книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

Темпы развития техники, позволяющей расширить океанологические исследова­ ния и обеспечить промышленные разработки полезных ископаемых со дна океана, постоянно повышаются. В связи с тем что именно техника освоения больших глубин составляет проблему освоения океана [103, 141], поставлена задача разработки новых образцов подводных технических средств. Решению этих вопросов служит данная монография, в которой изложены результаты исследований, проведенных в Институ­ те проблем прочности (ИПП) АН УССР под руководством академика АН УССР Г. С. Писаренко.

Комплекс особых физико-механических свойств хрупких неметаллических мате­ риалов типа неорганического стекла, ситалла, керамики выделяет их среди прочих конструкционных материалов и позволяет рекомендовать для изготовления прочных оболочечных систем, основной нагрузкой которых при эксплуатации является высокое внешнее гидростатическое давление.

Теоретико-экспериментальное изучение прочности стекла и ситалла в оболочеч­ ных конструкциях за последние пять лет [20, 34, 37, 39—44, 48, 80, 97, 98, 101, 123, 124] показало, что легкость и высокая прочность вновь разработанных технических средств (поплавковых элементов различного назначения, контейнеров для гидропри­ боров, глубоководных аппаратов, автономных узлов типа иллюминаторов и др.) сделали их незаменимыми в морских работах. В таких конструкциях в полной мере удается реализовать ценные свойства названных материалов: высокую удельную прочность при сжатии, немагнитность, радиопрозрачность, химическую стойкость и многие другие.

В связи с этим большое значение имеет разработка научно-обоснованных ре­ комендаций по конструированию составных оболочек. Данная монография посвяще­ на последовательному изложению основ рационального проектирования отдельных элементов новых конструкций. В ней поставлена и решена актуальная научная зада­ ча, связанная с исследованием конструкционной прочности неорганического стекла в сборных оболочках с принципиально новыми типами узлов неразъемных клеевых и разъемных механических подвижных соединений в условиях действия высокого внеш­ него гидростатического давления. Установлено, что соединение определяет несущую способность оболочки, поскольку накопление повреждений стеклоэлементами в этой зоне приводит к разрушению конструкции.

Численное решение с помощью метода конечных элементов (МКЭ) осесимметрич­ ной смешанной задачи линейной теории упругости, моделирующей сложные узлы соединений оболочечных конструкций, подверженных действию внешнего давления,

позволило оценить особенности напряженно-деформированного состояния составных систем из стекла и ситалла и исследовать в широких пределах главные конструктивно­ технологические параметры, существенно влияющие на прочность конструкции* При этом получено хорошее совпадение результатов численных и экспериментальных исследований, а также показано, что точное совпадение данных достигается путем учета в расчетной схеме реальных геометрических размеров деталей сборки узлов соединений, их упругих постоянных и условий взаимодействия элементов по поверх­ ности стыка. Доказана с помощью расчетных оценок реальная возможность создания как неразъемных, так и разъемных надежных соединений элементов в составных обо­ лочках из стекла.

Разработана методика исследования влияния конструктивных параметров и тех­ нологических факторов сборки элементов на напряженно-деформированное состояние и несущую способность узлов соединений в прочных составных оболочках из хрупких материалов типа стекла, ситалла, керамики. Численно обоснованный с помощью МКЭ выбор конструктивно-технологических параметров узлов соединений, базиру­ ющийся на изучении их влияния на напряженное состояние локальной зоны составной оболочки, позволил путем создания благоприятного напряженно-деформи­ рованного состояния в стеклоэлементе сборки значительно повысить и стабилизиро­ вать значение предельной несущей способности конструкции. Экспериментально до­ казана реальная возможность создания надежных работоспособных соединений в прочных оболочках из стекла, пять типов которых позволяют эффективно реализо­ вать в конструкциях его специфические свойства.

При изучении механических свойств неорганического стекла рассмотрены особен­ ности методических решений, обеспечивающие корректность испытаний. Анализ прочностных свойств штампованного стекла МКР-1 в образцах при различных видах нагружения, а также способности сопротивления разрушению в сборных оболочках под действием внешнего гидростатического давления 157 МПа позволил обоснованно указать на перспективность его использования в качестве конструкционного материа­ ла в высоконапряженных оболочечных конструкциях, эксплуатируемых при высо­ ких внешних давлениях.

В заключение приведены примеры рационального конструирования и изготовле­ ния натурных образцов глубоководных составных оболочечных конструкций из се­ рийных промышленных изделий, выполненных из технических марок стекла, которые уже в настоящее время эффективно используются для целевого назначения на глу­ бинах океана в океанографических исследованиях и промышленном производстве.

Аннотированные выше результаты систематически освещались в периодической печати [19, 20, 33—51, 59—71, 97, 98, 109, 125] и обобщены в настоящей монографии.

НОВЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.Создание составных систем из стекла, ситалла и керамики при разработке глубоководных автономных приборов

для исследований океана

Впоследние годы наметилась тенденция широкого использования при глубоководных исследовательских и промышленных работах в Мировом океане автономных приборов и устройств, которые не требуют постоянной тросовой или кабельной связи с судном-носителем при их эксплуатации. Эффективность применения автономных приборов и устройств в общем случае возрастает по мере увеличения глубины океана на участке проведения работ, что предопределяет особые тре­ бования к их конструктивному выполнению, связанные, в первую очередь, с высоким гидростатическим давлением, действующим на прибо­ ры и устройства при достижении ими рабочих глубин.' Новый конструк­ ционный материал, который может успешно использоваться при соз­ дании глубоководных приборов и устройств,— неорганическое стекло [98], в частности, прочные герметичные оболочки из технических марок неорганических стекол с высокой удельной прочностью (в пятьшесть раз превышает таковую металлов). В хорошо спроектированных конструкциях, стенки которых испытывают только сжимающие на­ пряжения, данный материал является оптимальным с минимальными весовыми характеристиками.

Рассматривая составные оболочки из стекла применительно к за­ дачам создания и использования автономных приборов и устройств для исследований Мирового океана, следует отметить их следующие основные положительные и отрицательные свойства: относительно низкий удельный вес материала, высокое временное сопротивление при сжатии (а„ =1176 -j- 1813 МПа), свето-магнито-радиопрозрачность, высокую прочность к разрушению под действием высокого внешнего давления. Вместе с тем материалу присущи низкая прочность на растя­ жение, а следовательно, высокая хрупкость, чрезвычайно высокая чувствительность к контактным напряжениям.

Первая группа свойств применительно к задачам разработки и создания автономных приборов и устройств в общем случае является положительной. Хрупкость материала и свето-магнито-радиопроз- рачность стеклянных оболочек могут быть признаны как отрицатель­ ными, так и положительными качествами в зависимости от физикотехнических требований к конструкциям конкретных приборов и устройств и их функционального назначения [48]. В общем виде влияние

всего набора качеств стеклянных оболочек на техническое решение поставленной задачи при разработке автономных приборов и устройств можно записать

Рассмотрим несколько примеров возможного применения прочных составных оболочек из неорганического стекла в конструкциях прибо­ ров и устройств.

1. Поплавковые элементы из составных стеклянных оболочек хо­ рошо себя зарекомендовали при использовании их в виде кухтылей конструкции ИПП АН УССР для поддержания и подъема глубоковод­ ных тралов, а также дрейфующих и притопленных буйковых станций в виде поплавков на автономных пробоотборниках типа «Бентос» (США) и «Бумеранг-Н» (ФРГ) [14, 156, 159]. Хрупкость материала подобных поплавковых элементов в данном случае является отрицательным свойством. Его значение снижается за счет реализации новых конструк­ тивных решений по обеспечению местной и общей прочности составных оболочек, применения защитных кожухов из полимерных или компо­ зитных материалов, а также оплетки из дели сетей.

2. Прочные герметичные контейнеры для датчиков и регистрато­ ров донных геофизических и гидрофизических станций из стеклянных оболочек находятся в стадии разработки и опытной проверки [42, 101]. Сдерживающий фактор их широкого практического применения — относительно низкая прочность составных оболочек из новых материа­ лов, а также хрупкость стекла, так как в случае значительного удара станции о твердый донный грунт может произойти разрушение герме­ тичного приборного контейнера и, следовательно, могут быть потеряны

и устойчивость к разрушению под действием высокого внешнего гид­ ростатического давления) следует отметить свето- и магнитопрозрачность прочных стеклянных оболочек — свойство, в данном случае, положительное. Оно позволяет в некоторых случаях считывать резуль­ таты регистрации без вскрытия контейнера, а также осуществлять визуальную ревизию датчиков, регистраторов, блоков питания и вспо­ могательной аппаратуры, помещенной в стеклянный приборный кон­ тейнер без предварительной его разгерметизации, что в ряде случаев нежелательно и технически затруднено. Указанное свойство также поз­ воляет успешно применять в качестве внешней оснастки подобных приборных контейнеров вспомогательные электромагнитные испол­ нительные механизмы и магнитные выключатели, которые функциональ­ но связаны с аппаратурой внутри контейнера и не требуют применения специальных герметичных вводов.

3. Прочные герметичные контейнеры для светомаяков в виде сбор­ ных оболочек из неорганического стекла имеют важное преимущество перед подобными контейнерами из органического стекла: они обла­ дают существенно более высокой прочностью и сохраняют практически постоянную светопрозрачность в процессе относительно длительной эксплуатации под действием высокого гидростатического давления. Хорошая светопрозрачность оболочек из неорганического стекла — необходимое и обязательное свойство, обеспечивающее их выбор в ка­ честве прочных контейнеров для светомаяков автономных приборов и устройств. Часто в конструкциях автономных приборов светомаяк совмещают с радиомаяком и помещают их в один общий герметичный контейнер [160].

4. Прочные герметичные контейнеры для радиомаяков в виде со­ ставных стеклянных оболочек находят широкое практическое приме­ нение в конструкциях отечественных автономных пробоотборников мо­ делей «АП-6000» и «АП-пассат» [82]. В зависимости от типа применяемого

не требует длинной антенны, возможна успешная герметизация антен­ ны совместно с радиомаяком при условии, если герметичный прочный корпус радиопрозрачен. При использовании в качестве прочного кон­ тейнера для радиопоисковой системы автономных приборов и устройств стеклянных оболочек применяют плавающие магнитные выключатели, которые автоматически включают радиомаяк после завершения при­ бором или устройством цикла работ по программе «погружение — всплы­ тие» [104].

5. Прочные герметичные контейнеры для гидроакустических мая­ ков и ответчиков в виде легких составных стеклянных оболочек в настоя­ щее время только начинают разрабатываться. Однако очевидных физико-технических недостатков, препятствующих дальнейшему внед­ рению стеклянных контейнеров в системы акустической локации и автономные приборы, нет.

6. Прочные автономные элементы сквозной видимости для метал­ лических корпусов в виде сферического или цилиндрического иллю­ минаторов служат для подводного визуального панорамного наблюдения с оптическим эффектом выпукло-вогнутой линзы, кино-, фотосъемки и освещения. Такие иллюминаторы из неорганического стекла используются без реконструкции во многих областях техники в виде автономных узлов, не зависящих от корпуса, на котором они установлены. Необходимые и обязательные свойства — неизменяю-

подобными изделиями из полиметилметакрилата (например, иллюми­ наторов аппарата АПР-1 конструкции МО «Гипрорыбфлота» [1]). Они обеспечивают широкоугольное поле зрения, обладают высокой проч­ ностью и сравнительно дешевые в изготовлении. Особенность предла­ гаемых конструкций с малыми оптическими искажениями состоит в их

способности при отношении толщины оболочки к диаметру 0,03—0,10 сопротивляться значительно большему (в два — пять раз) давлению раз­ рушения, по сравнению с другими анализированными решениями. Однако хрупкость стекла в данном случае снижает надежность всей системы и требует особых условий эксплуатации.

П р и м е ч а н и е ; * — отсутствие этого свойства исключает возможность применения стек­

7v Энергетические колбы для рабочих (исполнительных) органов пробоотборников, выполненные в виде составных оболочек из стекла, могут успешно применяться для подводного взрывного разрушения скальных выходов на дне и отбора проб скальных пород. В настоящее время проводятся теоретические и стендовые исследования принци­ пиальной возможности эффективного применения подобного метода глубоководного пробоотбора. Группа организаций совместно разра­ ботала несколько вариантов конструктивного выполнения пробоотбор­ ника модели «АП-базальт» с рабочими органами на основе стеклян­ ных энергетических колб. Принцип действия рабочего органа подоб­ ных пробоотборников основан на запрограммированном схлопывании прочной оболочки под действием высокого гидростатического давления и направленной утилизации значительной энергии, высвобождающейся при этом. Подобный «взрыв наоборот» позволяет вырывать куски скаль­ ных пород из монолита при контакте пробоотборника с донными скаль­ ными выходами. При этом с увеличением рабочей глубины погружения пробоотборника растет уровень энергии, выделяемой колбой. Д ля эффективного подводного схлопывания колбы в заданный момент времени под действием соответствующего инициатора такие свойства

оболочек из стекла, как их высокая прочность под внешним давлением и хрупкость материала оболочки, являются обязательными.

8. Энергетические колбы для источников упругих колебаний из неорганического стекла имеют большие перспективы использования применительно к задачам глубинного сейсмического зондирования и сейсмоакустических исследований Мирового океана, но на сегод­ няшний день их разработки находятся на опытной стадии. Хрупкость, как свойство материала оболочки, является необходимой.

ческого стекла в приведенных выше примерах конструктивного выпол­ нения автономных приборов и устройств, а также некоторые задачи исследований, направленных на усовершенствование сборных стеклян­ ных оболочек и их узлов применительно к конкретным приборам и устройствам, приведены в табл. 2.

Для широкого применения составных оболочек из стекла в конструк­ циях автономных приборов и устройств необходимо решить ряд перво­ очередных задач, общих для различных систем:

исследование предельной несущей способности, работоспособности и долговечности составных стеклянных оболочечных систем в зави­ симости от конструктивно-технологических факторов сборки ансамблей из отдельных элементов;

разработка конкретных конструктивных решений узлов прочных и герметичных соединений для составных стеклянных оболочек, ра­ ботающих под действием высокого гидростатического давления;

изучение возможности эффективного использования в качестве сбор­ ных оболочек изделий из технических марок стекол, серийно выпускае­ мых промышленностью большими партиями [27].

Решению этих и других конкретных задач конструктивной проч­ ности составных оболочек из стекла посвящены далее изложенные исследования.

2.Оценка физико-механических характеристик технического стекла, ситалла и керамики

Причина широкого применения неорганических стекол, ситаллов, керамики кроется в исключительной универсальности этих техничес­ ких материалов, позволяющих просто, быстро, дешево получать самые различные по форме и величине изделия. Успешное внедрение техни­ ческих стекол в ряде отраслей промышленности подтверждается в работах [8, 17, 116, 127, 136, 152], откуда следует, что неметаллические материалы целевого назначения должны иметь специфические выработочные свойства, легко обрабатываться механически и химически и в то же время должны обладать особым комплексом физико-механических и химических свойств.

Физико-механические свойства хрупких материалов данного клас­ са подробно рассмотрены в монографиях [9,10, 13, 15, 80, 111, 122]. Анализ этих работ позволяет выделить комплекс особо ценных свойств материалов данного класса: высокую удельную прочность (сочета­ ние высокой прочности с низкой плотностью) и жесткость при сжатии, высокие коррозионностойкость и сопротивляемость абразивному из­ носу (особенно у ситаллов [85, 150]), немагнитность, прозрачность и многие другие, которые при определенных условиях возможно перспек­ тивно реализовать в образцах современной техники. Одновременно отмечено, что стекла, ситаллы, керамики неодинаково ведут себя при различных типах деформаций: имея высокую прочность по сопротив­ лению сжатию (допускают упругие деформации сжатия по 2,5 %), обладают низкой прочностью по сопротивлению, растяжению, изгибу,

удару. Хрупкость таких материалов, проявляющаяся в низкой удар­