CC BY
22
КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ. Проектирование и конструкция судов
DOI.org/10.5281/zenodo.2578679 УДК 62-1/9
М.Н. Мищенко, А.А. Ратников, В.Э. Осуховский
МИЩЕНКО МАКСИМ НИКОЛАЕВИЧ - адъюнкт, e-mail: kaiser25@yandex.ru Кафедра радиоэлектронного оборудования морской авиации военно-морского флота ОСУХОВСКИЙ ВАЛЕРИЙ ЭДУАРДОВИЧ - д.ф.-м.н., профессор, e-mail: gon@ich.dvo.ru
Кафедра физики и общетехнических дисциплин
Тихоокеанское высшее военно-морское училище имени С.О. Макарова
Камский переулок, 6, Владивосток, 690062
РАТНИКОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ - заведующий лабораторией кафедры
механики и математического моделирования Инженерной школы,
e-mail: ratnikov.aa@dvfu.ru
Дальневосточный федеральный университет
Суханова ул., 8, Владивосток, 690091
Модернизация технологического процесса изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита с помощью экспериментальной установки
Аннотация: Представлено описание авторской экспериментальной установки для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита методом центробежного литья, созданной для отработки технологии создания и стандартизации оборудования для мелкосерийного производства цилиндрических оболочек различных размеров. Эти оболочки являются основным конструктивным элементом прочных корпусов подводных аппаратов. Для уточнения объема программы исследований прочностных свойств цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита методами конечно-элементного моделирования рассмотрено напряженно-деформированное состояние оболочек под нагружением при различных вариантах их геометрии.
Ключевые слова: стеклометаллокомпозит, цилиндрическая оболочка, прочный корпус, метод центробежного литья.
Введение
Совершенствование существующих и создание новых образцов техники двойного применения, предназначенных для работы на больших глубинах, требует использования принципиально новых конструкционных материалов с существенно улучшенными эксплуатационными характеристиками. Существующие прочные корпуса из традиционно использующихся дорогостоящих материалов, таких как титан, не отвечают сегодняшним требованиям эффективности по параметрам плавучести. Материалом, существенно улучшающим эксплуатационные характеристики глубоководной техники и соответствующим современным требованиям эффективности, является новый композиционный материал на основе стекла -стеклометаллокомпозит (СМК).
© Мищенко М.Н., Ратников А.А., Осуховский В.Э., 2019 О статье: поступила: 24.01.2019; финансирование: бюджет ДВФУ и ТВВMУ.
Этот материал, разработанный профессором В.В. Пикулем, состоит из стеклянного слоя, заключённого между металлическими облицовками. В процессе его изготовления обеспечивается надежное соединение стекла с металлом, создаются необходимые условия для формирования стеклянного слоя без поверхностных микротрещин.
Механическая прочность стекла во много раз меньше теоретической, которая рассчитана по силам взаимодействия отдельных молекул и атомов в стекле. Потеря прочности вызывается наличием дефектов структуры пространственной решетки, внутренней негомогенностью, наличием пузырей, свилей, трещин, царапин. Однако главной причиной падения прочности являются поверхностные микротрещины, которые образуются при охлаждении стекла на воздухе [1, 5].
Рис. 1. Поперечное сечение усреднённого стилизованного необитаемого подводного аппарата.
Для обеспечения прочного соединения стекла и металла, способствующего удалению микротрещин в поверхностном слое стекла, разработан способ, основанный на использовании метода центробежного литья [6].
В разъёмную форму центрифуги помещают металлическую цилиндрическую оболочку, являющуюся внешней облицовкой, внутренняя поверхность которой подготовлена для соединения с высокотемпературным расплавом стекла. Далее при работающей центрифуге во внутреннее пространство внешней облицовки подается расплав стекломассы и формируется внутренний слой СМК. Затем на этот стеклянный слой выливают расплав алюминия, из которого формируется внутренняя металлическая облицовка. Таким образом, создается цилиндрическая оболочка из СМК, которая является одним из самых распространенных конструкционных элементов в технических изделиях (рис. 1). Она составляет основу прочных корпусов глубоководной, ракетной и трубопроводной техники.
Экспериментальная установка
Для проведения исследований по отработке технологических режимов изготовления слоистых оболочек цилиндрической формы «металл-стекло-металл» методом центрифугирования создана линейка лабораторных установок. В работах [3, 2] описана экспериментальная установка, реализующая технологию изготовления оболочек из СМК при горизонтальной заливке стекломассы и скорости вращения центрифуги до 2000 об/мин. В качестве материала для металлических облицовок выбраны сплавы алюминиево-магниевый АМг-2М или алюминиево-марганцевый АМцМ, как наиболее легкие и пластичные материалы, позволяющие получить наименьшую плотность СМК для обеспечения достаточной плавучести, требуемой для работы подводных аппаратов на больших глубинах.
В то же время показано [6], что улучшение характеристик плавучести оболочек из СМК за счет повышения прочности этого материала до уровня теоретической требует совершенствования экспериментальной установки и технологического процесса с тем, чтобы исключить возникновение дефектов в процессе формирования оболочек.
Цель данной работы - представить разработанную авторами модернизированную установку с вертикальным способом заливки стекла для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита. Мы полагаем, что эта установка позволит усовершенствовать технологию создания и стандартизации оборудования для мелкосерийного производства цилиндрических оболочек различных размеров из СМК - базовых элементов прочных корпусов подводных аппаратов
В изготовленной нами экспериментальной установке для заливки стеклянного слоя скорость вращения центрифуги достигает 6000 об/мин, что создает прижимную силу, на два порядка превышающую силу тяжести и упрочняющую стеклянный слой и диффузионную область в процессе остывания высокотемпературного расплава. Для этих же целей в установке обеспечивается строго вертикальное положение оси вращения изложницы в момент заливки стекла. Схема (поперечное сечение) рассматриваемой экспериментальной установки представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема экспериментальной центрифуги, поперечное сечение: 1 - верхний стыковочный узел; 2 - внешняя металлическая облицовка СМК; 3 - изложница; 4 - корпус центрифуги; 5 - нижний стыковочный узел
Внутренние размеры изложницы определяют внешние размеры оболочек: 280 мм по высоте и 180 мм в диаметре (рис. 3).
Рис. 3. Цилиндрическая оболочка из СМК в разрезе: 1 и 2 - внешняя и внутренняя алюминиевые оболочки соответственно; 3 - внутренний стеклянный слой
Верхний и нижний стыковочные узлы предназначены для надежной фиксации изложницы с образцом внутри корпуса центрифуги.
На рис. 4 представлена схема верхнего стыковочного узла.
Рис. 4. Схема верхнего стыковочного узла, поперечное сечение:
1 - венечное упорно-страховочное кольцо; 2 - верхнее опорное конусное кольцо;
3 - внутренняя обойма верхнего подшипника;
4 - картридж верхнего подшипника; 5 - венечное прижимное кольцо.
Венечное упорно-страховочное кольцо благодаря резьбовому соединению (рис. 4) с деталью 2, верхним опорным конусным кольцом прижимает внутреннюю подвижную обойму верхнего опорного подшипника, предотвращая возможный его сход с места, и обеспечивает удобство заливки расплава в ручном режиме благодаря форме своего исполнения. Верхнее опорное конусное кольцо предназначено для удержания изложницы в верней части корпуса центрифуги. Изложница и кольца держатели, верхнее (рис. 4, деталь 2) и нижнее (рис. 5, деталь 2), выполнены со сторон соединения с изложницей конусными для реализации эффекта самоцентрования при вращении. Между вращающейся группой: изложница-опорные конусные кольца и статично закреплённым корпусом центрифуги имеется полость для циркуляции охлаждающих воздушно-капельных смесей. Опорные нижнее и верхнее конусные кольца выполнены удлинёнными для того, чтобы предотвратить поступление тепла к подшипникам и оградить последние от перегрева. Через отверстие, образованное деталями верхнего стыковочного узла, удобно производить заливку расплавов при расположении центрифуги в вертикальном положении с использованием специальных вспомогательных заливочных горловин.
На рис. 5. представлена схема нижнего стыковочного узла.
Рис. 5. Схема нижнего стыковочного узла, поперечное сечение: 1 - крышка изложницы конусная нижняя; 2 - нижнее опорное приводное конусное кольцо; 3 - внешняя обойма нижнего подшипника; 4 - картридж нижнего подшипника;
5 - нижнее прижимное кольцо.
Нижний стыковочный узел (см. рис. 5) к тому же предназначен для передачи вращения и сообщения этого вращения изложнице. Также в данной центрифуге применён иной принцип сообщения вращения изложнице - через конусное сочленение. Общий вид центрифуги представлен на рис. 6.
Рис. 6. Фотография общего вида экспериментальной центрифуги.
Для организации мелкосерийного производства предлагается комплекс, состоящий из двух центрифуг, что позволяет при однократном нагреве печи подготовить расплавы металла и стекла для изготовления внешней алюминиевой оболочки и стеклянного слоя в СМК. Такой подход дает возможность повысить эффективность процесса изготовления оболочек и снизить его энергоемкость. При этом в усовершенствованной установке, в отличие от предыдущей, реализован вертикальный способ заливки стекла, что позволяет избежать остывания расплава во время процесса и добиться равномерного растекания стекла по внутренней поверхности металлической облицовки.
Описанная линейка из двух установок позволяет проводить одновременно заливку двух оболочек в указанных габаритах при различных скоростях вращения изложницы и одновременном нагреве расплавов в печи. Повышение энергоэффективности литья оболочек достигается также за счет последовательного использования теплопотерь печей плавки металла и стекла на предварительный нагрев изложницы. Использование охлаждаемого подвеса уменьшает теплопередачу в узел подвеса, минимизирует возможность ударов и вибраций, позволяет использовать для производства изложниц стандартный трубопрокат.
Для оптимизации возможных испытаний необходимо провести предварительное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния оболочек из СМК под полным нагружением внешним давлением.
Моделирование нагружения оболочки
В работе [3] на базе физически состоятельной теории оболочек разработана математическая модель деформирования слоистой цилиндрической оболочки из стеклометаллоком-позита в процессе ее изготовления. Задача термодеформирования решена с использованием
фундаментальных уравнений механики деформируемого твердого тела и гипотез теории оболочек. Найдено аналитическое решение задачи по определению остаточных напряжений в трехслойной цилиндрической оболочке из СМК. В результате анализа установлено, что остаточные напряжения на границах сопряжения слоев существенно меньше разрушающих, что обеспечивает достаточный резерв прочности для практического применения цилиндрических трехслойных оболочек из СМК в качестве базовых элементов прочных корпусов глубоководных аппаратов.
Расчеты напряжений, возникающих в цилиндрической части корпуса при эксплуатации подводного аппарата, выполненные согласно [2], дают усредненные значения по толщине каждого слоя. При этом значения продольных и окружных напряжений в металлических слоях оказываются одинаковыми, а изменениями толщин слоев приходится пренебрегать с целью упрощения математической модели. В табл. 1 представлены рассчитанные значения напряжений в зависимости от глубины погружения.
Таблица 1
Напряжения в слоях цилиндрической оболочки из СМК
Глубина погружения, м Оц в металле, МПа о11 в стекле, МПа о22 в металле, МПа о22 в стекле, МПа
3 000 -115 -132 -194 -253
6 000 -221 -254 -374 -430
9 000 -338 -388 -567 -652
Таблица 1 иллюстрирует, что даже на предельной глубине погружения предварительно найденные напряжения не превышают предел прочности материалов, в которых они возникают, но дают очень грубую картину напряженного состояния аппарата.
С целью проведения более точного анализа напряженно-деформированного состояния оболочки под действием внешнего давления было выполнено конечно-элементное моделирование нагрузок в трехслойной оболочке из СМК в пакете АКБУБ. Была создана геометрическая модель прочного корпуса подводного аппарата, состоящая из цилиндрической части и полусферических днищ. Внутренний диаметр всех элементов - 150 мм. Состав слоев: внутренняя облицовка - 1 мм (алюминий В-95), промежуточный слой - 8 м (стекло), наружная облицовка - 3 мм (алюминий В-95). Модуль упругости облицовок - 71 ГПа, коэффициент Пуассона - 0,3; модуль упругости стекла - 80,7 ГПа, коэффициент Пуассона - 0,25.
Расчет прочного корпуса произведен с помощью конечного элемента 80Ь8И190 для глубин погружения 3, 6 и 9 км. SOLSH190 используется для моделирования корпусных конструкций с широким диапазоном толщины, который позволяет описать деформацию материала с учетом пластичности, ползучести, жесткости, большими перемещениями и деформациями. Данный элемент образован восемью узлами, каждый из которых имеет три степени свободы, таким образом, соединение SOLSH190 с другими элементами не требует дополнительных усилий. Элемент SOLSH190 может использоваться для многоуровневых приложений, таких как моделирование слоистых оболочек или сэндвич-конструкций. Точность в моделировании составных оболочек определяется теорией сдвиговой деформации первого порядка (также известной как теория оболочек Миндлина-Рейсснера).
На рисунках 7-9 показано распределение меридиональных, радиальных и окружных напряжений по толщине оболочки.
Дополнительные расчеты показали, что решения, полученные с использованием элементов 80Ь8И190 и Б0ЬГО185, для данной задачи совпадают.
Как следует из представленных графиков, напряжения растут с глубиной погружения, и наибольшими напряжениями на каждой глубине являются окружные, которые на внутренней облицовке корпуса больше, чем на внешней, и достигают своего максимального значения в среднем (стеклянном) слое корпуса.
Рис. 7. Распределение напряжений при погружении на 3000 м.
Рис. 8. Распределение напряжений при погружении на 6000 м.
Рис. 9. Распределение напряжений при погружении на 9000 м.
Расчеты в пакете ANSYS показывают значения сжимающих напряжений, близкие к приведенным в табл. 1, и дают более полную картину их изменения по толщине оболочки. Оба расчета свидетельствуют, что для выбранных материалов в слоистой цилиндрической оболочке алюминий-стекло-алюминий наибольшие сжимающие напряжения возникают в стеклянном слое в окружном направлении. Следовательно, для предварительных расчетов экспериментальных прочных корпусов из СМК с дополнительным запасом прочности можно рассматривать их как выполненные из однородного материала - стекла.
По физико-механическим характеристикам СМК измерения показывают, что плотность изготовленных оболочек составляет от 2561 до 2565 кг/м3, а их удельная плотность (отношение массы к внешнему объему) - от 694,3 до 750,4 кг/м . Проведенные по методике проектирования и расчета прочного корпуса расчеты означают, что для глубины 9 км удельная плотность составляет 805 кг/м . Сравнительная оценка прочностных параметров используемых в подводном аппаратостроении материалов приведена в табл. 2. Анализ показывает, что при одинаковых геометрических размерах и близких по прочностным свойствам материалах, плавучесть для корпусов из СМК почти в два раза выше, чем для титана.
Таблица 2
Сравнение параметров корпусов подводных аппаратов
Материал, значение R даны в мм Глубина погружения, м Условный предел текучести, МПа Длина оболочки, м Масса корпуса, кг Удельная плотность кг/м3 Плавучесть, кг
6 000 16,15 671,95 8,12
СМК ^внут=100) 8 000 572 0,4 25 892,62 3,28
9 000 30,55 1002,11 0,24
Алюминиевый 6 000 22,49 859,41 3,941
сплав В-95 8 000 480 0,4 36,48 1140,24 -4,167
^внуТ =100)
СМК ^внуТ=100) 6 000 8,55 414,77 12,27
8 000 10 000 930 0,4 12,32 16,73 552,02 688,63 10,22 7,81
Титановый сплав 6 000 11,26 570,16 8,678
ВТ 22 8 000 1150 0,4 15,94 759,14 5,256
(Rвнут - 00) 10 000 21,21 947,5 1,4
5 000 32 566,31 25,1
СМК 8 000 730 0,6 50,48 892,76 6,63
Rвнеш 150 9 000 56,39 997,13 0,73
5 000 53 937,23 4,12
Титан 8 000 9 000 750 0,6 83,62 95,35 1478,68 1686,23 -26,5 -38,24
6 000 16,5 552,78 13,65
СМК 8 000 930 0,5 21,67 725,7 8,5
Rвнеш =120 9 000 24,2 810,12 5,97
6 000 22,87 765,91 7,3
Титан 8 000 9 000 1150 0,5 30,11 33,66 1008,46 1127,43 0,05 -3,5
6 000 183,09 699,34 81,33
СМК 8 000 9 000 730 1 239,24 266,45 913,81 1017,75 25,18 -2,03
Rвнеш 250 5 000 255,09 974,36 9,33
Титан 6 000 750 1 303,1 1157,76 -38,68
8 000 9 000 396,27 441,45 1513,62 1686,23 -131,85 -177,04
Результаты расчетов показывают, что при сочленении цилиндрических оболочек из СМК с полусферическими оконечностями из высокопрочного алюминиевого сплава В-95, плотность прочного корпуса оказывается достаточной для создания глубоководных аппаратов без применения дополнительных объемов плавучести, что доказывает эффективность практического использования СМК.
Основные результаты и выводы
Описанная экспериментальная установка на основе высокоскоростной центрифуги разработана для проведения исследований по определению оптимальных технологических режимов изготовления оболочек из СМК, обладающих прочностью, близкой к теоретической прочности стекла. При этом использованы данные ранее проведенных экспериментов, результаты расчетов и компьютерного моделирования. Элементы установки ориентированы на достижение максимальной простоты размерного масштабирования, применение стандартизованных материалов, повышение энергоэффективности технологического процесса.
Методы конечно-элементного моделирования применены для анализа напряженно-деформированного состояния оболочек из СМК под действием внешнего давления при различных вариантах их геометрии. Показано, что для предварительных расчетов экспериментальных прочных корпусов из СМК с дополнительным запасом прочности их можно рассматривать как выполненные из однородного материала - стекла.
Прикладная значимость исследований состоит в отработке технологии создания и стандартизации оборудования для мелкосерийного производства цилиндрических оболочек различных размеров из СМК, являющихся основным конструктивным элементом прочных корпусов подводных аппаратов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бачин В.А. Диффузионная сварка стекла и керамики с металлами. М.: Машиностроение, 1986. 184 с.
2. Гончарук В.К., Аносов А.П., Бочарова А.А., Субботницкий В.В., Ратников А.А. Методика проектирования и расчёта прочного корпуса глубоководного аппарата из стеклометалло-композита // Отчёт о прикладных научных исследованиях «Создание прочных корпусов глубоководных аппаратов и элементов космической техники на основе стеклометаллокомпо-зита» RFMEFI57814X0024, этап 4. Владивосток, 2016.
3. Гончарук В.К., Бочарова А.А., Ратников А.А. Применение метода центрифугирования для изготовления корпусов подводных аппаратов из нового конструкционного материала - стек-лометаллокомпозита // Известия Самарского научного центра РАН. 2016. Т. 18, № 1(2). С.179-182.
4. Гончарук В.К., Бочарова А.А., Ратников А.А., Голобокова Н.Ю. Разработка технологических основ изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита методом центробежного литья // Известия Самарского научного центра РАН. 2016. Т. 18, № 2(3). С. 864-868.
5. Копчекчи Л.Г., Шитова Л.А. Напряжения в стекле в вершинах трещин // Стекло и керамика. 2001. № 8. С. 3-5.
6. Пат. № 2337036 Российская Федерация. Способ изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата / В.В. Пикуль. Заявл. 11.04.2007; опубл. 27.10.2008.
7. Пикуль В.В. Механика оболочек. Владивосток: Дальнаука, 2009. 536 с.
8. Пух В.П., Байкова Л.Г., Кириенко М.Ф. и др. Атомная структура и прочность неорганических стекол // Физика твердого тела. 2005. Т. 47, вып. 5. С. 850-855.
Ship Design, Construction of Vessels www.dvfu.ru/en/vestnikis
DOI.org/10.5281/zenodo.2578679
Mishchenko M., Ratnikov A., Osukhovskiy V.
MAXIM MISHCHENKO, Adjunct, e-mail: kaiser25@yandex.ru Department of Navy Avionics Equipment
VALERY OSUHOVSKY, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, e-mail: gon@ich.dvo.ru
Department of Physics and General Engineering Disciplines Pacific Higher Naval School named after S. O. Makarov 6 Kamsky Lane, Vladivostok, 690062, Russia
ALEXANDR RATNIKOV, Head of the Laboratory, Department of Mechanics and Mathematical Modeling, School of Engineering, e-mail: ratnikov.aa@dvfu.ru Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, 690091, Russia
Experimental installation for testing the technological process of glass metal composite cylindrical shells manufacturing
Abstract: The paper presents a description of the uniquely designed experimental setup for the glass-metal composite cylindrical shells manufacture by the spin casting method, made with the aim of developing the technology of manufacturing and standardizing of equipment for small-scale production of cylindrical shells of various sizes, which are the main structural element of durable hulls of underwater vehicles. To specify the scope of the program for studying the strength properties of cylindrical shells of glass-metal composite by finite element modeling methods, the stress-strain state of the shells under loading was considered for various versions of their geometry. Keywords: glass metal composite, cylindrical shell, robust housing, spin casting method.
REFERENCES
1. Bachin V.A. Diffusion welding of glass and ceramics with metals. M., Mashinostroenie, 1986, 184 p.
2. Goncharuk V.K., Anosov A.P., Bocharova A.A., Subbotnitsky V.V., Ratnikov A.A. Design and calculation methodology for a durable hull of a deep-water glass-metal composite device. Report on applied scientific research "Creating durable hulls of deep-water equipment and space technology elements based on glass metal composite" RFMEFI57814X0024, stage 4. Vladivostok, 2016.
3. Goncharuk V.K., Bocharova A.A., Ratnikov A.A. Application of the centrifuging method for the manufacture of underwater vehicles from a new structural material - glass metal composite. Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2016(18);1(2): 179-182.
4. Goncharuk V.K., Bocharova A.A., Ratnikov A.A., Golobokova N.Yu. Development of technological bases for the manufacture of cylindrical shells of glass-metal composite by spin casting method. Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2016(18);2:864-868.
5. Kopchekchi L.G., Shitova L.A. Stresses in glass at the tops of cracks. Glass and Ceramics, 2001;8:3-5.
6. RF Patent for invention dated October 27, 2008, N 2337036. A method of manufacturing a cylindrical shell of a durable underwater vehicle, Pikul V.V.
7. Pikul V.V. Shells Mechanics. Vladivostok: Dal'nauka, 2009. 536 p.
8. Pooh V.P., Baikova L.G., Kirienko M.F. et al. Atomic structure and strength of inorganic glasses. Solid State Physics. 2005(47);5:850-855.
