книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

при изгибе до 75 МПа по сравнению с химическим травлением, это зна­

чение все же стабилизировалось (коэффициент вариации составил

6,8 %).

Отдельным вопросом исследования было изучение строения изломов образцов из стекла МКР-1, испытанных при поперечном изгибе, и уста­ новление соотношений между разрушающим растягивающим напряже­ нием при изгибе и параметрами зоны излома [50]. Это исследование под­ твердило высказанные выше утверждения о постепенном сглаживании и «залечивании» дефектов поверхности в результате опробованных технологических приемов. Однако даже после проделанного поверх­ ность образцов осталась местом нахождения опасных дефектов, пре­

восходящих по перенапряжениям де^

фекты

объема

и

создающих

усло­

вия для формирования макротрещин.

Очаги

разрушения

во

всех

образ­

цах

находились

на

поверхности

и

совпадали с ее дефектами. Прочность

образцов

находилась

в

обратно

пропорциональной

зависимости

от

характерных

размеров

дефекта,

из

которого

формировалась

магистраль­

ная

трещина. Эти

результаты

под­

твердили выводы, полученные с помо­

щью

профилограмм,

снятых с образ­

цов трех групп, о том,

что улучше­

Рис.

19. Прочность

образцов

из

ние

поверхностных

параметров при­

водило

к повышению

прочности

стекла

МКР-1 при

испытаниях

на

одноосное сжатие и поперечный из­

стекла.

После

установления

зави­

гиб

в

исходном

(неупрочненном)

симости

прочностных

характеристик

(а,

г),

упрочненном

химическим

стекла

МКР-1

от состояния

поверх­

травлением (б, д) и комплексно-

ности, которое различно при рассмот­

упрочненном (в,

е) состояниях.

ренных методах обработки, было сделано следующее заключение. Постепенное сглаживание дефектов поверхности образцов из стекла МКР-1 и последующая защита малодефектной поверхности от механи­ ческих повреждений и окружающей среды позволили получить для об­ разцов третьей группы при обоих видах испытаний наибольшие уровни нижних, средних и верхних значений прочности; одновремен­ но уменьшен разброс их отдельных значений.

Полученные сравнительно высокие и стабильные значения проч­ ности стекла МКР-1 при сжатии (40 образцов были вырезаны из пяти зон стеклоизделия-заготовки) позволили отметить неизменность его ме­ ханических свойств в различных зонах штампованных изделий (табл. 7). Высокая равнопрочность стекла в изделиях под действием сжима­ ющих нагрузок и удовлетворительные характеристики прочности при изгибе обнадежили при прогнозировании сопротивления разрушению сборных оболочек из такого материала в условиях равномерного внеш­ него давления.

Результаты проведенной работы позволили сделать следующие выводы.

Применение МКЭ позволило теоретически обосновать методику испытания хрупких материалов на одноосное сжатие в обоймах и в широких пределах исследовать влияние каждого из выделенных пара­ метров составного образца на напряженно-деформированное состояние

хрупкого стержня из стекла и ситалла.
Выполнение сформулированных рекомендаций путем	рациональ­
ного конструирования заделки торцов хрупких стержней	в обоймы
позволило повысить несущую способность и уменьшить	разброс ее
частных значений для составных образцов из стекла МКР-1	и ситалла
СТЛ-10 при испытаниях на сжатие.

Экспериментальная оценка влияния состояния поверхности образ­ цов на изменение механических характеристик прочности стекла МКР-1 при испытаниях на сжатие и изгиб, в зависимости от использования различных технологических приемов их обработки, позволяет реко­ мендовать для внедрения комплексное упрочнение стекла путем хи­ мического травления в растворе кислот и последующего покрытия по­ лимерной защитной пленкой ранее механически обработанных поверх­ ностей.

Анализ механических характеристик штампованного стекла МКР-1 и опробование стандартных изделий из него позволяют рекомендовать последние для применения в сборных высоконапряжен­ ных оболочках, подверженных действию высокого внешнего давления.

2. Оценка влияния условий опирания на несущую способность цилиндрических оболочек

из стекла

Изучение прочности составной конструкции в зависимости от ус­ ловий опирания стеклянной цилиндрической оболочки, подверженной осевому сжатию (условия опирания моделировались с помощью прокла­ док из различных материалов и их характерных габаритных размеров), и оценка влияния локального упрочнения стеклоэлемента в зоне соеди­ нения на повышение несущей способности составной цилиндрической оболочки являются важными вопросами. Дополнительное исследова­ ние напряженно-деформированного состояния элементов соединения сборной стеклянной цилиндрической оболочки, представляющего на­ ибольший практический интерес, проведено для обоснования вновь создаваемой методики рационального конструирования высоконапря­ женных систем из хрупких материалов.

Экспериментальная оценка уровней несущей способности сборных цилиндрических оболочек из стекла 13в вертикальной вытяжки при осевом сжатии в зависимости от условий опирания проведена на корот­ ких полых трубчатых образцах с наружным диаметром, равным при­ мерно 43 мм, толщиной стенки около 3,5 мм, высотой 44 мм. Допуски на размеры заготовок были ниже регламентированных ГОСТом для

таких	изделий [129, 143]: наружный диаметр — 43,90_о,эо	мм; тол­
щина	стенки — 4,10_о,во мм; разностенность — < 0 ,5 мм.	Причем

последняя не выходила за пределы допускаемых отклонений по толщи­ не стенки. Элементы с такой геометрией получали после тщательной

сортировки заготовок по наружному диаметру. Термообработанные трубы разрезали алмазным кругом на элементы, поверхности торцов,

которых	дополнительно шлифовали до шероховатости 0,63 10~6 м..
При	установке стеклоэлементов на опорные поверхности проверя­

ли плотность и равномерность взаимного прилегания. Равномерность контакта контролировали с помощью оттисков на копировальной бу­ маге при предварительном поджатии усилием 980 Н. В результате до­ полнительной обработки (шлифование и полирование) торцов стенки цилиндров удалось получить оттиски равномерной плотности, что сви­ детельствовало об отсутствии значительных неровностей контактных поверхностей.

В половине исследуемых образцов торцы стенок подвергали обра­ ботке в ранее опробованном водном растворе серной и плавиковой кислот. Травление торцов стенок цилиндров сглаживало микрорельеф' опорной поверхности. Анализ типичных профилограмм контактных поверхностей исходных и травленых образцов подтвердил возможность существенного улучшения профиля опорных поверхностей стекло­ элементов. Так проводилось внедрение опробованного на образцах метода упрочнения стекла в виде локального упрочнения торцовых зон стенок в оболочках.

Все образцы испытывали осевым нагружением по методике, внедрен­ ной на составных стержневых элементах из стекла и ситалла. Скорость роста напряжений составляла во всех опытах 20—29 МПа/c. В ходе эксперимента изменяли условия опирания стеклянных цилиндров пу­ тем применения кольцевых прокладок из различных материалов со строго фиксированными габаритными размерами (особенно толщиной). Ширина прокладок всегда выбиралась такой, чтобы торец стенки стеклоэлемента независимо от присущих ему несовершенств весь опирался на прокладку. В качестве прокладок использовали пласт­ массовые листы и тонкие пленки, свинец, паронит, бумагу нескольких сортов, в том числе прессшпан (электрокартон). Прокладки помещали

вкольцевые пазы стальных каленых опорных плит, расположенных

вспециальном приспособлении между траверзами испытательной ма­ шины. В нескольких случаях в качестве прокладок применяли конси­ стентную смазку или эпоксидный клей Д-9. Проверяли также несущую способность цилиндров при непосредственном опирании в кольцевые пазы без промежуточных элементов. Полученные при этом результаты принимали за исходные.

Результаты испытаний в виде гистограммы средних уровней несу­ щей способности исходных (неупрочиенных) цилиндрических оболочек

взависимости от условий опирания представлены на рис. 20. При ис­ пытаниях стеклоэлементы нагружали по полного разрушения. В ходе нагружения фиксировалась нагрузка, при которой возникали первые видимые повреждения (сколы и трещины) или был слышен треск; фиксировалось также усилие, соответствующее моменту полного раз­ рушения. Гистограмма построена по результатам испытаний не менее пяти образцов каждого вида.

Установлено, что минимальным уровнем несущей способности об­ ладают модели, непосредственно опирающиеся на металлическую

7а

ностях стыкуемых элементов, несущая способность моделей достигала 123—194 МПа. Так, продавливание фторопластовой пленки толщиной 0,02 мм, возникающее при напряжениях 118 МПа, приводило к разру­ шению стеклоэлемента при осевых напряжениях 173 МПа (рис. 21, д).

Для последней группы характерно отсутствие эффекта травления поверхности. Это свидетельствует об эквивалентности воздействия как травления, так и тонких пленок смазки или полимера, практичес­ ки в одинаковой степени сглаживающих микрогеометрию поверхности контакта, что подтверждается, в частности, полным совпадением уровней прочности травленых образцов при непосредственном опирании и всех образцов с применением консистентной смазки. Модели вто­ рой группы с относительно толстыми податливыми прокладками раз­ рушались при средних осевых напряжениях 99—184 МПа, т. е. подоб­ но случаю применения тонких пленок. Однако данный уровень несущей способности обусловлен спецификой напряженно-деформированного состояния в окрестности контакта. При деформировании эластичных толстых прокладок происходит внедрение стеклоэлемента в прокладку, которая, в свою очередь, вследствие большой податливости, частично выдавливается из паза опоры, охватывая торцовую часть цилиндра. В месте выхода цилиндрической оболочки из прокладки, как показали предварительные исследования, наблюдается значительная концентра­ ция напряжений из-за реализации «эффекта обоймы». При малой глу­ бине защемления стенки зоны возмущения напряженно-деформирован­ ного состояния от краевого эффекта и эффекта обоймы накладываются и взаимно усиливаются. Происходит разрушение опорной кромки со стороны боковой поверхности при сравнительно низких уровнях внеш­ ней нагрузки.

Значительную роль в снижении несущей способности в данном слу­ чае играют дефекты опорной поверхности стеклоэлемента, о чем сви­ детельствует существенное (более чем в два раза) повышение несущей способности моделей после травления рабочих поверхностей. Разру­ шающие напряжения тем не менее сохраняли более низкий уровень, чем это следует из учета механических свойств материала модели [80]. Расхождение вызвано, как и в предыдущем случае, геометрическими не­ совершенствами опорной поверхности хрупкого элемента. Неравномер­ ная плотность толстых прокладок по периметру также отрицательно влияла на прочность моделей, обусловливая, в свою очередь, неравно­ мерную осадку прокладки, вследствие чего на опорной поверхности стеклоэлемента возникала дополнительная концентрация напряжений, которая являлась причиной преждевременного разрушения.

Тонкие плотные прокладки и клеевые прослойки обеспечили наи­ большую несущую способность моделей третьей группы. Высокая проч­ ность этих моделей обусловлена равномерной, малой осадкой плот­ ной прокладки, что, с одной стороны, исключало возникновение изгиба­ ющих моментов на отдельных участках опорной кромки, а с другой — выдавливание прокладки и, следовательно, защемление опорной кромки стенки стеклоэлемента. Травление опорных поверхностей стенки стек­ лоэлемента в данном случае также дает эффект: несущая способность моделей повышается на 28—50 %. При этом на моделях, включающих

прокладки из пергамина, получен интересный результат: прочность оболочек, в которых по единой технологии параллельно проведено травление опорных поверхностей и всего стеклоэлемента, практичес­ ки совпадала. Это однозначно указывает зону зарождения и развития разрушения в конструкциях с наиболее удачным решением условий опирания оболочки.

Составные модели, в которых к торцам стенки стеклоэлемента при­ клеены тонкие стальные кольца, стабильно показали наибольшую несущую способность. К моменту разрушения такой модели напряже­ ния в стеклоэлементе достигали 398 МПа; разрушение происходило

Рис. 22. Основные геометрические размеры сборной оболочки (а) и ее расчетная схема для анализа по МКЭ (б).

в зоне торцовой поверхности стенки от поверхностных дефектов. Внед­ рение опробованного на образцах метода упрочнения стеклоэлемента путем комплексного локального упрочнения опорных поверхностей оболочки, проведенное по ранее предложенной технологии, дает поло­ жительный эффект: несущая способность моделей повысилась на 34 %, а разброс значений .прочности понизился и составил 481—600 МПа. Параллельно с экспериментом произведен расчет напряженно-дефор­ мированного состояния элементов последней конструкции как представ­ ляющей наибольший практический интерес. Численное исследование напряженно-деформированного состояния составной конструкции поз­ волило оценить концентрацию напряжений области соединения и уяс­ нить особенности работы сопрягаемых деталей.

Геометрические размеры конструкции и ее расчетная схема приве­ дены на рис. 22. Идеализация этой расчетной схемы состоит в отсут­ ствии учета тонкой клеевой прослойки, омоноличивающей детали сборки, незначительного (порядка 0,08 толщины стенки) свисания внутренних и наружных краев оболочки за контур металлического кольца, а также жесткости опорных плит (приняты абсолютно жестки­ ми). Расчет проведен при условии, что модули упругости материала оболочки и кольца составляют соответственно 70 и 206 ГПа; коэффици­ енты Пуассона этих материалов — 0,25 и 0,30.

Меридиональное сечение конструкции разбито нерегулярной сет* кой на 216 треугольных элементов и 129 узловых точек. Сгущение сет­ ки обеспечило точность оценки напряжений в окрестности стыка разно­ модульных элементов, что позволило определить искомые параметры даже в области высоких градиентов.

Анализ полученных результатов (рис. 23) показал, что возмущение в области соединения за счет разнородности сопрягаемых элементов, подобно наблюдаемому при опирании монолитного ситаллового цилин­ дра на стальную опору, распространяется вдоль образующей цилинд­ рического оболочечного элемента на незначительное расстояние; в

Рис. 23. Напряженно-деформированное состояние составной оболочки из стек­ ла под действием осевого сжимающего усилия.

рассматриваемой модели оно не превышает толщины стенки оболочки. Особенность распределения напряжений в подобных моделях позво­ ляет ограничить длину возмущенной зоны соединения одной толщиной оболочки, причем эта область значительно (в два раза) меньше таковой, определенной согласно данным работы [93]. На большем расстоянии влияние соединения на напряженное состояние оболочки в целом пренебрежимо мало и практически не заметно. Однако именно в этой ограниченной области напряженно-деформированное состояние харак­ теризуется высокими градиентами и значительными положительными значениями окружных напряжений (0,19 р), что делает ее наиболее опасной во всей конструкции. Кроме того, в окрестности опорной по­ верхности наблюдается концентрация всех напряжений, ухудшающая условия работы стеклоэлемента. Увеличение жесткости тонкого опор­ ного металлического кольца в два раза вызывает некоторое перерас­ пределение напряжений в торце стенки хрупкого элемента. Концентра­ ция осевых и тангенциальных напряжений в стеклоэлементе локали­ зуется в той же области и остается на прежнем уровне. Радиальные напряжения меняют знак на противоположный, но при этом их градиент не изменяется. Зафиксировано снижение окружных растягивающих напряжений, которые в данном случае составляли 0,04 р и действовали на срединной поверхности оболочки.

Корректность полученных результатов подтверждена на практике. Ранее в ходе эксперимента, на основании которого выбрана расчетная схема, зарегистрированы уровни разрушающей нагрузки, зоны и ус­ ловия возникновения повреждений, а также характер разрушения оболочки (см. рис. 21, ё), позволившие отметить качественное совпаде­ ние расчета и опыта. При этом в момент разрушения модели в зоне соединения действовали осевые напряжения, равные 586 МПа. Расчет­

ные значения	растягивающих	окружных	напряжений достигали
101 МПа, т. е.	были высокими	и примерно	соответствовали пределу

прочности стекла при растяжении. Это, вероятно, максимальная проч­ ность, присущая конструкциям такого типа при выбранных конструк­ тивных решениях и технологии обработки опорных поверхностей стеклоэлемента. Кроме того отмечено, что на свойства соединения эле­ ментов отрицательно влияет разнотолщинность стенки оболочки, обус­ ловливающая концентрацию радиальных растягивающих, а также осе­ вых и окружных сжимающих напряжений. Таким образом, разрушение стеклоэлемента начинается практически при более высоких напряже< ниях, вызванных несовершенствами геометрии узлов соединения и их сборкой, чем это следует из расчета. В последнем, очевидно, кроется резерв повышения прочности таких соединений. Одновременно можно считать, что в повышении несущей способности соединений по чистоте обработки рабочих поверхностей достигнут предел: при полученном уровне напряжений разрушение стекла начинается от действия рас­ тягивающих окружных напряжений и внутренних дефектов, располо­ женных в непосредственной близости от контактной поверхности.

Полученные результаты указывают путь обоснованного выбора как конструктивных, так и технологических параметров соединений в разрабатываемых системах и позволяют сделать некоторые практиче­ ские выводы. Прежде всего напряженно-деформированное состояние в несущая способность узла соединения существенно зависят от двух групп факторов: геометрических параметров соединяемых элементов и условий взаимодействия и деформирования основных и промежуточ­ ных элементов по контактным поверхностям соединений. При этом расчетная схема должна в полную меру отражать указанные особен­ ности.

Требования, определяемые первой группой факторов, заключа­ ются в обоснованном выборе формы, геометрических размеров и чистоты поверхности сопрягаемых в узле соединения элементов. Выбор рацио­ нальных форм и учет совокупности геометрических и технологических параметров соединяемых поверхностей освободят последние от дейст­ вия значительной концентрации напряжений, приводящей к прежде­ временному выходу конструкции из строя при низких значениях внешней нагрузки. Травление опорных поверхностей стенки стекло­ элемента подавляет отрицательное влияние микронадрывов и других дефектов на рабочих поверхностях.

Выбор благоприятных условий взаимодействия и деформирования сопрягаемых элементов в узле соединения, обусловленных принятыми конструктивными решениями, предполагает их циклическую повторяе­ мость и одновременно неизменность во время работы конструкции под

нагрузкой. В противном случае на опорных поверхностях в ходе натружения в результате больших сил трения или пластического дефор­ мирования металлических вставок в соединении возникнут существен­ ные изгибные напряжения, которые вызовут первоначально местное, а затем полное разрушение конструкции.

Рациональные условия деформирования сопрягаемых и промежуточ­ ных элементов в узле соединения следует создавать путем применения тонких металлических колец из высокопрочной стали, которые при­ клеиваются на торец стенки стеклоэлемента. Так удается избежать возникновения значительных контактных и изгибных напряжений; одновременно исключается концентрация напряжений в окрестностях опорной кромки за счет оптимального стеснения деформации торца хрупкого элемента. На базе такого решения можно строить новые кон­ струкции узлов соединений различных типов.

Проведенные работы представляют первый шаг в направлении науч­ но обоснованного выбора конструктивных и технологических парамет­ ров соединений элементов в сборных оболочках с вставками из разно­ родных материалов, работающих в условиях внешнего давления.

3. Методические основы проектирования работоспособных соединений в прочных конструкциях

из хрупких неметаллических материалов

Создание работоспособных соединений в составной конструкции из хрупкого неметаллического материала типа стекла, ситалла, кера­ мики возможно путем организации благоприятного напряженно-де­ формированного состояния в зоне соединений элементов, которое обеспечивается совершенствованием конструктивных решений, а также технологии изготовления деталей и сборки узлов Г321. Решения разработ­ ки соединений с применением клеевых прослоек на основе эпоксидного клея-компаунда Д-9 представляются перспективными и требуют изу­ чения различных конструктивных вариантов с целью выбора наиболее удачных. Параллельно с этим следует искать эффективные меры по­ вышения прочности хрупких материалов данного класса в условиях силового контакта с другими материалами. Вопросы получения и сохранения высокопрочного состояния поверхности стекол и ситаллов в составных конструкциях путем упрочнения с последующим приме­ нением защитных полимерных покрытий также требуют всесторонне­ го изучения.

Первый принцип рационального конструирования соединений в но­ вых технических системах предусматривает знание напряженного со­ стояния наиболее нагруженных узлов и позволяет установить допусти­ мый уровень внешней нагрузки, что способствует обеспечению задан­ ных показателей прочности конструкции по известным механическим характеристикам используемых материалов. Разработка главного прин­ ципа безопасного конструирования работоспособных соединений в составных системах из хрупких неметаллических материалов предусмат­ ривает выделение двух групп факторов, учет которых обеспечит дости-