книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

тного взаимодействия, либо возникновение местных дефектов, значи­ тельно понижающ их реальный уровень прочности оболочки, следует защитой последних путем их заключения в амортизирующие полимер­ ные замкнутые кожухи.

2. Предельное состояние и условия разрушения оболочки с непосредственным стыковым сопряжением стеклоэлементов

В частных случаях использования немагнитных оболочечных кон­ струкций из хрупких неметаллических материалов типа стекла, ситалла, керамики необходимо рассмотреть возможность создания не­ посредственного стыкового разъемного соединения несущих элемен­ тов, которое не изменяло бы в целом условий работы системы, например, в виде прочного корпуса оборудования геофизической станции [48].

Простота	изготовления,		легкость сборки и демонтажа таких соеди­
нений привлекаю т		внимание.
Задача	настоящ его исследования — выяснить возможность орга­
низации простого		стыкового разъемного соединения,		реализуемого
по конструктивной		схеме стекло — стекло в составных стеклянных
оболочках,	подверженных		действию высокого внешнего гидроста­
тического давления, которое позволит, хотя бы частично, реализовать
специфические свойства этого перспективного материала.				Кроме того,

необходимо установить уровень прочности и ресурс работоспособности нового соединения для стеклоэлементов прочных оболочек по пре­ дельной нагрузке и числу повторных статических нагружений внеш­ ним давлением в зависимости от таких конструктивно-технологи­ ческих решений, как введение в разъем прокладок из толстой уплот­ нительной резины, полимерного эпоксидного покрытия, а также тонкой синтетической пленки или пергамина, точности и чистоты обра­ ботки стыкуемых поверхностей и их химического упрочнения в раст­ воре кислот.

Непосредственное стыковое соединение элементов в прочных оболочках из хрупких неметаллических материалов данного класса ранее не применялось из-за высоких требований по чистоте и точнос­ ти обработки контактных поверхностей, вызывающих его высокую сто­ имость. Кроме того, если принять во внимание, что разъемное соедине­ ние в силу технологических несовершенств предполагает взаимные перемещения элементов по поверхности сопряжения, а это вызывает существенные контактные напряжения, ограничивающие работо­ способность составной оболочки из стекла, то понятно, почему, на пер­ вый взгляд, простой и удобный тип стыкового соединения до сих пор не нашел применения. Последний используется в основном в оптической технике для соединения линз и др. [102]. Данных о механических ис­ пытаниях непосредственного стыкового соединения стеклоизделий стержневых и оболочечных форм в литературе нет.

Экспериментальное изучение нового соединения проведено на со­ ставных сферических оболочках, собранных из двух равновеликих эле-

11	2—2858	161

ментов с помощью одного разъема. Заготовки получены из прессован­ ных защитных колпаков светильников.

Собираемые опытные конструкции имели типичные несоверш енст­ ва геометрии: неравномерные утолщения стенок составляли порядка 52 % при минимальной толщине 10,9 мм. После тщ ательной дополни­ тельной механической шлифовки алмазным инструментом по 3-му клас­ су точности торцов половины общего числа стеклоэлементов их тол­ щина вдоль окружности локально возросла от одного до трех раз, но не более чем на 1 % . Во всех стеклоэлементах полностью отсутствова­

ла	неплоскостность контактных поверхностей;					площ адь поверхности
взаимодействия			сопрягаемых	элементов		составляла порядка
7,4	1СГ3 м2	в	первом случае	и 6,5	10-3 м2 — во втором, среднее
арифметическое			отклонение профиля		опорных	поверхностей нахо­
дилось в пределах (0,32—0,25)				10-6	м. Острые кромки притуплялись
фасками 0,3 х			45°.
	Стеклоэлементы перед сборкой тщательно промывали водой с каль­
цинированной		содой, а после высыхания контактные поверхности					по­
следовательно		протирали ацетоном и спиртом. Сборка оболочек					за ­

ключалась во взаимном подборе стеклоэлементов с целью получения минимальных несовершенств в зоне экваториального стыка — внут­ ренних и наружных свисающих кромок, которые обусловлены не только разнотолщинностью стенок, но и некоторыми искаж ениями круговой формы оболочки, в частности различием значений среднего радиуса срединной линии торцовой поверхности или эллипсиостыо поперечного сечения в зоне соединения. Ф иксирование стеклоэлемен­ тов относительно друг друга проведено липкой полиэтиленовой лентой, которую наносили на наружную поверхность и дополнительно исполь­ зовали в качестве наружной герметизирующей прослойки. Д ополни ­ тельную герметизацию разъемного соединения в конструкциях созда­ вали нитрошпаклевкой ПФ-00-2 (герметизирующей пастой УТ-34), организацией резинового бандажа и применением гибких полиэтилено­ вых оболочек. Испытания опытных оболочек внешним давлением осу­ ществляли по ранее описанной методике при температуре 291— 328 К .

Всего испытано 28 конструкций, которые разделены на две равны е группы: в первую группу (I) оболочек входили стеклоизделия с сущест­ венной разнотолщинностью стенок элементов в области экваториально­ го соединения, в то время как вторая группа (II) объединяла оболочки с равнотолщинными торцами сегментов в зоне стыка. В результате в оболочках первой группы величина свисания внутренних и наруж ны х

кромок в радиальном направлении местами составляла	17— 5 % , а
во второй — 3— 1,4 % средней толщины стенки (рис. 47,	а, б).
Комплексная программа испытаний конструкций вклю чала изуче­

ние действия однократного кратковременного гидростатического дав­ ления вплоть до разрушения, повторно-статического нагруж ения, осу­ ществляемого согласно условиям нагруж ения: 1—42— 1 и 1— 66— 1 МПа, а такж е длительного действия статической нагрузки, изменяе­ мой 100-часовыми ступенями: 10, 20, 29 М Па. В ходе нагруж ений по треску в камере или визуально фиксировали нагрузку, при которой возникали первые повреждения стекла, и нагрузку полного разруш е-

Т а б л и ц а 15.		Прочность		н работоспособность составных сферических оболочек
									внешним
		Макси­		Параметры однократных				Параметры повторно-
				кратковременных испытании
		мальное
Группа	Номер	несовпа­
		дение тор­			Расчетное на­		Изменение
оболочек	оболочки	цов	эле­	Разрушающее					Разрушающее
		ментов в			пряжение		нагрузки в
		зоне сты­		давление,	при	разруше­	цикле	нагру­	давление,
		ка,	мм	МПа	нии	оболоч­	жения,	МПа	МПа
					ки, МПа
I	1		1.9	23		115	—		—
	2		1.4	50		255	_
	3		U	47		240	—		—
	4	0,9		57		290	—		—
	5	0,9		43		219	—		—
	6	0,7		70		355	_		_
	7		1,8	—		—	1— 42— 1		30
	8		1,2				1—42— 1		35
	9	0,7
							1—42— 1		40
	10	0,7		—
							1—42— 1		39
	11	0,6					1—42— 1		42
	1 2 -14	0,6— 1,5				—

и	15	0,25	51	260	—
	16	0,25	46	235	—

17	0,20	73	373	—	—
18	0,20	100	510
19	0,15	65	333
20	0,15	121	618
21	0,30			1—6 6 - 1	66
22	0,20
				1— 66 — 1	57
23	0,20
				1— 66— 1	47
24	0,15
				1— 66 — 1	59
25	0,15
				1— 66— 1	52
26—28	0,15—0,30

статических	испытаний			Параметры		длительных
					испытаний
Расчетное напря­		Число	Бремя	Уровень	Время		Расчет­	Примечание
жение,	МПа		нахож­	давле­	нахож­
		циклов	дения	ния на­	дения		ное на­
при раз­		до раз­	под на­	груже­	под на­		пряже­
		руше­	грузкой,	ния,	груз­		ние,
в цикле	руше­	ния, п	ч	МПа	кой,	ч	МПа
	нии

—	—	—	—	*—	—	— Стеклоэлемент		сборки
						имел	мелкие	сколы кро­
						мок	опорной	поверхности
—	—	—	—	—	—	—	—
—	—	—	—	—	—	—	—
—	—	—	—	—	—	—	—
						Химическое		упрочнение
						тор цов стеклоэлементов

215	181	2	0,3
215	155	14	2,5	—	—	—
215	203	26	4,8	—	—	—
215	197	29	5,3	—	—	—
215	215	21	4,0	—	—	—
				10	100	51
				20	100	102
				29	100	148

		.	___	—	—	—
—	—	—	—	——
___	___	—	—	—-
336	336	27	6,8	—	' "
336	292	35	8,8	—
336	237	46	11,5	—		’
336	303	32	8,0	—
336	265	41	10,2	10	100	51
				20	100	102
				29	100	148

Стеклоэлемент сборки имел сколы кромок (до 0,8 мм) опорной поверх­ ности

—

—

—

—

В оболочке 14 зафиксиро­ ваны мелкие сколы ( < 1мм) на торцах рабочей поверхности

Стеклоэлемент сборки имел на контактной по­ верхности вскрытый га­ зовый пузырь

—

Химическое упрочнение торцов стеклоэлементов

—

—

—

—

—

группы оболочек, которые были несколько отличными от ранее наблю ­ даемых, позволило зафиксировать полезность введения в разъем стеклоэлементов тонких прокладок из полиэтилена и пергамина. Примене­ ние этих прослоек позволяет снизить класс точности механической шлифовки элементов сборки без понижения уровня прочности состав­ ной оболочки. А это в итоге обеспечивает снижение стоимости изго­ товления конструкций.

Несущая способность оболочек, созданных из стеклоэлементов с равнотолщииными торцами, хотя и подвержена влиянию технологи­ ческого фактора сборки соединения, возросла на 55 % (среднее зн а­ чение), но при этом можно отметить неизменность характера и картины разрушения последнего. П редельная несущая способность оболочек, собранных из стеклоэлементов, торцы которых подвергнуты локально ­ му упрочнению химическим травлением, не повысилась. Кроме того, отмечено низкое значение (0,043) отношения среднего давления поте­ ри несущей способности оболочки к пределу прочности стекла при од­ ноосном сжатии, по сравнению с таковыми (0,102), полученным для другого разъемного соединения [701.

Результаты испытаний составных сферических оболочек со стыко­ вым разъемным соединением под действием однократного кратковре­ менного гидростатического давления, повторно-статического и длитель­ ного нагружений в зависимости от условий стыковки контактны х поверхностей представлены в табл. 15. Полученные данные позволяю т отметить некоторые особенности работы и разруш ения подобных соединений. Предположение о том, что прочное надежное разъемное соединение можно создать путем непосредственной стыковки опор­ ных поверхностей стеклоэлементов, предварительно обработав их с высокой точностью и существенно снизив ш ероховатость, не подтвер­ дилось. Разруш ение составных сферических оболочек происходило при внешнем давлении 46— 121 МПа; накопление повреждений в виде царапин, сколов, мелких трещинок на контактных поверхностях начи­ налось под действием нагрузки, составляющей примерно 0,4 разру ­ шающей. Увеличение внешнего давления свыше 0,9 разруш аю щ его сопровождалось интенсивным, активно нарастающим, повреждением

опорных поверхностей, приводящим к полному разруш ению		стыка
и как	результат — всей оболочки. Моменту потери несущей	способ­
ности	оболочки соответствовало максимальное расчетное напряж ение

в стекле 235—618 МПа: значения напряжений вычислены для моно­ литной замкнутой оболочки тех же размеров без учета концен­ трации напряжений на поверхностях в плоскости стыка стекло­ элементов.

Результаты эксперимента свидетельствуют о влиянии несовер­ шенств стыковки элементов, в частности наличия внутренних свиса­ ющих кромок и дефектов опорных поверхностей, на несущую способ­ ность конструкций. Оболочки, собранные из стеклоэлементов с исход­ ной разнотолщинностью торцов и максимальными внутренними свисаю­ щими кромками, имели предельную несущую способность 47— 70 МПа, что несколько ниже таковой для оболочек с хорошо подогнанными равнотолщинными торцами стеклоэлементов (46— 121 М Па). Оболочки,

имевшие начальные технологические дефекты опорных поверхностей

и кромок в виде мелких сколов и вскрытых газовых		пузырей (например,
оболочки	1,16) (рис. 47, в, г), разрушаются при	низких нагрузках.
Снижение	несовершенств стыковки элементов	позволило повысить

верхнее и среднее значения предельной несущей способности конструк­ ций, но не изменило нижнего уровня прочности последних. В резуль­ тате увеличилось рассеяние значений прочности составных оболочек, что само по себе является отрицательным фактором.

Следствие низкого сопротивления разрушению стекла в условиях непосредственного контактного взаимодействия элементов — неста­ бильность результатов и относительно низкий уровень разрушающего внешнего давления: среднее значение для I и II групп оболочек, со­

ответственно равно 49 и 77 МПа, что составляет не более	0,30 расчет­
ного значения для подобной монолитной оболочки.
Х арактер разруш ения составных оболочек позволяет		отметить,
что взаимное проскальзывание стеклоэлементов приводит	к	образова­

нию трещин на опорных поверхностях. Развитие трещин и образование сколов начинается в локальных зонах внутренних кромок соединения; трещины растут в глубь стенки параллельно срединной поверхности примерно на одну толщину оболочки, а затем выходят на внутреннюю поверхность, не развиваясь в сторону полюса сегмента. Активность процесса существенно увеличивается при несоосно состыкованных стеклоэлементах: наличие внутренних свисающих кромок, как и в неразъемном клеевом соединении, описанном в четвертой главе, вызы­ вает значительную концентрацию меридиональных и окружных напря­ жений в этой зоне. Особую опасность представляют радиальные рас­ тягивающ ие напряж ения, которые и вызывают разрушение внутренне­ го выступа. Так возникает потребность ограничения максимальной величины свисающих кромок значением, взятым относительно толщины оболочки и составляющим V40 часть ее. При эю м чувствительно сни­

ж ается концентрация указанных напряжений на торцах	стеклоэле­
ментов.
Упрочнение торцовых поверхностей стеклоэлементов	травлением

вводном растворе плавиковой и серной кислот по методике, описанной

вработе [33], для повышения прочности конструкций не дало положи­ тельного эффекта — несущая способность составных оболочек практи­ чески осталась на том же уровне (оболочки 5, 19).

Введение между стеклоэлементами толстой (толщина 4 мм) резино­ вой прокладки или нанесение на торцы сегментов эпоксидного полимер­ ного покрытия (средняя толщина 0,3 мм), которые бы одновременно использовались для уплотнения и герметизации подвижного соедине­ ния, не могут быть рекомендованы. Модельные эксперименты показали, что уже при низких нагрузках (15—29 МПа) резиновая прокладка выдавливается из-под торцов, а полимерное покрытие локально разру­ шается, что в итоге ухудшает реализацию рассмотренной выше стыков­ ки элементов [6, 95].

Анализ предельной несущей способности составных оболочек с разъемным соединением, включающим тонкие прокладки, позволяет сделать следующий вывод: сборные оболочки, в разъем элементов

Т а б л и ц а	16.	Прочность и работоспособность	составных	оболочек		из стекла
				под		действием
			Радиальное	смещение		кромок
			стеклоэлементов		в стыке, мм
Вид оболочки	Материал н толщина (мм) прокладки '
			4			д'2
			О д н о к р а т н ы е к р а т к о
Сферическая	Воск, 0,02		1,8—2,5		1,5—2,5
	Полиэтиленовая пленка, 0,06		1 ,8 -2 ,5		1 ,7 -2,6
	Пергамин, 0,07		1 ,0 -1 ,9		0 ,8 -2 ,0
Цилиндрическая		То же	0,9— 1,5		1 .0 -1,8
			П о в т о р и о - с т а т и
»			0,9— 1,5		1,0— 1,8
П р и м е ч а н и я .		I. В > всех случаях наблюдались разрушение стеклоэлементов				в зоне	узла
испытаниях в оболочках, включающих прокладку из пергамина, после 5—20 циклов					н а г р у ж е н и й		от
среднее значение.
которых введены		прокладки из полиэтилена и пергамина,			обладали

приемлемыми показателями прочности (табл. 16).

Установочные испытания при однократном нагруж ении до разру ­ шения позволили назначить программу повторно-статического прило­ жения внешней нагрузки для различных групп оболочек. П ри цикли ­ ческом нагружении принято максимальное внешнее давление, состав­ ляющее 0,85 средней кратковременной разрушающей н агрузки . Д ля первой группы оболочек оно составило 42, для второй — 66 М Па. Характер роста и спада внешнего гидростатического давления соот­ ветствовал указанному на рис. 33.

Результаты испытаний при повторном нагружении (см. табл. 15) определяют ресурс работоспособности стыковых соединений скольж е­ ния для стеклоэлементов несущих конструкций по числу циклических нагружений внешним давлением 42—66 МПа в зависимости от кон­ структивно-технологических факторов. Эксперимент дал возможность проследить характер влияния конструктивных решений и технологичес­ ких несовершенств стыкового соединения на его работоспособность. Наибольшей работоспособностью при многократном действии внешнего давления обладают оболочки с минимальными несовершенствами в зоне экваториального стыка стеклоэлементов (27— 46 циклов). Это достига­ ется снижением концентрации напряжений на опорных поверхностях за счет дополнительной технологической обработки. Н аличие несо-

Ч исло	о б о л о ­	Д авлени е
чек,	шт.	разруш ения,
		М Па

И зменение нагрузки в цикле н а гр у ­ ж ения, МПа

М аксимальное расчетное напряж е­

ние в стекле,	МПа
	Число цнклoв^
	до разру­
при разруш ении	шения
	в цикле

в р е м е н н ы е и с п ы т а н и я
3	2 1 — 4 8	— 115-------240	—
	3 6	—204
3	3 8 — 6 2	—208------ 330
	51	-2 5 2
3	4 5 — 8 3	—233------ 412
	6 0	- 2 7 4
5	3 3 — 7 6	- 1 6 8 -------347
	5 7	—293
ч е с к и е и с п ы т а н и я
	3 1 — 4 4	— 1 7 4 --------- 2 9 5
	1 - 4 6 - 1	— 2 1 3	— 2 3 4		2 0 - 9 5
	3 7
соединения	и нмплознонная потеря несущ ей	способности оболочки. 2.	При	повтор но-статических
мечены незначительны е сколы на опорны х поверхностях стеклоэлементов. 3.				П од	чертой приведено-

вершенств стыковки в виде внутренних свисающих участков торцов стеклоэлементов снижает работоспособность стыкового соединения до 14—29 циклов; сколы опорных поверхностей и их кромок не позво­ ляю т получить даже ограниченной работоспособности соединения: последнее разруш алось на первом-втором цикле нагружения, как, например, в оболочке 7. Зафиксировано, что полное разрушение со­ единения и оболочки всегда происходило при очередном повышении давления выше 0,7 максимальной нагрузки в цикле. При этом расчет­ ные значения максимальных напряжений в оболочке, соответствующих моменту разруш ения, изменялись в пределах 155—336 МПа.

А нализируя полученные результаты, отметим, что разъемное со­ единение стеклоэлементов, реализующее непосредственный их стык, обладает довольно низкой надежностью сопротивления разрушению при повторных нагрузках. Отмечено, что для исследованного диапазона нагрузок не зафиксировано влияние верхнего уровня давления в цикле на долговечность оболочек; разрушение происходит в процессе интен­ сивного локального повреждения рабочих поверхностей. Высокие контактные напряж ения, возникающие в результате взаимного пере­ мещения опорных поверхностей, снижают прочность конструкции. Вследствие возрастающего образования и развития дефектов появля­ ются трещины и сколы опорных поверхностей, направленные как и при однократном нагружении, эквидистантно срединной поверхности