Экспериментальное исследование устойчивости цилиндрических оболочек при ползучести Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Т О м VII 19 7 6

№ 3

УДК 539.384.4:621.031

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ

В. Т. Щербаков

Исследуется устойчивость точеных из материалов Д-16Т тонких цилиндрических оболочек в условиях ползучести при действии осевого сжатия, комбинированного нагружения осевым сжатием с внутренним давлением и программного нагружения осевой силой.

Из-за большой трудоемкости, сложности и продолжительности экспериментального исследования устойчивости цилиндрических оболочек в условиях ползучести при простом, программном и комбинированном нагружениях осевой силой и внутренним давлением, работы по устойчивости оболочек при ползучести весьма немногочисленны. Устойчивость при ползучести толстых цилиндрических оболочек (/?//г = 10-ь 90, где Я, к — соответственно радиус и толщина оболочки, сжатой в осевом направлении) исследовалась в [1, 2].

Для авиационных конструкций наиболее характерны тонкие оболочки. Такие оболочки имеют начальные несовершенства, существенно снижающие критическую нагрузку упругой потери устойчивости или критическое время устойчивости в условиях ползучести. Некоторые результаты испытаний на устойчивость тонких цилиндрических оболочек из легких сплавов (Д-16Т, Д-16АТ, Д-16М, АМГ-6Т) в условиях ползучести при осевом сжатии имеются в работах [3 - 5].

Целью настоящего исследования явилось накопление экспериментальных данных по устойчивости тонких оболочек при нагревании в условиях ползучести при различных условиях нагружения (сжатие постоянной нагрузкой, комбинированное действие сжатия и внутреннего давления, программное изменение осевой нагрузки). В тех же условиях нагревания оболочки испытывались на устойчивость при быстром нагружении.

Для расчета оболочек на устойчивость в условиях ползучести необходимо вводить в расчетную схему некоторые начальные прогибы [6]. Для правильного суждения о величинах этих прогибов необходимо иметь данные испытаний оболочек при мгновенном нагружении [7]. Данные по испытаниям в условиях ползучести необходимы для проверки правильности принятой расчетной модели.

В качестве образцов для испытаний служили тонкие (к = 0,47 -Ь- 0,51 мм, /?/Л=175, 1 = 425 мм) точеные из труб (Д-16Т) оболочки. Качество их изготовления контролировалось измерением толщины и начальных прогибов. Толщина оболочки измерялась в 80 точках (в 10 точках по длине оболочки и в 8 поперечных сечениях). Такое количество измерений связано с тем, что при испытаниях оболочка теряет устойчивость по ромбическим вмятинам с диагоналями 40 — 60 мм по длине и 50 — 70 мм по окружности, так что локальное изменение толщины в таких зонах может повлиять на критическую нагрузку или критическое время. Отклонение толщин, приведенных в табл. 1 и 2, от среднего значения не превышало ± 0,005 мм, кроме оболочки 31, где отклонение составило

Таблица 1

Таблица 2

Номер оболоч- ки Л, мм Р я, даН/см2 <7*

1 0,50 0.58 0 0

2 0,50 0,54 0 0

3 0,48 0,53 0 0

4 0,50 0,60 0,2 0,020

5 0,49 0,59 0,4 0,038

6 0,50 0,62 0,4 0,038

7 0,50 0,60 0,6 0,057

8 0,50 0,62 0,6 0,057

9 0,50 0,65 0,8 0,076

10 0,50 0.64 0.8 0,076

11 0,48 0,67 1,0 0,112

12 0,50 0,64 1,5 0,14

13 0,50 0,70 1,5 0,14

Номер оболоч- ки к, мм Р 9) 2 а Г - сз О ЕС *■ і, с ЄП Р\

14 0.50 0,579 _ __

15 0,50 0,615 — — — — —

16 0,50 0,549

17 0,50 0,319 — — 9000 0,330 —

18 0,50 0,376 — — 3300 0,230 —

19 0,50 0,430 — — 1212 0,198 —

20 0,51 0,400 — — 5400 0,215 —

21 0,50 0,376 — — 1200 0,223 —

22 0,50 0,485 — — 360 0,091 —

23 0,50 0,485 — — 180 0,05 —

24 0,50 0,69 1.0 0,104 — — —

25 0,52 0,65 1.0 0,096 — — —

26 0,47 0,64 1,0 0,126 1500 0,04 —

27 0,48 0,62 1.0 0,120 1980 0,03 —

28 0,48 0,42 1.0 0,112 4200 0,43 —

29 0,47 0,50 1.0 0,117 2220 0,18 —

30 0,48 0,48 1,0 0,112 1680 0,23 —

31 0,50 0,47 1,0 0,104 3240 0,32 —

32 0,50 0,320 — — 4200 0,300 0,40

33 0,51 0,307 — — 1980 0,148 0,55

34 0,51 0,307 — — 2400 0,055 0,58

35 0,51 0,307 — — 3000 0,14 0,57

более +0,010 мм. Для этой оболочки критическое время устойчивости при ползучести оказалось существенно меньшим, чем для других оболочек.

Начальные прогибы измерялись индукционным датчиком с прибором, записывающим начальные прогибы на ленту. Оболочка устанавливалась на токарном станке, датчик ставился вместо резца.

При измерении отклонений по образующей оболочка была неподвижна, перемещался датчик. При измерении по окружности датчик оставался неподвижным — поворачивалась оболочка. Вид начальных прогибов, измеренных по длине оболочки, приведен на фиг. 1. Характерны одна-две полуволны по длине оболочки с амплитудой порядка толщины и наложенные на них волны с меньшей амплитудой (0,1—0,2Л) и длиной вмятины 50 — 70 мм. Отметим, что именно по этим полуволнам оболочка теряет устойчивость.

Испытания проводились на установке, принципиальная схема которой приведена на фиг. 2.

Установка состоит из систем нагружения, нагревания, измерения деформаций и нагрузки, автоматического поддержания заданной температуры.

Оболочка 11 устанавливается между нагревательными цилиндрами 10 и закрывается раздвижной печью с боковыми нагревателями 12. Нагрузка передается на оболочку от сменяемого груза 5 и пневмомембраны системы 3 через рычаг 7, нажимной цилиндр и центрирующее устройство 9. Верхний и нижний цилиндры спроектированы с учетом испытания оболочек с внутренним давлением. Для этого предусмотрены специальные зажимы торцевых шпангоутов оболочки с герметичными прокладками и системой подачи давления в оболочку. Центрирующее устройство 9 позволяет нагружать оболочку без изгиба, создавая равномерно распределенную по окружности нагрузку. Центрирующее устройство представляет собой шаровую опору, которая устанавливается по показаниям четырех часовых индикаторов.

Измерительная система состоит из индукционного датчика со вторичным прибором 8, автоматически записывающим среднее сближение торцов; четырех индикаторов часового типа, установленных по окружности и контролирующих перемещение (укорочение) оболочки; динамометра 6, измеряющего усилие, передаваемое на оболочку; пневмосистемы 3 и восьми термопар, установленных по окружности и длине оболочки. Пневмосистема 3 включает в себя пневмо-

мембрану 4, развивающую усилие до 200 даН, манометры 2, измеряющие давление воздуха, подаваемого на пневмомембрану, и внутреннее давление в оболочке, редукторы давления 1 с плавным регулированием давления воздуха на выходе. Система автоматического управления 13 по показаниям термопар регулирует температуру оболочки посредством включения — выключения основных нагревательных элементов 14 и вспомогательных боковых нагревателей 12. Все оболочки испытывались в условиях ползучести при температуре Т—Ъ23 К (£=5735 даН/мм2, (л. = 0,42), кроме оболочек 26 и 27, испытанных при 7 = 543 К. Разброс температуры по окружности и по образующей оболочки не превышал 1—2%.

При длительных испытаниях в условиях ползучести оболочка нагружается с помощью сменяемого груза 5. При испытаниях с догружением или при кратковременных испытаниях нагружение оболочки осуществляется пневмосистемой 3 плавным изменением давления в пневмомембране с помощью редуктора давления. Перед испытаниями установка градуировалась при различных положениях рычага 7 с помощью динамометра, который ставился вместо оболочки.

Для определения критической нагрузки при комнатной температуре тринадцать оболочек были испытаны при осевом сжатии с внутренним давлением без нагревания. При одном и том же внутреннем давлении испытывалось по две оболочки. В исследуемом диапазоне внутреннего давления 9 критическая нагрузка сжатия при потере устойчивости увеличивается. Все оболочки теряли устойчивость .хлопком". С увеличением параметра внутреннего давления д* увеличивается число вмятин по окружности с 6—7 до 10—11, которые вытягиваются по окружности. Результаты испытаний представлены в табл. 1, где

р = о/ое; <7* = 2 дф/Ек2;

а = Рэ/2лЯЛ; ае = £й//3(1—|х2)/?; -

РЭ = Р— ъ№4.

Здесь Ръ — осевая сила при потере устойчивости в эксперименте, Р—усилие, передаваемое на оболочку от рычага 7, Е и ц.— модуль упругости и коэффициент Пуассона соответственно.

& мм

2,* W 1J 06

Г

Г

J

0 16 32

t,c

Р О,В

0,5

0,3

0,2.

/ i о /о

/>

Л / я ? ° ■ о

/• •/ 4 + а • Ъ & С о d в е

ом

Фиг. 3

Фиг. 4

На устойчивость в условиях ползучести было испытано 10 оболочек при осевом сжатии без внутреннего давления. Три оболочки 14—16 нагружались в течение 5 с до потери устойчивости. Остальные оболочки этой партии испытывались на устойчивость при постоянной нагрузке сжатия, составляющей некоторую часть от нагрузки потери устойчивости при быстром нагружении.

На фиг. 3 представлена диаграмма сближения торцов одной из испытанных оболочек в условиях ползучести. Первый участок диаграммы соответствует укорочению оболочки при упругом нагружении, второй—увеличению деформаций ползучести при постоянной нагрузке (по нему вычислялась безразмерная критическая деформация ползучести еп, как в [4]), и третий участок соответствует резкому укорочению оболочки, связанному с потерей устойчивости.

Результаты испытаний представлены в табл. 2 и на фиг. 4 в виде зависимости полной безразмерной критической деформации г от безразмерного осевого напряжения р, где

Е = Еэ/£е; ев = А//?УЗ(1 —t*.2)! £э = “g" -f £п •

Точки а на фиг. 4 соответствуют оболочкам, испытанным при быстром нагружении, Ь — оболочкам, испытанным в условиях ползучести при постоянных усилиях сжатия р = const.

Можно отметить, что с уменьшением осевой нагрузки критическая деформация или критическое время устойчивости оболочек в условиях ползучести существенно увеличивается.

Восемь оболочек испытаны на устойчивость при ползучести под действием осевого сжатия и внутреннего давления.

После нагревания оболочки подавалось внутреннее давление, затем прикладывалась осевая нагрузка. Оболочки 24 и 25 (точки с на фиг. 4) быстро нагружались до потери устойчивости, остальные (точки d) испытывались на устойчивость при ползучести с осевыми нагрузками, составляющими части нагрузки упругой потери устойчивости, и при параметре внутреннего давления =0,11. Результаты испытаний представлены на фиг. 4 и в табл. 2. Видно, что внутреннее давление существенно увеличивает критическую деформацию и критическое время оболочки в условиях ползучести.

При программном нагружении были испытаны четыре оболочки 32 — 35 с простейшей программой изменения осевой нагрузки. Нагретая оболочка быстро нагружалась до р = 0,307, выдерживалась в условиях ползучести до накопления некоторой деформации ползучести еп, затем быстро догружалась до потери устойчивости при некоторой нагрузке рх. Результаты испытаний представлены на фиг. 4 точками е и приведены в табл. 2. Критические деформации, соответствующие оболочкам, потерявшим устойчивость при догрузке (точки е),

больше критических деформаций оболочек, испытанных при постоянной нагрузке (точки Ь). Величина догрузки существенно падает только при накоплении оболочкой значительной деформации ползучести.

Все оболочки как при кратковременном нагружении, так и при ползучести теряли устойчивость резко, .хлопком", с образованием нескольких поясов ромбовидных вмятин по окружности в средней части оболочки, далеко от торцов.

06'

•• о

ол

0,2

’ 0 2000 4000 6000 8000 t,C

Фиг. 5

Ш • - * ? 7 I 1 1 1 I 1

• ! !• _i_j 9 •' 1 . j •

J О 2000 ШО 6000 3000 i,C

■ Фиг. 6

На фиг. 5 и 6 представлены результаты испытаний в виде зависимостей критического времени от осевой нагрузки. Обозначения на этих фигурах соответствуют обозначениям испытанных оболочек (см. фиг. 4). Как и следовало ожидать [8], разброс по критическому времени оболочек существенно больше, чем по критическим деформациям.

Таким образом, критическая деформация для тонких цилиндрических оболочек, работающих в условиях ползучести, зависит от уровня сжимающей нагрузки, внутреннего давления и программы изменения осевой силы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Gerard G., Gilbert А. С. A critical strain approch to creep buckling of plates and shells. IAS, vol. 25, № 7, 1958.

2. P a p i r n о R. and Goldman R. Experimental creep buckling of aluminium cylinders in axial compression. J. Experimental Mechanics, vol. 9, № 8, 1969.

3. Кузнецов А. П., ЮнгерманН. М. Экспериментальное исследование устойчивости оболочек в условиях ползучести. ПМТФ, 1965, № 4.

4. Баранов А. Н., Морозов М. А. Экспериментальное исследование критической деформации цилиндрических оболочек в условиях ползучести. „Изв. АН СССР. МТТ", 1971, № 1.

5. Огибалов П. М., Грибанов В. Ф. Термоустойчивость пластин и оболочек. М., Изд-во МГУ, 1968.

6. К у р ш и н Л. М. О влиянии начальных прогибов на устойчивость цилиндрической оболочки при сжатии в условиях ползучести. Тр. VII Всес. конф. по теории оболочек и пластинок (Днепропетровск, 1969). М., „Наука", 1970.

7. Куршин Л. М., Щербаков В. Т. Расчет устойчивости сжатых цилиндрических оболочек при ползучести. Сб. .Теория оболочек и пластин". Труды VIII Всес. конф. по теории оболочек и пластин (Ростов-на-Дону, 1971). М., Наука", 1973.

8. Ра б от нов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций. М., „Наука", 1966.

Рукопись поступила 8\Х 1974