книги / Напряженное состояние и прочность оболочек из хрупких неметаллических материалов

зона образовывается при значительных напряж ениях и по времени — незадолго до полного разруш ения, поэтому размер ее незначителен.

конструкции из стекла. Отметим некоторое различие в напряж енных состояниях при нагружении статическими нагрузками образца и кон­ струкции, состоящее в том, что в конструкции в зоне наибольшей

Рис. 58. Эмпирические зависимости разрушающего растягивающего напряжения от длины и глубины дефектов поверхности (а) и зеркальной зоны излома (б) образцов (сплошная линия) и конструкций (штриховая линия) их стекла МКР-1.

концентрации действует объемное напряженное состояние (на двухос­

ца выбранного профиля. Одновременно вследствие существенной разнотолщинности стеклоэлементов в сечении стыковки толщ ина внутренних боковых клеевых швов различалась. Утолщение клеевого шва вызывает действие радиальных растягивающ их напряж ений. Кроме того, в экспериментах наблюдалось различие в скоростях на­ гружения: для конструкций скорость роста напряжений в стеклоэлементе составляла 0,002 МПа/с, что значительно ниже таковой в преды­ дущих опытах. В то же время известно, что напряженное состояние определяет ориентирование трещин относительно действия внешних нагрузок, а такж е механизм образования очага разрушений и после­ дующего продвижения магистральной трещины. Все это накладывает отпечаток на количественные зависимости разрушающего растя гивающе-

Рис. 59. Напряженное состояние конструкции в зоне разъемного соединения:

а , 6 — в н у т р е н н и й б о к о в о й к л еен о й ш о в толщ п н о Л с о о тв е тс тв е н н о 0,1 и 0 .4 мм.

го напряжения от характеристик излома, хотя качественно картина должна оставаться подобной.

Исследование закономерностей развития трещин и строения изломов в стеклоэлементах, характеризующих процесс разрушения конструк­ ции, дало возможность изучить генезис процесса разрушения и отме­ тить следующее. Конструкция, подверженная действию внешнего давления, разрушается вследствие одновременного прорастания не­ скольких независимых магистральных трещин, возникающих первона­ чально на внутренней, а затем на опорной поверхностях стенки стеклян­ ной оболочки вдоль окружности в зоне соединения. Это подтверждается наличием нескольких фокусов в изломах стеклоэлементов. Медленное развитие трещин в глубь стенки вплоть до зоны действия сжимающих

напряжений и одновременное слияние в пути нескольких трещин приво­ дят к полному разрушению конструкции. О бразование трещ ин обу­ словлено распределением траекторий растягивающих напряж ений в зоне наибольшей концентрации (дополнительно возрастающ их после ло­ кального пластического течения стального кольца) и наличием дефек­ тов на внутренней и опорной поверхностях стеклоэлемента.

Разрушающей нагрузке конструкции соответствует напряж ение, полученное из предположения упругой работы элементов конструк­ ции, определяемое путем численного исследования (рис. 59, а). П оля напряженного состояния в зоне соединения оболочки построены с учетом изменения толщины внутренней боковой клеевой прослойки при ее граничных значениях.

Анализ картины разрушения свидетельствует, что трещ ина всегда ориентирована перпендикулярно максимальным растягиваю щ им на­ пряжениям. Изучение изломов в конструкциях и сравнение их с та ­ ковыми на образцах показали качественное сходство тех и других. Строение знаков на поверхностях изломов стеклоэлемента позволило установить число одновременно возникающих трещин в стенке оболоч­ ки, зоны начала разруш ения, скорости роста трещин, а такж е раз­ рушающие напряжения (с погрешностью до 30 % [122]).

Проанализируем картину разрушения рассматриваемых состав­ ных оболочек. Конструкции разруш ались при нагрузке 90 ± 2 М Па. Одновременно по окружности зафиксировано визникновение трех — пяти независимых трещин; число магистральных трещин определяется технологическими несовершенствами сборки и склейки элементов. Причем во всех случаях разрушение начиналось в зонах с существен­ но утолщенным внутренним боковым клеевым швом Д3 (рис. 60). К ак следует из упругого расчета, в сечении разруш ения конструкции действовали напряж ения, определяемые согласно рис. 59, б, на котором представлено напряженное состояние конструкции в зоне соединения под действием единичной нагрузки, равной 0,1 М Па. Разруш аю щ ие напряжения определяли расчетно-экспериментальным путем с приме­ нением методики, изложенной в работе [109], исходя из конкретных геометрических параметров оболочек в зоне вклейки стеклоэлемента в стальное кольцо-обрамление и разрушающего кратковременного внешнего давления для этих конструкций. Использование эмпиричес­ ких зависимостей размеров зеркальной зоны от разруш аю щ его напря­ жения для образцов (см. рис. 58, б) при анализе зеркальны х зон из­ ломов в конструкциях позволило сделать вывод о том, что стенка стекло­ элемента разруш алась под действием растягивающих напряж ений, возникающих на внутренней и опорной поверхностях, величина кото­ рых в ней на 20 % выше. Разруш ение во всех случаях начиналось от дефектов поверхности, размеры которых на 15— 40 % превосходили таковые в образцах.

С помощью проведенного анализа оценена конструкционная проч­ ность стекла МКР-1 в новой системе и показана необходимость улучш е­ ния конструкции разъемного соединения с целью реализации высоких механических характеристик стекла при сжатии в составных оболочках. Одновременно предложено улучшить состояние поверхности стекло-

стеклоэлемента. Трещина всегда ориентирована перпендикулярно максимальным растягивающим напряжениям.

4. Установленные эмпирические соотношения между разрушающим напряжением и размерами зеркальной зоны излома, а такж е размерами поверхностного дефекта образцов следует использовать для ориенти­ ровочного определения прочности конструкций, изготовленных из технического стекла МКР-1, а траектории трещин и строение изло­ мов — для анализа напряженного состояния по характеру разруш ения.

6.Оптимальные типы разъемных соединений

Для эффективного использования хрупких материалов типа не­ органического стекла, ситалла, керамики в прочных составных обо­ лочках вращения, предназначенных для работы в условиях высокого внешнего гидростатического давления, требуются экономически це­ лесообразные, простые в обращении и надежные в эксплуатации быстроразъемные соединения. Отсутствие необходимых для инженер­

ной практики рекомендаций по оптимальным узлам работоспо­ собных разъемных соединений в составных оболочках из материалов данного класса, эксплуатируемых при действии внешнего давления, требует изучения вопросов механики подвижных соединений элемен­ тов из стекла.

Цель настоящего исследования — разработка оптимальных кон­ струкций надежного работоспособного разъемного соединения элемен­ тов, примерно одинаковой и существенно различной жесткости, в со­ ставных стеклянных сферических и цилиндрических оболочках, под­ верженных, действию высокого внешнего гидростатического давления, которые позволят стабильно реализовать высокие механические ха­ рактеристики данного материала, полученные на образцах при испыта­ ниях на сжатие (см. табл. 6). Требовалось изучить влияние конструк­ тивно-технологических параметров соединений с плоским разъемом скольжения на напряженно-деформированное состояние составных оболочек из стекла и ситалла под действием внешнего давления. Н е­ обходимо было получить данные о предельной несущей способности,

ными соединениями элементов при однократных кратковременных, ограниченных повторно-статических и длительных нагруж ениях внеш­ ним давлением с целью оценки реакции конструкции на условия, в которых будет находиться реальный прочный корпус при эксплуата­ ции. Анализ конструкционной прочности стекла МКР-1 и серий­ ных изделий из него в новых составных оболочечных системах под действием высокого внешнего гидростатического давления гарантировал научнообоснованный подбор стандартных деталей, позволяющих собрать различные варианты архитектурной реализации морских технических средств.

Отсутствие какой-либо информации о прочности составных оболо­ чек, в которых торцы стеклоэлементов вклеены в металлические коль­ ца-обрамления, не давало возможности применять последние. Неиз-

вестно, как влияла жесткость металлического кольца на распредели, напряжений и предельную несущую способность составных оболо\ из хрупких неметаллических материалов типа стекол, ситаллов, Kv рамики. Именно поэтому первоначально необходимо было теоретически исследовать напряженно-деформированное состояние составных сфе­ рической и цилиндрической с монолитными полусферическими оконцовками оболочек из стекла с металлической вставкой в виде средин­ ного или торцового кольца-обрамления в условиях, моделирующих

Соединение

б

Рис. 61. Оболочечные конструкции из стекла с разъемным соединением (а) и одно из новых перспективных конструктивных решений узла под­ вижного разъема (6) хрупких элементов сопоставимой жесткости в составных оболочках.

действие внешнего гидростатического давления. Рассматриваемые оболочки из стекла МКР-1 имели относительную толщину стенки — 0,11 наружного радиуса, равного порядка 100 мм. Длина цилиндри­ ческой оболочки не превышала 3,0Р , причем в некоторых случаях учтена конусность стенок порядка 1 25 (рис. 61, а). Площадь контак­ та опорной поверхности стеклоэлемента с металлическим кольцом

для сферических оболочек составляла 6,5 10-3 м2, а для цилиндри­ ческих была на 6 % больше.

Рассмотрим составную сферическую оболочку, собранную из двух полусферических стеклянных сегментов и металлических экваториаль­ ных колец-обрамлений, площадь поперечного сечения и конфигурацию которых изменяли согласно схемам, данным на рис. 62, где кольцаобрамления имели горизонтальную поверхность контакта со стеклоэлементом. Х рупкие полусферические и цилиндрические оболочечные элементы с металлическими кольцами соединены с помощью эпоксид­ ного компаунда Д -9. Выводы исследования о необходимых условиях закрепления торца стеклянного оболочечного элемента осесимметрич­ ной формы в металлическое кольцо, полученные при разработке

работоспособных неразъемных клеевых соединений, использованы при проектировании создаваемого соединения. Во всех неразъемных со­ единениях толщина внутреннего и наружного боковых швов, а так ж е опорного клеевого шва равнялась соответственно 0,10; 0,12; 0,05 мм и учитывалась в расчетных схемах.

Планирование численного эксперимента проводили путем подбора профиля поперечного сечения кольца-обрамления из перспективных материалов с учетом различных соотношений упругих постоянных всех составляющих элементов сборки при наиболее удачных граничных

Ж

ш\ / > « ° ( ],5 Фаска *

1 N S3

У///////Л

0/70,7

0203,2

Тип6

Рис. 62. Конструктивные варианты кольца-обрамления для узла разъем­ ного механического соединения элементов составных оболочек из стекла и ситалла.

условиях по поверхности разъема (табл. 20), что в свою очередь из­ меняло податливость подвижного соединения и концентрацию напря­ жений в оболочке. Напряженно-деформированное состояние составной сферической оболочки, полученное под действием единичной (0,1 МПа) нагрузки, сравнивали с таковым подобной монолитной оболочки из

Отмечено, что напряженно-деформированное состояние составной оболочки обусловлено конструкцией кольца-обрамления и его ж ест­ костью. Установлены зона концентрации и значение максимальных на­ пряжений, а такж е закон возмущения и область локализации напряж е­ ний в оболочке в зависимости от конструкции узла механического разъемного соединения, что позволило обоснованно указать область в составной оболочке, для исследования которой необходимо применять численное решение смешанной задачи линейной теории упругости.

Первоначально рассмотрен вопрос выбора условий контактирования по поверхности экваториального плоского разъема элементов сфери­ ческой оболочки. Предложено два возможных конструктивных ре­ шения реализации плоского разъема скольжения между металлически­ ми поверхностями. Конструктивные решения разъемного соединения