книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов
..pdfс разъемными механическими соединениями под действием внешнего давления
■
П ар ам етр ы п овторн о -стати ч ески х испы таний
S
*
со
а
и <а
2Е
5?
1 И зм ен ен и е 2 в ц и к л е , / 1
1— 78— 1
1 - 9 8 - 1
Р асч етн о е |
н ап р я ж ен и е в |
ц и к л е или |
при разруш е* |
нии, М П а
в с т е к л о - эл е м ен те
- 5 5 3
—738
-9 2 2
в ко л ьц е - обрам лении
—530
—706
Вло кал ьн о м
объем е п р е вы ш ало п р е
д ел |
тек у ч е |
сти |
с тал и |
|
П арам етры д л и т е л ь |
||||
|
ных |
испы таний |
|
||
* |
|
|
|
|
|
>> |
|
|
|
|
|
а |
о: в |
|
b s |
|
|
(т |
5 э* |
|
|||
СЗ |
|
* 2 |
|
||
К |
S S |
|
я о |
|
|
в |
|
с <ъ |
Примечание |
||
о |
4 |
|| |
|||
в - |
а о |
|
|||
5 |
WК |
О о |
|
||
4 |
И |
= 5 |
|
||
я |
л £> |
5 а |
|
||
я |
о н |
с |
|||
о * |
в ¥ |
**■и |
|
|
|
?! |
« я |
§ а% |
|||
ч я |
|||||
и я |
5 = |
tJ <11 |
|
||
Я О) |
<и еf |
|
|||
У S |
|
CQ Я |
.si? |
||
|
|
0 -0 |
|
|
|
100 |
— |
— |
— |
— |
|
100 |
|
|
|
|
100 |
П овреж дений стеклоэле- |
|
ментов не обнаруж ено |
1— 147— 1 |
— 1383 |
1 - 9 8 - 1 |
—922 |
1 - 5 9 - 1 |
- 5 5 3 |
1—59— 1 |
- 5 5 3 |
1 - 9 8 - 1 |
—922 |
— |
— |
— |
— |
1 - 5 9 - 1 |
- 6 0 0 |
1 - 9 8 - 1 |
-1 0 0 1 |
1 - 5 9 — 1 |
- 6 4 7 |
1 - 9 3 - 1 |
-1 0 7 9 |
1 - 9 8 - 1 |
-1 0 7 9 |
То ж е |
15 |
_ |
|
» |
» |
100 |
, _ |
— 53Э |
100 |
||
- 5 3 0 |
100 |
|
|
В л о к ал ь н о м |
3900 |
|
|
объ ем е п р е |
|
|
|
вы ш ало п р е |
|
|
|
д ел |
т ек у ч е |
|
|
сти |
стал и |
|
|
— |
— |
98 |
50 |
- 9 2 2 |
|
|
10 |
10и |
—92 |
|
|
20 |
100 |
- 1 8 4 |
|
|
29 |
100 |
- 2 7 7 |
— |
|
|
|
— |
—61S |
3900 |
|
|
|
—863 |
100 |
— |
— |
— |
—471 |
100 |
— |
— |
— |
В л о к ал ьн о м |
100 |
— |
— |
— |
о б ъ ем е п р ев ы |
|
|
|
|
ш ало п р ед ел |
|
|
|
|
тек у ч ести с т а |
|
|
|
|
ли |
100 |
|
|
|
То ж е |
|
|
|
То ж е
|
» |
> |
|
|
} |
» |
|
Время |
м еж ду |
|
повторно- |
статическими |
испы та |
||
ниями |
по блочной схе |
||
ме 14 |
месяцев |
|
О болочка с |
некачественно |
|
изготовленным кольцом - |
||
обрамленнем . |
П олное |
|
разруш ение |
|
стеклоэле- |
ментов |
на |
мелкне |
осколки |
|
|
П овреж дений |
|
стеклоэле- |
ментов не обнаруж ено
То ж е
э>
»»
П олное |
разруш ение |
стек- |
|||
лоэлем ентов |
на |
мелкне |
|||
осколки |
|
|
|
|
|
Время |
м еж ду |
повторно- |
|||
статическим и |
|
испы |
|||
таниями |
по блочной |
сх е |
|||
ме 10 м есяцев |
|
|
|
||
П овреж ден ий |
стеклоэле- |
||||
ментов не обнаруж ено |
|||||
|
|
— |
|
|
|
П овреж д ен ия |
получили |
||||
четы ре |
оболочки |
(сте* |
|||
клоэлем енты |
и |
клеевые |
|||
швы) |
|
|
|
|
|
Все оболочки получили повреж дения стеклоэлементов и клеевого или
ч
с
о
к
а
Ц и лин д - рическая
С ф ери ческая
|
М ате■о |
Б й |
|
|
|
к |
о л ь ц а , |
ш т. |
|
|
3 |
к |
, |
|
|
|
|||
Тип соединения |
нчтоо го идск а |
лобо ч ек |
||
\о |
||||
4 |
|
|
||
|
15 |
|
|
|
|
га |
|
|
|
|
D . |
|
|
|
|
О |
морпеж у роспн о го |
лсиЧо о |
|
|
* |
|||
|
га |
|
|
|
|
Е* |
|
|
|
|
JQ |
|
|
|
|
Ч |
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
4 |
1 |
|
|
|
|
I |
С т ал ь |
С т ал ь |
5 |
4 ОХ |
45 |
|
|
|
2 |
|
|
3 |
Та ж е |
Та ж е |
5 |
» > С таль |
5 |
4ОХ
5
П ар ам етр ы
Д а в л е н и е н а г р у ж е ния и л и р а з р у ш е ния, М П а
ПО
93
9G -I11
102
59
69
5 6 - 7 0
65
115 -140
1.6
1 07 -138
120
к р ат к о п р е л ел н ы х о д н о к р а т ных испы тани и
М ак си м ал ьн о е р асч етн о е н а
п р я ж ен и е в |
мом ент д е й с т в и я |
|
п р ед ел ьн о й |
н а гр у зк и |
или |
р а зр у ш е н и я , М П а |
|
|
в с т е к л о э л е - |
в к о л ьц е - |
|
мептс |
о б р ам л еш ш |
|
|
П р ев ы ш ал о |
|
|
п р е д е л |
т ек у |
|
чести стал и |
- 1 0 7 9
- п : ; 8 -
-------1319
— 1215
-7 0 0
—817
—10G2 —
------- 1333
— 1231
- 1 5 5 5 -
------- 1892
—1698
—1143 —
------- ИЗО - 1 6 : 3
То ж е
П р евы ш ало п р ед ел т е к у чести стал и
- 4 4 7
—522
—375 --------170
—435
П р ев ы ш ал о п р е д е л т е к у
чести |
ста л и |
То |
ж е |
» » |
С тал ь |
5 |
62—73 |
-1 2 2 3 — |
- 6 J 2 ------- 719 |
|
45 |
|
68 |
------- 1437 |
- 6 7 6 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
- 1 3 5 2 |
|
П ар ам етр ы |
п о вто р н о -стати ч еск и х |
испы |
П арам етры д л и т е л ь |
|||||
|
|
таний |
|
|
ных |
испытаний |
||
и |
|
|
|
|
|
к а |
|
|
узк |
Р асч етн о е |
н ап ряж ен и е в |
о. |
|
|
|||
агрн аП |
|
ц и кле или |
при |
р а з р у |
|
= с |
а - |
|
|
шении, М П а |
|
С ff> |
|||||
|
|
5 . |
||||||
|
|
|
|
|
||||
змИенение ицвкл е, М |
|
|
|
|
|
ге о ; |
** |
|
|
|
|
|
= CJ |
с£ = |
SS |
а. : |
|
|
|
|
|
£С.2 |
|§ |
|||
|
|
|
|
|
|
ja 3 |
5 а |
|
|
|
|
|
|
|
- U |
н |
|
|
в с т е к л о - |
в |
кольц е - |
|
з ? |
с; 2 |
||
|
элем еи те |
обрамлении |
О |
§£ |
|
|
||
— |
|
- |
|
— |
- |
— |
— |
- |
__ |
|
__ |
|
_„ |
_ |
10 |
100 |
- 9 2 |
|
|
|
|
|
|
20 |
100 |
-1 8 » |
|
|
|
|
|
|
30 |
100 |
- 2 7 7 |
— |
|
|
|
— |
- |
78 |
24 |
- 7 1 8 |
— |
|
|
|
— |
— |
— |
— |
— |
1—78— 1 |
|
- 9 3 4 |
|
- 5 9 6 |
100 |
- |
— |
— |
1 - 7 8 - 1 |
|
- 9 3 4 |
|
- 5 9 6 |
19—82 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— |
— |
- |
_ |
— |
— |
— |
— |
— |
- |
1 - 5 9 - 1 |
—794 |
- 4 8 2 |
100 |
- |
— |
— |
|
|
Примечание
Оболочка с некачественно изготовленным кольцом - обрамлением . Полное
разруш ение |
стеклоэле- |
ментов на мелкие ос |
|
колки |
|
П овреж дений |
стеклоэле- |
ментов не обнаруж ено |
|
То |
ж е |
»э
»»
П олное разруш ение стеклоэлементов на мелкие осколки
Накопление повреж дений стеклоэлементов в зоне соединения
Н акопление повреж дений и локальное разруш ение стеклоэлемента в зоне соединения
Полное разруш ение стеклоэлементов на мелкие осколки
То ж е
Кратковременны е испы та ния проведены после повторно-статических
П олное разруш ение сте клоэлем ента на мелкие осколки
М атериал |
П арам етры |
кратковременных о д н о кр ат |
||
|
|
|
ных испытаний |
|
|
е |
|
М аксимальное расчетное на |
|
|
у ж е |
|||
|
пряж ение в момент действия |
|||
|
агр шу |
предельной |
нагрузки или |
|
|
н |
азр |
разруш ения, М Па |
|
|
|
|
||
|
е |
р а |
|
|
|
авлениД |
илиния Мния,П |
в стекло эл е- |
в ко л ьц е- |
|
|
|
менте |
обрамлении |
|
9 4 - 1 1 6 |
- 1 1 9 6 - |
- 6 5 9 ------- 810 |
|
|
|
104 |
------- 1471 |
- 7 2 8 |
|
|
|
— 1320 |
|
|
9 7 -1 1 3 |
— 1227 — |
—677 ------- 790 |
|
|
|
103 |
------- 1433 |
—722 |
|
|
|
- 1 3 1 0 |
|
|
|
29 |
— 277 |
—265 |
|
|
59 |
—553 |
- 5 3 0 |
П р и м е ч а н и я. 1. П од чертой указано среднее значение. 2. |
П овторно-статическим и длч |
|
яо-статнческне испытания |
проведены по блочной схеме нагруж ения. 4. |
П осле окончания программы |
оболочек отмечены особо. |
|
|
Новым результатом следует считать получение максимальной прочности составной сферической оболочки, один из стеклоэлементов которой имел технологический дефект в виде газового пузыря диамет ром 2,0 мм, расположенного посредине стенки в торцовой зоне полу сферического сегмента, которая вклеивается в стальное кольцо-об рамление (рис. 71, а). Составная оболочка с таким несовершенством не разрушилась и не получила повреждений при нагружении давле нием 147 МПа.
Составные оболочки с соединениями первого и второго типов, имею щие технологический брак, заключающийся в том, что вместо постоян ной толщины 1,5 мм параметр Ьг неравномерно изменялся вдоль окружности от 0,8 до 2,0 мм, разрушились соответственно при нагрузке 129 и 110 МПа (рис. 71, б). Разруш ение происходило следующим обра зом. В процессе повышения внешней нагрузки свыше 80 МПа в камере прослушивалось тихое с существенными перерывами во времени по трескивание, которое постепенно возрастало. Этому внешнему проявле нию накопления повреждений в стеклоэлементах соответствовал этап прорастания мелких трещин в ограниченных зонах стенки оболочек, там, где отмечено резкое изменение геометрии наруж ной стенки ме таллической вставки. Слияние мелких трещин приводило к оконча тельному разрушению стеклоэлементов на мелкие части под действием гидродинамической волны; кольца-обрамления, хотя и были значи тельно повреждены, оказались пригодными для дальнейших иссле дований. Следовало выяснить причины и характер возникновения и
П а р ам е т р ы п о вто р н о -стати ч еск и х |
испы |
П арам етры |
д л и т е л ь |
|||
|
таний |
|
ных |
испытаний |
||
X |
|
|
• |
|
к |
|
нии, М П а |
>> |
енлва и я ПМа |
ярпаж е - емэлен - |
|||
и <о |
Д |
я |
||||
X |
Р асч етн о е |
н ап ряж ен и е в |
а |
|
|
|
ео |
ц и кл е или |
при р а зр у ш е |
U |
|
5 3* |
|
>* |
со |
|
|
|||
о. |
|
|
S |
|
|
|
2 Е |
|
|
О |
ровеньУ д нагружения 1, |
о о |
асчетнР ое и вииестек ;ю Мте,П а |
енениезмИ вклиц е, h |
|
|
ослиЧ UHKJ яненж |
* X |
||
в с те к л о - |
в к о л ьц е - |
яремВ на: ндопа гр у з |
||||
|
эл ем ен те |
обрам лении |
|
|
|
|
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
1 - 5 9 - 1 |
- 5 3 3 |
- 5 3 0 |
100 |
— |
— |
— |
Примечание
П олное |
разруш ение стек* |
|
лоэлемента на |
мелкие |
|
осколки |
|
|
К ратковрем енны е |
испы та |
|
ния |
проведены |
п о сл е |
повторно-статическ их
— |
— |
— |
— |
59 |
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
100 |
|
|
|
|
20 |
100 |
|
< |
|
|
29 |
250 |
|
|
|
|
|
- 5 5 3
1 |
N |
1 |
4j* |
1 |
|
—
П овреж дений стек ло эл е-
мента не обнаруж ено
То ж е
»»
тельн ы м испы тани ям |
п р ед ш ество вало одн ократное кратковрем енное нагруж ение оболочек. 3. П овтор - |
испы тани й о болоч ки |
п ри годн ы д л я дальнейш их исследований . С лучаи п овреж д ени я н р а зр у ш е н и я |
постепенного накопления повреждений, приведших к разрушению конструкций. Изучение фрактографий изломов в разрушенных со ставных оболочках согласно описанной выше методике позволяет от метить действие значительных изгибающих напряжений, вызванных несовершенствами форм изготовленных колец-обрамлений.
Сравнение отношения максимального давления, выдержанного составной системой, к пределу прочности стекла при одноосном сжатии,, для сборных сферических и цилиндрических оболочек с соединениями первого, второго и других ранее изученных типов (табл. 23) позволяет оценить эффективность использования разработанного соединения в новых конструкциях. Лучшим параметром эффективности применения (0,092— 0,102) в стеклянных цилиндрических и сферических оболоч ках обладает узел разъема элементов первого типа; сопоставление данного параметра, полученного для сферических оболочек с различ ными типами разъемных соединений, рассмотренных ранее, позволяет отметить существенный (до 927 %) рост последнего. При этом следует иметь в виду, что составная стеклянная сферическая оболочка с двумя новыми разъемными соединениями не была испытана до разрушения из-за ограниченных возможностей применяемого испытательного обо рудования, в частности установки КВД-4. Последняя была наиболее мощной по создаваемому внешнему давлению испытательной камерой.
В результате проведенного эксперимента подтверждено, что впервые получена конструкция работоспособного узла разъемного соединения скольж ения, надежно обеспечившая несущую способность составной
246
Т а б л и ц а 23. Экспериментальная оценка эффективности применения разработанных соединений в составных оболочках из стекал
Т ип р азъ ем н о го соед и н ен и я
Х а р а к т е р и с т и к а
Параметр приведенной жесткости стального кольца-обрамления 0
Отношение максимального давления нагружения или предельной не сущей способности оболочки к пределу прочности стекла при
одноосном сжатии |
ш ах |
|
|
|
с ж |
Надежная работоспособность обо лочки при отношении максималь ного давления в цикле повторно статического нагружения к пре дельной несущей способности конструкции при кратковремен ном испытании ***
1,98** |
1.98— |
4,68 |
2,12 |
4,09 |
1,98 |
1.98— |
4,68 |
|
|
0,102 |
0,102 |
|
0,082 |
0,068 |
0,092 |
0,066 |
|
|
|
0,38; |
0,50; |
0,62; |
0,94 |
0,38; |
0,62 |
0,47 |
0,57 |
|
0,42; |
0,70 ■ |
|
0,76 |
|
|
* |
В ч и с л и т е л е |
п р и в е д е н ы |
зн ач ен и я д л я с ф ер и ч е ск о й о б о л о ч ки , |
в |
зн ам е н ат е л е — д л я ц и ли н д р и ч еск о й |
|
|
|
** |
С о о тн о ш ен и я |
п р о ч н о с ти |
эл ем ен та |
к о н с тр у к ц и и и м атер и ал а, |
н з |
к о т о р о г о он и з го т о в л е н , п о л у ч ен ы при |
о д н о кр атн о м к р атк о в р ем е н н о м |
н а г р у |
ж ен и и . |
|
|
|
|
|
|
|
|
*** |
П р о в ер ен а во |
всех с л у ч а я х д о 100 |
ц и к л о в н а г р у ж е н и я п о в т о р н о -ст а ти ч ес к и м д ав л ен и ем ; и ск л ю ч ен и е |
с о с т а в и л и соо тн о ш ен и я о,У4, 0,02 |
и 0,42, |
которые проверены до 15 н 3900 циклов приложения нагрузки.
оболочки до предельных нагрузок внешнего гидростатического давле ния. Сопоставление максимальных давлений, которые выдержали
составные оболочки с предложенными узлами разъемных |
соединений, |
с давлениями разрушения составных конструкций, |
включающих |
неразъемные клеевые соединения элементов встык или с использова нием инородной вставки, свидетельствует об эффективности исполь зования стального кольца-обрамления принятой конструкции, что поз волило повысить давление разрушения идентичных стеклоэлементов (например, для сферического хрупкого элемента с неразъемным со единением, включающим металлическую вставку, по крайней мере, на 99 %) и получить стабильные данные по предельной несущей способ ности оболочек при однократных кратковременных нагружениях.
По мере накопления экспериментальных данных о конструкцион ной прочности стекол и ситаллов для составных конструкций с анало
гичными разъемными соединениями представляется |
возможным |
по |
||
строить зависимости между давлением разрушения оболочки |
и |
|||
прочностью материала хрупкого элемента, определенной |
на |
|||
образцах. Получение такого параметра |
позволит |
путем сравне |
||
ния оценить |
эффективность использования |
материала в новой кон |
||
струкции. |
|
|
|
|
Результаты |
проведенных кратковременных испытаний позволили |
назначить программу ограниченных повторно-статических нагружений. Программы испытаний для составных конструкций с обоими типами узлов соединений состояли из блочного нагружения, характеристики режимов которого ранее представлены на рис. 33 и в табл. 22. Обычно после окончания испытаний при одном максимальном давлений в цикле практически без перерыва приступали к многократным нагружениям при измененной максимальной характеристике цикла. В отдельных случаях время между повторно-статическими испытаниями по блочной схеме нагружения оболочек составляло 10— 14 месяцев (см. табл. 22). М аксимальные давления в множественных режимах повторно-стати ческих нагружений равнялись соответственно 0,38; 0,50; 0,62; 0,70; 0,76; 0,94 предельного давления при однократных нагружениях. Не представляется возможным указать, какую часть разрушающей на грузки для сферических оболочек составляют давления в принятых повторно-статических нагружениях, поскольку последние не были подвергнуты разрушению. Особенностью повторно-статических испы таний составных оболочек с новыми узлами разъемных соединений следует считать факт ступенчатого последовательного увеличения либо уменьшения максимальной нагрузки в цикле изменения давления после 100-кратных нагружений при блочной схеме испытания, когда нагру жение конструкций начиналось при минимальном давлении в первом режиме, а заканчивалось в последнем при максимальном давлении, рав ном 0,9 предельного кратковременного, или наоборот. Максимальные расчетные напряжения в стекле при повторно-статических нагружениях составляли 922 МПа, в то время как в стальном кольце-обрамлении они в локальном объеме незначительно превышали предел текучести стали и им соответствовало местное упруго-пластическое деформирова ние кольца.
В целом проведенные повторно-статические и длительные испытания позволили установить неизменяющийся уровень прочности сборных оболочек.
Новым вопросом при изучении конструкционной прочности состав ных стеклянных оболочек следует считать опробование технологичес ких процессов изготовления, сборки и защиты элементов и их соедине ний в составных системах. Механическая шлифовка алмазным инстру ментом стенки элементов в торцовой области, проведенная по восьмому классу шероховатости поверхности, когда среднее арифметическое отклонение профиля стыкуемых поверхностей находились в пределах
(0,63— 0,32) 10-г> м, обеспечивает высокую прочность сборки ан самбля. Увеличение степени шероховатости и дефектов материала стеклоэлементов в локальной области соединения приведет к образова нию сколов и последующему разрушению конструкции при низких нагрузках. Последнее следует учитывать при проектировании новых систем и назначении допускаемых напряжений.
Операции по сборке и подготовке составных оболочек к испытаниям позволили обратить внимание на необходимость защиты последних от длительного прямого воздействия солнечных лучей и сосредоточен ных ударных нагрузок, действующих на хрупкие элементы оболочек. В процессе локального динамического нагруж ения довольно часто наблюдалось разрушение стеклоэлементов. Прочные оболочки из хруп ких элементов требуют защиты наружной поверхности от действия непредвиденных ударных нагрузок. Опробование защитных кож ухов из полимерных материалов, в которые помещаются составные системы из стекла, позволяет говорить о перспективности этого решения. Такие кожухи не только предохраняют от действия контактных удар ных нагрузок, но и придают дополнительную жесткость оболочке, обеспечивая ей вместе с тем некоторые амортизирующие свойства при опускании на каменистое дно океана. Низкую сопротивляемость раз рушению от действия динамической нагрузки особо следует учитывать при танспортировке новых систем.
Осмотр конструкций после проведения комплексной программы испытаний подтвердил обоснованность требований защиты клеевого шва от действия окружающей среды. В конструкциях, узлы соединений которых были покрыты герметиком и даже свинцовым суриком, повреж дения клеевых швов отсутствуют.
Прочные составные оболочки, изготовленные из стекла и предназ наченные для размещения приборов или другого полезного груза, тре буют, чтобы они были приспособлены для нагрузки и разгрузки с сохранением полной герметизации внутреннего объема. Поэтому от дельно исследовали обеспечение герметичности разъемного подвижного соединения. Оценку герметичности внутреннего объема конструкций проводили визуально и косвенным путем: по изменению давления в камере в период выдержки под нагрузкой.
В связи с поставленной задачей рассмотрен круг вопросов связан ных с обеспечением высокой степени герметичности нового разъемного механического соединения скольжения путем выполнения повышенных требований к посадочным поверхностям по чистоте обработки, геомет-