CC BY
31Решетневскуе чтения. 2017
УДК 629.7:620.17:621.772
ОЦЕНКА ЖЕСТКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИТНОЙ ОБОЛОЧКИ
Н. В. Еремин*, Е. В. Москвичев
Институт вычислительных технологий СО РАН Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 53 E-mail: kaizoku813@gmail.com
Приведены результаты экспериментального определения модуля упругости и толщины композитной оболочки металлокомпозитного бака высокого давления.
Ключевые слова: металлокомпозитный бак высокого давления, композитная оболочка, механические свойства, толщина.
ESTIMATING HARDNESS CHARACTERISTICS OF A COMPOSITE SHELL
N. V. Eremin*, E. V. Moskvichev
Institute of Computational Technologies SB RAS 53, Mira Av., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation E-mail: kaizoku813@gmail.com
The paper contains the results of the experimental determination of the elasticity modulus and the thickness of the composite shell of a metal composite overwrapped pressure vessel.
Keywords: metal composite overwrapped pressure vessel, composite shell, mechanical properties, thickness.
Введение. Растущие требования к современным космическим аппаратам по весовой эффективности и сроку активного существования предопределяют основные направления их совершенствования в части снижения массы, повышения ресурса и надежности. Для обеспечения требуемых показателей КНЦ СО РАН с АО ИСС разработан металлокомпозитный бак высокого давления (МКБВД), предназначенный для хранения рабочего тела (ксенона) электрореактивных двигательных установок космического аппарата.
В процессе намотки происходит многократная укладка ленты на нижележащие слои под различными углами, что приводит к неравномерному распределению толщины и неоднородности механических свойств композитной оболочки [1; 2].
Решаются следующие задачи: экспериментальное исследование механических свойств композитной оболочки МКБВД и экспериментальная верификация модельных соотношений для расчета ее толщины применительно к рассматриваемой конструкции МКБВД.
Методика оценки свойств композитной оболочки. Проведены испытания на растяжение двадцати образцов композитной ленты для определения предела прочности св и сравнительной оценки продольного модуля упругости. Образцы изготавливали из фрагментов ленты, которые отслаивали с поверхности композитной оболочки с помощью режущего инструмента.
Материал композитной оболочки имеет слоистую структуру, образованную композитными лентами, уложенными друг на друга на поверхности лейнера по геодезической траектории. По мере приближения
к полюсному отверстию композитная лента все больше перекрывает нижележащие слои, образуя композитную оболочку переменной толщины с различными углами армирования.
При создании численных моделей композитных сосудов давления, изготавливаемых методом многозонной непрерывной намотки, толщина оболочки, как правило, рассчитывается на основе теоретических соотношений [3-6]:
t (r ) =
nRmRt
r0 I I r0 + w arccos i — I - arccos I —-
r) ^ r
при r0 + 2w < r < R; A0 + Ajr + A2 r2 + A3r3 при r0 < r < r0 + 2w;
(1)
mR =
2nR cos ф R
ф (r ) =
arcsin —
R
где г - радиус образующей; г0 - радиус полюсного отверстия; R - радиус экватора; пк - число слоев намотки на экваторе; t, w - толщина и ширина композитной ленты; ^40, A1, A2, A3 - коэффициенты аппроксимации толщины вблизи полюсного отверстия; mR - число композитных лент, уложенных встык вдоль экватора; фR - угол армирования на экваторе.
Результаты и их обсуждение. Измеренные композитные оболочки были смоделированы в ANSYS с помощью программы на языке APDL. В программу закладывались соотношения (1) со следующими параметрами в соответствии с технологией намотки натурных образцов.
п
Эксплуатация и надежность авиационной техники
v" 7
"Ч
50 100 150 2110 250 ЗОЙ Л50 400 -150 500 г. мм
—•— Измерения ---Модель
а
100 ] 50 200 250 1'"> Л50 400 451) 500 г, мм
—1—Измерения ---Модель
\ v^
V
100 ] 50 200 250
г, ни
—*— И {меренин ---Модель
в
Графики зависимости толщины композитной оболочки от радиуса: а - образец № 1; б - образец № 2; в - образец № 3
По результатам моделирования и выполненных измерений были построены графики толщины модельных и натурных композитных оболочек для трех натурных образцов МКБВД (см. рисунок). Можно отметить, что экспериментально полученная зависимость толщины композитной оболочки от радиуса качественно согласуется с данными расчета.
Результаты испытаний на растяжение показывают, что продольный модуль упругости Ex\, определенный на образцах из композитной ленты при растяжении, близок по среднему значению к продольному модулю упругости Ex, определенному на прямоугольных образцах при изгибе, но при этом имеет большую вариацию.
Библиографические ссылки
1. Lepikhin A. M., Burov A. E., Moskvichev V. V. Possibilities of the design estimates of the reliability of a high-pressure metal-composite tank // Journal of machinery manufacture and reliability. 2015. Т. 44, № 4. С. 344-349.
2. Moskvichev E. V. Numerical modeling of stressstrain behavior of composite overwrapped pressure vessel // Procedia Structural Integrity. 2016, № 2. С. 2512-2518.
3. Криканов А. А. Распределение толщины композитного баллона давления в зоне полюсного отверстия // Механика композиционных материалов и конструкций. 2002. Т. 8, № 4. С. 522-532.
4. Leg D., Saffre P., Francescato P., Arrieux R. Multi-sequence dome lay-up simulations for hydrogen hyper-bar composite pressure vessels // Composites. 2013. № 52. С. 106-117.
5. Rongguo W., Weicheng J., Wenbo L, Fan Y. A new method for predicting dome thickness of composite
pressure vessels // Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2010. Т. 22. С. 3345-3352.
6. Vasiliev V. V., Krikanov A. A., Razin A. F. New generation of filament wound composite pressure vessels for commercial applications // Composite Structures. 2003. Т. 62, № 3-4. С. 449-459.
References
1. Lepikhin A. M., Burov A. E., Moskvichev V. V. Possibilities of the design estimates of the reliability of a high-pressure metal-composite tank // Journal of machinery manufacture and reliability. 2015. Vol. 44, no. 4. Pp. 344-349.
2. Moskvichev E. V. Numerical modeling of stressstrain behavior of composite overwrapped pressure vessel // Procedia Structural Integrity. 2016, no. 2. Pp. 25122518.
3. Krikanov A. A. Raspredelenie tolshchiny kompozitnogo balloda davleniya v zone polyusnogo otverstiya // Mekhanika kompozicionnyh materialov I konstrukcij. 2002. Vol. 8, no. 4. Pp. 522-532.
4. Leg D., Saffre P., Francescato P., Arrieux R. Multi-sequence dome lay-up simulations for hydrogen hyper-bar composite pressure vessels // Composites. 2013, no. 52. Pp. 106-117.
5. Rongguo W., Weicheng J., Wenbo L, Fan Y. A new method for predicting dome thickness of composite pressure vessels // Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2010. Vol. 22. Pp. 3345-3352.
6. Vasiliev V. V., Krikanov A. A., Razin A. F. New generation of filament wound composite pressure vessels for commercial applications // Composite Structures. 2003. Vol. 62, no. 3-4. Pp. 449-459.
© Еремин Н. В., Москвичев Е. В., 2017
б
