книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

(рис. 44, а) условно разделяли на три группы в соответствии с пред­ лагаемой программой испытаний, заключающейся в последователь­ ном нагружении однократным кратковременным гидростатическим давлением до 24,5 МПа (оболочки 11, 12, 26) и вплоть до разрушения (оболочки 11—30), ограниченным действием повторно-статической нагрузки (оболочки 31—40) и длительным действием статической на­ грузки (оболочки 41—43). Оболочки 11, 12, 26, входящие в первую группу конструкций, предварительно подвергали тензометрированшо. На оба элемента каждой оболочки и соединительное кольцо, промытые в содовом растворе и обезвоженные спиртом, препарировали тензорезисторы 2ФКПА-3 и 2ФКТК-5 с базой соответственно 3 и 5 мм (по 86 штук на каждую). Схему расположения тензорезисторов выбрали исходя из цели исследования. Тензорезисторы, наклеенные на внутрен­ нюю и наружную поверхности, располагали радиально. Препариро­ вание тензорезисторов проводили по ранее описанной технологии. Датчики на металлическое кольцо наклеивали после принятия допол­ нительных мер защиты: подклейки полиэтиленовой ленты, обеспечи­ вающей безотказную работу тензорезисторов. Далее элементы конструк­ ции, протертые и обезвоженные по поверхностям склейки, подгоняли друг к другу. Клей тонким слоем гладко наносили в канавку соеди­ нительного кольца, после чего в нее вставляли один из стеклоэлементов сборки и притирали. Качественное прилегание стыкуемых поверхнос­ тей и центрирование элементов между собой с помощью мерных щупов обеспечили получение равномерных по толщине опорного и боковых клеевых швов. Для получения рекомендуемой толщины опорного кле­ евого шва стеклянный элемент прижимали к кольцу усилием 88— 108 Н в течение 15— 18 ч. Затем по этой же схеме второй стеклоэлемент соединяли с кольцом в единое целое. Отверстия в полюсах стекло­ элементов, предназначенные для вывода проводов от тензорезисторов, установленных во внутренней полости оболочки, и облегчения техно­ логии сборки, позволили термообработать собранные оболочки. Тер­ мообработку проводили при 343 К в течение 8 ч. После этого вспомо­ гательные отверстия заделывали с помощью эпоксидного компаунда и металлических заглушек.

Контроль качества склейки конструкций, затрудненный в стадии подготовки эксперимента, осуществляли после испытаний. Оболоч­ ку, подготовленную к тензометрированшо (рис. 44, а), устанавливали

вкамеру высокого давления КВД-1 и во время первичного нагружения

иразгрузки по программе 0—24,5 МПа — 0 проводили тензометрирование. Тензометрированием в процессе нагружения через каждый 2,0 МПа с помощью прибора ЦТМ-3 исследовали линейные деформа­ ции на внешней и внутренней поверхностях по обе стороны от соедине­ ния в элементах составных конструкций.

Результаты экспериментального исследования напряженно-де­ формированного состояния составных конструкций представлены в виде графиков меридиональных и окружных деформаций на наружной

ивнутренней поверхностях вдоль меридионального сечения (рис. 45). Отмечено, чю деформирование меридионального сечения оболочек в обе стороны от узла соединения происходит неравномерно. Кроме

Рис. 45. Напряженно-деформированное состояние

и окружные деформации подтвердили результаты численного эксперимента. Данные экспериментальной проверки по своему характеру и значениям совпадают с результатами численного экспери­ мента с точностью до 3 %, т. е. точность численного решения сопо­ ставима с точностью проведенного эксперимента.

Таким образом, напряженно-деформированное состояние составных оболочек из стекла с неразъемным соединением, включающим метал­

лять с помощью формул линейной теории упругости. Проведенные ис­ следования позволяют отметить, что использование в узле соединения составной конструкции стального соединительного кольца приводит к повышению меридиональных напряжений на внутренней поверхнос­ ти, прилегающей к кольцу, по сравнению с таковыми на остальной час­

ти оболочки. Распределение меридиональных напряжений характери­ зуется следующим: напряжения распределены неравномерно в зоне узла соединения; значительный перепад напряжений по толщине стен­ ки вызван появлением поперечных сил и в общем случае увеличением ■кривизны оболочки вблизи узла соединения (вследствие возникнове­ ния изгибающего момента); максимум напряжений наблюдается в ло­ кальной зоне стеклоэлемента, премыкающей к кольцу.

Окружные напряжения на внутренней и наружной поверхностях ® зоне соединения элементов ниже, чем в однородной сфере. С увеличе­ нием широты они повышаются, что свидетельствует о существенном нарушении кольцом режима работы конструкции и местном уменьше­ нии ее прогибов. Этот вывод наглядно подтверждает картина распре­ деления изолиний перемещений и (рис. 45). В то же время в соедини­ тельном кольце зона максимальной концентрации напряжений (—8,9 р) смещена в опорной стенке к внутренней полке кольца, а напряжения в полках характеризуются значениями —7,0 р для наружной и —8,5 р для внутренней.

В целом поведение как составных сферических, так и цилиндричес­ ких оболочек может быть легко представлено посредством оценки изгибных напряжений. С помощью меридиональных напряжений, «определенных на внутренней и наружной поверхностях составной •оболочки в зависимости от места расположения, можно построить эпюры меридиональных напряжений в предположении линейного рас­ пределения напряжений по толщине стенки. Наличие изгибных нап­ ряжений позволяет привести нагрузку к силе, приложенной к нейт­ ральной плоскости, и к паре сил. Этот метод использовали для локаль­ ной оценки изгибных напряжений.

На основании результатов численных исследований составной конструкции можно построить диаграммы изгибных напряжений для каждого сечения конструкции, которые следует использовать для вы­ числения добавочной нагрузки на части конструкции. Характер из­ менения изгибных напряжений указывает на изменения, вносимые •соединительным кольцом в работу оболочки.

Таким образом, необходимо отметить следующее; использование кольца приводит к изгибу оболочки вблизи узла соединения; величи­ на изгибных напряжений находится в прямой зависимости от соотно­ шения жесткости кольца и стекла оболочки. Причем в составных обо­ лочках с жестким соединительным кольцом высокий положительный изгибающий момент (в сферической оболочке — момент, стремящий­ ся увеличить кривизну стенки) возле кольца, средние напряжения в •стенке и местная концентрация сжимающих напряжений в локальной зоне стеклоэлемента вызывают значительные меридиональные напря­ жения, которые могут привести к разрушению стекла. Сравнение сред­ них значений деформаций, полученных при испытании рассмотренных выше конструкций, с таковыми, полученными для составных оболо­ чек, омоноличенных оптимальным клеевым швом, дает возможность количественно оценить изменение деформационной картины в стеклоэлементах, вносимое в конструкцию соединительным кольцом.. Новый узел соединения вызывает существенное локальное деформирование

составных конструкций из стекла даже при относительно низких внешних нагрузках.

Сопоставление напряженных состояний составных конструкций, полученных описанными выше способами, с таковыми, определенными на основе известных гипотез теории тонких оболочек по методике,

которых вклеены в паз кольца, при наличии исходных технологичес­ ких дефектов в виде мелких (< 1 мм) сколов опорных поверхностей стеклоэлементов и их кромок не показали снижения прочности. Высо­ кая адгезионная прочность эпоксидного компаунда позволила реали­ зовать «эффект залечивания» и снижения влияния мелких сколов на омоноличиваемых торцовых поверхностях и кромках стенок стеклоэле-

0,048 и 0,040) с аналогичной характеристикой, полученной для

Проведенные эксперименты являются первым шагом по пути уста­ новления соотношения между приведенной жесткостью разработан­ ного соединительного кольца и разрушающим давлением составной

таллов, керамик для аналогичных конструкций мы сможем построить зависимости между давлением разрушения и прочностью материала

жений в зоне выхода стеклоэлемента из соединительного кольца. Под­ тверждение этому — наличие характерных зон на поверхности излома в разрушенных стеклоэлементах. В то же время в соединении торец стеклоэлемента, покрытый системой трещин, не отставал от колец.

Анализ разрушения составных конструкций подсказал направле­ ние улучшения узла соединения путем повышения точности сборки элементов в оболочках. Этого можно достичь с помощью предваритель­ ной сортировки стеклоэлементов и последующего повышения точности обработки в сечении стыковки вследствие уменьшения допусков на обра­ ботку, которую рекомендуется проводить по 3-му классу точности.

Сопоставление несущей способности составных сферических и цилиндрических оболочек из стекла с таковой различных типов не­ разъемных соединений позволяет отметить, что стальное кольцо дан­ ной конструкции с жесткостью, в 1,82 раза большей жесткости торца стенки оболочки, вызывает уменьшение давления разрушения конструк­ ции на 48 % по сравнению с давлением оболочек, омоноличенных оп­ тимальным эпоксидным клеевым швом.

Результаты испытаний первой группы конструкций позволили выбрать программы испытаний для оболочек второй группы, подвер­ женных действию ограниченных повторно-статических нагружений. Максимальное давление в цикле примерно соответствует 0,8 и 0,63 среднего давления разрушения при действии однократной кратковре­ менной нагрузки. Испытания десяти оболочек второй группы прово­ дили по программам 1—59— 1 МПа и 1—39— 1 МПа соответственно для первого и второго видов оболочек, согласно режима нагружения, представленного на рис. 33. Оболочки осматривали после первых 10 циклов, а затем через каждые 30 циклов нагружений. Максимальное расчетное напряжение в стекле сферической и цилиндрической оболочек в цикле нагружения равнялось 412 и 361 МПа соответственно.

Все оболочки второй группы выдержали предложенную программу испытаний; разрушение не наступило. Визуальный осмотр состояния поверхности оболочек в процессе испытания и после его завершения показал, что повреждений в них не наблюдалось. В оболочках 32, 35 после 70— 100 циклов нагружений отмечены незначительные выколы боковых клеевых швов. При этом стеклоэлементы повреждены не были. В целом оболочки 31—40 остались пригодными для дальнейших нагру­ жений. Зафиксирована стабильная циклическая долговечность соеди­ нения в конструкции при относительно высоком уровне максимально­ го давления в цикле повышения нагрузки (табл. 13). Последнее пред­ определяет эффективность внедрения разработанного узла соединения в оболочках из хрупких материалов типа стекла.

Испытание оболочек третьей группы на сопротивление длительному действию статической нагрузки, которая выдерживалась постоянно в течение 100-часового периода при ступенчатом приращении давле­ ния 9,8 МПа, свидетельствует о стабильной долговечности исследуемых конструкций. Данные о долговечности трех конструкций позволяют констатировать: сборные оболочки выдержали предложенную програм­ му испытаний; разрушение не наступило. Непрерывное нагружение оболочек 41—43 в течение 300 ч внешним гидростатическим давлением

10, 20, 29 МПа (по 100 ч каждым) не вызывало видимых повреждений

взоне соединения и в оболочках в целом.

Врезультате апробирования кратковременных статических, цик­ лических и длительных условий нагружения зафиксировано отсутствие накопления опасных повреждений элементов сборки в узле соедине­ ния и в оболочках в целом, что свидетельствует о возможности исполь­ зования подобных конструкций для гидрофизических приборов целе­ вого назначения, ресурс работоспособности которых при погружении

на 0,01—6,00 км относительно невелик и составляет 1— 100 циклов. При увеличении ресурса работоспособности таких приборов эксплуата­ ционные характеристики разработанных корпусов требуют дополни­ тельного изучения.

Разрушение омоноличивающих швов в оболочках 32, 35 свидетель­ ствует о том, что слабым звеном в составной системе, подверженной действию повторно-статического нагружения, может оказаться клеевой

оцениваемая визуально, признана полностью обеспеченной в процессе комплексных лабораторных испытаний. Ни в одной оболочке не обна­ ружена разгерметизация внутреннего объема конструкции в процессе всего периода нагружений. В целях обеспечения надежной работы и полной герметичности новых соединений в составных оболочках, ра­ ботающих в реальных условиях нагружения, следует защищать эпок­ сидные клеевые швы и в целом зону стыка элементов сборки защитными покрытиями, выполненными в виде бандажа из резины, стеклоткани, пропитанной полимером, тиоколовых герметиков и т. п.

Ранее отмечалось, что совершенствовать разработанное соедине­ ние следует путем создания высокоточной сборки деталей в узле сое­ динения конструкции, которая кроме прочего обеспечивается умень­ шением допуска на механическую шлифовку стеклоэлементов в сече­ нии стыковки. Качественная сборка узла соединения необходима для реализации осесимметричного напряженного состояния в торцовых ,зонах стеклоэлементов сборки. В связи с этим дополнительно проведе­ но исследование с целью уяснения возможности повышения уровня не­ сущей способности составных оболочечных конструкций под действием внешнего давления путем комплексного локального упрочнения стекло­ элементов. Технологический метод комплексного локального упрочне­ ния путем химического травления в водном растворе кислот и последу­ ющего покрытия полимерной пленкой, позволяющей сгладить и зале­ чить микрорельеф опорной поверхности стеклоэлементов, описанный

втретьей главе, предложено развивать дальше для крупногабарит­ ных составных оболочечных конструкций с разработанными типами соединений. Целевой эффект получен от его применения на составных оболочках, в соединениях которых используют металлические вставки

ввиде соединительных колец-обрамлений и др. Установлено, что по­ теря несущей способности таких конструкций, с одной стороны, происхо­ дит вследствие возникновения значительных сжимающих напряжений

взоне наибольшей концентрации, появляющихся в результате пласти­