книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

тепенно нарастающего разрушения стеклоэлементов в виде вырывов и сколов материала рабочих поверхностей вплоть до полного исчерпа­ ния несущей способности. Отметим, что появление сколов и трещин в зоне соединения стеклоэлементов не вызывает сеюминутного разруше­ ния оболочки на этом или на следующем цикле нагружения. Образо­

Введение в разъем деталей сборки тонких прокладок из полиэти­ лена и пергамина несколько изменило характер и уровень внешней нагрузки разруш ения опорных поверхностей хрупких элементов. Про­ кладки являлись своего рода демпферами: принимали на себя и гаси­ ли технологические несовершенства обработки и сборки контактных поверхностей стеклоэлементов. Причем при наличии несовершенств стыковки в виде радиального смещения кромок торцов элементов про­ кладка из пергамина позволила повысить ресурс работоспособности изделий до максимального значения — 95 циклов нагружения внешним давлением 46 МПа (табл. 16).

Работоспособность стыкового соединения стеклянных полусфери­ ческих сегментов оболочки дополнительно изучали в процессе дли­ тельного нагружения внешним давлением. Непрерывное нагружение шести составных оболочек двух первых групп в течение 300 ч наруж­ ным гидростатическим давлением 10, 20, 29 МПа (по 100 ч каждым) не вызвало разруш ения ни соединения, ни оболочек; в одной из оболочек I группы после окончания испытаний зафиксированы незначительные сколы на рабочей поверхности стеклоэлемента. В целом же испытания позволили отметить надежную долговечность исследуемых конструк­ ций для принятых условий действия внешней нагрузки, что можно объ­ яснить низким уровнем контактных и главных напряжений, действую­ щих в зоне соединения стеклоэлементов при опробованных условиях нагружений. Добавим, что аналогичное зафиксировано также в со­ ставных оболочках, разъемные соединения которых имели тонкие про­ кладки из полиэтилена, пергамина и прослойки нитрокраски, нитро­ ш паклевки, вакуумной смазки.

Экспериментальное изучение составных оболочек со стыковым соединением элементов, включающим прокладки из других материалов или без таковых, позволило дать рекомендации по герметизации узла разъема. Ни одно из рассмотренных соединений само по себе не обес­ печивает герметичности внутреннего объема конструкции даже при кратковременном нагружении. Обособленное применение полиэти­ леновой липкой ленты, нитрошпаклевки, резинового бандажа обеспе­ чивает герметичность внутреннего объема оболочки только при еди­ ничных нагруж ениях. Наиболее полная герметизация, сохраняющая­ ся в процессе всего периода испытаний, достигнута комплексным применением нитрошпаклевки и резинового бандажа по наружной по­ верхности в зоне стыка элементов.

В дополнение следует отметить роль такого технологического не­ совершенства стыковых поверхностей элементов, как неплоскостносгь (частный случай —■клиновидность) в соприкасающихся торцах, на

ляется упомянутыми выше факторами и уровнем напряженности в условиях фрикционного взаимодействия рабочих поверхностей.

Упрочнение химическим травлением опорных поверхностей стеклоэлементов не улучшает соединения: несущая способность состав­ ной оболочки остается на прежнем уровне.

Применение в разъемном стыковом соединении тонких прокладок из полиэтилена и пергамина позволило ощутимо снизить влияние тех­ нологических несовершенств сборки элементов составных оболочек и получить в конечном итоге конструкции с удовлетворительными по­ казателями прочности и экономически целесообразные по технологии производства; ресурс работоспособности оболочек с такими узлами соединений определяется 10—30 циклами давления, равного 0,4 пре­ дельного.

П олная герметизация стыкового соединения стеклоэлементов дос­ тигается комплексным применением нитрошпаклевки и резинового бандажа на наружной поверхности в зоне разъема.

3. Конструктивная прочность разъемного стыкового соединения с непосредственным опиранием стеклоэлемента

на металлическую вставку

Среди известных типов разъемных стыковых соединений в оболоч­ ках из хрупких неметаллических материалов данного класса внимания заслуж иваю т узлы с непосредственным опиранием хрупкого элемен­ та на металлическую вставку достаточно большой жесткости. Разъем­ ные соединения, организованные по схеме стекло-металл, характери­ зую тся простой конструктивной и технологической реализацией при минимальных материальных затратах.

Задача настоящего исследования — изучение характерных осо­ бенностей стыкового разъемного соединения скольжения в составной оболочечной системе, состоящей из одного или двух сферических сег­

факторов, влияющих на предельную несущую способность и работо­ способность такой конструкции при нагружении внешним гидростати­ ческим давлением. В данном случае рассматривается реальность со­ здания надежного автономного стеклянного оболочечного элемента осе­ симметричной формы, который опирается на металлический фланец существенных размеров и подвержен действию высокого внешнего давления. При изучении этих вопросов во внимание принимали выводы ранее проведенных исследований, изложенных в третьей главе.

Исследование напряженно-деформированного состояния конструк­ ций проведено по методике, примененной в работе [591. Численная реализация, осуществленная на ЭВМ БЭСМ-6, принята за основу рас­ чета. В качестве модели, отражающей варианты сборки составных систем, принята замкнутая оболочка, состоящая из стеклянного сфе­ рического сегмента правильной формы с телесным углом л — 0,62л ср, опирающегося без каких-либо промежуточных элементов на массив­ ное стальное кольцо по плоской, а также конической' поверхностям

условий контактирования деталей в узле. Незначительное по величине трение скольж ения между кольцом и опорным диском в сферическом иллю минаторе при действии предельных нагрузок не налагает практи­ чески никаких ограничений на кольцо и позволяет применить условие,, соответствующее свободному проскальзыванию контактирующих по­ верхностей. Сопряжение стеклоэлемента со стальным кольцом или опорным диском изменяется в процессе нагружения конструкций от свободного проскальзывания на первом этапе до практически относи­ тельной непрерывности поведения стыкуемых элементов по мере уве­ личения нагрузки — на втором. Работа конструкции при низких на­ грузках предполагает отсутствие изгибающих моментов в окрестностях поверхности разъема; при этом в принципе исключено появление кон­ центрации напряж ений в зоне соединения стеклоэлемента. Поэтому далее в расчете последовательно рассмотрены оба предельных случая: условия сопряж ения свободны от трения границ при свободном прос­ кальзывании контактирующих поверхностей и совершенная непрерыв­

рительные эксперименты показали, что разрушение стеклоэлемента начинается на торцовой поверхности, то сферический сегмент по тол­ щ ине разбивался сеткой, которая, будучи разреженной в области по­ люса, сгущ алась в зоне стыка. Одна из расчетных схем, моделирующая условия совместности деформирования стеклоэлемента и кольца реаль­ ных конструкций, представлена на рис. 49, г. Выбор представленной аппроксимации сетки разбиения обеспечивает должное качество реше­ ния и позволяет надежно оценить напряженность конструкций этого типа в локальны х зонах. В других расчетных схемах изменялись ус­ ловия сопряж ения элементов в узле и их упругие постоянные, а сетка разбиения на конечные элементы оставалась постоянной.

Полученные расчетные значения деформаций и напряжений эле­ ментов конструкций дают полную картину напряженно-деформирован­ ного состояния рассмотренных систем. Анализ перемещений элементов в соединении конструкции под нагрузкой позволяет отметить сущест­ венное влияние граничных условий по поверхности разъема: при сравнении перемещений конструкции со свободным сопряжением и жестким защемлением получено следующее. Стеклоэлемент в первом случае деформируется подобно сфере, во втором — в эллипсоид с наи­ большими перемещениями в полюсе. В обоих случаях деформации полюса одинаковы, что необходимо учитывать при размещении обору­ дования, которое не должно стеснять деформирование стеклоэлемента в сторону внутренней поверхности.

Получено свидетельство того, что условия жесткого защемления ока­ зались наихудшими и для стеклоэлемента, и для кольца, так как вы­ зывают возникновение в них максимальной концентрации напряже­ ний: отношения местного и мембранного напряжений для первого и

Рис. 50. Главные напряжения в зоне непосредственного стыка сферического сегмента, выполненного из неорганических стекол с различными упругими свойствами, и сталь­ ного кольца.

второго равняются соответственно 1,8 и 3,1. Концентрация напряжений в стеклоэлементе, обусловленная влиянием кольца, полностью исче­

зает на расстоянии l e x 0,6Y Rh от поверхности их стыка. Касатель­ ные напряжения в зоне стыка стеклоэлемента изменяются незначи­ тельно. Наибольшего значения (2,30р) они достигают в зоне с углом •сферичности, равным 0,61я ср. Разруш ение стеклоэлемента должно начинаться на торцовой поверхности в зоне внутренних волокон, та к как в этом месте отмечены наибольшая концентрация напряж ений