CC BY
82
УДК 629.78.05
Вестник СибГАУ Т. 16, № 3. С. 554-559
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНОГО КСЕНОНОВОГО БАКА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Е. В. Анискович*, В. И. Середин
Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» Красноярского научного СО РАН Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 53 E-mail: [email protected]
Представлены результаты определения прочностных характеристик механических свойств материалов металлокомпозитного ксенонового бака высокого давления путем проведения экспериментальных исследований на статическое растяжение образцов, вырезанных из титанового лейнера, и экспериментальных исследований на поперечный четырехточечный изгиб образцов из композитного материала, вырезанных из силовой композитной оболочки бака. На основании проведенных экспериментальных исследований сделаны расчетные обоснования для оценки дополнительных характеристик механических свойств материалов. Для исследования титанового сплава тонкостенной сварной емкости и композитного материала силовой оболочки были вырезаны плоские образцы на растяжение. Образцы вырезались вдоль и поперек проката металла бака. В процессе испытаний на растяжение проводилась автоматическая запись диаграммы деформирования с координатами «нагрузка-перемещение». Для экспериментального исследования композитного материала силовой композитной оболочки бака были вырезаны образцы из двух зон: из верхней части бака вблизи фланца и из области вблизи экватора средней части бака. Образцы из верхней части характеризовались углом намотки лент -30°...+30° образцы с экватора - углом -12°..+12°. В процессе испытаний на поперечный четырехточечный изгиб прикладывалась ступенчатая нагрузка на образец с измерением соответствующего значения перемещения. По результатам испытаний образцов из титанового сплава получены значения предела текучести, предела прочности и относительного сужения материала после разрыва. На основании этих данных расчетным путем получены значения разрушающей деформации и коэффициента деформационного упрочнения металла титанового сплава. По результатам испытаний образцов, вырезанных из композитной оболочки бака, получены диаграммы «нагрузка-перемещение» для образцов двух типов. По этим данным расчетным путем определены значения модулей упругости для образцов из композитного материала двух типов. Полученные значения характеристик механических свойств для титанового сплава и композитного материала по результатам экспериментальных исследований сопоставлены с данными соответствующих нормативных документов. На основании этого уточнены марки титанового сплава и композитного материала, из которых изготовлен ме-таллокомпозитный ксеноновый бак высокого давления.
Ключевые слова: характеристики механических свойств, механические испытания, титановый сплав, композитный материал, разрушающая деформация, металлокомпозитный ксеноновый бак высокого давления.
Vestnik SibGAU Vol. 16, No. 3, P. 554-559
DETERMINATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF MATERIALS OF HIGH PRESSURE METAL-XENON TANK
E. V. Aniskovich*, V. I. Seredin
Special Design and Technological Bureau "Nauka" Krasnoyarsk Scientific Centre of SB RAS 53, Mira Av., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation E-mail: [email protected]
Presented are the results of determining the strength characteristics of mechanical properties of the metal-xenon high-pressure tank materials by means of experimental studies on the static tensile specimens cut from the titanium liner and experimental studies on a cross-four-point bending specimens of composite material cut from the power of the composite shell of the tank. Based on the concluded experimental studies, design study to assess the additional characteristics of mechanical properties of materials has been made. To study the thin-walled welded titanium alloy composite material and the container shell power plane and tensile samples were cut parallel and transverse rolled metal tank. During tensile tests automatic recording of strain diagram with the coordinates of load-displacement was conducted. For the experimental studies of composite strength composite shell tank samples were cut from the two zones of the tank
near the top of the flange and the region near the equator of the middle part of the tank. Samples from the top of the
angle were characterized by winding tapes —30°...+30° samples from the equator--12°...+12°. During the tests on
the transverse four-point bending load speed measurement sample with the corresponding value of displacement was applied. According to the results of tests of samples prepared from a titanium alloy obtained were the yield strength, tensile strength, and percentage reduction of the material after rupture. Based on these data, the calculated values were obtained by breaking strain hardening coefficient and a titanium metal alloy. According to the results of tests of samples cut from the composite shell of the tank load-displacement diagrams for two types of samples were obtained. According to these data, the values were calculated by the modulus of elasticity for samples of composite material of two types. The obtained values of mechanical properties of the titanium alloy and composite based on the results of experimental studies were compared with the data of the relevant regulations. Based on this, refined are the grades of titanium alloy and a composite material, used in the manufacture of the metal-made high-pressure xenon tank.
Keywords: mechanical properties, mechanical and environmental tests, titanium alloy, composite material, breaking strain.
Введение. Для расчетной оценки прочности, живучести и ресурса ксеноновых баков высокого давления (КБВД), являющихся основными элементами ракетоносителей ракетно-космической отрасли, необходимы данные по характеристикам свойств материалов, используемых при их изготовлении. Для обоснования методов экспериментальных исследований в первую очередь были подробно проанализированы конструктивные и технологические особенности баков.
Объект исследования. Конструкция металлоком-позитного ксенонового бака высокого давления представляет собой армированную оболочку вращения, получаемую в процессе непрерывной намотки композитной ленты на тонкостенный металлический сосуд (лейнер) (рис. 1). Металлический лейнер обеспечивает герметичность бака, а композитная оболочка обеспечивает его прочность. Баки работают под воздействием внутреннего избыточного давлением газовой среды.
с 1-1 Лейнер
У /
Комлшитная оСоличка
Рис. 1. Конструктивная схема и основные размеры металлокомпозитного бака высокого давления
Лейнер представляет собой тонкостенную сварную емкость из титанового сплава, состоящую из двух днищ переменной толщины, фланцев и кольца подкладного. Заготовка днищ изготавливается методом раскатки из листа ВТ1-0 1,5 по ГОСТ 22178-76. Фланцы изготавливаются сборно-сварными, биметаллическими, из титана ВТ1-0 и стали 12Х18Н10Т. Днища между собой (по подкладному кольцу) и с фланцами соединяются электронно-лучевой сваркой по ОСТ 92-1151-81.
Композитная силовая оболочка изготавливается спирально-кольцевым методом непрерывной намотки на лейнер пакетов угольных волокон в несколько слоев. Материал волокон - 1М860 или Т1000. Связующим является эпоксидная смола.
Таким образом, КБВД представляет собой техническую систему, состоящую из двух основных частей: титановой сварной оболочки и силовой композитной оболочки, а также вспомогательных элементов конструкции (фланец и т. д.).
Методика экспериментальных и расчетных исследований титановых образцов. Экспериментальные исследования заключались в испытании образцов из титанового сплава на растяжение и на 4-точечный изгиб.
Испытания образцов из титанового сплава на растяжение проводились по ГОСТ 1497-84 [1]. Использовались плоские пропорциональные образцы с головкой типа I двух типов: вертикальные образцы, вырезанные из титановой оболочки вдоль проката, и горизонтальные образцы, вырезанные из оболочки поперек проката (рис. 2).
Рис. 2. Пропорциональный образец с головкой типа I по ГОСТ 1497-84 для испытаний на статическое растяжение
В процессе нагружения проводилась автоматическая запись диаграммы деформирования «нагрузка-перемещение» с визуализацией на экран ПК. Затем производилась обработка результатов испытаний и расчет значений характеристик механических свойств [1].
Разрушающая деформация е^ титанового лейнера после проведения испытания образцов на растяжение рассчитывалась по формуле [2]
6 / = 1п
1
1 -у
-100 %,
(1)
(
1Е
т = 0,75-
Л
0,2
(2)
1Е
1п-
2/ Е + 0,2-10-2 1 -у
где Е = 1-10 Е Ш - модуль упругости титанового сплава; ст0 2 - условный предел текучести, полученный в результате испытания образцов на растяжение; ук = у; 8к - сопротивление разрыву, определяемое по формуле
с
= 1 + 1,4Ук
(3)
лись симметрично относительно друг друга по длине образца.
где у - значение относительного сужения материала
после разрыва, полученное в результате проведенных испытаний на растяжение.
Коэффициент деформационного упрочнения металла т определялся по формуле [2]
Рис. 3. Схема испытания композитного образца на 4-точечный изгиб
Методика испытания заключалась в приложении ступенчатой нагрузки на образец и измерении соответствующего ей значения перемещения. По полученным данным, в соответствии с ГОСТ 25.604-82, определялся модуль упругости при поперечном 4-точечном изгибе для каждого типа композитного образца по формуле
,3
(4)
Т 5 =
Б _
АГ - Г
4 - Ь - к -Ам>
Методика экспериментальных и расчетных исследований композитных образцов. Испытания образцов, вырезанных из композитной оболочки, на 4-точечный изгиб проводились в соответствии с ГОСТ 25.604-82 [3-16]. Образцы испытывались на испытательном стенде, представляющем собой две цилиндрические опоры и две оправки 010 мм, посредством которых сверху прикладывалась ступенчатая нагрузка по схеме 4-точечного изгиба (рис. 3). Перемещения измерялись с нижней стороны образца, посередине пролета, с помощью электронного преобразователя линейных перемещений марки ЛИР-7М-1. Испытания проводились при нормальной температуре - 20 °С.
Испытания проводились на образцах двух типов, вырезанных из двух разных мест композитной оболочки бака. Первый тип образцов вырезался из верхней части композитной оболочки вблизи фланца и характеризовался толщиной стенки в диапазоне 9,8-12,1 мм и углом укладки композитной ленты 30°. Второй тип образцов вырезался из средней части композитной оболочки вблизи экватора бака и характеризовался толщиной стенки в диапазоне 3,1-3,3 мм и углом укладки композитной ленты 12,5°. Размер образцов в соответствии с ГОСТ 25.604-82 [9] составлял 110^5 мм при разной толщине стенки. Образцы размечались на композитной оболочке таким образом, чтобы ленты намотки композита располага-
где АГ - приращение нагрузки; I - расстояние между опорами; Ь и к - ширина и высота образца; А^ - приращение прогиба в середине образца, соответствующее изменению нагрузки на АГ.
Результаты экспериментальных и расчетных исследований титановых образцов. Результаты испытаний образцов из титанового сплава представлены в табл. 1. Указанные значения характеристик механических свойств в целом соответствуют данным для титанового сплава ВТ1-0 [10]. Значения механических свойств вертикальных образцов, вырезанных из титановой оболочки вдоль проката, полностью соответствуют значениям, указанным в ГОСТ, а значения механических свойств горизонтальных образцов, вырезанных поперек проката, немного ниже.
Результаты экспериментальных и расчетных исследований композитных образцов.
По результатам испытаний композитных образцов 1 и 2 типа на 4-точечный изгиб получены диаграммы «нагрузка-перемещение» (рис. 4, 5). Значения модуля упругости композитной оболочки бака для образцов первого и второго типа представлены в табл. 2.
Заключение. Проведены испытания и определены прочностные механические свойства материалов, из которых изготавливаются металлокомпозитные ксено-новые баки высокого давления.
По результатам испытаний на растяжение определено, что предел текучести, предел прочности и относительное сужение титанового сплава в целом соответствуют данным для титанового сплава ВТ1-0 по ГОСТ 22178-76. Разрушающая деформация титанового сплава по расчету равна 1,27 для горизонтальных образцов и 1,08 - для вертикальных образцов, а коэффициент деформационного упрочнения составляет 0,095 для горизонтальных образцов и 0,092 - для вертикальных.
а
0,2
Таблица 1
Значения характеристик механических свойств титанового сплава лейнера металлокомпозитного бака
№ Показатель Средние значения Значения
п/п Горизонтальные образцы Вертикальные образцы по ГОСТ 22178-76 [5]
1 Условный предел текучести а0,2, МПа 335 348 В диапазоне 200-400
2 Временное сопротивление разрушению а4, МПа 506 553 Не менее 345
3 Относительное сужение у, % 72 66 Не менее 40
4 Разрушающая деформация 8/ 1,27 1,08 -
5 Коэффициент деформационного упрочнения т 0,095 0,092 -
Таблица 2
Значения модуля упругости образцов из композитной оболочки бака
№ п/п Тип образца Место вырезки Угол намотки композита Диапазон значений модуля упругости Е, МПа Среднее значение модуля упругости Е, МПа
1 Тип 1, горизонтальное расположение Вблизи экватора композитной оболочки бака 12,5° 4,69-103-4,83-103 4,75-103
2 Тип 2, горизонтальное расположение В верхней части композитной оболочки, около фланца 30° 9,31-104-9,66-104 9,47-104
Рис. 4. Диаграмма «нагрузка-перемещение» образца из композита, тип 1
—————————
= 0,3296x + 0,0701
У
K' - ЛУ УУ< s
—
О 5 10 15 20 25 30
Перемещение, мкм
Рис. 5. Диаграмма «нагрузка-перемещение» образца из композита, тип 2
По результатам испытаний на 4-точеный изгиб образцов из композита получены диаграммы «нагрузка-перемещение» и определено два значения модуля упругости композита при угле намотки композитной ленты 30° и 12,5° соответственно: Ех = 4,75-103 МПа; Е2 = 9,47-104 МПа. Полученные результаты модулей упругости в общем соответствуют данным исследований для материала IMS60.
Благодарности. Статья подготовлена с использованием результатов, полученных при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России, в ходе реализации проекта по соглашению № 14.607.21.0038 в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», RFMEFI60714X0038.
Acknowledgments. This article was prepared with the use of the result(s) produced with the financial support of the state represented by Ministry of Education of Russia, during the implementation of the project under the Agreement № 14.607.21.0038 under the FTP "Research and development on priority directions of scientific technological complex of Russia for 2014-2020", RFMEFI60714X0038.
Библиографические ссылки
1. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. Введ. 1986-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1984. 28 с.
2. Махутов Н. А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М. : Машиностроение, 1981. 272 с.
3. Образцов И. Ф., Васильев В. В., Бунаков В. А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композитных материалов. М.: Машиностроение, 1977. 145 с.
4. Комков М. А., Тарасов В. А. Технология намотки композиционных конструкций ракет и средств поражения : учеб. пособие. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. 431 с.
5. Справочник по композиционным материалам. В 2 кн. Кн. 1 / под ред. Дж. Любина ; пер. с англ. А. Б. Геллера, М. М. Гельмонта, под ред. Б. Э. Геллера. М. : Машиностроение, 1988. 448 с.
6. Сопротивление материалов : учебник для вузов / под общ. ред. акад. АН УССР Г. С. Писаренко. 4-е изд., перераб. и доп. Киев : Вища школа. Головное изд-во, 1979. 696 с.
7. Фудзии Т., Зако М. Механика разрушения композиционных материалов : пер. с яп. М. : Мир, 1982. 232 с.
8. Углеродные волокна и углекомпозиты : пер. с англ. / Э. Фитцер [и др.]. М. : Мир, 1988. 336 с.
9. Чамис К. К. Проектирование элементов конструкций из композитнов // Композиционные материалы : пер. с англ. / под ред. Л. Браутмана и Р. Крока. М. : Машиностроение, 1978. Т. 8, ч. 2. С. 214-252.
10. Миёси Т., Сиратори М. Анализ деформаций и поведения конструкций при разрушении методом конечных элементов : пер. с яп. М. : Мир, 1976. 206 с.
11. Джоне Б. Х. Вероятностные методы и надежность конструкций // Композиционные материалы : пер. с англ. / под ред. Л. Браутмана и Р. Крока. М. : Машиностроение, 1978. Т. 8, ч. 2. С. 42-80.
12. Halpin J. C., Kopf J. R., Goldberg W. J. Compos-tite Materials. 1970. 462 p.
13. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология. М. : Техносфера, 2004. 408 с.
14. Браутман Л., Крок Р., Нотон Б. Композиционный материалы. Т. 3. Применение композиционных материалов в технике. М. : Машиностроение, 1978. 511 с.
15. ГОСТ 22178-76. Листы из титана и титановых сплавов. Введ. 1978-07-01. М. : Изд-во стандартов, 1976. 18 с.
16. ГОСТ 25.604-82. Методы механических испытаний композитных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на изгиб при нормальной, повышенной и пониженной температурах. Введ. 1984-01-01. М. : Изд-во стандартов, 1983. 15 с.
References
1. GOST 1497-84. Metally. Metody ispytaniy na rastyazhenie. [State Standart 1497-84. Metals. Methods of tensile tests]. Moscow, IPK Standartinform Publ., 1984, 28 p.
2. Mahutov N. A. Deformatsionnye kriterii razrush-eniya i raschet elementov konstruktsiy na prochnost'. [Deformation and fracture criteria for the calculation of structural elements for strength]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981, 272 p.
3. Obrazcov I. F., Vasilyev V. V. Bunakov V. A. Optimal 'noe armirovanie obolochek vrashcheniya iz kom-pozitnykh materialov. [Optimal reinforcement shells of revolution from composite materials]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1977, 145 p.
4. Komkov M. A. Tarasov V. A. Tekhnologiya na-motki kompozitsionnykh konstruktsiy raket i sredstv po-razheniya. [Technology winding composite structures missiles and weapons of destruction]. Moscow, MGTU Publ., 2011, 431 p.
5. Spravochnik po kompozitsionnym materialam. Kn. 1. Pod red. D. Lyubina [Handbook of composite materials. Bk. 1. Ed. J. Lubin]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1988, 448 p.
6. Soprotivlenie materialov. [Strength of materials]. Kiev, Vishcha shkola Publ., 1979, 696 p.
7. Fudzii T., Zako M. Mekhanika razrusheniya kompozitsionnykh materialov: per. s yaponskogo. [Fracture mechanics of composite materials]. Moscow, Mir Publ., 1982, 232 p.
8. Pfitzer E., Difendorf R., Kalnin I. et al. Uglerod-nye volokna i uglekompozity [Carbon fibers and carbon-based composite]. Moscow, Mir Publ., 1988, 336 p.
9. Chamis K. K. Proektirovanie elementov konstruktsiy iz kompozitnov. Vkn.: Kompozitsionnyy materi-aly [Design of composite structural elements. In the book: Composite materials]. Ed. L. Brautmana and R. Kroka. T. 8, Ch. 2. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1978, 214-252 p.
10. Mijosi T., Siratori M. Analiz deformatsiy i pove-deniya konstruktsiy pri razrushenii metodom konechnykh elementov. [Analysis of deformation and fracture behavior of structures using finite element method]. Moscow, Mir Publ., 1976, 206 p.
11. Dzhone B. H. Veroyatnostnye metody i nadezhnost' konstruktsiy. Vkn.: Kompozitsionnye materi-aly. [Probabilistic methods and reliability of structures. In the book: Composite materials. Ed. L. Brautmana and R. Kroka. T. 8, Ch. 2. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1978, 42-80 p.
12. Halpin J. C., Kopf J. R., Goldberg W. J. Compos-tite Materials, 1970, 462 p.
13. Mett'yuz F., Rolings R. Kompozitnye materialy. Mekhanika i tekhnologiya. [Composite materials. Mechanics and technology]. Moscow, Tehnosfera Publ., 2004, 408 p.
14. Brautman L., Krok R., Noton B. Kompozitsionnyy materialy. T. 3: Primenenie kompozitsionnykh materialov v tekhnike. [Composite materials. Vol. 3: Application of composite materials in technics]. Moscow, Mashino-stroenie Publ., 1978, 511 p.
15. GOST 22178-76. Listy iz titana i titanovykh spla-vov. [State Standart 22178-76. Sheets made of titanium and titanium alloys]. Moscow, Standartinform Publ., 1976, 18 p.
16. GOST 25.604-82. Metody mekhanicheskikh ispy-taniy kompozitnykh materialov s polimernoy matritsey (kompozitov). Metod ispytaniya na izgib pri normal'noy, povyshennoy i ponizhennoy temperaturakh. [State Standart 25.604-82. Methods of mechanical testing of composite materials with the polymeric matrix (composites). Test method for bending with normal, high and low temperatures]. Moscow, IPK Standartinform Publ., 1983, 15 p.
© Анискович Е. В., Середин В. И., 2015
