книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов
..pdfРис. 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 |