Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы во всех промышленно развитых странах особое внимание уделяется легким и прочным изделиям кз композитных материалов (КМ), объем выпуска которых постоянно возрастает. В первую очередь они находят применение в конструкциях летательных аппаратов к на транспорте. Наиболее эффективно достоинства этих материалов могут быть использоезны при создании тонкостенных конструкций типа баллонов давления. В процессе роста объемов производства изделий из КМ все более жесткими становятся требования к их материалоемкости, а также требования к способам теоретического прогнозирования и неразрушающего контроля их несущей способности. Решение этих задач тесно связано с проведением экспериментальных исследований и созданием математических моделей, позволяющих учесть и оценить влияние наиболее значимых конструктивно-технологические факторов на напряженно-деформированное состояние (ІЩС) и прочность изделий.
Основным конструктивным элементом баллона давления типа "кокон", для.краткости называемого в дальнейшем просто "баллон", является тонкая силовая оболочка из композиционно-волокнистого материала. Особенностью таких оболочек является сланная структура материала и нестабильность некоторых эксплуатационных параметров, в том числе значительный разброс их прочности и деформативяости. Это приводит к ситуации, когда уникальные прочностные свойства применяемых КМ используются иногда только наполовину, а достаточно сложные современные методы расчета не позволяют дать прогноз результатов эксперимента с требуемой точностью. Поэтому возникает необходимость теоретического и экспериментального исследования причин, порождающих разброс и снижение несущей способности баллонов, а также влияния на их несущую способность различных факторов.
Тема диссертационной работы совпадет с основным направлением научных исследований, проводимых на кафедре Механики твердого деформируемого тела Пермского госуниверситета и являлась составной частью ряда хоздоговорных работ и госбюджетной темы 1986-1990 г.г. "Разработка методов, алгоритмов и программ расчета конструкций из композитных материалов. Исследование напряженно-деформированного состояния композитных конструкций", государственный регистрационный номер 01860130174.
Объект исследования - баллон из КМ, изготовленный способом непрерывной "мокрой" намотки ленты конечной ширины на вращающуюся
- A -
опраЕку. Лента состоит из волокон, собранных в систему нитей и пропитанных перед намоткой эпоксидным связующим. Изготовление осуществляется симметричной по толщине поочередной намоткой кольцевых слоев на цилиндрической части и спиральных слоев (лентой, укладываемой под углом ± ср к меридиану) - на всей оправке. После намотки связующее полимеризуется и оправка удаляется. Внутреннюю часть баллона покрывает гермослой. Днища имеют по одному полюсному отверстию с закрепленными в них закладными элементами. В процессе испытаний отверстия закрываются жесткими крышками.
Все расчеты в предлагаемой работе велись до уровня структуры, элементом которой является намоточная лента конечных размеров ("макроструктура" КМ). Заполимеризованная лента рассматривалась как сплошное однородное трансверсально изотропное тело. Ее механические характеристики принимались равными характеристикам одно-направленно армированных сопутствующих образцов.
При проведении экспериментов в процессе выполнения работы на каждый из баллонов наклеивалось от 20 до 200 тензорезисторов.
Цель работы: экспериментальное исследование, а также разработка методик расчета и получение конкретных результатов по оценке влияния ряда конструктивно-технологических факторов на дефор-мативность и прочность баллонов давления типа "кокон".
Для достижения указанной цели были решены следующие задачи.
-
Уточнение , математических моделей рьсчета структурно-геометрических параметров, НДС и прочности баллонов путем: 1) учета ширины ленты при выводе формул для описания разнодлинности и углов намотки волокон, а также коэффициента армирования, толщины и упругих констант материала^силовой оболочки; 2) разработки методики оценки разброса НДС и прочности баллонов.
-
Реализация математических моделей в виде алгоритмов и программ для ЭВМ, а также их численный анализ.
-
Отработка методики экспериментального исследования дефор-мативности и прочности баллонов, включающая создание экспериментальной установки, автоматизированной системы неразрушающего контроля прочности и опытную оценку погрешности проводимых опытов.
-
Экспериментальное исследование толщины, деформзтивностй и прочности баллонов, имеющих различную конструкцию, изготовленных из различного материала и подвергнутых различным воздействиям.
Научная новизна:
1. Получены формулы для расчета углов намотки волокон на.
всей ширине ленты, толщины и коэффициента армирования, позволяющие на десятки процентов уточнить имеющиеся решения. Проведено экспериментальное исследование толщины баллонов.
-
Разработаны методика и программа расчета НДС, учитывающие предложенные уточнения и позволяющие дать теоретический прогноз ожидаемого разброса деформативности и прочности баллонов при известном разбросе входящих в математическую модель факторов.
-
Исследовано влияние более двадцати конструктивно-технологических факторов на закономерности изменения и разброс деформативности и прочности баллонов давления.
-
Опытным путем изучены особенности деформирования и разрушения баллонов, тлеющих сферическую и изотензоидную форлу днищ, различные диаметры полюсных отверстий и закладных элементов, резиновый и алюминиевый гермослой; изготовленных из стекло-, орга-но- и углепластика; подвергнутых в-процессе изготовления ультра^ звуковому и сверхвысокочастотному воздействиям; однократно и многократно нагру&енных внутренним давлением, осевой и смещенной относительно оси растягивающей силой,
-
Создана автоматизированная система, позволяющая с помощью существующего метода нерззрушающего контроля прочности баллонов осуществлять индивидуальную диагностику величины разрушающего давления с наблюдавшейся в опытах погрешностью не более 1%.
Практическая ценность. Основная часть проведенных исследований выполнена по заказам промышленных предприятий и используется на них для прогнозирования прочности и деформативности баллонов, а также для совершенствования технологического процесса их изготовления. Создана экспериментальная установка, а также автоматизированная система управления процессом измерений и обработки его результатов.
Достоверность результатов теоретических исследований обосновывается корректностью постановки задач, применением современной вычислительной техники и согласованием результатов расчета с результатами эксперимента. Достоверность результатов экспериментальных исследований обосновывается многократно проверенной их воспроизводимостью и проведенной в работе опытной оценкой их погрешности на приборах, прошедших метрологический контроль.
Реализация результатов работы. Методика и программа исследования влияния разброса деформативности и прочности баллонов внедрены на предприятии п/я А-1504. Методика рационального проектиро-
- б -
вания и результаты экспериментального исследования баллонов внедрены в НИМ Композиционных материалов (г. Пермь). Экспериментальная установка и автоматизированная система, позволяющие проводить неразрушащий контроль прочности конструкций, реализованы в Пермском госуниверситете и используются при проведении научных и лабораторных работ на кафедре Механики твердого деформируемого тела.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсужда-лись: на II и III Всесоюзных симпозиумах "Теория механической переработки полимерных материалов" (Пермь, 1980 г. и 1935 г.); на IV Всесоюзном симпозиуме по механике конструкций из композиционных материалов (Новосибирск, 1982 г.); на региональной конференции "Применение композиционных материалов на полимерной и металлической матрицах" (Пермь, 1985 г.); на IX Всесоюзной зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1991 г.); на ежегодных областных конференциях молодых ученых и сиец^ячистов (Пермь, 1979-1984 г.г.); на ежегодных отчетных конференциях преподавателей и сотрудников Пермского госуниЕврситета (1979-1993 г.г.).
В полном объеме диссертация доложена на семинаре кафедры Механики твердого деформируемого тела Пермского госуниверситета (май 1993 г.), на общем семинаре Института механики сплошных сред Уральского отделения РАН (июнь 1993 г.) и на семинарах кафедр Пермского государственного технического университета: Динамики и прочности машин (октябрь 1993г.), Теоретической механики (ноябрь 1993 г.), Механики композиционных материалов (декабрь 1993 г.).
На защиту выносятся:
-
Методика и результаты теоретического и экспериментального исследования де терминированных и стохастических характеристик толщины, деформативности и прочности бЗЛЛОНОЕ.
-
Результаты численного анализа и экспериментального исследования влияния контруктиЕно-технологических факторов на дефорли-рованное состояние и прочность баллонов.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и пяти приложений. Материал изложен на 260 страницах машинописного текста включая І? рисунков и -/0 таблиц. Библиографический список содержит НЦ наименования. Основной материал работы, исключая рисунки, таблицы, список литературы и акты внедрения, изложен на /^.страницах.
