CC BY
21
УДК 536.24!
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КОНСТРУКЦИЮ ИЗ ОРГАНОПЛАСТИКА
© 2010 г. В.А. Москаев, О.А. Губеладзе
Ростовский военный институт ракетных войск
Rostov Military Institute of the Rocket Troops
Представлен расчетно-теоретический метод исследования тепловых процессов в цилиндрической конструкции из органопластика при действии теплового источника и после прекращения его работы. Получена экспериментальная температурно-временная зависимость начала деструкции образцов из исследуемого материала.
Ключевые слова: температурное поле; конструкция из органопластика.
Сomputational-theoretical method of investigating the thermal processes in a cylindrical construction from the organoplastic under the effect of thermal source and after the curtailment of its work is represented in the article. The experimental temperature-time dependence of the models destruction beginning made from the material being investigated is obtained.
Keywords: temperature field; construction from the organoplastic.
Основным классом материалов, удовлетворяющих таким жестким, часто противоречащим друг другу требованиям, как обеспечение минимальной массы конструкций, максимальной прочности, жесткости и долговечности при работе в тяжелых условиях нагру-жения (в том числе при высоких температурах) являются полимерные композиционные материалы [1]. Известно, что определение и оценка качества, безопасности, надежности эксплуатации изделий и конструкций из армированных пластиков в различных отраслях промышленности высокоэффективны на основе анализа их температурных полей. Это обусловлено тем, что либо функционирование объектов связано с температурными режимами, либо их внутренняя структура оказывает заметное воздействие на характер наведенного температурного поля. По анализу его аномалий можно судить об изменениях внутренней структуры, теплофизических характеристик материала в целом или его отдельных зон. Большинство изделий из полимерных композиционных материалов, изготовленных методом намотки, имеют цилиндрическую форму поверхности [2]. В статье исследуется конструкция, представляющая собой цилиндрическую тонкостенную оболочку из органопластика с внутренним радиусом гвн, длинной l » гвн .
Материал оболочки характеризуется удельной теплоемкостью c, коэффициентом теплопроводности X, плотностью р. Вводится цилиндрическая система координат с центром на оси симметрии цилиндра, а дифференциальное уравнение имеет следующий вид:
dT ( r, х)
с р-= X
dr
d2T (r, х) 1 dT (r, х)
dr2
dr
л dT (ГВН. T) / Ч -^-= Чн (т) >
dr
где гн - радиус внешней поверхности; чн (т) - удельный тепловой поток на внешней поверхности q = = 30000 Вт/м2 .
Решение уравнения найдено с использованием конечного интегрального преобразования Ханкеля для Чн = const [3]:
T ( r, х)-To = ^ "
1 н 2 2 X I r — r
2Fo—4
(
..2 j
r
1 — 2 "Y
r
V н /
2
r
ln-+ -
22 r — r
r 3 -ln^ + -
+1-
J ^ „"h j J (ц „ )
ц„ J12U„"BH|—J2(ц„)
Jn
—I^Ц^
expl —ц
(—Ц 2 Fo ),
ах
где F0 = —— - число Фурье; J0 и J1 - функции Бес-
rl
селя нулевого и первого порядка соответственно; Y0 и Y1 - функции Неймана нулевого и первого порядка; М- п = У пгвн - корни характеристического уравнения
Краевые условия: T (r,0) = To (r):
dT ( гвн, х)
X-= 0;
dr
f " ^
Yi (ц„ ) = Y!
Г " ^
Ji (ц„ ).
r
r
+
4
r
r
r
н
r
r
M-
M-
n
n
r
r
н
н
н
r
r
н
н
r
M-
M-
n
n
r
r
н /
н /
Пусть в некоторый момент времени т действие теплового источника прекратится, тогда решение будет иметь вид
.2 Г л( 2 Л
Т (r, т)- To = q- rH
2 2 r - r
2F -1 2Fo 4
r
1 - 2 T
r
V H у
r
ln-+
22 r„ - r„„
r 3 .InlSL + -
+E—
Цп j2 U ^1-J2 (ц„)
Ц nr
V H У
Y1
Y
Jl
22 r -r
exP (-ЦnFo )
(т-т')
a |т-т') 1
r 2 ^
1 - 2 "Г
r
V н у
- (1)
„2 (
r
ln-+
22 r„ - r„„
r 3 -ln^ + -r„ 4
+E—
я J1 (^J1
Ц« J2 U ^ I-J2 (ц« )
n
r
V H у
- Y
r
Ц nr
V н у
J1
r
exp
a (т-т')
U
(т-т') ■
конструкции из органопластика при ее одностороннем нагреве позволяет оценить количественно степень прогрева материала конструкции в зависимости от толщины стенки конструкции. При толщине стенки элемента 5 = 10 мм температурное поле на внешней поверхности стенки полностью распространяется в образце до внутренней поверхности стенки, в отличие от второго случая (5 = 20 мм), когда при большей продолжительности нагрева внешней поверхности на внутренней стенке изменений температуры практически нет. Также можно получить картину изменения температурного поля после прекращения высокотемпературного воздействия
Т., "С Тв, °С
860 т = 180 с
118
43 6
706 т = 120 с
447 т = 60 с
внутр. Т., °С
Тв, °С
930 т = 240 с 674 т = 120 с 425 т = 60 с
внутр.
Здесь и I л - ступенчатая функция, равная ну-
+Гт )
лю при действии qн и единице после прекращения действия источника тепловыделений. Данное решение позволяет учесть распространение тепла в исследуемом объекте после действия теплового потока.
Органопластик обладает довольно высокой механической прочностью и низкими значениями коэффициента теплопроводности. Он широко используется для изготовления элементов конструкции, которые в процессе функционирования подвергаются воздействию интенсивного одностороннего нагрева. При этом температурное поле оказывается существенно переменным по толщине элемента конструкции.
Результаты расчета температурного поля в элементе конструкции из органопластика толщиной стенки 5 = 10 мм и 5 = 20 мм представлены на рис. 1.
Из рис. 1 видно, что предлагаемая формула (1) для исследования тепловых процессов в цилиндрической
б
Рис. 1. Распределение тепла в материале стенки конструкции: а - толщина стенки образца 5 = 10 мм; б - толщина стенки образца 5 = 20 мм
В таблице приводятся исходные данные для расчета высокотемпературного влияния на цилиндрический образец из органопластика (состоит из наполнителя - ткань из волокон СВМ, и эпоксидианового связующего - ЭДТ-10), обладающего высокой адгезионной прочностью порядка 57 МПа.
Исходные данные для расчета высокотемпературного влияния на цилиндрический образец из органопластика
qн, кВг/м2 r 'н > м r, вн ' м X , Вт/ (м • К) Р , кг/м3 с, Дж/ (кг • К) Т., °С
30 1,01 0,99 (1,00) 0,18 1300 1200 0
r
r
+
4
r
r
r
H
r
r
Ц
0
n
r
V н У
H
r
Ц n
Ц
n
r
н у
q
r
н
r
н
4
r
а
r
+
r
r
r
r
Ц
0
n
r
ну
н
7
Ц
Ц
n
r
ну
r
С целью выявления начала времени деструкции органопластика, были проведены экспериментальные исследования по воздействию на 28 образцов из данного материала размерами 25*25*10 мм горячего воздуха различной температуры: 250, 280, 300, 360 °С. Суть эксперимента состояла в регистрации температуры на поверхностях контролируемого изделия пирометром MiniTemp МТ6, при воздействии на них тепловых потоков разной мощности, при которых фиксировался момент времени начала деструкции связующего материала образцов. При этом возникали микротрещины, ослабляющие несущую способность конструкции. По результатам экспериментов строятся кривые зависимости между средней температурой нагрева 7 образцов для каждого температурного режима и временем возникновения микротрещин, при постоянной скорости потока горячего воздуха V = 8,6 м/с (рис. 2).
Рис. 2. Температурно-временная зависимость начала деструкции образцов из органопластика
Поступила в редакцию
Анализ результатов эксперимента показал, что полученная зависимость имеет высокий коэффициент корреляции, что свидетельствует о возможности их использования для дальнейшего успешного развития механики разрушения органопластика при термическом нагружении.
Зависимость времени разупрочнения органопластика в условиях одностороннего нагрева от температуры внешней поверхности стенки, а следовательно, и от степени прогрева материала является эффективным показателем, пригодным для сравнительной оценки органопластиков, предназначенных для изготовления теплонапряженных элементов различных конструкций, и может быть использована для предопределения расчетным путем степени разупрочнения таких конструкций в процессе эксплуатации.
Литература
1. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы: учеб. пособие. М., 2006. 400 с.
2. Будадин О.Н. Тепловой неразрушающий контроль изделий: Научно-методическое пособие / О.Н. Будадин [и др.]. М., 2002. 472 с.
3. Сахабудинов Р.В., Губеладзе О.А. Научно-методические основы обеспечения физической защиты ядероопасных объектов. Ростов н/Д, 2006. 153 с.
29 марта 2010 г.
Москаев Вячеслав Александрович - адъюнкт, кафедра «Материаловедение и ремонт вооружения», Ростовский военный институт ракетных войск. Тел. (863) 227-10-53. E-mail: moskaev82@mail.ru
Губеладзе Олег Автондиннович - канд. техн. наук, кафедра «Конструкция ракет», Ростовский военный институт ракетных войск. Тел. 89034316943.
Moskaev Vyatcheslav Alexandrovich - adjunct, department «Material Competence and Repair of Rocketry Arms», Rostov Military Institute of the Rocket Troops. Ph. (863) 227-10-53. E-mail: moskaev82@mail.ru
Gubeladze Oleg Avtondinnovich - Candidate of Technical Sciences, department «Rockets Construction», Rostov Military Institute of the Rocket Troops. Ph. 89034316943._
