CC BY
7
УДК 811.111
РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПЕРЕХОДНИКА ДЛЯ ТРУБ ИЗ
КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
С. А. Пикулин, Е. В. Красилова, М. И. Смирнова, М. С. Руденко, А. В. Гирн
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: 19pikulin@mail.ru
Рассмотрено крепление стального переходника с трубой из стеклопластика. Описан процесс изготовления и испытание на прочность при одноосном растяжении.
Ключевые слова: переходник, прочность при растяжении, композиционные материалы
DESIGNING AND TESTING OF THE METAL ADAPTER FOR THE PIPE MADE OF
COMPOSITE MATERIAL
S. A. Pikulin, E. V. Krasilova, M. I. Smirnova, M. S. Rudenko, A. V. Girn
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: 19pikulin@mail.ru
The paper considers the fastening of a steel adapter with a fiberglass pipe. The manufacturing process and the uniaxial tensile strength test are described.
Keywords: adapter, tensile strength, composite materials
Изделия из КМ обладают высокими удельными характеристиками, что особенно важно в РКТ. Однако они имеют ряд недостатков, затрудняющих их применение, один из которых - сложность выполнения соединений. Из-за особенностей работы некоторые детали ракет и КА выполняются из металла. Возникает проблема создания комбинированных соединений.
Основным требованием, предъявляемым к конструкциям, является создание работоспособного и легкого соединительного узла, не снижающего конструктивной прочности силовой оболочки конструкции [1]. Возникает необходимость распределения прочности в соединении между металлической и композитной частями. Это может достигаться путем использования специальных конструктивных решений или совершенствованием технологии изготовления изделий из КМ [2].
В данной статье рассмотрим соединение трубы из стеклоткани, изготовленной методом намотки, и стального переходника, сохраняющего внутренний диаметр трубы. Одним из преимуществ намотки, по сравнению с другими методами создания изделий из КМ, является возможность наиболее полной реализации в изделиях высокой прочности на растяжение волокон, составляющих намоточный материал [3].
Целью данной работы является определение характера разрушения разработанного соединения для дальнейшего анализа способов соединения труб из КМ с металлом. Задачи: разработка, изготовление и испытание соединения, анализ полученных результатов.
Схема исследуемого соединения представлена на рисунке 1, а. Подобное крепление было рассмотрено в источнике [4] (рис. 1, б). В нашей работе оно дополнено кромкой, выполненной под углом а, что упрощает процесс изготовления и обеспечивает плавный переход от зацепления с канавкой в переходнике к трубе.
Секция «Механика конструкций ракетно-космической техники»
Рис. 1. Схема соединения: а - разработанное соединение, б - ранее исследованное соединение
Толщина стенки переходника с рассчитывается по максимальной нагрузке, выдерживаемой трубой. От размеров а, Ь, И, а также углов а и в зависят радиусы сгиба слоев КМ. Чем больше эти радиусы, тем меньшие напряжения будут возникать в местах сгиба. Однако при слишком больших значениях уменьшается продольная связь КМ и металла. В данной статье мы не будем определять оптимальные значения данных размеров, а лишь исследуем механизм разрушения подобных соединений.
Установим размеры исследуемого соединения согласно рекомендациям, приведенным в работе [4]: 5 = 0,0015 м; Б = 0,03 м; а = 30°; в = 45°; L = 0,026 м; а = 0,008 м; Ь = 0,010 м; И = 0,003 м.
Рассмотрим действующие силы условно (рис. 2). Отбросим переходник и заменим его действующей реакцией. Из-за несоосности действия нагрузки возникнет момент. Для компенсации его действия используем кольцевые вставки, заштрихованные на рисунке. В закрашенных областях возникнут сжимающие напряжения, в пустых - растягивающие. Можно предположить, что в одном из этих сечений произойдет разрушение образца. Однако из-за ряда особенностей распределения напряжений и без учета технологии изготовления, сложно сказать, как именно произойдет разрушение. Поэтому был проведен эксперимент.
При изготовлении на первом этапе осуществляется крепление переходника на трубе-оправке. Перед этим оправка покрываются антиадгезионным покрытием для облегчения процесса извлечения. Далее происходит намотка слоев ткани и пропитка их эпоксидной смолой. В области резких изменений конфигурации детали возникают повышенные напряжения с ограниченной зоной распространения, в этом случае деталь должна иметь конструктивные элементы, воспринимающие эти напряжения [3]. Закрепление слоев ткани в канавке осуществляется с помощью нити из стекловолокна, наматываемой в местах изменения формы. Получившиеся таким образом кольца препятствуют перемещению основных продольных слоёв [4]. После затвердевания смолы оснастка извлекается.
Для испытаний форма металлической части, за исключением места контакта с композитом, была упрощена. Испытания на прочность проводились на разрывной машине. В результате соединение разрушилось в первом сечении, в котором происходит контакт переходника с трубой (рис. 3). Предельная нагрузка составила 34,13 кН.
м
Рис. 2. Схема действия нагрузок в сечении
Рис. 3. Характер разрушения изготовленного образца для испытаний
Как видно, разрушение произошло в одном из сечений, где происходит изменение диаметра трубы. Это позволяет сделать следующие выводы:
1. Форма канавки может быть изменена с целью снижения массы и длины крепления, так как разрушение произошло в сечении, расположенном на краю переходника;
2. Необходимо установить зависимость максимальной нагрузки от толщины кольцевой вставки в сечении, в котором произошло разрушение;
3. Нагрузка оказалось достаточно высокой, что говорит о возможности применения соединений такого типа в сильно нагруженных конструкциях.
Дальнейшим направлением исследования будет определение оптимальной формы и размеров переходника в зависимости от размеров трубы, изучение различных способов подкрепления соединений в местах резкого изменения геометрии, в том числе, с применением способа, показанного в работе. Для удешевления процесса нахождения оптимальной формы и размеров предполагается использовать численное моделирование в специальных программных пакетах и сравнение с результатами практических испытаний наиболее удачных конфигураций.
Библиографические ссылки
1. Комков М. А., Тарасов В. А. Технология намотки композитных конструкций ракет и средств поражения : учеб. пособие. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. 431 с.: ил.
2. Батаев А. А., Батаев В. А. Композиционные материалы: строение, получение, применение : учебник. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2002.384 с.
3. Буланов И. М., Воробей В. В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов : учеб. для вузов. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1998. 516 с.: ил.
4. Композиционные материалы : справочник / В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин и др. / под общ. ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарнопольского. М. : Машиностроение, 1990. 512 с.; ил.
© Пикулин С. А., Красилова Е. В., Смирнова М. И., Руденко М. С., Гирн А. В., 2019
