книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

Рис. 65. Напряженно-деформированное состояние в зоне соединения составной сферической оболочки из стекла с кольцом-обрамлением типа В (а, б) и Г (в).

а такж е ее долговечность и работоспособность при различных режимах нагруж ения.

Разработанная конструкция узла разъемного соединения признана целесообразной для применения в подобных оболочечных системах, изготовленных из ситалла СТЛ-10. Анализ полей изолиний параметров напряженно-деформированного состояния составной ситалловой сфе­ рической оболочки с относительной толщиной стенки, равной 0,10 наружного радиуса, включающей новое соединение элементов (рис. 66), и высокая (порядка 2630 МПа) прочность материала оболочки при сжа­ тии позволят получить значительно более высокую (порядка 300 МПа внешнего давления) предельную несущую способность оболочки. Особенность такой оболочки в том, что при относительно небольших габаритах она обладает существенной положительной плавучестью.

Таким образом, численное решение с помощью МКЭ осесимметрич­ ной смешанной задачи линейной теории упругости позволило выяс­ нить особенности напряженно-деформированного состояния модели­ руемых прочных составных конструкций из стекла и ситалла с новым типом механического разъемного соединения. Теоретические резуль­ таты, полученные в данном исследовании, дают возможность рацио­ нально проектировать составные сферические, цилиндрические и другие осесимметричные оболочки из хрупких неметаллических ма­ териалов данного класса с рассмотренным разъемным соединением, а такж е его разновидностями, и служат надежной основой для целевых

экспериментальных исследований. Выполнение поставленных требо­ ваний позволит за счет снижения интенсивности напряж ений в л о к ал ь ­ ной зоне хрупкого элемента составной оболочки существенно повы­ сить и стабилизировать значения ее несущей способности.

Д ля обоснованности сформулированных выше рекомендаций по применению нового типа разъемного соединения в составных оболочеч­ ных конструкциях из хрупких материалов типа стекла проведены комплексные лабораторные эксперименты на реальных системах при различных режимах нагружения высоким внешним гидростатическим давлением. Рекомендации реализуем путем выбора конкретных разме­ ров стальных вставок и обеспечения точности изготовления стеклоэлементов, а такж е качества склейки и сборки узлов разъемов, представ..

Рис. 66. Напряженно-деформированное состояние перспективной составной оболо­ чечной конструкции из ситалла СТЛ-10 с кольцом-обрамлением типа Б, выполненным из стали.

ленных на рис. 67, а—в. Сравним результаты теоретического и экспе­ риментального исследования напряженно-деформированного состояния составных оболочек из стекла с разработанным подвижным разъем­ ным соединением, реализуемым в трех различных типах стыков эле­ ментов примерно одинаковой и существенно различной жесткости. Дополнительно проведем испытания при однократном кратковремен­ ном нагружении оболочек высоким внешним гидростатическим дав­ лением, ограниченных повторно-статических нагруж ениях и длительном действии статической нагрузки, поскольку несущая способность, работоспособность и долговечность таких констукций могут полностью определяться технологическими и эксплуатационными свойствами новых узлов разъемных соединений элементов.

Экспериментальные		исследования	осуществляли на	простейших
опытных	оболочечных	системах, собранных из двух, а		иногда, как
в случае	сферического иллюминатора, одного элемента, из стекла
М КР-1,	подобных использованным		в исследованиях,	изложенных

Первый тип	Второй тип
	h ± A h

&s<Qfl1±Q№)h			Аг~(0,01•?0t02)h
QJ5h*30,о & 2 - « 33/7			^t~0,14h A r f=0j3h\
Фаска		ht -A h ,
	л		3/ У / т ;
	L	*
	^ / У А У
	^		, Смазка
Уплотнение		А	л
	ч		Уплотнение J
кольцевое
резиновое	J	л	кольцевое
			резиновое
	и	'	А
			А
	|	h ± A h 1
	\	и	А
1,5*30°			1.5
Фаска	1
			4S
			S>'
0 170,1			а /46,9
		0203,2

АА

h t Ah

АА

АА

АА

АА

\А

\ а А

А А

h±Ah

АА

5,0

Z2

/,5,3.0.4,0

02/6,0

Третий тип	А	А
	<h ±&h
	А	А
		А
Лг, =0,6Л	А		Уплотнение
		А	кольцевое /
			резиновое/

А

А

А

Ст ека КСмазка поверхности

поверхности

5,0	5,0, <	.5,0.
	cyf

		£Л9
	0/44.9	3,0	«NT
		0 216.0

G

ю	Рис, 67. Три типа перспективного конструктивного решения разъемного механического	соединения стеклоэлементов, вклю­
СО
со	чающих оптимальное стальное кольцо-обрамление.

в предыдущих параграфах данной главы. Стеклоэлементы и закладны е детали из стали обрабатывали по ранее разработанной технологии. Все кольца (рис. 67, г—е) выточены из поковок диаметром 220 мм. О ткло­ нения размеров при этом лежали в пределах ± 0 ,0 2 мм. Предел теку ­ чести стали колец-обрамлений и соединительных колец был порядка 785 МПа. Склейка конструкций, осуществленная с помощью эпоксидно-, го клея-компаунда Д -9, и их сборка такж е соответствовали описанным выше технологическим процессам.

Подготовленные к испытаниям замкнутые оболочки имели следую ­ щие габаритные размеры: наружный диаметр сферической оболочки составлял 200 мм, наружный диаметр цилиндрической оболочки с монолитными полусферическими оконцовками изменялся в пределах 200— 210 мм, длина равнялась 300 мм; технологическая конусность прес­ сованного цилиндрического стеклоэлемента — 1 25, смещение осей круговых форм внутренней и наружной поверхностей до 0,5 мм вызы­ вало плавное изменение толщины стенки по окруж ности изделия-за­ готовки, которая колебалась вдоль меридионального сечения в значи­ тельных пределах — 0,11— 0,16 наруж ного радиуса. В торцовых зонах стеклоэлементов разнотолщинность стенок путем дополнительной

механической		обработки сведена до минимума, равного	10,98 ±
± 0,07	мм;	кромки опорных поверхностей обточены	по фаске
0,3 мм	х 45°. Общая длина цилиндрической оболочки выбрана неболь­

шой из-за ограниченных возможностей, определяемых габаритными

размерами	экспериментальных		средств:		максимальный		размер
внутренней	полости	рабочей	камеры	установки		высокого	давле­
ния КВД -4— 390 мм.		Срок хранения		со	времени	изготовления		со­
ставных оболочек при		температуре 283— 318 К изменялся от трех
дней до двух лет.
Герметичности конструкций			достигали		путем	заклю чения	их	в

полиэтиленовую гибкую оболочку, применением герметика, кольцевого резинового уплотнителя, нанесением сплошного слоя сырой резины, а иногда и тонкого съемного резинового бандажа на наружную поверх­ ность составной оболочки в зоне разъема элементов. Опробование в процессе эксперимента представленных технических решений следова­ ло завершить рекомендацией лучшего по надежности обеспечения гер­ метизации внутреннего объема конструкции.

После изготовления проверка показала, что оболочки в целом об­ ладали положительной плавучестью; исключение составила опытная конструкция типа сферического иллюминатора.

Лабораторные испытания конструкций производили на установках высокого давления, описанных в главе IV. Конструкции, погруж ен­ ные в маслинную среду установки высокого давления, подвергали испытанию внешним нагружением при температуре 288— 313 К .

Испытания конструкций проводили по комплексной программе, которая последовательно включала следующие этапы: однократное кратковременное нагружение вплоть до разруш ения или одним из давлений: 135,147,157 МПа (пять и более оболочек на тип соединения); ограниченные повторно-статические нагруж ения по одному условию или блочной схеме до 59, 78, 98, МПа по 100 циклов каждым, а в от

Рис. 68. Напряженно-дефор­ мированное состояние сфери­ ческой оболочки с разъем­

ным		соединением					первого
				типа:
/ .	3	— деф орм ац и и				п олуч ены
на		н а р у ж н о й			п о вер х н о сти в
м ер и д и о н ал ьн о м					и о к р у ж н о м
н а п р а в л е н и я х					прн	н а г р у з к е
24,5		М П а;		2 ,	4 — то			ж е н а
вн у тр ен н ей п овер х н о сти .
дельном				случае				при
действии				максимальной
нагрузки					в		цикле
147 МПа — 10 циклами
(три — пять оболочек на
тип		соединения);						дли­
тельное			действие стати­
ческой			нагрузки,				изме­
няемой			ступенями:					10,
20,	29 МПа				(выборочно
три-четыре оболочки на
тип		соединения).
Исключение составили оболочки (по одиой-двена тип соединения),
которые предварительно тензометрировали в ходе трехкратного								на­
груж ения-разгрузки внешним гидростатическим	давлением по						схеме

0—24,5—0 либо 0—58,9—0 МПа. Подготовку оболочек к тензометрнрованию проводили по методике, описанной в главе IV. При испытании моделировали погружение-всплытие конструкции по очень жесткой программе цикла в период эксплуатации объекта.

Результаты экспериментального исследования напряж енно-дефор­ мированного состояния составной сферической оболочки с разъемным соединением скольжения первого типа (рис. 67, а) под действием внеш ­ него гидростатического давления 24,5 М Па представлены в виде гра­ фиков меридиональных и окружных деформаций на наруж ной и внут­ ренней поверхностях вдоль меридионального сечения конструкции (рис. 68).

Деформирование меридионального сечения в составной сфериче­ ской оболочке с узлом разъемного соединения первого типа происходит неравномерно. В зоне соединения на внутренней поверхности стеклоэлемента наблюдался значительный рост меридиональных деформаций

Рис. 69. М еридиональные (а) и окруж ны е (б) напряж ения на наруж ной и внутренней поверхностях сферы и стального кольца-обрамления оптимальных размеров:

сп л о ш н ы е л и н и и — р а с ч е т н ы е з н а ч е н и я , п о л у ч е н н ы е п р и р е ш е н и и з а д а ч и т е о р и и у п р у г о с т и , т о ч к и — э к с п е р и м е н т а л ь н ы е з н а ч е н и я , п о л у ч е н н ы е с п о м о щ ь ю т е н з о м е т р и и .

(—201*10“ 5 отн.	ед. деф.), в	то время как на наруж ной поверхности
меридиональные	и окружные	деформации снизились соответственно

до — 85 10-5 и — 80 • 10~5 отн. ед. деф. Непосредственно на торце стеклоэлемента, вклеенного в стальное кольцо-обрамление, меридио­ нальные и окружные деформации снизились как на внутренней, так и на наружной поверхностях. Следует отметить, что в зоне соединения элементов сборки остаточные деформации практически не зафиксиро­ ваны.

Деформационная картина составной сферической оболочки с узлом разъемного соединения второго типа, включающим опорное стальное кольцо наибольшей жесткости (ta=0,36h), полученная при тех ж е условиях нагруж ения, фактически ничем не отличается от представлен­ ной выше. Это свидетельствует об идентичности условий сопряж ения рассматриваемых элементов конструкций по поверхностям разъема в обоих типах соединений при заданной нагрузке внешнего давления.

Результаты экспериментальной проверки, проведенной на двух оболочках во время трехкратного нагруж ения-разгрузки, показали хорошую сходимость вплоть до предельной в этом эксперименте на­ грузки. Экспериментально полученные (косвенным путем) меридиональ­

ные и окружные напряжения подтвердили результаты численного решения (рис. 68). Численные данные получены от действия единичной нагрузки, равной 0,1 МПа.

Сопоставление результатов исследования конструкций позволяет отметить полное (с точностью до 3 %) качественное и количественное сходство картин напряженного состояния. Исключением явилась наиболее интересующая нас зона — область наибольшей концентрации напряжений: в ней отмечено совпадение меридиональных напряжений с точностью до 10 % . Н а рис. 69 представлены меридиональные (а) и окруж ные (б) напряжения для внешней и внутренней поверхностей сферы с соединением первого типа. На оси абсцисс отложены широта, на которой измерялись напряжения, по оси ординат — напряжения. Значения напряжений приведены для уровня нагрузки внешнего гидростатического давления, равного 0,1 МПа, и выражены в безраз­ мерной форме о/p. Указанный уровень совпадения результатов имел место в конструкциях с соединениями обоих типов. В данном случае такое совпадение объясняется узкоограниченной локализацией кон­ центрации меридиональных напряжений, которая происходит в малом объеме, что, в свою очередь, не позволяет экспериментально, путем тензометрирования, определить ее с большей точностью. Для экспери­ ментального исследования подобных зон, очевидно, целесообразнее применять методы, дающие более точные результаты, например поля­ ризационно-оптический.

Проведенное исследование позволило обоснованно отметить, что стальное кольцо-обрамление в составных сферической и цилиндри­ ческой оболочках с соединениями элементов обоих типов вызывает значительную концентрацию напряжений в стеклоэлементе. При этом наиболее характерны меридиональные напряжения. В зоне соединения они распределены неравномерно, при этом имеет место значительный перепад напряжений по толщине стенки, который вызван появлением поперечных сил и изгибающих моментов. Зона максимальной концентра­ ции меридиональных напряжений находится на внутренней поверхнос­ ти стеклоэлемента и примыкает к кольцу-обрамлению. На торце стенки зафиксировано снижение меридиональных напряжений, причем вслед­ ствие применения стального кольца-обрамления такого профиля и типо­ размеров впервые в оболочке в полную меру реализован эффект обоймы. Осевые напряжения в кольце-обрамлении ниже таковых в стеклоэлементе.

Окружные напряжения в оболочке в зоне узла соединения ниже, чем в безмоментной области (см. рис. 68). С увеличением расстояния от соединения они возрастают, что указывает на нарушение режима работы конструкции металлической вставкой соединения. Оболочки в этой зоне ощутимо теряют податливость, что подтверждается распре­ делением изолиний перемещений (вместо —42 10 “ ° имеем

— 29 10_6 мм). Окружные напряжения в кольце-обрамлении дости­ гают максимума в ограниченной зоне внутренней стенки кольца напротив торца стенки стеклоэлемента. При этом их величина сопоста­ вима с величиной меридиональных напряжений в зоне наибольшей концентрации в стенке стеклоэлемента.

1 6 2 - 2 8 5 8

237

X	Тип соединения
X
X
о
ч
о
чэ
о

со

Сфери­

ч е с к а я

Ци-

л и н д -

риче-

с к а я

Сфери­

ч еская

М а т ер и а л			П ар ам етр ы	к р атк о в р ем ен н ы х о д н о к р а т ­
	,			ных испы тани й
яиенлмарбо-аьцлок	ц а	шт.,екчолобоолсиЧ	ежурганеинелваД­ ­ешурзарилиния аПМния,
	окгоончтоуежморпл ь скаидгоонрооп			М ак си м ал ьн о е	р а сч етн о е на­
				п р я ж ен и е в м ом ент д е й с тв и я
				п р е д е л ьн о й	н а гр у з к и	или
				р а зр у ш е н и я , М П а
				в с т е к л о э л е -	в к о л ь ц е -
				менте	о б рам лен и и
С т ал ь		5	147	- 1 3 8 3	П р е в ы ш а л о
40Х					п р е д е л	т е ­
					ку ч ести	с тал и

3	157	- 1 4 7 5
5	157	— 1475

			1	129	—
			1	147	-1 3 8 3
			3	147	-1 3 8 3
Та	ж е		5	135— 147	-1 3 8 1 ------- 1501
				141	-1 4 4 1
			5
					"
»	»	С т а л ь	5	135	— н в я
		4 ОХ

То ж е

—

П р е в ы ш а л о

п р ед ел	т е к у ­
чести	с та л и

5

157

-17Й 7

То ж е