книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов
..pdfрии, соосности, параллельности и т. д. С целью сохранения плотности прилегания контактных поверхностей при малых и больших давлениях их изготавливали по восьмому-девятому классам шероховатости, когда среднее арифметическое отклонение профиля опорных поверх
ностей составляло (0,63— 0,32) 10_6 м, причем биения выдержаны в пределах 0,03— 0,05 мм. При этом учитывали, что даже после обра ботки по самым высоким классам точности и шероховатости на поверх ности контакта имеют место микронеровности, форма, расположение и распределение высот которых случайны [81]. Если же принять во внимание постадийно описанный [118] характер контактирования металл-металлических подвижных соединений, твердость которых соизмерима, то становится понятно, что практически нельзя обеспе чить высокую степень герметичности из-за отсутствия полного контак тирования поверхностей. Всегда имеется система сквозных капилляров, размеры и число которых определяются усилием поджатия поверхнос тей, создаваемым давлением. Причем увеличение удельных давлений сж атия контактных поверхностей приводит к снижению течи. Это объясняет отсутствие герметичности разработанного подвижного со единения при однократных нагружениях.
Анализ изменения уплотняющих свойств разработанного соединения в зависимости от числа циклов срабатывания показал, что уплотня ющие свойства узлов соединения улучшаются в интервале 1—20 циклов, а затем сохраняются примерно на одинаковом уровне до окончания испытаний. Отмеченный эффект достигается вследствие приработки поверхностей элементов в соединении. При осмотре контактирующих поверхностей деталей после испытаний отмечено изменение их парамет
ров, характеризуемых |
микротопографией изучаемых |
поверхностей. |
П роизошло изменение |
характеристик шероховатости, |
выраженное в |
ухудшении качества поверхности вследствие появления следов обра зовавш ихся мелких канавок.
Изложенное выше объясняет явление постоянного подтекания но вого подвижного соединения элементов при различных режимах испы таний. При этом, например, после 10 циклов нагружения давлением 98 МПа величина течи составляет примерно 80— 120 г жидкости.
Поскольку предлагаемая конструкция разъемного соединения не обеспечивает герметичность внутреннего объема составной оболочки в процессе всего периода эксплуатации, ее следует обеспечивать спе циальными мерами, разрабатываемыми в каждом конкретном случае.
Проточка канавки (2,5 2,0 мм) во внутренней стенке кольцаобрамления, предназначенной для резинового уплотнения, не ухудши
ла |
напряженно-деформированное |
состояние торцовой зоны |
стенки |
хрупкого оболочечного элемента |
и самого кольца, а следовательно, |
||
не |
снизила несущую способность |
конструкции. Это позволило |
обес |
печить герметичность ее внутреннего объема за счет размещения рези нового уплотнителя. Однако кольцевой резиновый уплотнитель в не которых случаях через 10—20 циклов нагружения выдавливался из
канавки в зазор, |
ухудшая работу составной конструкции в целом. |
|
Это |
объясняется |
использованием резинового уплотнителя ма |
лого |
диаметра —2,0, вместо 4,0—4,5 мм, положенного в данном |
эпоксидный компаунд Д-9 холодного отвердения. Экваториальное неразъемное соединение выполнено согласно ранее высказанным ре комендациям из расчета обеспечения максимальной несущей способ ности оболочки, которая составляет порядка 145 МПа; при этой на грузке в стыкуемых стеклоэлементах действовали максимальные сжи мающие напряжения 726 МПа. Одна из полусфер имела в полюсе центральное круговое отверстие с телесным углом 0,26 л ср.; соотно шение диаметров отверстия и оболочки составляло порядка 0,37. Тор цовые кромки стенки оболочки в зоне отверстия вклеивались с помо щью того же клея в стальное кольцо-обрамление, геометрические раз меры которого подобраны исходя из наших рекомендаций. Отличается новый узел только утолщением боковых клеевых швов: наружный и внутренний швы имели существенно изменяющиеся по длине окруж ности толщины, соответственно 0,1—0,5 и 0,1—2,0 мм. Последнее вызвано плавным изменением толщины стенки оболочки в районе выреза. Кольцо-обрамление во время установки собиралось из двух частей с помощью неразъемного клеевого соединения. Затем отверстие с обрамлением закрывалось стальной заглушкой, срединная по верхность которой совпадала с таковой сферической оболочки. Между металлическими поверхностями был организован подвижный стык скольж ения. Использование кольца-обрамления в данном случае следует рассматривать как подкрепление стенки стеклянной оболоч ки в зоне кругового отверстия. Данное техническое решение обес печило создание относительно благоприятного напряженного состоя
ния |
в |
краевой зоне стенки |
вблизи выреза в |
оболочке. Одновремен |
но |
его |
отличают простота |
и относительно низкая стоимость изготов |
|
ления. |
|
|
|
|
Анализ напряженно-деформированного |
состояния сферической |
оболочки в зоне разрабатываемого узла показал бесспорное преиму щество описанного конструктивного решения перед другими опробо ванными вариантами. Так, сравнение разработанного узла с вариан том, где закрытие выреза с аналогичным телесным углом произведено установкой монолитной стальной заглушки, изготовленной подобно вырезанной части стеклянной оболочки и непосредственно вклеенной в отверстие с помощью эпоксидного компаунда, позволило обоснованно произвести выбор лучшего решения, которое обеспечивает наименьшую концентрацию меридиональных напряжений в хрупком элементе составной оболочки. При том, что жесткость металлической вставки, включающей дополнительно кольцо-обрамление, несколько больше, она не вызывает существенного моментного напряженного состояния в стеклянной оболочке в отличие от решения с непосредственным сты ком. М аксимальные меридиональные напряжения в стеклоэлементе оболочки с лучшим конструктивным решением не превышали— 13,5/?, что в 2,7 раза выше таковых, действующих вне зоны краевого эффекта. Относительно безмоментная работа составной оболочки реализована благодаря использованию скольжения стальных элементов различной жесткости по плоскости разъема. Неразъемное клеевое соединение хрупкой стенки оболочки и монолитного металлического закрытия соз дает моментную работу оболочки в локальной зоне, что гарантирует
дации по повышению несущей способности разъемного соединения элементов примерно одинаковой жесткости, включающего стальные кольца-обрамления. Другой способ совершенствования нового узла следует искать путем замены стальной заглушки на титановую. В этом случае надо изучить условия контактного взаимодействия между данными материалами с целью обеспечения прежних условий на грани цах раздела. Кроме того, следует произвести численный подбор конструктивно-технологических параметров узла закрытия отверстия, исходя из нового соотношения упругих постоянных материалов обо лочки, клеевого компаунда и заглушки.
Н а базе технического решения узла разъема элементов примерно одинаковой жесткости, реализованного с помощью колец-обрамлений, разрабатывались и другие варианты механических соединений элемен тов в составных оболочках из стекла. В частности, рассмотрена возмож ность эффективного создания надежного работоспособного подвижно го разъема деталей, жесткости которых отличались более чем на поря док. С такими условиями приходится часто встречаться при конструиро вании торцовых соединений осесимметричных оболочек их хрупких материалов данного класса, когда в качестве концевых элементов используются металлические плиты существенных размеров.
Учитывая, что ранее изученные схемы разъемного соединения элементов существенно различной жесткости не позволили надежно реализовать высокую прочность стекла при сжатии из-за неудачного решения именно этого узла для сферического иллюминатора, рассмот рим новые технические решения подвижного стыка скольжения применительно к тому же объекту. Эксперименты по изучению кон структивной прочности составных систем с новым узлом соединения поставлены на стеклянном сферическом сегменте с телесным углом я ср, который опирается на жесткую стальную опорную плиту толщи ной 45 мм (см. рис. 70, г). Сравним между собой два конструктивных варианта, в которых торец стеклоэлемента вклеивается эпоксидным компаундом в рационально спроектированное стальное кольцо-об рамление с плоским стыком, а разъем осуществляется между металли ческими поверхностями кольца и жесткой плиты — в первом случае, кольца-обрамления, опорного кольца и жесткой плиты — во втором. Существенная особенность предлагаемого технического решения — наличие промежуточного опорного кольца, способствующего допол нительному взаимному перемещению элементов в узле стыка, по сравне
нию |
со случаем непосредственного |
стыка кольца-обрамления и жест |
|||
кой |
плиты. |
|
|
|
|
Модельные эксперименты по изучению характера работы рассмат |
|||||
риваемых конструкций вплоть до |
действия |
предельных |
нагрузок |
||
показали приемлемые результаты: на первом |
этапе нагружения |
эле |
|||
менты в обоих узлах соединений |
оставались подвижными. В |
то |
|||
время как узел разъемного соединения первого типа ощутимо |
потерял |
подвижность элементов при нагрузках порядка 66 МПа, детали соеди нения второго типа в целом оставались подвижными до высоких наг рузок. Причем переход разъема между кольцом-обрамлением и опор ным кольцом из подвижного стыкового сопряжения в неподвижное
Рис. 73. Напряженное и деформированное состояние оболочечной конструкции в зоне рекомендуемого разъемного соединения элементов до (а) и после (б) потери взаимной подвижности кольца-обрамления и опорного кольца. Деформации получены при на грузке, равной 58,9 МПа.
не оказывает губительного влияния на стеклоэлемент. После вовлече ния в совместную работу кольца-обрамления и опорного кольца соеди нение продолжает оставаться относительно подвижным из-за наличия второго разъема между опорным кольцом и жесткой плитой.
Численные исследования напряженно-деформированного состоя ния полусферических сегментов с представленными конструктивными решениями узлов соединений позволили проанализировать зависимость напряженности торца стеклянной оболочки от условий сопряжения элементов в узлах и указать путь снижения ее уровня в зоне соединения оболочки за счет реализации наиболее благоприятных граничных ус ловий по поверхностям разъема в процессе всего периода нагружения. В оболочках с новыми типами разъемов достигнуто оптимальное распределение напряжений в зоне подвижных стыков; коэффициенты концентрации главных напряжений для стеклоэлементов составили (рис. 7 3 ,а ) : а 1 = — 1,1; а 2 = —5,1; а 3 = —9,4р. Последнее позволяет надеяться на возможность обеспечения максимальной несущей способ ности стеклоэлемента при минимальном разбросе показателей проч ности.
Однако после того как в оболочке с первым типом узла соединения изменяются условия работы деталей в разъеме в результате действия больших сил трения, которые возникают между кольцом-обрамлением и опорной плитой и препятствуют относительному перемещению элемен тов, что в данном случае вызывает непрерывность поведения сопрягае мых элементов конструкции, напряженно-деформированное состояние такой составной системы ощутимо изменяется. Это находится в прямой зависимости от изменения приведенной жесткости сталь ного кольца-обрамления, которая существенно (на порядок) воз растает. Возникают резкая концентрация и значительная неравно мерность распределения напряжений в торцовой зоне стеклоэлемента. Коэффициенты концентрации главных напряжений для стеклоэлемен тов возросли на 211—245 %. Наибольшую опасность представляет действие меридиональных сжимающих напряжений, возросших д о — 19,8р.
Численный анализ оболочки со вторым типом узла соединения
позволил за |
счет выбора геометрических размеров стального опорно |
го кольца |
обеспечить относительно низкий уровень напряженности |
стеклоэлемента в зоне стыка даже после потери взаимной подвижности кольца-обрамления и опорного кольца, несмотря на то что при этом отмечено перераспределение и рост концентрации главных напряжений (рис. 73, б). Незначительное изменение приведенной жесткости сталь ного кольца-обрамления, которая возросла от 1,98 до 4,09, гарантиро вало щадящий уровень роста концентрации напряжений в стеклоэлементе. Так, в результате удалось снизить интенсивность действия ис следуемых напряжений и создать их благоприятное распределение, что подтверждает возможность значительного повышения прочности конструкций с соединением элементов существенно различной жест кости.
Изготовление новой конструкции сферического иллюминатора сог ласно нашим рекомендациям (рис. 70, в) позволяет вплоть до
предельных нагрузок полностью исключить действие растягиваю щих напряж ений, максимально использовать явление эффекта обоймы и существенно (до — 12,7 р) снизить концентрацию сжимающих напряж е ний в наиболее напряженной зоне стеклоэлемента.
Тензометрированием в процессе первичного нагруж ения-разгрузки (см. рис. 31, в) при нагрузках 0—58, 9—0 М Па через каждые 1 М Па, а начиная с 10 М Па — через каждые 5 МПа по полученным относитель ным линейным деформациям на внешней и внутренней поверхностях полусферического сегмента подтверждены численные данные о н ап ря женном состоянии конструкции при действии относительно низких нагрузок, обеспечивающих условия свободного проскальзывания эле ментов в узле соединения (см. рис. 73, а). Деформирование меридиональ ного сечения оболочки со стыковым подвижным разъемным соедине нием происходит неравномерно: на внутренней поверхности стеклоэле
мента имел место |
рост |
меридиональных деформаций, |
которые |
при |
действии нагрузки |
58,9 |
МПа составили — 484 10-5 |
отн. ед. |
деф. |
При этом в стыковом сопряжении элементов соединения при макси мальных в данном опыте нагрузках экспериментально зафиксированы незначительные остаточные деформации.
При кратковременных испытаниях сферического иллю минатора с рекомендуемым соединением наблюдался относительно высокий уровень разрушающего гидростатического давления (94— 116 М Па); расчетные значения максимальных напряжений в стекле, соответствую
щих моменту разруш ения, колебались в пределах 1196— 1411 |
М Па, |
что в среднем превышало на 60 % напряж ения, действующие в |
безмо- |
ментной зоне. Д ля иллюминатора, в соединении которого отсутствова ло опорное кольцо, эти параметры составляли соответственно 62— 73 МПа и — 1223 ------- 1437 МПа (см. табл. 22). Сравнение отношений предельной несущей способности оболочечных элементов к пределу прочности стекла при одноосном сжатии, которые составили для пер вого и второго типов разъема соответственно 0,044 и 0,068, позволяет оценить эффективность применения последних.
В первую очередь разруш ались конструкции, стеклоэлементы ко торых имели технологические дефекты типа сколов и мелких трещ ин. Визуальное прослеживание процесса зарождения и развития пов реждаемости стеклоэлемента в соединении показало, что с увеличением внешней нагрузки силы трения по поверхности разъема возрастаю т, подвижность соединения снижается, вызывая ухудшение напряж енного состояния конструкции. Первичные повреждения возникали в зоне наибольшей концентрации напряжений в местах исходных поврежде ний стеклоэлементов и происходили путем выкола небольших объемов материала (см. рис. 72, г), постепенное разрастание которых полностью разруш ало сферический элемент на мелкие осколки.
Иллюминатор под действием повторно-статического нагруж ения испытывали по программе 1—59— 1 МПа: максимальное давление в режиме нагруж ения составляло 0,6 предельного давления при однократ
ном нагруж ении. Ресурс работоспособности узла соединения |
прове |
|
ряли до 100 циклов нагружения |
(см. табл. 22). Полученные |
данные |
позволили отметить надежную |
работоспособность разработанного |
узла: все стеклоэлементы выдержали предложенную программу испытаний. При визуальном осмотре конструкций повреждений не зафиксировано, за исключением конструкции, в которой стеклоэлемент имел исходные технологические дефекты торцовой поверхности в виде сколов; при действии многократно повторной статической нагрузки в ней происходил активный процесс накопления повреждений, который начался в зоне действия максимальных сжимающих напряжений на первых циклах повышения давления и продолжался до окончания программы нагружения (см. рис. 72, д).
Изучение сопротивления длительному действию статической наг
рузки , которая была постоянной в течение 100 ч, а при |
максимальном |
ее значении —250 ч, при ступенчатом повышении |
давления по |
9,8 МПа позволило отметить стабильную долговечность конструкций. Н епрерывное нагружение оболочек в течение 450 ч внешним давлением, изменяющимся ступенчато от 9,8 до 29,4 МПа, не вызывало видимых повреждений в зоне узла соединения и в целом конструкции. То же зафиксировано и при длительном (100 ч) действии гидростатического давления, равного 59 МПа.
Полученные данные о несущей способности, ресурсах работоспо собности и долговечности сферического сегмента из технического стекла с новым разъемным соединением при кратковременных, ограниченных повторно-статических и длительных нагружениях внешним давлением позволяю т утверждать, что разработан надежный узел торцового разъемного соединения для автономного оболочечного элемента осе симметричной формы из хрупкого неметаллического материала, в котором использованы стальное кольцо-обрамление оптимальных размеров с плоским разъемом и опорное стальное кольцо. Для обеспе
чения герметичности |
внутреннего объема конструкции в процессе |
эксплуатации следует |
применять кольцевые резиновые уплотнители |
и другие технические решения. |
|
Учитывая, что во время испытаний в стеклоэлементах действовали |
|
максимальные напряжения до 553 МПа, а это составляет всего 30 % |
|
прочности материала |
при сжатии, можно предположить реальную |
возможность обеспечения надежной работоспособности и долговеч ности конструкции при более высоком1 эксплуатационном внешнем
давлении. |
Данное |
предположение |
подтверждают кратковременные |
||
испытания |
на |
предельную несущую способность конструкций, |
ранее |
||
подвергнутых |
повторно-статическим |
и длительным нагружениям: |
|||
для конструкций |
не зафиксировано |
снижение кратковременной |
раз |
||
рушающей |
нагрузки. |
|
|
||
Отдельный вопрос обеспечения надежной работоспособности |
рас |
смотренных соединений — снижение эксплуатационных температурных напряжений в разнородных элементах сборки, омоноличенных с по мощью эпоксидного клея. Известно, что начальные температурные напряж ения снимаются использованием клеевой композиции холод ного отвердения и последующей термической обработки сборки эле ментов. Изменение же эксплуатационных температурных режимов в широком диапазоне от 223 до 323 К ведет к возникновению концентра ции окружных напряжений в стенке хрупкой оболочки, примыкаю
щей к стальному кольцу-обрамлению. Опытным путем проверено, что только понижение температуры до 263 К, а затем резкое ее повы шение до комнатной вызывают рост сквозной трещины и разруш ение стеклоэлементов в локальных зонах соединения деталей составных оболочек.
Снизить уровень температурных напряжений необходимо путем существенного увеличения толщины внутреннего и наружного боковых
клеевых швов (толщины их, например, при изменении |
температуры |
в пределах 233—278 К следует довести до 2,3 мм) или |
подбором ма |
териалов омоноличиваемых деталей из условия близости коэффициен тов теплового линейного расширения. В первом случае толстый кле евой шов в процессе своей деформации сбалансирует температурные напряжения, возникающие в разнородных элементах, во втором — должно быть установлено отсутствие высоких градиентов последних. При использовании рекомендаций по утолщению клеевых швов сле дует ограничить уровень эксплуатационной нагрузки на конструкцию . Требование по ограничению величины температурных напряж ений следует учитывать во время транспортировки конструкций к месту использования.
В целом тщательно проведенная экспериментальная оценка эффек тивности применения разработанных механических соединений в ансамблях из технического стекла МКР-1 (см. табл. 23) позволяет утверждать, что впервые опробованные узлы разъемов эффективно реализуют в составных оболочках высокую механическую прочность при сжатии хрупких неметаллических материалов данного класса.
Резюмируя проведенные исследования, отметим следующее. Численное исследование напряженно-деформированного состояния
составных оболочек из стекла и ситалла с механическим разъемным соединением, включающим стальное кольцо-обрамление с плоским разъемом, полностью характеризует их реальное напряж енное состояние в целом и в зоне концентрации напряжений. Рекомендовано применение М КЭдля научно обоснованного проектирования с помощью расчетных оценок разъемных соединений в конструкциях из хрупких неметаллических материалов типа стекол, ситаллов, керамики.
Созданы новые прочные работоспособные разъемные соединения в составных оболочках из стекла. Предлагаемые разъемные соединения
с |
кольцом-обрамлением |
выбранного профиля |
и |
типоразмеров |
(см. |
рис. 67) являю тся |
перспективными, и их |
следует рекомендо |
|
вать к применению в подобных системах. Разработанные |
герметичные |
узлы соединений можно применять для оболочечных элементов осе симметричных форм из хрупких материалов данного класса.
Комплексное исследование составных оболочек из стекла с р азр а ботанными разъемными соединениями позволило подтвердить ранее высказанный тезис о значительном влиянии конструктивно-техноло гических параметров узлов соединений на получение стабильной прочности составных осесимметричных оболочек из материалов типа стекол и ситаллов, подверженных действию внешнего давления.
Несущая способность, работоспособность и долговечность состав ных оболочек из стекол, ситаллов, керамики с разработанными