книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

с разъемными механическими соединениями под действием внешнего давления

■

П ар ам етр ы п овторн о -стати ч ески х испы таний

S

*

со

а

и <а

2Е

5?

1 И зм ен ен и е 2 в ц и к л е , / 1

1— 78— 1

1 - 9 8 - 1

Р асч етн о е	н ап р я ж ен и е в
ц и к л е или	при разруш е*

нии, М П а

в с т е к л о - эл е м ен те

- 5 5 3

—738

-9 2 2

в ко л ьц е - обрам лении

—530

—706

Вло кал ьн о м

объем е п р е ­ вы ш ало п р е ­

д ел	тек у ч е ­
сти	с тал и

		П арам етры д л и т е л ь ­
		ных	испы таний
	*
	>>
	а	о: в		b s
	(т		5 э*
	СЗ			* 2
	К	S S		я о
	в			с <ъ	Примечание
	о	4	||
		в -		а о
	5	WК		О о
	4		И	= 5
	я	л £>	5 а
	я			о н	с
	о *	в ¥	**■и
		?!	« я	§ а%
	ч я
	и я		5 =	tJ <11
	Я О)		<и еf
	У S		CQ Я	.si?
			0 -0
	100	—	—	—	—
	100

100	П овреж дений стеклоэле-
	ментов не обнаруж ено

1— 147— 1	— 1383
1 - 9 8 - 1	—922
1 - 5 9 - 1	- 5 5 3
1—59— 1	- 5 5 3
1 - 9 8 - 1	—922

—	—
—	—
1 - 5 9 - 1	- 6 0 0
1 - 9 8 - 1	-1 0 0 1
1 - 5 9 — 1	- 6 4 7
1 - 9 3 - 1	-1 0 7 9
1 - 9 8 - 1	-1 0 7 9

То ж е		15	_
»	»	100	, _
— 53Э		100
- 5 3 0		100
В л о к ал ь н о м		3900
объ ем е п р е ­
вы ш ало п р е ­
д ел	т ек у ч е ­
сти	стал и

—	—	98	50	- 9 2 2
		10	10и	—92
		20	100	- 1 8 4
		29	100	- 2 7 7
—				—
—61S	3900
—863	100	—	—	—
—471	100	—	—	—
В л о к ал ьн о м	100	—	—	—
о б ъ ем е п р ев ы ­
ш ало п р ед ел
тек у ч ести с т а ­
ли	100
То ж е

То ж е

	»	>
	}	»
Время	м еж ду		повторно-
статическими			испы та­
ниями	по блочной схе­
ме 14	месяцев

О болочка с	некачественно
изготовленным кольцом -
обрамленнем .		П олное
разруш ение		стеклоэле-
ментов	на	мелкне
осколки
П овреж дений		стеклоэле-

ментов не обнаруж ено

То ж е

э>

»»

П олное	разруш ение				стек-
лоэлем ентов			на	мелкне
осколки
Время	м еж ду		повторно-
статическим и				испы ­
таниями		по блочной			сх е ­
ме 10 м есяцев
П овреж ден ий			стеклоэле-
ментов не обнаруж ено
		—
П овреж д ен ия			получили
четы ре		оболочки			(сте*
клоэлем енты			и	клеевые
швы)

Все оболочки получили повреж дения стеклоэлементов и клеевого или

ч

с

о

к

а

Ц и ­ лин д - рическая

С ф ери­ ческая

		М ате■о	Б й
		к	о л ь ц а ,	ш т.
		3	к	,
	Тип соединения		нчтоо го идск а	лобо ч ек
		\о
		4
		15
		га
		D .
		О	морпеж у роспн о го	лсиЧо о
		*
		га
		Е*
		JQ
		Ч
		О
				1

		4
1
		I
С т ал ь	С т ал ь	5
4 ОХ	45
		2
		3
Та ж е	Та ж е	5

» > С таль

5

4ОХ

5

П ар ам етр ы

Д а в л е н и е н а г р у ж е ­ ния и л и р а з р у ш е ­ ния, М П а

ПО

93

9G -I11

102

59

69

5 6 - 7 0

65

115 -140

1.6

1 07 -138

120

к р ат к о п р е л ел н ы х о д н о к р а т ­ ных испы тани и

М ак си м ал ьн о е р асч етн о е н а ­

п р я ж ен и е в	мом ент д е й с т в и я
п р ед ел ьн о й	н а гр у зк 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 ьц е -
мептс	о б р ам л еш ш
	П р ев ы ш ал о
	п р е д е л	т ек у
	чести стал и

- 1 0 7 9

- п : ; 8 -

-------1319

— 1215

-7 0 0

—817

—10G2 —

------- 1333

— 1231

- 1 5 5 5 -

------- 1892

—1698

—1143 —

------- ИЗО - 1 6 : 3

То ж е

П р евы ш ало п р ед ел т е к у ­ чести стал и

- 4 4 7

—522

—375 --------170

—435

П р ев ы ш ал о п р е д е л т е к у ­

чести	ста л и
То	ж е

» »	С тал ь	5	62—73	-1 2 2 3 —	- 6 J 2 ------- 719
	45		68	------- 1437	- 6 7 6
				- 1 3 5 2

П ар ам етр ы		п о вто р н о -стати ч еск и х			испы ­	П арам етры д л и т е л ь ­
		таний				ных	испытаний
и						к а
узк	Р асч етн о е		н ап ряж ен и е в		о.
агрн аП		ц и кле или	при	р а з р у ­		= с	а -
		шении, М П а						С ff>
						5 .
змИенение ицвкл е, М						ге о ;	**
					= CJ	с£ =	SS	а. :
						£С.2	|§
						ja 3	5 а
							- U	н
	в с т е к л о -		в	кольц е -		з ?	с; 2
	элем еи те		обрамлении		О	§£
—		-		—	-	—	—	-
__		__		_„	_	10	100	- 9 2
						20	100	-1 8 »
						30	100	- 2 7 7
—				—	-	78	24	- 7 1 8
—				—	—	—	—	—
1—78— 1		- 9 3 4		- 5 9 6	100	-	—	—
1 - 7 8 - 1		- 9 3 4		- 5 9 6	19—82
						—	—	-

_	—	—	—	—	—	-
1 - 5 9 - 1	—794	- 4 8 2	100	-	—	—

Примечание

Оболочка с некачественно изготовленным кольцом - обрамлением . Полное

разруш ение	стеклоэле-
ментов на мелкие ос­
колки
П овреж дений	стеклоэле-
ментов не обнаруж ено
То	ж е

»э

»»

П олное разруш ение стеклоэлементов на мелкие осколки

Накопление повреж дений стеклоэлементов в зоне соединения

Н акопление повреж дений и локальное разруш ение стеклоэлемента в зоне соединения

Полное разруш ение стеклоэлементов на мелкие осколки

То ж е

Кратковременны е испы та­ ния проведены после повторно-статических

П олное разруш ение сте ­ клоэлем ента на мелкие осколки

М атериал	П арам етры		кратковременных о д н о кр ат ­
			ных испытаний
	е ­		М аксимальное расчетное на­
	у ж е­
			пряж ение в момент действия
	агр шу		предельной	нагрузки или
	н	азр	разруш ения, М Па
	е	р а
	авлениД	илиния Мния,П	в стекло эл е-	в ко л ьц е-
			менте	обрамлении
	9 4 - 1 1 6		- 1 1 9 6 -	- 6 5 9 ------- 810
		104	------- 1471	- 7 2 8
			— 1320
	9 7 -1 1 3		— 1227 —	—677 ------- 790
		103	------- 1433	—722
			- 1 3 1 0
		29	— 277	—265
		59	—553	- 5 3 0

П р и м е ч а н и я. 1. П од чертой указано среднее значение. 2.		П овторно-статическим и длч
яо-статнческне испытания	проведены по блочной схеме нагруж ения. 4.	П осле окончания программы
оболочек отмечены особо.

Новым результатом следует считать получение максимальной прочности составной сферической оболочки, один из стеклоэлементов которой имел технологический дефект в виде газового пузыря диамет­ ром 2,0 мм, расположенного посредине стенки в торцовой зоне полу­ сферического сегмента, которая вклеивается в стальное кольцо-об­ рамление (рис. 71, а). Составная оболочка с таким несовершенством не разрушилась и не получила повреждений при нагружении давле­ нием 147 МПа.

Составные оболочки с соединениями первого и второго типов, имею­ щие технологический брак, заключающийся в том, что вместо постоян­ ной толщины 1,5 мм параметр Ьг неравномерно изменялся вдоль окружности от 0,8 до 2,0 мм, разрушились соответственно при нагрузке 129 и 110 МПа (рис. 71, б). Разруш ение происходило следующим обра­ зом. В процессе повышения внешней нагрузки свыше 80 МПа в камере прослушивалось тихое с существенными перерывами во времени по­ трескивание, которое постепенно возрастало. Этому внешнему проявле­ нию накопления повреждений в стеклоэлементах соответствовал этап прорастания мелких трещин в ограниченных зонах стенки оболочек, там, где отмечено резкое изменение геометрии наруж ной стенки ме­ таллической вставки. Слияние мелких трещин приводило к оконча­ тельному разрушению стеклоэлементов на мелкие части под действием гидродинамической волны; кольца-обрамления, хотя и были значи­ тельно повреждены, оказались пригодными для дальнейших иссле­ дований. Следовало выяснить причины и характер возникновения и

П а р ам е т р ы п о вто р н о -стати ч еск и х			испы ­	П арам етры		д л и т е л ь ­
	таний			ных	испытаний
X			•		к
	нии, М П а		>>	енлва и я ПМа		ярпаж е - емэлен -
и <о			Д		я
X	Р асч етн о е	н ап ряж ен и е в	а
ео	ц и кл е или	при р а зр у ш е ­	U		5 3*
>*			со
о.			S
2 Е			О	ровеньУ д нагружения 1,	о о	асчетнР ое и вииестек ;ю Мте,П а
енениезмИ вклиц е, h			ослиЧ UHKJ яненж		* X
	в с те к л о -	в к о л ьц е -			яремВ на: ндопа гр у з
	эл ем ен те	обрам лении
—	—	—	—	—	—	—
1 - 5 9 - 1	- 5 3 3	- 5 3 0	100	—	—	—

Примечание

П олное	разруш ение стек*
лоэлемента на		мелкие
осколки
К ратковрем енны е		испы та­
ния	проведены	п о сл е

повторно-статическ их

—	—	—	—	59	100
				10	100
				20	100
	<			29	250

- 5 5 3

1	N
1	4j*
1

—

П овреж дений стек ло эл е-

мента не обнаруж ено

То ж е

»»

тельн ы м испы тани ям	п р ед ш ество вало одн ократное кратковрем енное нагруж ение оболочек. 3. П овтор -
испы тани й о болоч ки	п ри годн ы д л я дальнейш их исследований . С лучаи п овреж д ени я н р а зр у ш е н и я

постепенного накопления повреждений, приведших к разрушению конструкций. Изучение фрактографий изломов в разрушенных со­ ставных оболочках согласно описанной выше методике позволяет от­ метить действие значительных изгибающих напряжений, вызванных несовершенствами форм изготовленных колец-обрамлений.

Сравнение отношения максимального давления, выдержанного составной системой, к пределу прочности стекла при одноосном сжатии,, для сборных сферических и цилиндрических оболочек с соединениями первого, второго и других ранее изученных типов (табл. 23) позволяет оценить эффективность использования разработанного соединения в новых конструкциях. Лучшим параметром эффективности применения (0,092— 0,102) в стеклянных цилиндрических и сферических оболоч­ ках обладает узел разъема элементов первого типа; сопоставление данного параметра, полученного для сферических оболочек с различ­ ными типами разъемных соединений, рассмотренных ранее, позволяет отметить существенный (до 927 %) рост последнего. При этом следует иметь в виду, что составная стеклянная сферическая оболочка с двумя новыми разъемными соединениями не была испытана до разрушения из-за ограниченных возможностей применяемого испытательного обо­ рудования, в частности установки КВД-4. Последняя была наиболее мощной по создаваемому внешнему давлению испытательной камерой.

В результате проведенного эксперимента подтверждено, что впервые получена конструкция работоспособного узла разъемного соединения скольж ения, надежно обеспечившая несущую способность составной

246

Т а б л и ц а 23. Экспериментальная оценка эффективности применения разработанных соединений в составных оболочках из стекал

Т ип р азъ ем н о го соед и н ен и я

Х а р а к т е р и с т и к а

Параметр приведенной жесткости стального кольца-обрамления 0

Отношение максимального давления нагружения или предельной не­ сущей способности оболочки к пределу прочности стекла при

одноосном сжатии	ш ах
	с ж

Надежная работоспособность обо­ лочки при отношении максималь­ ного давления в цикле повторно­ статического нагружения к пре­ дельной несущей способности конструкции при кратковремен­ ном испытании ***

1,98**	1.98—	4,68	2,12	4,09
1,98	1.98—	4,68
0,102	0,102		0,082	0,068
0,092	0,066

0,38;	0,50;	0,62;	0,94	0,38;	0,62	0,47	0,57
	0,42;	0,70 ■		0,76

*	В ч и с л и т е л е	п р и в е д е н ы	зн ач ен и я д л я с ф ер и ч е ск о й о б о л о ч ки ,		в	зн ам е н ат е л е — д л я ц и ли н д р и ч еск о й
**	С о о тн о ш ен и я	п р о ч н о с ти	эл ем ен та	к о н с тр у к ц и и и м атер и ал а,	н з	к о т о р о г о он и з го т о в л е н , п о л у ч ен ы при	о д н о кр атн о м к р атк о в р ем е н н о м	н а г р у ­
ж ен и и .
***	П р о в ер ен а во	всех с л у ч а я х д о 100		ц и к л о в н а г р у ж е н и я п о в т о р н о -ст а ти ч ес к и м д ав л ен и ем ; и ск л ю ч ен и е			с о с т а в и л и соо тн о ш ен и я о,У4, 0,02	и 0,42,

которые проверены до 15 н 3900 циклов приложения нагрузки.

оболочки до предельных нагрузок внешнего гидростатического давле­ ния. Сопоставление максимальных давлений, которые выдержали

составные оболочки с предложенными узлами разъемных	соединений,
с давлениями разрушения составных конструкций,	включающих

неразъемные клеевые соединения элементов встык или с использова­ нием инородной вставки, свидетельствует об эффективности исполь­ зования стального кольца-обрамления принятой конструкции, что поз­ волило повысить давление разрушения идентичных стеклоэлементов (например, для сферического хрупкого элемента с неразъемным со­ единением, включающим металлическую вставку, по крайней мере, на 99 %) и получить стабильные данные по предельной несущей способ­ ности оболочек при однократных кратковременных нагружениях.

По мере накопления экспериментальных данных о конструкцион­ ной прочности стекол и ситаллов для составных конструкций с анало­

гичными разъемными соединениями представляется			возможным	по­
строить зависимости между давлением разрушения оболочки				и
прочностью материала хрупкого элемента, определенной				на
образцах. Получение такого параметра		позволит	путем сравне­
ния оценить	эффективность использования	материала в новой кон­
струкции.
Результаты	проведенных кратковременных испытаний позволили

назначить программу ограниченных повторно-статических нагружений. Программы испытаний для составных конструкций с обоими типами узлов соединений состояли из блочного нагружения, характеристики режимов которого ранее представлены на рис. 33 и в табл. 22. Обычно после окончания испытаний при одном максимальном давлений в цикле практически без перерыва приступали к многократным нагружениям при измененной максимальной характеристике цикла. В отдельных случаях время между повторно-статическими испытаниями по блочной схеме нагружения оболочек составляло 10— 14 месяцев (см. табл. 22). М аксимальные давления в множественных режимах повторно-стати­ ческих нагружений равнялись соответственно 0,38; 0,50; 0,62; 0,70; 0,76; 0,94 предельного давления при однократных нагружениях. Не представляется возможным указать, какую часть разрушающей на­ грузки для сферических оболочек составляют давления в принятых повторно-статических нагружениях, поскольку последние не были подвергнуты разрушению. Особенностью повторно-статических испы­ таний составных оболочек с новыми узлами разъемных соединений следует считать факт ступенчатого последовательного увеличения либо уменьшения максимальной нагрузки в цикле изменения давления после 100-кратных нагружений при блочной схеме испытания, когда нагру­ жение конструкций начиналось при минимальном давлении в первом режиме, а заканчивалось в последнем при максимальном давлении, рав­ ном 0,9 предельного кратковременного, или наоборот. Максимальные расчетные напряжения в стекле при повторно-статических нагружениях составляли 922 МПа, в то время как в стальном кольце-обрамлении они в локальном объеме незначительно превышали предел текучести стали и им соответствовало местное упруго-пластическое деформирова­ ние кольца.

В целом проведенные повторно-статические и длительные испытания позволили установить неизменяющийся уровень прочности сборных оболочек.

Новым вопросом при изучении конструкционной прочности состав­ ных стеклянных оболочек следует считать опробование технологичес­ ких процессов изготовления, сборки и защиты элементов и их соедине­ ний в составных системах. Механическая шлифовка алмазным инстру­ ментом стенки элементов в торцовой области, проведенная по восьмому классу шероховатости поверхности, когда среднее арифметическое отклонение профиля стыкуемых поверхностей находились в пределах

(0,63— 0,32) 10-г> м, обеспечивает высокую прочность сборки ан­ самбля. Увеличение степени шероховатости и дефектов материала стеклоэлементов в локальной области соединения приведет к образова­ нию сколов и последующему разрушению конструкции при низких нагрузках. Последнее следует учитывать при проектировании новых систем и назначении допускаемых напряжений.

Операции по сборке и подготовке составных оболочек к испытаниям позволили обратить внимание на необходимость защиты последних от длительного прямого воздействия солнечных лучей и сосредоточен­ ных ударных нагрузок, действующих на хрупкие элементы оболочек. В процессе локального динамического нагруж ения довольно часто наблюдалось разрушение стеклоэлементов. Прочные оболочки из хруп­ ких элементов требуют защиты наружной поверхности от действия непредвиденных ударных нагрузок. Опробование защитных кож ухов из полимерных материалов, в которые помещаются составные системы из стекла, позволяет говорить о перспективности этого решения. Такие кожухи не только предохраняют от действия контактных удар­ ных нагрузок, но и придают дополнительную жесткость оболочке, обеспечивая ей вместе с тем некоторые амортизирующие свойства при опускании на каменистое дно океана. Низкую сопротивляемость раз­ рушению от действия динамической нагрузки особо следует учитывать при танспортировке новых систем.

Осмотр конструкций после проведения комплексной программы испытаний подтвердил обоснованность требований защиты клеевого шва от действия окружающей среды. В конструкциях, узлы соединений которых были покрыты герметиком и даже свинцовым суриком, повреж ­ дения клеевых швов отсутствуют.

Прочные составные оболочки, изготовленные из стекла и предназ­ наченные для размещения приборов или другого полезного груза, тре­ буют, чтобы они были приспособлены для нагрузки и разгрузки с сохранением полной герметизации внутреннего объема. Поэтому от­ дельно исследовали обеспечение герметичности разъемного подвижного соединения. Оценку герметичности внутреннего объема конструкций проводили визуально и косвенным путем: по изменению давления в камере в период выдержки под нагрузкой.

В связи с поставленной задачей рассмотрен круг вопросов связан ­ ных с обеспечением высокой степени герметичности нового разъемного механического соединения скольжения путем выполнения повышенных требований к посадочным поверхностям по чистоте обработки, геомет-