книги / Экспериментальные исследования тонкостенных конструкций
..pdfАКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР
ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ
Под общей редакцией акад. АН УССР А. Н. ГУЗЯ,
д-ра техн. наук В. А. ЗАРУЦКОГО
КИЕВ НАУКОВА ДУМКА 1984
УДК 539.3
Экспериментальные исследования тонкостенных, конструкций / Гузь А. Н.* Заруцкий В. А., Амиро И. Я- и др. — Киев : Н аук. Думка, 1984 — 240 с.
В монографии систематизированы и обобщены результаты экспериментальных исследований в области статики, динамики и устойчивости тонкостенных конструк* ций. Подробно рассмотрены результаты исследования напряженно-деформированного состояния пластин, цилиндрических, конических, сферических, а также гиперболиче ских и тороидальных оболочек, усиленных и неусНленных ребрами жесткости, ослаб ленных и неослабленных отверстиями, изготовленных из изотропных и анизотроп ных .материалов, подверженных действию статических и динамических нагрузок. Изу чена устойчивость указанных пластин и оболочек при одноосном и' комбинированном нагружении, а также их собственные-и параметрические колебания.
Д ля научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в об ласти механики пластин и оболочек, а также преподавателей и студентов технических вузов.
Ил. 194. Табл. 54. Библиогр.: с. 233—237 (119 назв).
Авторы А. |
Н; Гузь, В. А. |
Заруцкий, И. Я. Амиро, |
С. |
В. |
Малашенко |
||||||
А. Ф. Улитко, |
И. И. Аникьев, В. Н. Бастуй, А. А. Бондаренко, Ю. |
И. Вологжа |
|||||||||
нинов, П. |
И. Галака, |
Т. Я. |
Гервиц, С. Н. Голованенко, Э. |
У. Дадамухамедов |
|||||||
М. Ш. Дышель.чВ.чЛ. Карлаш .В . Г. Кириченко, А. И. Кукарина, |
В. |
Д . |
Лакиза |
||||||||
О. Б. Милованова, |
М. И. Михайлова, А. В. Морозов, А. М. Носаченко, В. С. Пав |
||||||||||
ловский, |
А. С. Пальчевский, |
П. С. Поляков, |
Э. Ф. Сивак, |
А. С. Списовский |
|||||||
Е. А. Сущенко, |
Г. |
А. |
Табиева, |
А. И. Телалов, |
А. Л . Тимофеев, |
О. |
Н. |
Чекин |
|||
Л . М. Шкарапута |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Редакция физико-математической литератуоы
Александр Николаевич Гузь, Владимир Александрович Заруцкий, Игорь Яковлевич Амиро и др.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Утверждено к печати ученым советом Института механики АН УССР
Редактор |
В. П. |
Е г о р о в а , |
Художественный |
редактор |
И. П. |
А м т о н ю к. Технический |
редактор |
А. М. |
К о л о д и е в |
а- Корректоры |
Д. Я. К а |
ш п е р , |
Т. Я. Ч о р и а я. |
Информ. бланк № 5736
Сдано в набор 26.05.83. П одп.впеч. 16.12.83. БФ 01358. Формат 60X90/,,. Бум. тип. № I. Лит.
гарн. Выс. печ. Уел. печ. л. 15,0. Уел. кр.-отт. 15,0. Уч.-нэд. л. 16,8. Тираж 1300 экэ. Вакаа. 4-43. Цена 2 р. 80 к.
Ивдательство «Наунова думка». 252601 Киев 4, ул . Репина, 3.
Отпечатано с матриц. Головного предприятия РПО «Полиграфкпига» па книжной фабрике «Коммунист». 310012, Харьков-12, Энгельса, 11.
М221(04)-84 |
350-81 |
© Издательство «Наукова думка», 1984 |
|
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Тонкостенные оболочки широко используются в качестве элементов конструкций в различных отраслях машиностроения и в строитель стве. В связи с этим в нашей стране и за рубежом ведутся научные ис следования, направленные на создание методик расчета и изучение особенностей деформирования оболочек поддействием как статических, •так и динамических нагрузок. Такие исследования ведутся, как пра вило, на основе расчетных моделей. Однако обоснование достовернос ти результатов, полученных с их помощью, не всегда может быть вы полнено без соответствующих экспериментальных данных. В то же время в ряде случаев, в частности при решении задач динамики и ус тойчивости оболочек сложной конфигурации, экспериментальные ис следования могут быть, использованы при построении расчетных мо делей, а результаты анализа экспериментальных данных наравне с расчетными служат основой для выбора рациональных параметров конструкции.
В предлагаемой монографии предпринята попытка обобщить ре зультаты экспериментальных исследований тонкостенных конструк ций, выполненных сотрудниками Института механики АН УССР. От носительно небольшой объем книги не позволил осветить все резуль таты экспериментов в рассматриваемой области. Некоторые из них приведены в монографиях [9, 62], в коллективной монографии, посвя щенной разработке неразрушающих методов контроля [58], в книгах, освещающих результаты изучения напряженно-деформированного со стояния конструкций из композитных материалов [86, 87], и в других работах.
Монография состоит из шести глав. В гл. 1—3 изложены резуль таты исследований напряженно-деформированного состояния, устой чивости и несущей способности пластин и оболочек, подверженных действию статических нагрузок. Методы исследования изложены в гл. 1, где описаны также установки, предназначенные для создания заданных нагрузок, приспособления и системы, служащие для регист рации характеристик напряженно-деформированного состояния. Кро ме того, описано использование систем, основанных на применении тензорезисторов, пневмоконтактных датчиков, поляризационно-оп тического метода. В гл. 2, 3 изложены результаты испытаний цилинд рических, конических, сферических и тороидальных оболочек и плас тин, ослабленных и неослабленных отверстиями или трещинами, глад ких или усиленных ребрами, однослойных или многослойных. В гл. 2
3
приведены результаты изучения напряженно-деформированного со стояния рассматриваемых тонкостенных конструкций, а в гл. 3 — их устойчивости и несущей способности.
Воздействие на тонкостенные конструкции динамических нагрузок рассмотрено в гл. 4—6. В гл. 4 изложены методики определения динами ческих характеристик оболочек, описаны приспособления для созда ния полей динамических нагрузок и виброизмерительные средства. Результаты исследования колебаний оболочек и пластин приведены в гл. 5. Здесь рассмотрены параметрические колебания цилиндриче ских оболочек из металлических и композитных материалов, в том числе оболочек, несущих локально присоединенные твердые тела, влия ние среды на собственные и параметрические колебания цилиндри ческих оболочек, вынужденные колебания пластин и оболочек из пьезокерамики, демпфирование колебаний в оболочках, колебания, возникающие при потере устойчивости оболочек под действием статических нагрузок.
В гл. 6 представлены результаты исследований процессов взаимо действия тонких пластин и многослойных панелей из композитных материалов со слабыми ударными волнами в воздухе. Проведено изме рение дифракционного давления, возникающего вблизи поверхности жесткого цилиндра при падении на него боковой ударной волны в во де, а также давления на поверхности усеченного шара, расположенного на плоскости, в процессе его взаимодействия с ударной волной.
Часть I. |
СТАТИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ |
Г л а в а I. |
МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ |
|
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ |
|
И УСТОЙЧИВОСТИ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИИ |
Напряженно-деформированное состояние тонкостенных конструкций обладает рядом особенностей (быстрой изменяемостью, наличием од новременно изгибных и мембранных деформаций, малостью компонент вектора перемещений в направлениях, касательных к срединной по верхности оболочки, по сравнению с компонентой перемещений в на правлении нормали к указанной поверхности), которые должны быть учтены при разработке методик эксперимента. В данной главе изло жим методики, разработанные для проведения экспериментов, опи санных в последующих главах, с учетом указанных выше особеннос тей деформирования тонкостенных конструкций.
Рассмотрим способы регистрации характеристик напряженно-де формированного состояния таких систем, основанные на использова нии тензорезисторов, пневмоконтактных датчиков и оптически актив ных материалов.
1.1.Установки для статических испытаний
1.1. 1. Различные виды закреплений. Исследование напряженно-дефор мированного состояния и устойчивости оболочечных конструкций, как правило, проводилось на металлических моделях, которые изго тавливались из алюминиевого сплава АМгбМ. Низкий модуль упру гости сплава (Е = 6,85 • 1010 Па) и достаточно высокий условный пре дел текучести (о0.2 = 1570 ■ 105Па) определяют преимущество исполь зования этого материала при изучении устойчивости. Изготовление моделей цилиндрических и конических оболочек, представляющих собой развертывающиеся поверхности, не вызывает особых труднос тей. Листовой материал толщиной порядка 0,5—0,8 мм предваритель но подвергался травлению, а плоские заготовки сваривались контакт ной точечной сваркой. Кромки выполненных продольных швов спи ливались наполовину по толщине для выравнивания с толщиной основного материала. Кольцевые края оболочек подкреплялись узкими поясками той же толщины для снижения контактных напряжений при передаче продольных усилий. Ребра оболочек в виде тонкостенных стержней открытого профиля приваривались также точечной сваркой. Кольцевые края оболочек протачивались на токарном станке. Диа метр цилиндрических оболочек был 200—400 мм, а длина составляла
1—3 радиуса.
5
Положительные качества оболочечной конструкции (малый вес при высокой прочности и устойчивости) могут быть достигнуты только при надежном закреплении опорного контура, которое в расчетных схемах наиболее часто принимается в виде шарнирного опирания, за щемления или упругой заделки. В проведенных экспериментальных исследованиях применялось шарнирное опирание или защемление.
Конструктивное оформление шарнирного опирания, которое при менялось при исследовании напряженно-деформированного состояния и устойчивости цилиндрических оболочек показано на рис. 1.1, где
в цилиндрическую оболочку 1 с подкрепленным пояском 2 краем плот но вставлен центрирующий диск 3, причем диаметр диска таков, что посадка диска близка к скользящей. Необходимое соответствие раз меров диаметра оболочки и диска 3 достигалось применением оправок при сварке оболочки и наличием набора дисков, незначительно отли чающихся по диаметру. Центрирующий диск укреплялся на опорной плите 4, через которую передавалась продольная нагрузка. Между центрирующим диском и опорной плитой размещались прокладки для выравнивания контактных напряжений. Представленное на рисунке опорное закрепление ограничивает радиальные перемещения и допус кает некоторую свободу поворота края в продольном направлении. За расчетную длину оболочки принималось расстояние между среди нами поясков, усиливающих края оболочки. Естественно, что с умень шением высоты цилиндрической части диска 3, контактирующей с обо лочкой, конструкция граничного закрепления будет ближе к шарнир ному опиранию. Указанное конструктивное изменение целесообразно при исследовании напряженного состояния. При изучении выпучи вания при осевом сжатии или внешнем давлении возможен срыв обо лочки с центрирующих дисков в момент потери устойчивости, если ма ла высота цилиндрической части центрирующих дисков. Аналогичная схема опорного закрепления рекомендована в работе [91] как наиболее приемлемая для массовых испытаний и отличающаяся незначительны ми краевыми возмущениями. Такое закрепление может использовать ся и при испытании слабоконических оболочек.
Рассмотренное опорное закрепление пригодно только при нагру жении оболочек осевым сжатием вместе с внешним или внутренним давлением. Поэтому при нагружении поперечной силой или крутящим моментом применялось закрепление показанное на рис. 1.2. Оболочка
б
1, подкрепленная пояском 2,' центрировалась массивным диском 3, С которым она соединялась болтами 5. Расстояние между болтами рав но 1/25—1/50 периметра оболочки. Между болтом и оболочкой распо ложены фигурные шайбы 4, у которых контактирующая с оболочкой поверхность обработана в соответствии с радиусом оболочки. Диск 3 должен плотно вставляться в оболочку, чтобы затяжка болтов не при водила к значительным краевым возмущениям. Сверление отверстий в оболочке выполнялось по специальному кондуктору, что обеспечи вало их соосность с отверстиями центрирующего диска. Диаметр рас сверливаемых отверстий — на 0,2 мм больше диаметра болтов. Рассмот ренное закрепление ограничивает ради
альное перемещение и угол поворота на |
|
краю оболочки. |
|
При испытании конических оболочек, |
|
особенно при необходимости герметиза |
|
ции их внутреннего объема, целесообраз- |
^ |
но применение дискового клинового за- |
|
жима (рис. 1.3). Оболочка 1 с пояском 2 |
^ |
центрировалась на диске 3, прикреплен- |
-р 1 |
ном к опорной плите 4. Край оболочки |
р , |
защемлялся диском 6 и системой болтов |
х2Щ |
S, которые стягивали пару конических |
Рис j 3 |
дисков 3 и 6. Для снижения краевых воз мущений необходима хорошая подгонка размеров основания оболочки
и диска 3. С целью герметизации опорного закрепления между дис ком 6 и поверхностью оболочки размещалась упругая прокладка 7.
Выше описаны наиболее простые виды опорного закрепления в случае прикладывания к цилиндрической или конической оболочке осевой сжимающей силы, крутящего момента (поперечной силы) или внешнего давления. Более сложные условия испытания, состоящие, например, в нагружении крутящим моментом при обеспечении гранич ных условий шарнирного опирания, требуют устройства по краям оболочки технологических участков, которые используются для при кладывания усилий, а в соединении этих участков с исследуемой обо лочкой выполняются остальные граничные условия. Так, например, соединение технологического участка с объектом испытания через шпангоут с малой крутильной жесткостью и большой жесткостью на изгиб позволяет создать условия, близкие к шарнирному опиранию.
1.1.2. Устройства для создания осевых нагрузок. При испытании гладких и ребристых цилиндрических оболочек нагрузка центрального осевого сжатия создавалась с помощью специального приспособления, показанного на рис. 1.4. Оболочка 1 располагалась между опорными плитами 3, на которых были закреплены центрирующие диски 2. Меж ду плитами и оболочкой устанавливались при необходимости упругие прокладки, например, из плотного картона. На верхней плите укреп-, лялся гидравлический домкрат специальной конструкции 4, сквозь центральное отверстие которого и отверстия в . плитах пропускался болт 5 диаметром 40—50 мм, который с помощью верхней и нижней гаек стягивал систему плиты -г оболочка.
7
ходили провода к тензодатчикам на внутренней поверхности оболочки. Высота стакана соответствовала высоте испытываемой оболочки, так что уплотнения из трубок расположены непосредственно у центриру ющих дисков. Перед испытанием оболочка с подсоединенными прово дами надевалась на стакан, затем опускалась верхняя плита с центри рующим диском, после чего центральный стяжной болт затягивался
гайкой. Наддув уплотняющих трубок производился воздухом. Благо даря мягкой резине трубок, внутренний стакан не воспринимал осе вой нагрузки при сжатии оболочки.
Внутреннее давление в оболочке создавалось жидкостью со свойст вами диэлектрика, например трансформаторным маслом, поскольку в среде масла находились тензодатчики. При необходимости создания внешнего давления из герметической полости, образованной оболоч кой и внутренним стаканом, откачивался воздух. Внутреннее давление
