Оценка ресурса и надежности металлокомпозитных баков высокого давления Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Решетневскуе чтения. 2017

УДК 629.7.017

ОЦЕНКА РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫХ БАКОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

В. В. Москвичев*, А. М. Лепихин, А. Е. Буров

Институт вычислительных технологий СО РАН - СКТБ «Наука» Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 53 *E-mail: krasn@ict.nsc.ru

Представлены результаты анализа ресурса и надежности металлокомпозитных баков высокого давления, которые нашли широкое применение в аэрокосмической и авиационной промышленности.

Ключевые слова: ресурс, надежность, напряженно-деформированное состояние, композиты, баки высокого давления.

LIFETIME AND RELIABILITY OF METAL-COMPOSITE PRESSURE VESSELS

V. V. Moskvichev*, A. M. Lepikhin, A. E. Burov

Institute of Computational Technologies SB RAS - SDTB "Nauka" 52, Mira Av., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation

*E-mail: krasn@ict.nsc.ru

The article presents the results of analysis on lifetime and reliability of metal-composite pressure vessels that have found a wide application in aerospace and aeronautical industries.

Keywords: lifetime, reliability, stress-strain state, composites, high pressure vessels.

Полимерные композитные материалы (ПКМ) широко применяются в высоконагруженных конструкциях авиационной и ракетной техники, транспортных систем и космических аппаратов. Одним из перспективных направлений применения ПКМ является изготовление сосудов высокого давления. Эти сосуды должны иметь малую массу, высокую прочность и требуемую герметичность. Данные требования обеспечиваются при использовании металлокомпозитных баков высокого давления (МСОРУ). Такая конструкция содержит внутренний металлический лейнер и внешнюю композитную оболочку.

Обеспечение высоких требований прочности и надежности МКБВД можно осуществить на основе теоретических и экспериментальных исследований механики деформирования такой гибридной конструкции. Фундаментальные исследования в этом направлении были представлены в работах [1]. В данной работе представлены обобщающие результаты исследований ресурса и надежности МСОРУ, включающего лейнер из титанового сплава и композитную силовую оболочку, образованную методом непрерывной намотки угольных волокон, пропитанных эпоксидным связующим.

Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) баков выполнялся методом конечных элементов с использованием разработанных 3Б-моделей, отражающие особенности геометрических и деформационных характеристик этой конструкции.

Расчеты ресурса МСОРУ были выполнены на основе классических моделей малоцикловой усталости для металлического лейнера, циклической долговеч-

ности и ползучести композитного материала [2-4]. Ресурс определялся с учетом результатов численных расчетов напряженно-деформированного состояния. Ресурс композитной оболочки определялся по двум повреждающим факторам - деформаций ползучести и усталостных повреждений. Ресурс на стадии ползучести определялся с использованием эмпирических моделей [2], определяющих долговечность в виде зависимости деформации ползучести от уровня напряжений и времени нагружения. Расчет ресурса при циклическом нагружении композитной оболочки был выполнен с использованием модели Пальмгрена-Майнера [3]. Ресурс металлического лейнера определялся с учетом упруго-пластического характера деформирования. Для оценки ресурса была рассчитана диаграмма малоцикловой усталости в форме зависимости размаха деформации от числа циклов до разрушения [4].

Из результатов расчетов циклической долговечности композитной оболочки следует, что при уровне номинальных напряжений в композитной оболочке не превышающем 500 МПа ее долговечность составляет не менее 300-400 циклов нагружения.

Результаты расчета малоцикловой долговечности лейнера показали, что при рабочем давлении ресурс лейнера составляет около 130 циклов нагружения, а при давлении испытаний - порядка 70 циклов. При комбинации давлений в процессе испытаний допустимое число циклов нагружения не превышает 60. Если ввести запас по деформациям пе = 1,25, то число циклов нагружения МСОРУ не должно превышать 50.

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

Расчет надежности включал оценку двух компонент: надежности Я(0) на начало эксплуатации (конструкционная надежности) и надежности Я(/, ст) на стадии эксплуатации (функциональная надежность). Компонента Я(0) оценивалась с использованием стандартной модели «нагрузка - прочность» в предположении о нормальных законах распределения вероятностей значений нагрузки и прочности МСОРУ. Компонента Я(/, ст) определялась с использованием модели Феникса, основанной на Вейбулловской модели надежности [5]. Для учета влияния структурно-механической неоднородности МСОРУ в расчет вводилась эталонная мера М0, в пределах которой условия деформирования материала можно считать однородными. Тогда, при общем «масштабе» конструкции М, вероятность безотказной работы будет иметь следующий вид:

где / - срок эксплуатации; 4 - характерное время разрушения; стр - рабочие напряжения, соответствующие рабочему давлению Р; стс - нормативное напряжение разрушения; а, р - статистические параметры.

Результаты расчетов надежности Я(0) для конструкций МСОРУ с 7 и 9 слойной композитной оболочкой в зависимости от уровня напряжений показали, что при 7-слойной оболочке высокий уровень вероятности безотказной работы не ниже 0,999 обеспечивается при напряжениях не выше 650 МПа.

Для МКБВД с 9-слойной оболочкой указанный уровень надежности обеспечивается при напряжениях не выше 800 МПа. При заданных рабочих давлениях для рассматриваемых вариантов МСОРУ напряжения не превышают 500 МПа.

Экспериментальные исследования проводились на натурных образцах МСОРУ, выполненных в соответствии с требованиями конструкторской документации. Исследования включали испытания на прочность до разрушения при кратковременном статическом нагружении и ресурсные испытания при длительном статическом и циклическом нагружении внутренним пневматическим давлением. В процессе испытаний проводился акустико-эмиссионный контроль, а также контроль перемещений и герметичности. Испытания при длительном нагружении проводились при постоянном рабочем давлении.

Результаты экспериментальных исследований в целом подтвердили расчетные оценки. При статических испытаниях образцы МСОРУ показали высокую прочность с коэффициентом запаса выше требуемого по КД. При циклических испытаниях успешно выдержал предусмотренные нагрузки без образования повреждений и существенных изменений НДС.

Испытания MCOPV в течение 2,5 лет при статической нагрузке также не выявили заметных эффектов ползучести, изменений параметров НДС, недопустимых деформаций или нарушений герметичности.

Таким образом, расчетный анализ с использованием разработанных моделей и экспериментальные оценки свидетельствуют о высоких рабочих параметрах металлокомпозитных сосудов. Разработанная конструкция может рассматриваться как основа для создания серии баков различной емкости, для использования в космических аппаратах тяжелого, среднего и легкого классов.

Библиографические ссылки

1. Vasiliev V. V. Composite Pressure Vessels: Analysis, Design, and Manufacturing. Blacksburg VA: Ridge Publishing, 2009. 690 p.

2. Holcomb D. E., Cetiner S. M., Flanagan G. F. An Analysis of Testing Requirements for Fluoride Salt-Cooled High Temperature Reactor Components // ORNL, 2009. TM-2009/297. 73 p.

3. Derewonko A., Gieleta R. Carbon-epoxy composite fatigue strength - experiment and fem numerical estimation // Journal of KONES Powertrain and Transport, 2012. Vol. 19, № 3. P. 103-110.

4. Прочность конструкций при малоцикловом на-гружении / под ред. Н. А. Махутова. М. : Наука, 1983. 271 с.

5. Composite Overwrap Pressure Vessels: Mechanics and Stress Rupture Lifing Philosophy [Электронный ресурс]. URL: http://hdl.handle.net/2060/20070022369 (дата обращения: 20.11.2016).

References

1. Vasiliev V. V. Composite Pressure Vessels: Analysis, Design, and Manufacturing. Blacksburg VA: Ridge Publishing, 2009. 690 p.

2. Holcomb D. E., Cetiner S. M., Flanagan G. F. An Analysis of Testing Requirements for Fluoride Salt-Cooled High Temperature Reactor Components // ORNL, 2009. TM-2009/297. 73 p.

3. Derewonko A., Gieleta R. Carbon-epoxy composite fatigue strength - experiment and fem numerical estimation // Journal of KONES Powertrain and Transport, 2012. Vol. 19. No. 3. P. 103-110.

4. Prochnost' konstruktsii pri malotsiklovom nagruz-henii [Strength of Structures under Low-Cycle Loading] / N. A. Makhutov Eds. M. : Nauka, 1983. 271 p. (In Russ.)

5. Composite Overwrap Pressure Vessels: Mechanics and Stress Rupture Lifing Philosophy. Available at: http://hdl.handle.net/2060/20070022369 (accessed: 20.11.2016).

© Москвичев В. В., Лепихин А. М., Буров А. Е., 2017

R (t, ст) = exp

M ~Mn