книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

ческого течения металлической вставки в узле соединения. С другой стороны, ранее проведенные эксперименты позволяют судить о неко­ тором увеличении и стабилизации значений пределов прочности стекла при сжатии и изгибе в результате комплексного упрочнения. Логично ожидать после применения последнего увеличения предельного со­ противления разрушению сжимающими и изгибными напряжениями торцовой зоны стенки стеклоэлемента оболочки.

Отметим, что началом отсчета служили результаты, полученные на составных оболочках 16—20, в которых создавали соединение путем сборки стеклоэлементов, торцы которых шлифовали только механичес­ ки. Особенность изготовления контрольных оболочек состояла в том, что стеклоэлементы после механической обработки подвергали локаль­

Несущая способность составной сферической оболочки с неразъем­ ным соединением, включающим стальное экваториальное соедини­ тельное кольцо рекомендуемого типа, вследствие применения разра­ ботанного технологического приема увеличилась на 7,3 % и состави­ ла 79 ± 2 МПа (среднее значение на базе пяти оболочек — см. табл. 12). Параметр эффективности применения такого соединения в сборных оболочках из стекла возрос до 0,052 (см. табл. 13). Подтвердилась ранее установленная на образцах особенность, состоящая в уменьше­ нии разброса значений разрушающего давления.

Изучение влияния комплексного локального упрочнения стекло­ элементов в составной сферической оболочке с неразъемным соедине­ нием, включающим стальное соединительное кольцо рекомендуемого профиля, позволило подтвердить перспективность применения пред­ лагаемого технологического приема и рекомендовать его для подоб­ ных конструкций. Он позволит повысить несущую способность состав­ ных стеклянных оболочек и уменьшить разброс ее отдельных показа­ телей.

Подводя итог анализу экспериментальных и численных результа­ тов, можно отметить следующее.

Численное исследование составных оболочек из стекла с узлом неразъемного клеевого соединения, включающим стальное соедини­ тельное кольцо, характеризует их реальное напряженное состояние в целом и в зоне концентрации напряжений в частности.

Впервые рассмотрена возможность решения расчетным способом вопроса о рациональном конструировании неразъемного клеевого соединения в оболочке (см. рис. 43, а), составным элементом которого является оптимальное по форме металлическое соединительное кольцо. Теоретически исследованы главные конструктивные параметры нового узла соединения и рекомендованы, исходя из анализа напряженного состояния, их значения.

Наиболее оптимальным профилем стального соединительного коль­ ца является двутавр, позволяющий снизить напряженность торцов стенок стеклоэлементов в оболочке благодаря использованию эффекта

обоймы и обеспечивающий максимальную несущую способность обо­ лочки; локальное комплексное упрочнение стеклоэлементов повыша­ ет, а также стабилизирует значение прочности конструкции.

Неразъемное клеевое соединение, включающее стальное, стеклян­ ное, стеклопластиковое соединительное кольцо рекомендуемого про­ филя, вносит значительное возмущение в напряженное состояние со­ ставной системы из стекла и снижает несущую способность последней в 1,5 раза и более по сравнению с таковым в монолитной или омоноличенной оптимальным клеевым швом. При проектировании срединного стыкового соединения стеклоэлементов одинаковой жесткости с метал­ лическим кольцом необходимо учитывать параметр его приведенной жесткости, который в случае оптимального проектирования должен равняться 1—2.

Прочность, работоспособность и долговечность составных оболочек из стекла зависят от степени возмущения напряженно-деформиро­ ванного состояния в зоне соединения элементов сборки. Оптимиза­ ция по напряженно-деформированному состоянию конструкции узла неразъемного соединения позволяет получить составную стеклянную оболочку, отвечающую предъявляемым требованиям.

Торцовое неразъемное соединение элементов в оболочке из хруп­ кого материала. Дальнейшее развитие конструкции узла неразъемного клеевого соединения с металлической вставкой в замкнутых оболочках из хрупких материалов типа стекла диктуется изменением назначения и места его расположения в системе: помимо срединного соединения элементов практически одинаковой жесткости предлагается создать узел торцового клеевого соединения разнородных элементов существен­ но различной жесткости для реализации технического решения, оформ­ ленного в виде концевой заглушки. В связи с этим изменяется и кон­ структивная схема устройства последнего. Примером может служить замкнутая система, состоящая из стеклянного сферического сегмента или цилиндрической оболочки с монолитной полусферической оконцовкой, вклеенных в кольцевой паз жесткой металлической плиты. Несущая способность такого соединения определяется главным обра­ зом толщиной клеевой прослойки на боковых и торцовых поверх­ ностях хрупкого элемента, глубиной вклеивания стенки оболочечного элемента средней толщины в кольцевой паз жесткого фланца, степенью несовершенства макрогеометрии поверхностей стеклоэлемента в се­ чении стыковки и жесткости металлического диска (см. рис. 43, б).

Численное исследование узла неразъемного соединения, в котором торец стеклоэлемента вклеен в паз жесткой металлической обоймы (см. рис. 5), позволил однозначно установить отсутствие возможности полного использования ранее полученных результатов по оптимизации параметров подобного соединения элементов в составной стержневой системе из стекла, подвергнутой одноосному сжатию. Предложенные конструктивные решения заделки торца хрупкого элемента в паз жест­ кого фланца вызывают в данном случае существенную концентрацию главных напряжений в торцах стенок оболочечных стеклоэлементов, в частности коэффициенты концентрации меридиональных напряже­ ний как в цилиндрической, так и в сферической оболочках достигают

15— 18р. Это вызвано существенным изгибом стенки оболочки. Мак­ симальная реализация эффекта обоймы для торца стенки стеклоэлемента хотя и позволяет сместить концентрацию напряжений от опорной поверхности на значительное расстояние, но все же в данном случае сказывается отрицательно на его напряженном состоянии в целом. Существенное деформирование под нагрузкой внутренней клеевой прослойки, толщина которой ощутимо увеличена с целью снятия ука­ занной концентрации напряжений в хрупком элементе, вызывает раз­ рыв наружного бокового клеевого шва уже при относительно невысо­ ких внешних нагрузках. Последнее указывает на необходимость, наложения ограничения на соотношения параметров внутреннего и на­ ружного клеевых швов: они должны быть сопоставимы по толщине.

Численный анализ замкнутых оболочечных конструкций средней толщины, включающих жесткий стальной фланец, позволил выделить и изучить некоторые конструктивно-технологические параметры кле­ евого соединения, существенно изменяющие напряженно-деформиро­ ванное состояние стеклоэлемента (см. рис. 43, б) и выбрать их значения.. Вычисления проведены при ранее использованных соотношениях уп­ ругих постоянных трех составляющих узла соединения. Предел теку­ чести материала плиты — стали 45 — принят равным 784 МПа. В ре­ зультате даны рекомендации по рациональному проектированию рас­ смотренного соединения с целью получения максимальной несущей способности и ресурса работоспособности последнего в составной си­ стеме под действием высокого внешнего давления.

Обобщение данных по напряженно-деформированному состоянию торца стенки цилиндрической оболочки средней толщины при вклеива­ нии в круговой паз металлической плиты на глубину tv изменяемую от 0 до 5 толщин стенки стеклоэлемента (А) при фиксированной толщине опорного, внутреннего и наружного боковых клеевых швов (соответ­ ственно 0,004й и оба по 0,01 Ой), позволило определить оптимальную глубину заделки tx, которая составляет порядка 1,8й. Увеличение глу­ бины заделки практически не улучшает напряженное состояние хруп­ кого элемента и приводит к существенному увеличению материалоем­ кости конструкции. Уменьшение глубины заделки торца стенки обо­ лочки менее 1,3й вызывает перемещение поля действия максимальной концентрации меридиональных напряжений на опорную поверхность

ности торца стенки оболочки вследствие деформации клеевого шва под нагрузкой возникают меридиональные растягивающие напряжения, приводящие к разрушению конструкции. Это происходит из-за того, что торец стенки оболочки, переместившись под нагрузкой, запазды­ вает возвращаться в исходное положение при разгрузке.

Тонкие клеевые швы в боковых зазорах замкнутой системы Д2 и Д3 исключают смещение и поворот торца стенки оболочки относитель­ но жесткой плиты. Увеличение толщины этих клеевых швов приводит к резкому уменьшению концентрации главных напряжений. Расчет позволил обоснованно решить вопрос о необходимости применения в рассматриваемом узле соединения относительно толстых (порядка 0,05—

0,06Л) боковых омоноличивающих прослоек Д2 и Д3. В этом случае мак­ симум меридиональных напряжений расположен при выходе оболочки из плиты; последнее обусловлено изгибом стенки оболочки в зоне соединения элементов существенно различной жесткости. Увеличение толщин этих швов более 0,15А приводит к уравновешиванию наиболь­ ших меридиональных напряжений в торце стенки с таковыми в рабочей зоне. Здесь подтверждается закономерность влияния опорного клеево­ го шва Дх на напряженное состояние краевой области стенки стеклоэлемента в клеевом соединении: его толщина должна составлять по­ рядка 0,003—0,009h. Для максимального снижения напряженности в локальной зоне стенки стеклоэлемента следует признать полезным проточку со стороны внутренней кромки кольцевого паза в металли­ ческой плите большой фаски размером 0,27h х 30°. Численная про­ верка также подтвердила обоснованность рекомендаций по выбору параметров заделки цилиндрического оболочечного элемента в коль­ цевой паз стальной плиты, и для полусферического сегмента.

Оптимальность параметров рассмотренного клеевого соединения подтверждена экспериментально при изучении несущей способности и ресурса работоспособности полусферической и цилиндрической с моно­ литным днищем оболочек, аналогичных использованным ранее, которые были подвержены действию внешнего давления. Замкнутые оболочки с рационально сконструированным узлом торцового соединения при однократном кратковременном нагружении обладают максимальной не­ сущей способностью порядка 50—61 и 48—57 МПа (соответственно сфе­ рическая и цилиндрическая). При увеличении внешнего давления, начи­ ная с 35 и 31 МПа для первого и второго видов оболочек, развиваются локальные концентрические трещины с наружной поверхности оболоч­ ки с последующим повреждением омоноличивающего шва, а затем пол­ ное разрушение конструкции. Осмотр первичного повреждения конст­ рукции показал, что на глубине 4—5 мм от наружной поверхности пли­ ты в сторону торцовой поверхности стеклоэлемента по периметру неза­ висимо друг от друга образовываются одна — три кольцевые трещины, длина которых вдоль окружности составляла 120— 190 мм. Трещины всегда проходили в глубь стенки на расстояние 0,3—0,6 h, а затем сно­ ва выходили на наружную поверхность. Последующее повышение нагрузки вызывало в некоторых случаях образование подобных по­ верхностных повреждений в наружном боковом шве Д2. Это происхо­ дило вследствие ощутимых перемещений стенки оболочки в этой зоне, которые были обусловлены большими деформациями внутреннего кле­ евого шва Д3.

Работоспособность соединения проверяли до 100 циклов нагруже­ ния повторно-статическим давлением с максимальным уровнем в цикле 39 и 29 МПа, что составляет примерно 0,72 и 0,56 кратковре­ менной прочности для сферических и цилиндрических оболочек соот­ ветственно. Осмотр оболочек после завершения испытаний указал на наличие видимых повреждений — мелких сколов внутреннего и на­ ружного клеевых швов.

В заключении отметим следующее.

Впервые комплексно изучена возможность применения узлов не-

разъемных клеевых соединений в составных оболочках из стекла под действием внешнего гидростатического давления. Рассмотрена реаль­ ность включения в клеевое соединение хрупких элементов металличе­ ской, стеклянной, стеклопластиковой вставки в виде соединительного кольца и концевой заглуш ки.

Оценено влияние клеевого соединительного шва и инородной встав­ ки (их материала, площади поперечного сечения, конфигурации) на напряженно-деформированное состояние и предельную несущую спо­ собность составных сферической и цилиндрической оболочек.

Выполнение конструктивно-технологических рекомендаций, по рациональному созданию неразъемных клеевых соединений элементов, обобщенных в табл. 14, позволит существенно снижать интенсивность напряжений, действующих в зоне узлов новых соединений и, следова­ тельно, повысить несущую способность, а такж е уменьшить разброс ее частных значений для составных оболочек.

Применением расчетного способа обоснован путь рационального конструирования узлов неразъемных клеевых соединений в состав­ ной оболочке из хрупкого неметаллического материала типа стекла, ситалла, керамики. Анализ расчетных соотношений между конструктив­ ными параметрами, технологией сборки, эксплуатационными факто­ рами и напряженно-деформированным состоянием конструкции в зоне узла соединения позволяет проектировать новые изделия, полностью отвечающие предъявляемым требованиям.

РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ УЗЛОВ РАЗЪЕМНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В СОСТАВНЫХ ОБОЛОЧКАХ ИЗ СТЕКЛА, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ПРИ ДЕЙСТВИИ ВНЕШНЕГО ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

1. Разъемные соединения элементов в оболочках

из хрупких неметаллических материалов

Разъем ное соединение элементов составной оболочки — это такое соединение, которое определяет точность фиксирования положений деталей узла в направлении их движения и обеспечивает многократность сборно-разборочных операций без ухудшения эксплуатационных ус­ ловий работы конструкции.

Создание составных систем с помощью подвижных разъемных сое­ динений элементов, включающих инородные деформируемые проклад­ ки или клеевые прослойки, а такж е без таковых, возможно организо­ вать по типичным конструктивным схемам хрупкий неметаллический материал — хрупкий неметаллический материал, хрупкий неметалли­ ческий материал — металл, с реализацией различных граничных ус­ ловий скольж ения или качения по поверхности разъема.

Первый тип соединения, в котором хрупкие элементы опираются непосредственно друг на друга, применяется довольно редко из-за высоких требований по чистоте и точности механической обработки стыкуемых поверхностей, вызывающих его высокую дороговизну; используется в технике для соединения элементов оптических деталей с большой поверхностью контакта [102]. Данные о механической проч­ ности такого соединения даж е применительно к рассмотренным ус­ ловиям реализации в литературе отсутствуют. Однако в работе [13] отмечено, что в случае использования подвижного стыка скольжения при перемещении ситалла по ситаллу имели место сильное трение и износ, которые, очевидно, удастся несколько понизить, применив смаз­ ку. Техническое решение непосредственного подвижного стыка сколь­ жения узлов вызывает преждевременное повреждение и разрушение хрупкого элемента в зоне соединения [28]. Введение между хрупкими деталями резиновой прокладки или нанесение на торцы изделий поли­ мерных покрытий, которые одновременно можно использовать для уплотнения (герметизации) деталей подвижных узлов соединений, опробованы в случаях применения хрупких неметаллических матери­ алов в качестве ограждающих конструкций [6, 18]. Оба технических решения зарекомендовали себя с положительной стороны и внедрены в практику монтажа напорных трубопроводов пищевой и химической промышленности. Однако в некоторых случаях отмечено выдавлива­ ние резиновой прокладки из-под торцов элементов и ограниченное местное разруш ение полимерного покрытия в узлах соединений, что

в итоге должно приводить к реализации ранее рассмотренной схемы стыковки при худшем — точечном — касании элементов сборки.

Второй тип соединения имеет несколько разновидностей: элемент из хрупкого неметаллического материала непосредственно опирается на металлическую поверхность и плоскость разъема осущ ествлена между ними или тот же элемент заделан с помощью клея в паз массив­ ного металлического фланца подобно рассмотренным схемам сборки хрупких стержневого монолитного и цилиндрического оболочечного элементов и стальной опоры, а плоскость разъема выполняется между металлическими поверхностями по схеме подвижного стыка скольж е­ ния либо качения. При этом следует оценить возможность придания краевым зонам элементов из хрупких неметаллических м атериалов различных геометрических форм с вариациями конфигураций кон­ тактной поверхности, прокладки и реализации конструктивных решений усиления наиболее нагруженных зон.

Соединения элементов в виде подвижных стыков качения, в которых деталь из хрупкого неметаллического материала непосредственно или через прокладки опирается на массивный металлический элемент (пли­ ту или кольцо), комплексно исследованы в работах [28, 52, 80, 144]. Эти простые в изготовлении соединения, опробованные зарубежными исследователями в новых конструкциях, рекомендованы к внедрению для автономных узлов и прочных корпусов из акриловой пластмас­ сы [133]. Изучение конструктивно-технологических решений испол­ нения таких узлов соединений позволило применить их в составных оболочечных системах и сферических иллюминаторах из ситалла и керамики [199]. В последнем случае получены хорошие результаты: сферический сегмент из стеклокерамики кервит с телесным углом 0,83яср и отношением толщины к радиусу, равным 0,33, надежно р а ­ ботает при статических кратковременных, длительных, циклических нагрузках и динамических условиях, что позволило рекомендовать его для использования при внешних давлениях, равных 137 М Па. Этому способствовали удачный выбор материала прокладки (нейлоно­

цательном влиянии прокладок на прочность образцов и конструкций из хрупких неметаллических материалов под действием сжимающих усилий. Представленные экспериментальные данные показывают зн а­ чительное снижение (на 30—50 %) прочности образцов из стеклоке­ рамики, опиравшихся на полимерные прокладки, по сравнению с контактным нагружением стальными опорами, что противоречит ис­ следованиям, представленным в третьей главе, и требует проведения дополнительных экспериментов. Опробование возможности включения в непосредственное стыковое соединение элементов составных оболочек прокладок из различных материалов обеспечит ясность в оценке ра­ боты таких разъемов. Следует учитывать возможность существования прочного соединения, в котором хрупкий элемент опирается на ме­ таллический каркас, как это имело место при создании сферических корпусов из пятиугольных сферических сегментов, вставляемых в

решетку из титанового сплава [113]. В конструкциях, не рассчитанных для совместного деформирования деталей сборки, дополнительно возни­ кают взаимные перемещения — сдвиг сопрягаемых элементов по по­ верхностям контакта. Учитывая то, что это должно происходить при действии на поверхностях разъема высоких удельных сжимающих на­ грузок, которые вызовут высокие локальные контактные напряжения, следует оценить эффективность их использования. Необходимо также экспериментально проверить степень влияния смазки опорных плос­ костей подвижного стыка стеклоэлементов на повышение несущей спо­ собности составной системы.

Удачный пример организации узла соединения, в котором на по­ верхность ситаллового элемента в результате притирки перенесен ме­ талл и в последующем скольжение осуществлялось в основном металл

ра, в которой используется металлический бандаж, отлитый непосред­ ственно по периферии стекла, а разъем организован между бандажом и посадочной площадкой корпуса. Эта конструкция создана для пери­ ферийного обжатия торцовой зоны стенки иллюминатора; реализовано действие сжимающих напряжений в локальной области стеклоэлемента за счет сжимающих усилий при остывании бандажа. Упрочнение позволило поднять несущую способность иллюминаторов, описанных в работе [129], в 4— 16 раз и изменить характер разрушения на более приемлемый — локальный — прорыв стеклоэлемента.

В развитие вопроса создания работоспособных разъемных соеди­ нений в новых конструкциях предпринята попытка использовать соеди­ нение элементов типа хрупкий материал — клеевая прослойка — ме­ талл, пластик [8], которое выполняется в виде сборного фланцевого соединения. Кроме того, следует оценить эффективность реализации раструбовых и муфтовых узлов сборки. Обзор разработок таких соеди­ нений применительно к новым видам прочных корпусов из хрупких неметаллических материалов, проведенных зарубежными исследова­ телями, опубликован в работе [113]. Следует отметить отсутствие при­ емлемых технических решений конструирования соединений, которые бы позволили эффективно использовать высокую прочность хрупких материалов при сжатии, ввиду чрезмерной неравнопрочности с ос­ тальной частью составной системы. Однако, учитывая положительные функции [28] (защита опорных кромок хрупких элементов от непосред­ ственного контактного взаимодействия с инородными деталями; обес­ печение герметичности клеевого соединения и размещения уплотняющих прокладок в металлических вставках; возможность простого креп­ ления корпуса или внутреннего насыщения) и результаты представлен­ ных выше исследований, следует развивать именно это техническое решение при конструировании прочных соединений. Применение флан­ ца, который позволит снизить напряженность хрупкого элемента не­ посредственно в зоне стыка, откроет широкие возможности в использо­ вании таких соединений. Техническое решение вопроса выбора формы

поверхности опорной зоны стенки стеклоэлемента, позволивш ее реко­ мендовать кромку, скругленную по радиусу [113], не следует при­ нимать как окончательное, в связи с тем что эта форма торцовой по­ верхности, как и конструкция соединения элементов в целом, не •способствует реализации потенциальных возможностей прочного корпуса.

Согласно данным работы [156], следует предположить, что именно один из вариантов фланцевого соединения, разработанный в П енсиль­ ванском университете, был использован при испытаниях опытного образца корпуса «Бентос» (общая длина после сборки пяти частей — 2,44, диаметр — 0,30 м), изготовленного из пирокерама 9606 и пред­ назначенного для исследовательских работ на глубинах 9200 м. Кон­ струкция алюминиевых соединительных колец, оформленных в виде затворов, и ее преимущества перед другими подобными представлены поверхностно, без описания деталей. Натурные испытания корпуса •«Бентос» проведены до глубины 6100 м; установлена надеж ная проч­ ность состаиной системы.

Ранее при изучении составных стержневых и оболочечных элемен­ тов отмечали необходимость точной подгонки сборки хрупких элементов в зоне соединения, которая с учетом технологии изготовления реально может быть реализована путем механической обработки. П ринимая во внимание отсутствие исследований влияния локальной механической обработки, упрочнения и защиты торцовых зон стенок хрупких обо­ лочечных элементов на несущую способность новых конструкций, не­ обходимо изучить возможности дополнительной механической обра­ ботки хрупкого неметаллического материала в сечениях соединений, осуществленной с целью доводки размеров до проектных, и эффектив­ ность последующего упрочнения, а такж е и защиты этих зон. Всесто­ ронний анализ экспериментальных данных, отражающий учет отме­ ченных технологических факторов, поможет повысить прочность новых узлов соединений, а следовательно, и систем в целом.

Изучение поведения разрабатываемых систем под нагрузкой тре­ бует принятия технических решений, надежно обеспечивающих гер­ метичность внутреннего объема и защ иту поверхности изделия в целом от местных ударных нагрузок и повреждений с помощью полимерных покрытий или замкнутых гибких оболочек. Д ля реализации условия, сформулированного в первом требовании, возникает необходимость предварительной монтажной стяжки узла соединения с помощью вспо­ могательных связей — податливых или жестких стяж ек, специаль­ ных замков и др. Такие защитно-предохранительные меры совместно

герметичности узла соединения. Устройство вспомогательных связей особенно эффективно на подготовительных и начальных этапах н агру ­ ж ения оболочек.

Исключить последствия удара, нанесенного во время эксплуата­ ции по поверхности конструкции, который вызовет либо непосредствен­ ное макроскопическое разрушение хрупкого элемента в зоне контак-