мощью клея-компаунда Д-9, следует считать получение вариаций низкой циклической долговечности среди идентичных конструкций при повторно-статических испытаниях, когда последовательное сту­ пенчатое увеличение максимальной нагрузки в цикле изменения дав­ ления при использовании блочной схемы нагружения приводит к преждевременной потере несущей способности конструкции в резуль­ тате первичного повреждения и разрушения соединения. В данном случае в процессе первого этапа многократного повторения статичес­ ких нагрузок происходит упруго-пластическое деформирование кле­ евого компаунда шва. Повышение максимального давления в цикле нагружения на 32—66 % вызывает ощутимое охрупчивание материала клеевого шва, что приводит к частичному повреждению последнего уже на первом цикле испытания по новому режиму нагружения.

Разрушение омоноличивающего шва незамедлительно вызывает повреж­ дение торцовых поверхностей стеклоэлементов в узле соединения. Процесс активного накопления повреждений приводит к образованию больших сколов и местному сквозному разрушению стенки оболочки. В результате абсолютной неработоспособности клеевого соединения хрупких элементов в таких условиях нагружения происходит потеря несущей способности оболочки.

В противоположность полученным выше данным зафиксированы ста­ бильные результаты по циклической долговечности составных оболочек в случае понижения максимального давления в цикле нагружения, проведенного по блочной схеме. Оболочки 23—27, подвергнутые после­ довательному 1850-кратному повторно-статическому нагружению до максимального давления 78 МПа, а затем 100-кратному до 59 МПа, получили незначительные повреждения в виде мелких сколов стекла и остались пригодными для последующих испытаний.

Представленные данные позволяют эффективно планировать внед­ рение новых составных оболочек в практику: конструкции вначале эксплуатации должны первоочередно подвергаться действию наиболь­ ших рабочих повторно-статических нагрузок, которые затем следует снижать; эту последовательность нельзя изменять.

Оценка зависимости прочности составной системы от технологичес­ кой реализации сборки разрабатываемого соединения и уровня мак­ симального давления при повторно-статических испытаниях позволила выяснить его возможности: оболочка с соединением, имеющим техноло­ гическое несовершенство в виде ограниченного радиального смещения кромок, выдерживает без получения опасных повреждений нагруже­ ние 1850 циклов давлением 59 МПа. Оболочка с рационально сконструи­ рованным узлом соединения надежно сопротивляется разрушению при действии максимального давления 78 МПа в цикле. Ресурс работоспо­ собности конструкций обоих видов имеет существенный резерв и может быть значительно повышен. Последнее доказано испытаниями анало­ гичных конструкций до 1500 циклов нагружения внешним давлением 59 МПа [80].

Следующим этапом экспериментальных исследований составных оболочек было изучение сопротивления разрушению при длительном действии статической нагрузки, выдерживаемой постоянной в течении 50 или 100 ч. Процессу длительных испытаний почти всегда предшест­ вовало однократное кратковременное нагружение конструкций внеш­ ним давлением 59 МПа, которое существенно превышало уровень ста­ тической нагрузки в изучаемом режиме нагружения (см. табл. 10).

Непрерывное однократное нагружение сферической оболочки в течение 50 ч внешним гидростатическим давлением 98 МПа не вызвало каких-либо видимых локальных повреждений стеклоэлементов и из­ делия в целом. Длительные испытания позволили отметить стабиль­ ную долговечность исследуемых конструкций. Непрерывное погруже­ ние оболочек 29—31 в течение 300 ч ступенчатым повышением внеш­ него давления 10, 20,29 МПа (по 100 ч каждым) не вызывало визуально ощутимых повреждений в зоне соединения элементов и в целом в кон­ струкциях. Не зафиксировано накопление видимых повреждений даже

в оболочке 29, один из стеклоэлементов сборки которой имел'на опор­ ной поверхности исходный технологический дефект в виде вскрытого газового пузыря с максимальным размером 1,8 мм. Это объясняется действием низких градиентов напряжений, возникающих в зоне сое­ динения элементов при принятых условиях нагружения.

Эффективное использование замкнутых составных оболочек из материалов данного класса предусматривает сохранение полной гер­ метичности внутреннего объема систем в процессе всего периода эксплуатации. Оценка повреждаемости и герметизирующих свойств клеевого шва в составных оболочках, проведенная в процессе реали­ зации комплексной программы лабораторных испйтаний, выдвинула требование обязательной защиты поверхности омоноличивающего шва от действия окружающей среды [74]. Узлы соединений, выполняю­ щие конструктивные функции, подвергнутые длительному воздействию водной суспензии машинного масла или прямому действию солнечной радиации, получили визуально определимые дефекты: клеевой шов стал хрупким и начал отслаиваться от стекла, полностью теряя адгези­ онную прочность. Конструкции, в которых узлы соединений имели защитные покрытия в виде тонкого слоя нитрошпаклевки, свинцового сурика или резинового бандажа, не проявили существенных изменений свойств клеевого шва и нарушения герметичности в области соедине­ ния элементов сборки. Исходя из этих результатов следует рекомен­ довать опробованные способы консервации клеевого шва; лучшими эксплуатационными свойствами обладает качественно выполненный ре­ зиновый бандаж из полусульфидных герметиков У-ЗОМ и У-ЗОМЭС-Ю.

Проведенные испытания позволяют отметить, что именно зона неразъемного клеевого соединения определяет работоспособность со­ ставной системы, так как накопление повреждений элементами сборки в этой зоне приводит к исчерпанию несущей способности конструкции. Причем исчерпание несущей способности наступает во время очеред­ ного цикла нагружения при давлениях, соответствующих примерно €,86—0,99 максимального давления в цикле. Одновременно следует зафиксировать тот факт, что составные оболочки средней толщины, выполненные из технического стекла, способны выдерживать высокие сжимающие ( < 60 % предела прочности) локальные напряжения без каких-либо местных разрушений в случае, когда стенки имеют значи­ тельные ( ^ 3 5 %) плавные отклонения размера толщины.

На основании проведенного исследования можно сделать следу­ ющие выводы.

В результате получения новых данных экспериментального изуче­ ния конструктивной прочности составных осесимметричных оболочек из стекла с неразъемным клеевым соединением элементов одинаковой жесткости встык в условиях действия внешнего давления можно рас­ сматривать опробованный узел соединения как перспективный. Рас­ чет обеспечил получение результатов, сопоставимых с экспериментом, что позволяет рекомендовать последний для использования при раци­ ональном конструировании систем подобного типа.

Максимальными несущей способностью и ресурсом работоспособ­ ности обладают составные оболочки, в которых соединения имеют

следующие оптимальные параметры: равномерный клеевой шов толщи­ ной примерно 0,005 h, максимальная величина несовпадения для внут­ ренних свисающих кромок стыкуемых элементов не более V20 h, для наружных — не более 1/15/г. Составные сферические и цилиндричес­ кие оболочки средней толщины, в которых узел соединения выполнен качественно по этим требованиям, показали надежную работоспособ­ ность при повторном статическом нагружении давлением 59—78 МПа (при одном неизменном максимальном давлении в режиме 100 и более циклов) и ограниченную долговечность при последующем увеличении максимального давления в программе испытания по блочной схеме нагружения до 78 и 98 МПа (соответственно 3— 18 и 1— И циклов). Ресурс работоспособности нового узла клеевого соединения в оболоч­ ках из стекла существенно зависит от максимального давления при циклическом приложении внешней нагрузки, истории и характера предварительных повторных статических нагружений.

Создание работоспособных герметичных клеевых соединений эле­ ментов в составных оболочках, эксплуатируемых в натурных услови­ ях океана, настоятельно выдвигает требование необходимой защиты эпоксидного клеевого шва от действия окружающей среды путем нане­ сения на его наружную поверхность резинового бандажа, нитрошпак­ левки и т. п.

Повышения прочности нового узла соединения следует добиваться высокоточной сборкой деталей с локально упрочненными торцовыми поверхностями стенок стеклоэлементов, проведенных путем травления

вводном растворе плавиковой и серной кислот.

3.Прогнозирование несущей способности оболочки

с рационально спроектированным клеевым соединением элементов

Стеклянные замкнутые оболочки находят широкое применение в качестве прочных корпусов автономных приборов и устройств, а так­ же элементов плавучести, эксплуатируемых в условиях глубинного гидростатического давления. При этом глубина погружения и надеж­ ность эксплуатации конструкции зависят от несущей способности оболо­ чек. Стекло, как и другие хрупкие неметаллические конструкционные материалы данного класса, в силу особенностей структуры обла­ дает случайными свойствами, поэтому предсказание несущей способ­ ности изделий из него должно носить случайный характер [45].

В случаях, когда непосредственные испытания крупногабаритных составных оболочек из стекла на действие гидростатического давления затруднены в виду большой стоимости изделий (требуются значитель­ ные по объему выборки), сложности экспериментального оборудова­ ния, искомые характеристики приходится оценивать на основе дан­ ных испытаний малоразмерных образцов. Существуют различные под­ ходы к решению задачи переноса данных испытаний малоразмерных образцов на натурные конструкции. Поскольку к исследуемым кон­ струкциям предъявляется требование высокой надежности, то методика должна хорошо описывать как события малой вероятности, так