МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВИТЫХ ОБОЛОЧЕК ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Характерной особенностью многослойной конструкции сосуда [1, 2] является большая деформативность и пластичность по сравне­нию с однослойной. Имеющиеся в настоящее время приближенные расчеты [3,4] многослойных витых оболочек обладают рядом недостат­ков, так как общее напряженное состояние рулонированных кон­струкций зависит от различных механических и технологических факторов. Поэтому наряду с разработкой аналитических методов рас­чета весьма перспективным является применение экспериментальных методов к исследованию задач о напряженном состоянии конструк­ции сложной формы.

В данной работе рассматриваются некоторые вопросы модели­рования поляризационно-оптическим методом напряженного состоя­ния спирально-многослойных цилиндрических оболочек, ожествлен - ных монолитными кольцевыми сварными швами.

В методе фотоупругости для моделирования применяется эпок­сидная смола ЭД-16, для химического строения которой характерно наличие активных эпоксидных групп )С—С(, соединенных с ди-

фенилпропаном

в длинноцепочные молекулы

сн2-сн-

ОН

•Это высоковязкая жидкость, для превращения которой в твердый материал добавляют отвердитель, например, малеиновый ангидрид

/О

НС—С"

II )0

который взаимодействует с эпоксигруппами рядом находящихся цепей, создает сшивки между цепями, приводящие в итоге к трехмер­ной сетке, которая обусловливает жесткость материала с модулем упругости 3500—4000 МПа и высокими оптико-механическими пока­зателями.

Однако при необходимости изготовления многослойной спирале­видной модели такой материал непригоден вследствие появления изгибных напряжений при навивке и начальной оптической ани­зотропии по толщине, так как период гелеобразования, когда ком­паунд гибок, очень короток и неуправляем.

Нами был использован материал ЭПСА двухстадийного отвержде­ния [5]. За счет применения полисибацинового ангидрида НО-[ОС-(СН2)8 СОО]„ Н.

Этот материал, примененный как самостоятельный отвердитель для эпоксидной смолы, придает отвержденному компаунду гибкость. В комбинации с малеиновым ангидридом получен материал, который может быть отвержден двухстадийно при таком оптимальном соста­ве: ЭД-100 в. ч.; ПСА-40; МА-10 в. ч. Нагрев компаунда при 80 °С в течение 24 ч создает условия для образования мягкого гибкого ма­териала, длительное время сохраняющего гибкость при 20 °С, ко­торый при нагревании до температуры 180 °С в течение 12 ч приобре­тает жесткость и удовлетворительные оптико-механические свойства.

Материал ЭПСА позволил изготовить гибкую ленту длиной не­сколько метров в спиральной форме из фторопластовой ленты, кото­рая наматывалась на цилиндр вместе с прокладками из резины меж­ду витками фторопласта, далее закреплялась сначала пластырем, а затем гипсом. После заливки в форму компаунда форма выдержива­лась до получения гибкого материала в термостате. Дальше она раз­биралась и полученную таким образом гибкую ленту из эпоксидной смолы наматывали на цилиндрическую оправку для получения мно - гослоя, форма которого механически фиксировалась. После этого материал подвергался нагреву при 180 °С в течение 12 ч. Пройдя та­кой температурный режим, материал терял свои пластические свой­ства и приобретал упругие свойства, стабильные во времени.

Отличительной особенностью материала ЭПСА является то, что в недополимеризованном (гибком) состоянии можно образовать де­фекты типа трещин, потом придать материалу желаемую форму. В дополимеризованном состоянии остаточной оптической анизотро­пии в области дефекта не наблюдается. Таким образом, материал ЭПСА позволяет получить модели сложной формы, в частности, мо­дели многослойных труб с трещинами в различных слоях.

Оптико-механические постоянные материала ЭПСА — модуля

упругости Е и оптического коэффициента с — определялись на та' рировочных образцах в виде балочек под воздействием растягиваю­щих усилий, как при комнатной, так и при температуре «заморажи­вания» *зам.

Так как при моделировании сварного шва используется склейка (в частности, вклейка ребра жесткости), то изучены также оптико­механические характеристики материала клея холодного отвержде­ния. Данные тарировочных исследований представлены в табл. 1.

Величины оптико-механических постоянных — модуля упругос­ти Et и относительного оптического коэффициента Ct — после про­ведения цикла «замораживания» напряженного состояния исследу­емых моделей стабильные в течение первых 20 сут.

Для выяснения возможности проведения экспериментальных исследований методом фотоупругости на образцах из материала ЭПСА была решена известная методическая задача Кирша [6]. Результаты обработки экспериментальных данных по определению общего на­пряженного состояния и коэффициента концентрации растянутой платины с отверстием, проведенные как методом «замораживания», так и при комнатной температуре [7], хорошо согласуются с теоре­тическим решением.

При создании многослойных конструкций типа «Архимедова спи­раль», один конец ленты материала ЭПСА приклеивается по образу­ющей к внутреннему слою оболочки, а конец ленты — к внешне­му слою. Такой метод изготовления модели соответствует реальным конструкциям, а созданная методика получения ленты ЭПСА произ­вольной длины дает возможность создавать модели оболочки практи­чески с любым количеством слоев. Созданную таким образом модель можно использовать для исследования напряженного состояния как при комнатной температуре, так и методом «замораживания».

Из ленты материала ЭПСА шириной 8 см на предварительно из­готовленную заготовку диаметром 130 мм были навиты две части однослойной оболочки Ml, толщиной 2 мм. Концы ленты склеивались внахлест с углом раствора продольных сварных швов 43°. После об­работки торцов обе части оболочки приклеивались к кольцу сече­нием 5X5 мм, имитирующему монолитный сварной шов. Внутрен­ние диаметры кольца и оболочки равны.

Для проведения эксперимента с использованием метода «замора­живания» было создано нагрузочное приспособление, разработка ко­торого возникла из необходимости создания низких избыточных

Рис. 1. График распределения ок­ружных напряжений ав в модели оболочки вдоль образующей А—А (а) и вдоль параллели оболочки на рас­стоянии г = 40 мм от шва (б):

1 — расчетные; 2 — экспериментальные (Оном = 0,0235 МПа).

давлений в моделях. Отличительной особенностью нагрузочного при­способления было наличие ресивера с редуктором, а также двух ма­нометров, один из которых представлял собой ї/-образную стеклян­ную трубку, наполненную нейтральной жидкостью, для большей точности измерения избыточного давления. Схема нагружения моде­ли обеспечивала возникновение окружных напряжений ае = = 0,023 МПа и исключала появление осевых напряжений а2, что достигалось наложением компенсирующей нагрузки к торцевым за­глушкам оболочки.

«Замороженная» оболочка разрезалась на секторы. Результаты фотоупругого анализа при сквозном просвечивании «замороженной» картины напряжений в модели Ml представлены на рис. 1.

Особый интерес вызывает область, где концы ленты склеивались внахлест. Как видно, в зоне «нахлеста» распределение окружных напряжений имеет параболический характер, напряжения увели­чиваются при приближении к концам склеивающихся лент. Резуль­таты исследований модели М2, как и аналогичной модели Ml с уг­лом раствора нахлеста 12°, показали, что зона возмущения, вносимая нахлестом, уменьшается и имеет ярко выраженный локальный ха­рактер.

Анализ результатов показывает, что кольцо, имитирующее мо­нолитный шов, вносит сильное возмущение в основное напряженно^ состояние. Однако уже на расстоянии, равном пятикратной высотб кольца, окружные напряжения ста соответствуют расчетным.

Следует отметить, что модуль упругости кольца Eh, имитирую­щего сварной шов, в два раза больше модуля упругости материала оболочки^ т. е. Ей » 2Е0.

Из ленты материала ЭПСА шириной 8 см на предварительно из­готовленную заготовку диаметром 185 мм были плотно навиты трех­слойная модель оболочки М3 и пятислойная модель оболочки М4 без натяга. Общий вид модели показан на рис. 2. Обе модели оболоч­ки были «заморожены» при действии внутреннего давления. Заметим, что при «замораживании» был выбран метод, при котором торцы мо­дели М3 и М4 оболочек были свободными. Такой метод не препятство­вал проскальзыванию слоев моделей и исключал появление осевых напряжений а2.

Экспериментальные данные разности псевдоглавных напряжений °1 — °21 действующих в плоскости ZOQ, для пятислойной витой оболочки показаны на рис. 3. Фотоупругий анализ слоев произведен вдоль линии симмет­рии оболочек z = 0.

Проведенные эксперименты показывают,- что при навивке оболочек без контролируемого натяга, слои оболочек напряжены неравно­мерно. Поэтому дальнейшие исследования, по-видимому, целесообразно проводить с кон­тролируемым натягом, обеспечивающим опре­деленный зазор между слоями. Исследовано также напряженное состояние модели М5 свар­ной конструкции в виде сосуда, состоящего из двух оболочек — цельной и витой.

Витая часть оболочки представляла собой пятислой типа «Архимедова спираль», причем суммарная толщина слоев равна толщине стен­ки цельной части оболочки. Витая и цельная
части оболочки склеивались по торцам клеем холодного отвержде­ния, имитируя геометрические размеры сварного шва. Эскиз и размеры оболочки показаны на рис. 4.

Сплошная часть оболочки из­готовлена из материала ЭД-16М, витая — из ленты материала ЭПСА. Исследования напряжен­ного состояния модели проводи­лись методом «замораживания» деформаций.

Оптико-механические постоянные используемых материалов при температуре «замораживания» равной 135 °С приведены в табл. 2.

«Замораживание» модели оболочки под действием внутреннего давления проводилось по вышеизложенной методике. К торцам модели оболочки приклеивались заглушки, через которые переда­валась компенсирующая нагрузка РКОмп- Таким образом, витая часть модели представляла собой обечайку с «заваренными» торцами.

При нагружении внутренним давлением р в «замороженной» модели возникали окружные напряжения ан = 0,067 МПа. «Замо­роженную» модель разрезали на сектора, которые, в свою очередь, разрезались на меридиональные (плоскости rOZ) и радиальные срезы (плоскость Г00).