Спосіб визначення міцності комбінованих балонів

Спосіб визначення міцності комбінованих балонів, який включає навантаження до руйнування зразків матеріалів, що складають комбінований балон, з визначенням механічних характеристик, який відрізняється тим, що для зовнішньої обо 3 85422 Відомий спосіб призначений тільки для контролю працездатності великогабаритних металопластикових балонів, для безпечної експлуатації і транспортування яких потрібні спеціальні пристрої. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу визначення міцності комбінованих балонів шляхом урахування фізико-механічних характеристик матеріалів, що складають балон, виконаний у вигляді зовнішньої оболонки з полімерного композиційного матеріалу і вн утрішньої герметизуючої оболонки - металевого лейнера, а також урахування впливу металевого лейнера на механічну поведінку та механізм руйнування оболонки з полімерного композиційного матеріалу, за рахунок чого досягнуто підвищення точності визначення міцності й експлуатаційної надійності комбінованих балонів. Поставлена задача досягається тим, що в способі визначення міцності комбінованих балонів, який включає навантаження до руйнування зразків матеріалів, що складають комбінований балон, з визначенням механічних характеристик, згідно з винаходом, зовнішню оболонку задають сукупністю шарів, що складаються з масивів структурних елементів, кожному з яких відповідає значення граничної деформації, в залежності від схеми навантаження й орієнтації шарів в оболонці встановлюють крок навантаження з визначенням збільшення деформацій уздовж і поперек волокон, встановлюють новий крок навантаження з урахуванням характеристик металевого лейнера - модуля пружності, товщини, об'ємної частки в складі комбінованого балона, на кожному кроці навантаження визначають кількість зруйнованих елементів, при повному руйнуванні, принаймні, одного шару, змінюють збільшення деформацій на крок навантаження і повторюють навантаження, а міцність комбінованого балона визначають по кількості кроків навантаження до повного руйнування зовнішньої оболонки з полімерного композиційного матеріалу. Навантажують зразки матеріалів, що складають комбінований балон, до руйнування з визначенням їх механічних характеристик, визначають середні граничні деформації уздовж і поперек волокон у зразках з полімерного композиційного матеріалу для завдання закону нормального розподілу граничних деформацій структурним елементам. Задають оболонку з полімерного композиційного матеріалу сукупністю шарів, що складаються з масивів структурних елементів, кожному з яких відповідає значення граничної деформації, для обліку розсіювання значень граничних деформацій уздовж і поперек волокон у кожному шарі оболонки в моделі матеріалу. Визначають крок навантаження і збільшення деформацій уздовж і поперек волокон у шарах оболонки в залежності від схеми навантаження й орієнтації шарів в оболонці для більш повного урахування особливостей механізму руйнування оболонки з полімерного композиційного матеріалу. При повному руйнуванні, принаймні одного шару, збільшення деформацій на крок навантаження змінюють і продовжують навантаження з 4 урахуванням збільшення деформацій на крок навантаження в зв'язку зі зміною пружніх характеристик оболонки з полімерного композиційного матеріалу та її товщини. Визначають міцність комбінованого балона по кількості кроків навантаження до повного руйнування зовнішньої оболонки з полімерного композиційного матеріалу для визначення руйнівного навантаження комбінованого балона з максимально можливим ступенем точності. Відмінні ознаки винаходу істотні, необхідні і достатні для досягнення технічного результату обліку механізму руйнування в залежності від внутрішньої структури матеріалу і його напруженодеформованого стану у виробі та у сук упності з ознаками обмежувальної частини дозволяють підвищити точність визначення міцності й експлуатаційної надійності комбінованих балонів. На фігурі зображена залежність змінення числа зруйнованих стр уктурних елементів (N) від тиску (Р) в склопластиковій оболонці з урахуванням стального лейнера. Навіть тонкий металевий лейнер, виготовлений зі сплаву з високим модулем пружності, вносить зміни як у міцнісну надійність комбінованого балона, так і в його подальшу поведінку при малоцикловому навантаженні. Спосіб визначення міцності балонів з металевим лейнером полягає в оцінці характеристик процесу руйн ування оболонки з полімерного композиційного матеріалу. Зовнішню оболонку з полімерного композиційного матеріалу уявляють сукупністю масивів структурних елементів, кожному з яких відповідає значення граничної деформації. Виходячи з моделей форми і навантаження, вибирають величину кроку навантаження, що враховує зміну граничних деформацій структурних елементів при зміні навантажувального фактора, (наприклад, величини навантаження при статичному навантаженні, часу і характеру впливу навантаження при циклічному навантаженні та тощо) на визначену величину. Залежність між кроком навантаження і відповідною йому деформацією в різних шарах зовнішньої оболонки з полімерного композиційного матеріалу уздовж і поперек волокон визначають експериментально чи розрахунковим шляхом. Для цього вибирають систему координат щодо визначеної орієнтації шарів виробу, наприклад кільцевих у циліндричній частині оболонки, уздовж і поперек волокон. У залежності від кроку деформації Δε x і Δε y визначають відповідні їм збільшення напружень Δsx і Δsy, а потім і крок навантаження. Для шарів виробу іншої орієнтації, наприклад спіральних у циліндричній частині оболонки, також визначають збільшення деформацій Δε x і Δε у уздовж і поперек волокон відповідно до кожного кроку навантаження. Для визначення кроку навантаження приймемо такі системи координат: - систему координат 1, 2 - для кільцевих шарів і систему координат α, β – для спіральних шарів оболонки. Причому напрями 1 і α збігаються з напрямом волокон у відповідних шарах. 5 85422 Так, при зміні тиску в оболонці (без лейнера) на величину DP зміни деформацій у шарах можуть бути описані такими співвідношеннями: Ds 1 Ds 2 - m21 E1 E2 Ds 2 Ds 1 De 2 = - m12 E2 E1 De 1 = (1) De a = De1 cos 2 j + De 2 sin 2 j De b = De1 sin 2 j + De 2 cos 2 j де Ds1 і Ds2 - зміни напружень в оболонці в окружному й осьовому напрямах відповідно; Е1 і Е2 - модулі пружності пакета в осях кільцевих шарів; m12 і m 21 - коефіцієнти Пуассона; φ - кут намотування спіральних шарів (кут між напрямками 1 і a ). Зміни напружень Ds1 і Ds2 визначаються із співвідношень: Ds1= rDP , dS Ds2= rDP 2d S , (2) де r - радіус оболонки; dΣ - сумарна товщина оболонки. При розрахунку оболонок з металевим лейнером у співвідношеннях (1) значення Ds1 і Ds2 визначалися таким чином: Ds1= rDP d S =De(EЛ VЛ+E 1 Vк ) (3) де Ds1 - зміна напруги в комбінованому балоні в окружному напрямі; dΣ - сумарна товщина комбінованого балона; Ел - модуль пружності металевого лейнера; Vл - об'ємна частка металевого лейнера в комбінованому балоні; VK - об'ємна частка полімерного композиційного матеріалу в комбінованому балоні. Тоді зміна спільної деформації двошарового балона з полімерного композиційного матеріалу і металевої зовнішньої оболонки в окружному напрямі Δε: rDP , d S ( EлVл + E1 Vk ) De= (4) а зміна напруження в оболонці з полімерного композиційного матеріалу в окружному напрямі: rDPE1Vk , Ds1=DeE1 Vк = d S ( EлVл + E1 Vk ) і в осьовому напрямку: (5) 6 Ds2=DeE2 Vк = r DPE2Vk , 2d S ( EлVл + E2Vk ) (6) Підставляючи значення Δs1 і Δs2 із співвідношень (5) і (6) у співвідношення (1) отримуємо зміни деформацій в окружному й осьовому напрямах у кільцевих і спіральних шарах оболонки з полімерного композиційного матеріалу з урахуванням металевого лейнера. При цьому, у випадку руйнування хоча б одного шару, здійснюють перерахування залежності крок навантаження - крок деформації, а крок навантаження залишають незмінним. Оскільки при руйнуванні хоча б одного шару змінюються модулі пружності і товщина матеріалу виробу за рахунок зруйнованого шару, подальше навантаження продовжують з урахуванням зміненої залежності крок навантаження - крок деформації. Оболонку з полімерного композиційного матеріалу і комбінований балон у цілому вважають зруйнованим, якщо будуть зруйновані всі шари оболонки однієї орієнтації. Величиною навантаження, що відповідає цьому моменту, і визначається міцність комбінованого балона. Звичайно для практичних цілей прийнято використовувати значення руйнівного навантаження, що визначають як суму кроків навантаження до повного руйнування оболонки з полімерного композиційного матеріалу. Приклад По способу визначення міцності комбінованих балонів визначали міцність зовнішньої склопластикової оболонки радіусом 140 мм, що складається з чотирьох шарів (дво х кільцевих і дво х спіральних) товщиною 1,0 мм, з кутом намотування спіральних шарів 45° при наявності внутрішнього шара - сталевого лейнера з границею міцності матеріалу 115 кг/мм 2, відносним подовженням при розриві 12 %, і товщиною стінки 2,3 мм. Шари оболонки задавали масивами з 10 000 структурних елементів (100x100), кожному з яких присвоювалося значення деформації руйнування, отриманих при руйнуючих випробуваннях зразків матеріалів шарів оболонки. Крок навантаження оболонки відповідав внутрішньому тиску 0,5 МПа. Для визначення залежності між кроком навантаження і відповідною йому деформацією в шарах виробу уздовж і поперек волокон обрана система координат відносно кільцевих шарів оболонки уздовж і поперек волокон. У цій системі координат модулі пружності оболонки складали: Ех = 56ГПа, Еу = 8,4ГПа. Значення збільшень деформацій на обраний крок навантаження складали: у кільцевих шарах - Δε х = 0,000352, Аeу = 0,000082; у спіральних шарах – Δε1 = 0,000217, Δε2 = 0,000217. На кожному кроці навантаження визначалося число зруйнованих стр уктурних елементів (Ν). Результати розрахунку приведено на фігурі. Спіральні шари склопластикової оболонки зруйнувалися на 158-му кроці навантаження (при 7 85422 тиску 79 МПа). Оскільки, оболонку з полімерного композиційного матеріалу (і комбінований балон) вважають зруйнованими, якщо будуть зруйновані всі шари однієї орієнтації, величина навантаження, Комп’ютерна в ерстка І.Скворцов а 8 що відповідає цьому стану визначає міцність комбінованого балона. Таким чином, міцність комбінованого балона із зовнішньою склопластиковою оболонкою складає 79 МПа. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601