Сварные конструкции. Расчет и проектирование

ТОНКОСТЕННЫЕ СОСУДЫ

По назначению, толщине листовых элементов, применяе­мым материалам и приемам сварки сосуды, работающие под давлением, весьма разнообразны. Общим для такого типа конструкций является требование обеспечить возможно более равномерное распределение напряжений. Этого до­стигают применением стыковых соединений, плавным со­пряжением стыкуемых элементов и обеспечением надежного проплавления всей их толщины при условии всемерного исключения дефектов сварки.

Тонкостенные сосуды обычно являются конструктив­ными элементами различных транспортных установок, в том числе современных летательных аппаратов. Быстрый рост размеров ракет для космических полетов вызывает соот­ветственное увеличение размеров емкостей. Это можно ви­деть на примере семейства ракет «Сатурн» с двигателями на жидком топливе (рис. 13.12). Так, цилиндрические баки со сферическими днищами, входящие в состав стартовой ступени S — 1C ракеты «Сатурн-5», имеют диаметр 10 м.

Один из них предназначен для жидкого кислорода, другой— для керосина. При работе двигателей эти емкости испыты­вают внутреннее давление, так как топливо и окислитель вытесняются принудительно подачей в кислородный бак газообразного кислорода, а в топливный бак — гелия. Кроме того, такие емкости нередко входят в состав несущей части конструкции и во время полета могут испытывать допол­нительные сжимающие и изгибающие нагрузки. Для транс­портных установок одним из основных показателей совер­шенства конструкции является ее минимальная масса. По­этому при изготовлении тонкостенных сосудов широкое применение получили листовые материалы из алюминиевых, магниевых, тнтанозых сплавов и высокопрочных сталей, обладающих высокой удельной прочностью. При изготовле­нии ракетных емкостей в зависимости от тина двигателей применяют либо алюминиевые сплавы (двигатели на жидком

топливе), либо высокопрочные стали или титановые сплавы (двигатели на твердом топливе).

Правильное представление о предельной несущей спо­собности тонкостенного сосуда можно получить при рас­смотрении его работы в пластической стадии. Особенностью является то, что при работе стенок за пределом упругой

деформации и деформировании металла по всем направле­ниям максимальные кольцевые напряжения цилиндриче­ских и сферических сосудов определяются в зависимости от диаграммы растяжения металла, которая приближенно выражается соотношением

о = Ле", (13.15)

где о и е — истинные напряжения и деформации; Лип — коэффициенты, зависящие от механических свойств металла.

В цилиндрическом сосуде при монотонном нагружении максимальное давление достигается при кольцевой пласти­ческой деформации tx=nJ2. При этом максимальное услов­ное растягивающее напряжение о, ma> может не соответст­вовать пределу прочности о„ при п<0,26 (диаграмма имеет пологий характер); OimJ4< ов при л>0,26 (диаграмма имеет крутой характер).

Действительная конструкционная прочность сосудов в результате концентрации напряжений может оказаться
ниже предельной. Большое влияние оказывает отношение <iT/<V В случае, если от/ав=0,6. , .0,75, конструктивная прочность сосуда приближается к предельной. Нели <7т/а„=* =0,9, то конструкционная прочность может оказаться зна­чительно меньше предельной.

Если в тонкостенном сосуде создается вакуум, то обо­лочки надо проверить на устойчивость. Цилиндрические оболочки при длине /<10г (г — радиус цилиндра) прове­ряются по формуле

О’ир —0,55£г (13.16)

Рис. 13.14. Схема загружения трубопровода (а) от вакуума (б), от собственного веса (в), от обледенения (г), от внутреннего давле­ния (<?)

Устойчивость сферической оболочки определяется фор­мулой

okp — 0,Es/r. (13.17)

Допускаемое напряжение (а! р < (0,5.. .0,6) а„„тр где т=0,8 — коэффициент условий работы.

Тонкостенные сосуды в виде различных тормозных бал­лонов для наземного транспорта изготовляют крупными се­риями, используя хорошо свариваемые материалы относи­тельно невысокой прочности. Примером может служить воз­душный тормозной резервуар железнодорожного вагона из углеродистой стали (рис. 13.13). Он имеет отбортованные

дишца, приваренные к обечайке стыковым соединением. Его выполняют либо на остающемся подкладном кольце (рнс. 13.14, а), либо с проточкой отбортованной части дни­ща (рнс. 13.14, б). Чем больше диаметр D,„ тем более нагру­женными оказываются резервуары; при расчете на проч­ность учитывают возможность уменьшения толщины стенок в результате коррозии на 0,7. . .1 мм. Коэффициент запаса прочности n=aj[aр>3,5.

При изготовлении ацетиленовых баллонов применяют сталь 15ХСНД, ее предел прочности ов=520 МПа, предел текучести от=350 МПа.

Допускаемое напряжение 1о1р=1ст1,'п,, где коэффициент запаса прочности л,=2,6. Допускаемое напряжение может определяться также по формуле [о]р=ат/л,, где л,= 1,5.