книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

рии, 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

возможность обеспечения надежной работоспособности и долговеч­ ности конструкции при более высоком1 эксплуатационном внешнем

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

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

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