/
Текст
ТЕХНОЛОГИИ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО
МАШИНОСТРОЕНИЯ
М.А. Комков, В.А. Тарасов
Технология намотки
композитных
конструкций ракет
и средств поражения
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
ТЕХНОЛОГИИ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО
МАШИНОСТРОЕНИЯ
М.А. Комков, В.А. Тарасов
Технология намотки
композитных
конструкций ракет
и средств поражения
Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по машиностроительным направлениям
Москва 2011
УДК 621.744: 621.642.07: 29.7.03: 678.067 (075.8)
ББК 34.432
К63
Рецензенты'.
кафедра «Технология производства летательных аппаратов»
ГОУ ВПО «МАТИ» - Российского государственного
технологического университета им. К. Э. Циолковского
(зав. кафедрой д-р техн, наук, проф. А. С. Чумадин)',
д-р техн, наук, проф., генеральный директор
ЗАО «Компомаш ТЭК» В. А. Моисеев
Комков М. А.
К63 Технология намотки композитных конструкций ракет
и средств поражения : учеб, пособие / М. А. Комков, В. А. Та-
расов. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 431 [1 ] с. :
ил. - (Технологии ракетно-космического машиностроения).
ISBN 978-5-7038-3391-9
Изложены сведения о композитных и металлокомпозитных кон-
струкциях ракет и средств поражения различных форм, изготовляе-
мых методом намотки. Приведены характеристики волокнистых од-
нонаправленных полимерных композиционных материалов, принци-
пы проектирования равно- и неравнонапряженных оболочек сосудов
давления из композиционных и комбинированных материалов. Рас-
смотрены теоретические основы кинематики намотки изделий, реа-
лизуемых на станках токарного и тороидального типов.
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций,
которые авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для преподавателей, студентов и аспирантов технических ву-
зов, обучающихся по направлению «Ракетостроение и космонавти-
ка», а также для инженеров, работающих в области проектирования
и технологии изготовления композитных конструкций различного
назначения методом намотки.
УДК 621.744: 621.642.07: 29.7.03: 678.067 (075.8)
ББК 34.432
ISBN 978-5-7038-3391-9
© Комков М. А., Тарасов В. А., 2011
© Оформление. Издательство МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2011
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................... 6
Введение .................................................. 8
Часть I. Конструктивно-технологическая характеристика намо-
танных композитных конструкций ракет и средств по-
ражения .................................................. 12
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы . 12
1.1. Композиционные материалы и их преимущества....... 12
1.2. Непрерывные волокнистые наполнители для полимерных
композиционных материалов............................. 20
1.3. Полимерные матрицы и термореактивные связующие для
намоточных композиционных материалов.................. 44
1.4. Структура и свойства однонаправленных композиционных
материалов ........................................... 56
1.5. Методы определения механических характеристик однона-
правленных волокнистых композиционных материалов ..... 72
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет и
средств поражения ........................................ 80
2.1. Характеристика технологических методов создания компо-
зитных конструкций из однонаправленных композиционных
материалов ........................................... 80
2.2. Типовое применение намотанных композитных конструкций
в ракетно-космической технике и средствах поражения 96
2.3. Особенности концевых соединений композитных конст-
рукций .............................................. 105
Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
ракет и средств поражения................................ 119
Глава 3. Проектирование равнонапряженных комбинированных
и композитных оболочек конструкций ракет и средств по-
ражения ................................................. 119
3.1. Принципы проектирования равнонапряженных композит-
ных оболочек, образованных намоткой нитей ........... 119
3.2. Комбинированные тороидальные оболочки общего вида. 132
3.3. Композитные тороидальные оболочки с расчетным мериди-
аном ................................................ 149
3.4. Комбинированные тороидальные оболочки кругового сече-
ния с поперечной намоткой............................ 159
4
Оглавление
3.5. Анализ комбинированных и композитных цилиндрических
оболочек.............................................. 172
3.6. Анализ комбинированных и композитных оболочек днищ
цилиндрических баллонов............................... 182
3.7. Композитные сферические оболочки, изготовленные мето-
дом зональной намотки однонаправленных композицион-
ных материалов ....................................... 195
Глава 4. Особенности проектирования неравнонапряженных компо-
зитных тороидальных оболочек и криволинейных труб.. 205
4.1. Рациональные схемы армирования тороидальных оболочек
кругового сечения, изготовленных методом спиральной
намотки нитей......................................... 205
4.2. Анализ ограничений, связанных с намоткой тороидальных
оболочек кругового сечения и криволинейных труб ...... 213
4.3. Композитные тороидальные оболочки с продольно-попе-
речной схемой армирования ............................ 224
4.4. Композитные криволинейные трубопроводы, изготовлен-
ные методом спиральной намотки нитей.................. 238
Часть III. Технологические основы метода намотки композит-
ных конструкций ракет и средств поражения................. 255
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из композици-
онных материалов ........................................ 255
5.1. Технология формирования и пропитки полимерно-волок-
нистой намоточной ленты .............................. 255
5.2. Технологические способы намотки композитных конструк-
ций .................................................. 272
5.3. Станки для открытой и для орбитальной намотки композит-
ных конструкций ...................................... 283
5.4. Технологические оправки для намотки композитных конст-
рукций ракет и средств поражения...................... 299
Глава 6. Кинематические параметры намотки композитных конструк-
ций ракет и средств поражения............................ 318
6.1. Кинематика орбитальной намотки комбинированных торо-
идальных оболочек общего вида ........................ 318
6.2. Кинематические параметры намотки цилиндрических и ко-
нических оболочек .................................... 335
6.3. Кинематика намотки композитных цилиндрических оболо-
чек с днищами ........................................ 346
6.4. Определение технологических параметров зональной на-
мотки сферических оболочек............................ 352
Оглавление
5
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки композитных
конструкций.................................................. 360
7.1. Технология изготовления методом намотки композитных
коробчатых и двутавровых шпангоутов ..................... 360
7.2. Технология изготовления торовых баков из комбиниро-
ванных материалов........................................ 384
7.3. Технология изготовления композитных тороидальных со-
судов давления методом намотки........................... 392
7.4. Методика совместного проектирования конструкции и тех-
нологии изготовления методом намотки композитных то-
роидальных оболочек...................................... 403
7.5. Типовое технологическое оснащение процессов намотки
конструкций ракет и средств поражения ................... 409
Вопросы для самоконтроля...................................... 425
Литература.................................................... 430
Посвящается
180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана
и 70-летию кафедры СМ-12
«Технологии ракетно-космического
машиностроения»
ПРЕДИСЛОВИЕ
Один из распространенных конструктивных элементов лета-
тельных аппаратов (ЛА) - сосуды давления, которые применяют в
качестве баллонов, газовых аккумуляторов, топливных баков или
прямо- и криволинейных трубопроводов в системах пневмоавтома-
тики, наддува, терморегулирования, управления и жизнеобеспече-
ния ЛА. Сосуды давления нашли применение на наземном транс-
порте, в частности в газобаллонных автомобилях, а также в дыха-
тельных аппаратах, переносимых на спине человека.
Среди наиболее важных требований, предъявляемых к конст-
рукциям сосудов давления, можно назвать минимальную массу,
высокую надежность, максимальный ресурс работы в условиях
эксплуатации. Этих требований невозможно достичь без разработ-
ки современных прогрессивных технологий и применения высоко-
прочных волокнистых полимерных композиционных материалов
(ПКМ).
Одним из основных методов создания композитных конструк-
ций является намотка, которая обеспечивает получение высококаче-
ственных изделий. В настоящее время этот метод хорошо отработан
для производства большого класса выпуклых оболочек на намоточ-
ных станках токарного типа. В связи с тем что вопросы намотки то-
роидальных оболочек, криволинейных труб и профильных шпанго-
утов исследованы мало, в книге особое внимание уделено вопросам
проектирования композитных конструкций и технологии изготовле-
ния методом орбитальной намотки тороидальных баллонов и кри-
волинейных трубопроводов, а также коробчатых и двутавровых
шпангоутов, сведения о которых неполно отражены в технической
литературе.
Предисловие
7
При написании учебного пособия использованы опыт препо-
давания авторов на кафедре «Технологии ракетно-космического
машиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана и работы, выполненные
в «Лаборатории композитных технологий» кафедры, обобщены
достижения отечественных и зарубежных исследователей.
Издание полезно студентам, аспирантам и преподавателям ву-
зов, а также инженерам, работающим в области проектирования и
технологии изготовления композитных конструкций методом на-
мотки.
В формировании изложенных в книге методологических основ
намотки конструкций из ПКМ важную роль сыграли годы совме-
стной работы авторов с руководителем «Лаборатории композитных
технологий» А.К. Добровольским, с сотрудниками лаборатории
доктором технических наук, профессором И.М. Булановым, канди-
датами технических наук, доцентами В.М. Кузнецовым и Г.Е. Не-
хороших, инженером М.В. Мулюгиной, а также профессором
Б.Г. Поповым.
Важной была поддержка и внимание со стороны руководителя
НУК СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана В.В. Зеленцова, первого вице-
президента РКК «Энергия» А.Ф. Стрекалова и заместителя главно-
го технолога ЗАО ЗЭМ РКК «Энергия» В.А. Романенкова. Авторы
благодарят выпускников кафедры СМ-12 С.А. Ахремова, Д.Г Ло-
банова, А.А. Сергеева и О.Н. Амбриса, а также рецензентов про-
фессоров А.С. Чумадина и В.А. Моисеева.
Авторы будут признательны читателям, приславшим свои за-
мечания и другие пожелания по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бау-
манская ул., д. 5, или по электронной почте: komkov@sm.bmstu.ru;
tarasov@sm.bmstu.ru; cm 12@sm.bmstu.ru.
ВВЕДЕНИЕ
Технический прогресс в различных отраслях промышленности,
особенно в авиационной и ракетно-космической технике (РКТ),
неразрывно связан с разработкой новых конструктивных решений
и прогрессивных технологий на базе использования современных
высокопрочных волокнистых полимерных композиционных мате-
риалов (ПКМ). Наглядно тенденцию увеличения доли применения
композиционных материалов (КМ) можно проследить на примере
авиационной техники и РКТ (табл. В1).
Таблица В1
Доля применения КМ в авиационной технике и РКТ, %
Материал 1980 г. 1990 г. 2000 г. 2010 г. 2020 г.
Металлы и их сплавы 70 57 44 35 25
Волокнистые ПКМ 14 18 22 25 32
Конструкционные мате- риалы 6 12 14 17 18
Конструкционная кера- мика 10 13 20 23 25
Доля только эпоксидных углепластиков, используемых в фюзе-
ляже и планере современных самолетов, составляет 29...35 %. При-
менение волокнистых ПКМ в конструкциях зарубежных и отечест-
венных самолетов непрерывно возрастает. Например, в самолете
В-2 фюзеляж и крылья выполнены из эпоксидных углепластиков,
самолет Lear Fan 2100 изготовлен полностью из КМ, у самолета
V-220 Spray планер выполнен из ПКМ; в самолете AV-8B масса
ПКМ составляет 26 %.
В неменьшем объеме волокнистые ПКМ используют и в про-
изводстве отечественных транспортных (Ан-28, Ан-72 «Рус-
лан»), пассажирских (Ил-86, Ил-96-300, Ил-114, Ту-204, Ту-334),
спортивных (Су-26М, Су-29) и военных (Су-37 «Беркут», МиГ-
29, МиГ-31) самолетов. Многие элементы конструкций косми-
ческих летательных аппаратов (КЛА) и разгонных блоков также
изготовляют из КМ. К таким элементам относятся высокопроч-
ные штанги, стержни, ферменные и «сухие» отсеки, обтекатели
ракет-носителей, панели солнечных батарей, сосуды давления,
трубопроводы и др.
Введение
9
Круговая диаграмма мирового потребления волокнистых ПКМ
в различных отраслях промышленности наиболее развитых госу-
дарств мира приведена на рис. В1.
8 9
3
Рис. В1. Круговая диаграмма мирового потребления волокнистых ПКМ, %:
1 - нефтегазодобывающая промышленность (28,7); 2 - авиаракетостроение (18);
3- судостроение (12,4); 4 - химическая промышленность (11,9); 5- энергетика
(9,2); 6 - автомобилестроение (7,4); 7 - строительство (6,2); 8 - товары народно-
го потребления (4,1); 9 - прочее (2,1)
Так, в настоящее время в мире производится более 200 тыс. т
труб из волокнистых ПКМ, в основном из стеклопластика. Только
в США выпускается до 100 тыс. т, а в Германии и Франции - до
25 тыс. т труб в год. В России с 1990-х годов многие отечествен-
ные фирмы также начали серийно производить стеклопластиковые
трубы для нефтегазодобывающей промышленности и коммуналь-
ного хозяйства. Трубы из угле- или органопластиков имеют более
высокую стоимость, поэтому их применение целесообразно в пер-
вую очередь для снижения массы летательных аппаратов (ЛА).
Использование волокнистых ПКМ в изделиях различного на-
значения определяется необходимостью повышения эффективно-
сти разрабатываемых конструкций. В свою очередь, производство
изделий из ПКМ открывает возможности для реализации принци-
пиально новых конструктивных решений и разработки прогрес-
сивных технологических процессов.
Кроме того, из податливого волокнистого полуфабриката-
препрега можно за одну операцию методами намотки и контактно-
вакуумного формования получать более сложные, чем из конст-
10
Введение
рукционных материалов и их сплавов, пространственно-геомет-
рические конфигурации деталей и изделий в целом. Тем самым
исключаются излишнее членение, множественность технологиче-
ских стыков и соединений в конструкции изделия, что, несомнен-
но, повышает его надежность и работоспособность.
В этом случае снизить производственные затраты также мож-
но за счет создания интегральных композитных конструкций, ко-
гда все элементы, например, каркасного отсека (обшивка, продоль-
ный стрингерный набор, стойки и стенки, поперечные шпангоуты
и ребра жесткости) формуются, собираются и соединяются между
собой методом склеивания в едином процессе отверждения (поли-
меризации) связующего.
Такой процесс изготовления, сборки и соединения деталей ме-
нее трудоемок, чем сборка составных частей изделия с помощью
многочисленных заклепок. Например, в алюминиевой конструкции
центральной части киля самолета АЗ 10-300 применяют 2072 дета-
ли и 60 000 заклепок, а в композитной - 96 деталей и 5800 закле-
пок. Это экономически выгодно, поскольку уменьшается число
независимых элементов, входящих в конструкцию изделия, отпа-
дает необходимость в дополнительных механических доработках
деталей, достигается снижение массы и сокращение затрат време-
ни на сборку и изготовление изделия. Специалисты фирмы «Лок-
хид» (США) утверждают, что изготовление интегральных компо-
зитных конструкций методами намотки, выкладки и прессования
минимизирует производственные затраты в результате уменьшения
на 65 % количества требуемых деталей, на 81 % числа сборочных
операций, на 29 % трудоемкости изготовления и на 87 % необхо-
димого крупногабаритного оборудования при значительном повы-
шении коэффициента использования материала. Получаемое сни-
жение массы агрегатов ЛА при использовании ПКМ достигает
12...39 %, а уменьшение стоимости изготовления композитных
деталей - 40 %. Снижение массы изделия на 1 кг позволяет
уменьшить стоимость, долл.: 150 - для самолетов, 300 - для верто-
летов, 14 000 и более - для ракет и спутников.
Стоимость изготовления композитных деталей и изделия в це-
лом связана в первую очередь со степенью автоматизации и с уров-
нем производительности формообразующих операций, т. е. со ско-
ростью наформовки массы ПКМ в единицу времени. Так, стои-
мость алюминиевой детали самолета в среднем составляет
Введение
11
8,3 долл./кг, стоимость углепластиковой детали, изготовленной ме-
тодом ручной выкладки препрега и последующего отверждения в
автоклаве, - 550 долл./кг, а с использованием метода автоматизи-
рованной выкладки производительностью более чем 4 кг/ч - на
порядок ниже, около 55 долл./кг.
Поскольку ПКМ технологически создается одновременно с из-
готовлением изделия, появляется возможность для комплексного
решения многих вопросов конструирования и формообразования
изделия, которые совмещены уже на стадии инженерного проекти-
рования объекта производства. При этом сокращаются затраты и
время на все виды конструкторско-технологических и проектных
работ, повышаются взаимосвязь и взаимообусловленность и, как
следствие, обоснованность и надежность инженерно-технических
проектов.
На основе эффекта конструктивной анизотропии механи-
ческих свойств однонаправленных КМ создаются условия для
проектирования равнонапряженных конструкций. Это еще одна из
возможностей снижения массы проектируемых изделий. Однако
разработка равнонапряженных конструкций требует от проекти-
ровщика теоретического обоснования и аналитического определе-
ния формы поверхности и схем ориентации волокон в материале
стенки изделия, т. е. расчета параметров формирующей структуры
ПКМ и одновременно установления траекторий укладки (намотки)
волокнистых полуфабрикатов в процессе формообразования само-
го изделия на технологической стадии производства.
Таким образом, происходит смыкание и совмещение конструк-
торско-технологических задач инженерного проектирования и
производства композитных конструкций. Эти и другие важные во-
просы комплексного проектирования композитных и металлоком-
позитных конструкций, и в первую очередь сосудов давления и
трубопроводов, изготовляемых методом намотки из волокнистых
ПКМ, рассмотрены в данном учебном пособии.
ЧАСТЬ I
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА НАМОТАННЫХ
КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАКЕТ
И СРЕДСТВ ПОРАЖЕНИЯ
Глава 1
НАМОТОЧНЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
1.1. Композиционные материалы
и их преимущества
Подкласс «композиционные материалы» представляет собой
составляющую более сложного класса «конструкционные мате-
риалы». Он объединяет материалы, полученные из компонентов
уже известных классов материалов. Однако вновь созданный мате-
риал (композит, или композиционный материал (КМ)) должен об-
ладать синергетическим эффектом, т. е. иметь свойства, которые не
присущи его отдельно взятым компонентам, но при этом превосхо-
дят простую сумму свойств образующих его компонентов.
Композиционные материалы отличаются друг от друга как по
составу компонентов, так и по структуре или порядку их распреде-
ления в объеме материала и представляют собой гетерогенные
системы, полученные из двух или более компонентов с сохране-
нием индивидуальности каждого из них. При этом КМ является
однородным в микро(макро)масштабе и неоднородным на элемен-
тарном уровне (в элементарном объеме) материала. Поскольку со-
единяемые компоненты различаются по свойствам, между ними
существует явная граница раздела фаз. Приведем примеры таких
материалов.
1. Материал транспортерной ленты и автомобильной шины
представляет собой резинокордную нить. Кордная нить состоит
из пучка волокон, резина позволяет связывать волокна нитей ме-
жду собой и одновременно включать все нити ленты или шины в
работу.
Глава I. Намоточные волокнистые композиционные материалы 13
2. Железобетон состоит из строительной стальной арматуры и
бетона. В этом случае достигается подавление хрупкости бетона и
повышается изгибная прочность строительного материала.
3. Стеклопластик состоит из стекловолокна и полимерного
материала, с помощью которого связываются между собой
отдельные стеклянные волокна нитей в единое целое, подавляется
хрупкость стекла, в результате чего реализуется высокая прочность
очень тонких стеклянных волокон в КМ.
С середины XX в. стала бурно развиваться наука о новом клас-
се конструкционных материалов, первоначально получившим на-
звание композиционные материалы, т. е. о материалах, составлен-
ных из двух или более разнородных и нерастворимых друг в друге
компонентов, соединенных между собой в единое целое за счет
сил поверхностного сцепления.
В последние годы название композиционные материалы все
чаще заменяется одним словом (термином) «композиты» или
аббревиатурой КМ. Однако специалисты используют термин «ком-
позиционный материал», говорить «композитный материал» счита-
ется неправильным, хотя допускается употреблять термины «ком-
позитная конструкция», «композитный корпус изделия».
Первое развернутое определение КМ сформулировал в 1962 г.
профессор А. Дитц (Массачуссетский технологический институт,
США): «Наука и техника имеют, подобно литературе и искусству,
свои модные фразы и «ходовые выражения». Одним из самых
модных в настоящее время является выражение «композиционные
материалы», содержащее в новой форме очень старую и простую
мысль о том, что совместная работа разнородных материалов дает
эффект, равносильный созданию нового материала, свойства кото-
рого и количественно, и качественно отличаются от свойств каж-
дого из его составляющих»*.
Композиционные материалы разрабатываются, или создаются,
на основе двух принципов: синергизма и структурной организации
материала. Под принципом синергизма понимается совместное и
согласованное действие компонентов системы, направленное на
повышение положительных и подавление нежелательных свойств
компонентов, т. е. на создание КМ с выдающимися свойствами.
Принцип структурной организации материала заключается в зако-
* Волокнистые композиционные материалы. М., 1967.
14 Часть L Характеристика намотанных композитных конструкций
номерной пространственно-геометрической организации взаимо-
действующих компонентов системы (вещества), устойчивой во
времени.
Структурная устойчивость, или постоянство свойств, КМ во
времени предполагает, что на границе раздела фаз (компонентов)
не происходит никаких химических реакций или они быстро зату-
хают на стадии изготовления материала с образованием барьерных
слоев, а связь между компонентами системы является адгезионной
(поверхностной).
Все приведенные выше примеры материалов (стеклопластик,
резинокордная лента, железобетон) - системы разнородных ком-
понентов (наполнителя, матрицы), каждый из которых придает го-
товому изделию свои особые свойства. Ни резина, ни кордная нить
автомобильной шины или транспортерной ленты не могут выпол-
нять свои функции независимо друг от друга. Однако их совмест-
ная работа придает КМ желаемые свойства, поэтому его следует
рассматривать как единый материал.
Таким образом, в КМ каждый разнородный по химическому
составу компонент сохраняет присущие только ему свойства, про-
являет свои достоинства и приобретает новые положительные ка-
чества, обусловленные граничными процессами и взаимодейст-
вием между компонентами на границе раздела фаз.
Для четкого отличия класса КМ от других классов материалов
были сформулированы четыре основных признака, которым долж-
ны отвечать КМ.
1. Композиционные материалы должны быть искусственно
созданы. Это отсекает такие естественные, или природные, КМ,
как компоненты растительных материалов (стволы, стебли, волок-
на) и кости животных.
2. Композиционные материалы должны состоять из двух и бо-
лее компонентов с четко выраженными различиями в их свойствах
и химически неактивных между собой. Тем самым достигается
постоянство свойств КМ во времени, исключаются сплавы метал-
лов, представляющие собой твердые растворы.
3. Компоненты КМ должны быть равномерно распределены в
объеме материала, что позволяет получить однородность материа-
ла на микроуровне, отсечь трехслойные или многослойные конст-
рукции типа «сэндвич», а также плакированные металлы или би-
металлы, триметаллы.
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 15
4. Композиционные материалы должны обладать свойствами,
которых нет ни у одного из их компонентов, взятых в отдельности,
и превосходить простую сумму свойств составляющих их компо-
нентов. На основании этого признака достигается синергетический
эффект композиции и создаются материалы с новым комплексом
свойств.
Компоненты КМ - матрица и наполнитель. Матрица обладает
свойством непрерывности состава по всему объему КМ и представ-
ляет собой сплошную изотропную среду. Наполнитель, или армату-
ра (волокна, нити, ткани, пленки, порошки, частицы, чешуйки и
др.), равномерно и регулярным образом распределен в матрице.
В зависимости от типа матрицы все КМ можно подразделить на
четыре группы: полимерные (ПКМ), металлические (МКМ), кера-
мические (ККМ) и углерод-углеродные (УУКМ). По виду наполни-
теля КМ подразделяют на дисперсно-упрочненные (порошковые) и
волокнистые КМ. Наиболее прочными и хорошо освоенными явля-
ются КМ, армированные непрерывными стеклянными, органиче-
скими, углеродными, металлическими и борными волокнами
(рис. 1.1). Далее речь пойдет, прежде всего, о волокнистых ПКМ.
Рис. 1.1. Структуры стеклопластика (а) (диаметр волокна = 6...8 мкм)
и бор-алюминия (б) (в центре вольфрамовое волокно диаметром 12,7 мкм);
3 D-направленная структура УУКМ (в)
Достоинства волокнистого наполнителя - высокая прочность и
возможность создания упрочнения только в том направлении, в
котором это требуется конструктивно, что и обеспечивает макси-
мальное использование свойств волокон. Недостаток волокнистого
наполнителя - передача нагрузки только в направлении своей оси,
16 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
тогда как в перпендикулярном направлении волокон упрочнение
КМ резко снижается.
Волокна, применяемые в конструкционных КМ, должны об-
ладать комплексом эксплуатационных и технологических харак-
теристик: высокой температурой плавления, низкой плотностью,
высокой прочностью во всем диапазоне значений рабочей темпе-
ратуры, минимальной растворимостью в матрице, высокой хими-
ческой стойкостью, отсутствием фазовых превращений в диапа-
зоне значений рабочей температуры, отсутствием токсичности
как в процессе производства композитных изделий, так и во вре-
мя их эксплуатации.
Для обеспечения прочности и жесткости конструкции волокна
должны иметь высокие прочность и модуль упругости, обеспечи-
вать высокую рабочую температуру изделия. Технологические
требования к волокнам: совместимость волокон с материалом мат-
рицы (создание прочной связи на границе раздела фаз) и обеспече-
ние возможно большей плотности упаковки волокон в единице
объема, а также низкие температурно-силовые параметры процес-
са изготовления изделий.
В КМ наполнитель упрочняет матрицу и воспринимает основ-
ную нагрузку, действующую на композитную конструкцию. Так, в
волокнистом ПКМ наполнитель воспринимает до 97 % всей внеш-
ней нагрузки. Жесткость КМ на 95...97 % зависит от модуля упру-
гости армирующих волокон.
Для эксплуатации композитной конструкции принципиальное
значение имеет возможность управления анизотропией свойств
КМ. Например, в волокнистых однонаправленных ПКМ физико-
механические характеристики в продольном и поперечном на-
правлениях волокон могут различаться в 20-40 раз.
В общем случае геометрическая характеристика наполнителя в
КМ может быть нулъ-мерной (порошки, микросферы, мелкодис-
персные компоненты), одномерной (волокна, нити, жгуты, прово-
локи, стержни) и двухмерной (пленки, чешуйки и др.).
С целью расширения свойств КМ при их изготовлении исполь-
зуют совместно различные виды и типы наполнителей (волокон).
Такие КМ называют гибридными.
Композиционные материалы могут иметь следующие струк-
туры:
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 17
• однонаправленные, получаемые методом пултрузии (откры-
тые профили различной формы, пластины, стержни, цилиндриче-
ские трубки, коробчатые профили и др.);
• однонаправленные слоистые, выполненные с помощью мето-
да намотки из однонаправленных КМ (оболочки вращения, цилин-
дрические трубы, криволинейные трубопроводы, профильные
стержни и др.);
• трансверсально-изотропные слоистые, получаемые методом
намотки или выкладки и контактным формованием по многим на-
правлениям, которые являются квазиизотропными в плоскости па-
кета (листа) и анизотропными по его толщине. Трансверсально-
изотропная структура включает в себя: ортотропную слоистую
структуру, получаемую из однонаправленных КМ методом намот-
ки или выкладки в продольно-поперечном направлении; тканую
слоистую структуру (подразделяются на жесткие (текстолиты) и
мягкие, или гибкие (транспортерные ленты и др.);
• объемно армированные по трем взаимно перпендикулярным
направлениям (координатам) - ЗБ-направленные структуры или по
четырем и шести направлениям - 4D- и бБ-направленные структу-
ры;
• многослойные сплошные тканые;
• ткано-прошивные - это набор слоев из тканей грубой тексту-
ры (полотна, сетки), прошитые непрерывными нитями по толщине
пакета.
Характеристика волокнистых ПКМ в зависимости от схем ар-
мирования приведена в табл. 1.1.
Отличие однонаправленных КМ от традиционных конструк-
ционных материалов (металлических сплавов, пластмасс, кера-
мик):
• высокая ударная вязкость;
• высокая трещиностойкость и безосколочное разрушение, т. е.
трещина, возникнув в материале матрицы, тормозится на границе
раздела волокно - матрица, теряя энергию на разрушение прочных
волокон;
• высокая анизотропия механических и теплофизических ха-
рактеристик, т. е. зависимость свойств КМ от схемы армирования
(направления укладки волокон).
Поскольку в КМ желаемый комплекс свойств, отвечающий ус-
ловиям эксплуатации изделия, достигается не путем создания ка-
18 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
кого-то нового вещества, а удачным совмещением в одном мате-
риале компонентов известных и привычных, опытная отработка и
изготовление нового КМ требуют незначительных затрат времени.
Такой подход позволяет оптимизировать конструкцию изделия уже
на ранних стадиях ее проектирования, т. е. создавать материал под
конкретные условия работы детали (например, под напряженно-
деформированное состояние в ней).
Таблица 1.1
Характеристика волокнистых КМ в зависимости
от схемы армирования
Схема армирования Наполни- тель Волокно
Длина Ориентация Зацепление
Хаотическая Линейная Слоистая Интегрированная (многомерная) Волокно Волокно, нить, жгут Нить, лен- та, ткань Объемно армиро- ванная ткань Короткая Очень большая То же » » Хаотичная Линейная Плоская Простран- ственная Нет » Плоское Пространственное
Анизотропия механических свойств КМ позволяет проектиро-
вать легкие равнонапряженные композитные конструкции мини-
мальной массы. Однако использование этой возможности требует
от инженера-разработчика аналитического обоснования схем ар-
мирования или ориентации волокон в композитной конструкции и
одновременно обоснования надежно реализуемых траекторий (на-
правлений) укладки или намотки волокнистого полуфабриката
(препрега, шпона, ровинга) на автоматизированном оборудовании.
Следует отметить, что на стадии производства продукции про-
цессы формирования КМ и формообразование из него изделия мо-
гут и должны быть технологически совмещены с процессом сборки
комплектующих деталей, входящих в сборочные единицы или узлы
изделия. Появляются возможность и условия для разработки, а так-
же создания интегральных композитных конструкций, в которых
сборка готовых деталей и их соединение с силовыми элементами
конструкции корпуса, формируемого из КМ, осуществляются с по-
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 19
мощью клеевых соединений, совмещенных с термической обработ-
кой и отверждением КМ изделия.
В то же время без решения ряда проблем невозможно или за-
труднено широкое использование КМ в конструкции изделий.
К таким проблемам относятся выпуск в больших объемах недоро-
гих КМ, создание в промышленных масштабах безотходных тех-
нологий, разработка и использование новых методов размерной
механической обработки, сборки и соединений композитных дета-
лей, а также методов контроля выходных геометрических парамет-
ров и свойств самого материала композитных конструкций.
Необходимо строго соблюдать принцип единства конструкции,
материала и технологии, состоящий в совмещении во времени
процессов формообразования изделия, формирования КМ, его
структуры и свойств. При этом требуется идти по пути создания из
волокнистых ПКМ интегрированных конструкций с применением
комбинированных (совмещенных) технологий.
Перечислим недостатки изделий, выполненных из КМ:
• существенный разброс значений механических характери-
стик и геометрических параметров последовательно изготов-
ленных изделий;
• низкая прочность изделия при напряжениях сдвига, склон-
ность к расслаиванию;
• сравнительно большие деформации и коробление изделий
вследствие разности значений коэффициентов линейного термиче-
ского расширения (КЛТР) наполнителя и матрицы при остывании
изделий после полимеризации связующего;
• сложность механической обработки изделий, обусловленная
низкой теплопроводностью ПКМ в зоне резания;
• сложность выполнения соединений композитных деталей,
так как ПКМ не свариваются, а склеиваются (клепку, как правило,
проводят по специальной технологии с применением дополни-
тельных металлических деталей);
• обязательность герметизации сосудов давления, намотанных
из волокнистых ПКМ, так как происходит образование микротре-
щин в композитной стенке изделий.
Таким образом, для совершенствования КМ и технологии их
переработки в конструкции изделий необходимо творческое объе-
динение специалистов в разных областях знаний и одномомент-
ное участие исследователей, проектировщиков, материалове-
20 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
дов, конструкторов, технологов, что и обеспечивает реализацию
положительных свойств КМ.
Основную группу волокнистых ПКМ, перерабатываемых в
конструкции изделий методами намотки, выкладки, прессования и
пултрузии, составляют три вида непрерывных волокон: стеклян-
ные, органические (арамидные) и углеродные (рис. 1.2).
Каждый из этих видов волокон имеет высокий предел прочно-
сти при растяжении, низкую плотность материала, схожую струк-
туру нитей, ровингов или тканей, одинаковые способы их перера-
ботки в конструкции изделий. Волокна различают по их физико-
механическим характеристикам, способам получения волокон,
объему выпуска, распространенности, стоимости волокон и облас-
ти применения.
а б в
Рис. 1.2. Ровинги из углеродных (а),
стеклянных (б) и арамидных (в) волокон
В другую группу волокнистых ПКМ входят металлические и
борные волокна, которые часто используют для изготовления ком-
позитных конструкций на основе металлической или керамической
матрицы методами выкладки и прессования.
1.2. Непрерывные волокнистые наполнители
для полимерных композиционных материалов
1.2.I. Намоточные наполнители из стеклянных волокон
Стеклянные волокна получают методом высокоскоростной
(20...60 м/с) вытяжки из расплава (температура плавления Гпл =
= 1200... 1260 °C) однородной стекловидной массы, представляю-
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 21
щей собой сплав различных оксидов (табл. 1.2). Элементарные во-
локна диаметром 3...20 мкм вытягивают из расплава через филье-
ры диаметром 0,8...3,0 мм. Благодаря высоким скоростям вытяги-
вания и охлаждения в тонких стеклянных волокнах фиксируется
структура жидкого высокотемпературного расплава (стекла), что и
определяет их большую прочность. Прочность «нетронутых»
стеклянных волокон (отобранных до контакта с замасливателем,
сразу после вытяжки из фильер) на 25...30 % выше прочности
стандартных технических волокон того же диаметра и состава, но
только после длительного хранения стеклянных волокон в нор-
мальных условиях производства.
Наполнители (нити, ровинги, ткани) на основе стеклянных
волокон химически и биологически инертны, имеют высокие
термостойкость и твердость, исключительную прочность при
растяжении, идеальную упругость вплоть до разрушения, так как
предел текучести не проявляется, а деформация разрушения не
превышает 4...5 %. Температура размягчения стеклянных воло-
кон - 720...870 °C.
Таблица 1.2
Химический состав стеклянных волокон, %
Марка во- локна SiO2 АЬО., СаО MgO В2О3 TiO2 Fe2O3 ZrO2 Прочие
АБС, Е-стекло 54,0 14,0 17,5 4,5 8,0 0,6 К2О 0,2 - ~ 1,0
ВМП, S-994** 65,0 25,0 - 10,0 - - - - -
М-стекло*** 53,7 3,0 Li2O 12,9 9,0 8,0 ВеО 8,0 0,5 2,0 3,0 СеО
* Алюмоборосиликатное стеклянное волокно используют в качестве напол-
нителей для производства конструкций общего назначения.
Высокопрочное и высокомодульное стеклянное волокно применяют в
композитных конструкциях авиационной и ракетно-космической техники.
Высокомодульное стекло используется в производстве стеклопластиков
повышенной жесткости.
Стеклянные волокна не дефицитны, экологически чисты,
имеют низкую стоимость, простую технологию и практически не-
ограниченную сырьевую базу для производства. Высокая удельная
поверхность волокон и наличие на ней гидроксильных групп обес-
22 Часть 1. Характеристика намотанных композитных конструкций
печивает полное смачивание стеклянных волокон жидкими поли-
мерными связующими и их растворами.
В научной литературе стеклянные волокна характеризуются
как наполнители, обладающие высокой прочностью, высоким мо-
дулем упругости, малой гигроскопичностью, высокими диэлек-
трическими свойствами, химической устойчивостью, влагостой-
костью, негорючестью и незагниваемостью по сравнению с дру-
гими синтетическими и природными волокнами, а по сравнению
с объемными образцами стекол они обладают в 50 раз большей
прочностью*.
2
Рис. 1.3. Схема получения
комплексных крученых
и некрученых нитей:
1 - первичная нить; 2 - круче-
ная нить; 3 - ровинг или жгут
Основной недостаток стеклянных
волокон - их высокая хрупкость, обу-
словливающая резкое снижение прочно-
сти волокон вследствие наличия сетки
поверхностных трещин субмикроскопи-
ческой глубины (до 0,3 мкм). Сетка тре-
щин, или сетка дефектов, уменьшает
прочность стеклянного волокна, в связи с
чем требуется защита волокон путем на-
несения на их поверхность технологиче-
ских (текстильных) (парафиновой эмуль-
сии, жирных кислот, поливинилового
спирта) или гидрофобно-адгезионных за-
масливателей прямого действия (аппре-
тов), представляющих собой аминосила-
ны и другие кремнийорганические со-
единения.
Аппреты улучшают склеивание во-
локон и матрицы, создают эластичную
низкомолекулярную полимерную плен-
ку на поверхности элементарных воло-
кон, улучшают смачиваемость стеклян-
ного волокна связующим, способствуют
увеличению адгезии, прочности сцеп-
ления на границе раздела стекло -
полимер.
* Андреевская Г.Д. Высокопрочные ориентированные стеклопласти-
ки. М., 1966.
Глава I. Намоточные волокнистые композиционные материалы 23
Из первичной некрученой стеклонити (рис. 1.3), состоящей,
как правило, из 200 элементарных волокон (или из числа волокон,
кратного 200), путем необходимого числа сложений первичных
нитей получают комплексные некрученые нити и ровинги. Если
первичную нить и сложения нитей подвергают крутке, то получа-
ют крученые комплексные нити.
Толщина нитей или ровингов определяется их линейной плот-
ностью Тн, равной отношению массы волокон в нити к единице
ее длины Ln\ Тп -m^l Lu, мг/м = текс (ГОСТ 10878-70).
Текс - внесистемная единица, которая характеризует линей-
ную плотность нити и связана с площадью поперечного сечения
волокна в нити /в и плотностью материала волокна рв зависи-
мостью Ти = fB рв. Формула для расчетного диаметра волокна
нити, включающая в себя площадь сечения всех волокон без пус-
тот, имеет вид d3 = 0,2^0,17^ /(лрв) мм, а с учетом объемного со-
держания элементарных волокон в сухой нити (Ов = 0,65...0,69)
реальный диаметр сухой крученой нити du=dB/ yfd~ =
= 0,044^ ТИ /рв мм, где dn - диаметр нити, мм; Тн- линейная
плотность нити, мг/м.
Характеристики высокопрочных и высокомодульных нитей и
ровингов приведены в табл. 1.3-1.6. Средняя относительная раз-
рывная нагрузка стеклянных волокон марок ВМ-1 и ВМПС со-
ставляет qn = qnlТи = 0,661 Н-м/мг (см. табл. 1.4), а средняя проч-
ность волокон в сухих нитях равна ов = qH рв • 103 = 1705,4 МПа.
Нити и ровинги (см. табл. 1.4 и 1.5) из высокомодульных и
высокопрочных стеклянных волокон марок ВМ-1 и ВМПС - это
относительно недорогие и высокоэффективные наполнители для
КМ конструкционного назначения.
Крученые стеклянные нити на шпулях массой до 1 кг и ровин-
ги на патронах массой до 10 кг выпускаются многими предпри-
ятиями России, например: ОАО НПО «Стеклопластик»; ОАО
«Тверьстеклопластик»; ОАО «Ступинский завод стеклопластиков»;
ЗАО «Стеклонит» и др.
Благодаря сравнительно низкой стоимости и высокой прочно-
сти стеклянных волокон из полиэфирных и эпоксидных стекло-
пластиков методом пултрузии в большом объеме изготовляют
24 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкции
длинномерные стержни, профили, трубы. Методом намотки полу-
чают трубопроводы для коммунального хозяйства и нефтегазовой
промышленности, цилиндрические баллоны высокого давления
для газобаллонных автомобилей и других транспортных средств, а
также баллоны для дыхательных аппаратов пожарников, водола-
зов, промышленных рабочих.
Таблица 1.3
Физико-механические характеристики стеклянных волокон
Марка волокна Плот- ность Рв, , г/см Прочность при растяже- нии ав, МПа Модуль упруго- сти Ев, ГПа Дефор- мация разруше- ния ера1, % КЛТР «•ГО6, К 1 Температу- ра плавле- ния (терми- ческого раз- рушения) Т’плЛС
Россия
Высокомодуль- ное ВМ-1 2,58 4200 95 4,8 3,6 1218
Высокопрочное и высокомодуль- ное ВМПС 2,60 4500...5000 93 4,5...5,0 3,6 1200
Кварцевое во- локно 2,20 3600...6000 74 - - 1940
США
АБС, Е-стекло 2,54 2800...3500 73...86 4,8 5,0 1120
ВМП, S-994 2,49 4800 87 5,4 3,6 1210
М-стекло 2,89 3500 110 3,2 - -
Таблица 1.4
Технические характеристики крученых стеклянных нитей,
выпускаемых в России
Марка волокна Диаметр волокна <7В, мкм Линейная плотность Д,, мг/м Разрывная нагрузка В, нс менее Число круче- ний на 1 м нити
ВМС6-7,2x1x2 6 14,4 10 100
ВМС6-7,2х1хЗх5 6 108 70 100
ВМС8-26Х1Х2 8 52 30 100
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 25
Окончание табл. 1.4
Марка волокна Диаметр волокна с/в, мкм Линейная плотность Гн, мг/м Разрывная нагрузка <7н, Н, не менее Число круче- ний на 1 м нити
ВМПС8-28Х1 8 28 18,6 50
ВМПС8-28х1х2 8 56 41,1 100
ВМПС8-28х1х4 8 112 75,5 100
ВМПС8-28х2х4 8 224 171,5 100
ВМПС 10-40x1x2 10 80 52,9 90
ВМПС 10-40x1x4 10 160 109,8 90
ВМПС 10-40x2x4 10 320 203,8 90
ВМПС 10-40x4x4 10 640 407,6 90
Примечание. ВМПС - высокомодульное стеклянное волокно; 7,2...40- но-
минальная линейная плотность первичной нити, мг/м; 1-5 - число сложений
крученой нити; средняя относительная разрывная нагрузка q}{ = 0,661 Н-м/мг.
Таблица 1.5
Технические характеристики стеклоровингов,
выпускаемых в России
Марка волокна Диаметр волокна б/в, мкм Линейная плотность Гн, мг/м Разрывная нагрузка qH, Н, не менее
РВМН10-420-80 10 420 240
РВМН10-1260-80 10 1260 800
РВМН 10-1680-80 10 1680 1000
РВМН 10-2520-80 10 2520 1500
РВМПН10-400-78 10 400 235
РВМПН10-1200-78 10 1200 784
РВМПН 10-2400-78 10 2400 1078
РВМПН 13-450-78 13 450 216
РВМПН 13-900-78 13 900 342
РВМПН 13-1200-78 13 1200 637
Примечание. Р - ровинг; Н - намоточный; 10, 13 - номинальные диаметры
элементарной нити; 78 и 80 - индексы замасливателя; допустимые отклонения
линейной плотности от номинального значения ±5 %; средняя относительная
разрывная нагрузка qn = 0,606 Н-м/мг.
26 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
В табл. 1.6 приведены результаты испытаний плоских образцов
из однонаправленных стеклопластиков на основе первичной круче-
ной нити (волокна АБС) и эпоксидного связующего ЭДТ-10.
К недостаткам стеклянных волокон также следует отнести их
относительно высокую плотность (рв = 2,54...2,60 г/см3) и низкий
модуль упругости (Ев - 73...95 ГПа), сравнимые с аналогичными
характеристиками для алюминиевых сплавов.
Таблица 1.6
Физико-механические характеристики
однонаправленных стеклопластиков на основе волокна АБС
и связующего ЭДТ-10
Плотность КМ Ркм> г/см Содержание компонентов, % Прочность при растяжении, МПа Модуль упругости, ГПа
массовое объемное
Лев Ов ОСв О ипор Skm Пв £км
2,00 20,4 62,7 34,2 3,1 1790 2860 51,3 80,0
2,00 20,6 62,5 34,6 2,9 1690 2700 53,1 83,0
2,03 20,0 64,0 34,2 1,8 1780 2790 - -
2,00 21,4 61,6 36,0 2,4 1690 2740 49,4 80,2
2,00 21,4 62,0 36,0 2,0 1670 2700 - -
Как было отмечено выше, стеклянные волокна очень чувстви-
тельны к поверхностным повреждениям - трещинам, что резко -
на одну треть - снижает их прочность при хранении на открытом
воздухе. В связи с этим возникла необходимость в разработке и
внедрении в производство композитных конструкций других типов
волокон, лишенных указанных недостатков и обладающих
максимально большой удельной прочностью при растяжении.
1.2.2. Арамидные волокна
Высокопрочные органические волокна представляют собой
жесткоцепные полимеры из ароматических полиамидов (арами-
дов), которые синтезируются методом поликонденсации. Высоко-
прочные арамидные волокна обладают высокими удельными проч-
ностными и упругими характеристиками, ударной вязкостью,
электрическим сопротивлением, химической стойкостью, хоро-
шими теплоизоляционными свойствами. При различных видах пе-
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 21
реработки арамидные волокна незначительно снижают свои меха-
нические характеристики.
Арамидные волокна получают вытягиванием через фильеры
горячих (до 100 °C) прядильных растворов полимера в сильных
кислотах (98 % H2SO4) со скоростью 80... 120 м/мин из осадитель-
ной ванны (рис. 1.4, а) с очень холодной (4 °C) водой. Далее во-
локно подвергают промывке, дополнительной вытяжке в горячей
воде или водяном паре, последующим сушке и термической обра-
ботке при температуре 350 °C в среде азота, повышающим меха-
нические характеристики арамидных волокон.
Элементарное органическое волокно, вытянутое из жидкокри-
сталлического полимера Vectra, представлено на рис. 1.4, б. Жест-
кие молекулы выстраиваются параллельно оси волокна, образуя
фибриллярную структуру его поверхности (рис. 1.4, в) и менее
упорядоченную структуру волокна в его внутренней области.
а
Рис. 1.4. Схема формования арамидной нити (а), элементарное волокно,
вытянутое из жидкокристаллического полимера Vectra (б) и фибрилляр-
ная структура поверхности волокна (в):
1 - червяк; 2 - прядильная головка; 3 - фильера; 4 - элементарные волокна;
5 - газовая прослойка; 6 - осадительная ванна с холодной водой; 7 - участок упроч-
нения волокон формуемой нити; 8 - приемная бабина; 9 - нитепроводник
Арамидные волокна с фибриллярной структурой - СВМ,
«Терлон», «Кевлар», ПАН-волокно (табл. 1.7) - представляют со-
бой систему фибрилл, состоящих из узких (6... 10 нм) и длинных
(несколько сот нанометров) пачек макромолекул ориентированных
вдоль оси волокна и соединенных химической (ковалентной) свя-
зью между собой.
28 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
Волокно СВМ-6 на основе полигетерсариленов аморфно, а
волокна «Терлон» и «Кевлар-49» из полифинелентерефталамида
(поли-я-бензомида) имеют частично кристаллическую структуру.
Высокопрочные и высокомодульные волокна СВМ-6, «Терлон»,
«Кевлар-49» и «Армос-2» сохраняют свои механические характе-
ристики до температуры 180 °C и обладают хорошей химической
стойкостью.
Таблица 1.7
Физико-механические характеристики арамидных волокон
Марка волокна Плотность рв, кг/м3 Прочность при растя- жении (7В, МПа Модуль упругости Ев, ГПа Деформация разрушения Грач, 7° Темпера- тура плав- ления Гпл, °C
Россия
«Терлон» 1450 3300...3600 110...120 2,7...3,5 395
СВМ-6 1430 3800...4200 125...135 3,0...4,0 405
«Армос-2» 1450 4200...4500 132...145 4,0 350
«Эспелен»* 970 2900 130...170 6,0 <220
США
«Кевлар-49»** 1450 3600...3800 130...140 2,7...3,5 395
Spektra-900 970 2570 117 2,5 <220
Spektra-1000 970 2980 172 <220
Япония
«Технора» 1390 3000...3400 71...83 4,2 | 405
Нидерланды
Twaron НМ | 1450 I 3000 | 125 2,5...3,0 | 450
Опытная партия НПО «Тверьхимволокно». В диапазоне значений температуры 0... 100 °C КЛТР волокна «Кевлар-49» равны: вдоль волокна-210 6 К-1, в радиальном направлении 59-10 6 К '.
Кроме того, арамидные волокна не охрупчиваются при крио-
генных температурах, имеют высокую ударную вязкость (высокое
сопротивление динамическим нагрузкам), низкую чувствительность
к поверхностным повреждениям, сохраняют до 90 % своей прочно-
сти в тканых материалах. Арамидные волокна не плавятся, а карбо-
низируются (обугливаются) при температуре выше 350 °C. Такие
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 29
волокна применяют для получения высокопрочных и высокомо-
дульных КМ с полимерной матрицей (органопластиков).
Арамидные волокна обладают уникальными характеристика-
ми: высокими прочностью при растяжении и модулем упругости,
термостабильностью, хорошими усталостными и диэлектрически-
ми свойствами, незначительной ползучестью. Вследствие низкой
плотности такие волокна по удельной прочности превосходят все
известные в настоящее время армирующие наполнители и метал-
лические сплавы, уступая по удельному модулю упругости угле-
родным и борным волокнам.
Из арамидных волокон можно получать тканые органопласти-
ки, многослойные листы-обшивки (чего нельзя сказать о борных
волокнах), они допускают большее, чем углеродные волокна, дав-
ление формования и более стойки к высоким температурам, чем
материалы из полимерных волокон (термопласты).
Механические технические характеристики арамидных жгутов
ЖСВМ-6 (ТУ 6-06-57-78) и «Армос-2» (ТУ 6-06-31-58-87) приве-
дены ниже:
ЖСВМ-6 «Армос-2»
Жгут: линейная плотность, мг/м 1000 600
разрывная нагрузка, Н, не менее 2100 ± 10% 1300 ± 10%
относительная разрывная нагрузка, Н м/мг, не менее 2,100 2,167
Прочность волокна в жгуте, МПа 3045 ± 10% 3142 ± 10%
Механические характеристики органопластиков на основе эпок-
сидного связующего ЭХД-МК (кольцевые образцы) следующие:
Объемное содержание волокна в КМ, %...........72 72
Однонаправленные КМ:
предел прочности, МПа.........................2300 2500...2700
модуль упругости, ГПа......................95 110
Прочность волокна в кольцевом образце, МПа....3194,4 3472...3750
Недостатки арамидных волокон - невысокий предел прочно-
сти при сжатии, сравнительно низкие температура плавления
(~ 350 °C) и модуль упругости, усредненное значение которого в
ортотропном волокнистом ПКМ сравнимо со значением модуля
упругости изотропного алюминиевого сплава (71 ГПа). При этом
30 Часть 1. Характеристика намотанных композитных конструкции
использован практически весь потенциал улучшения механиче-
ских характеристик арамидных волокон.
Конкурентами арамидным волокнам можно считать волокна
на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМ ПЭ).
Модуль упругости и предел прочности при разрушении полиэти-
леновых волокон равны Ев = 200...350 ГПа и <тн = 3,6...30 ГПа
соответственно.
Полиэтиленовые волокна молекулярной массой до 2106 по-
лучают прядением из раствора гибкоцепного полимера в парафи-
не (глицерине) методом многостадийной (50-100 раз) вытяжки
при температуре 120...160 °C. Вытяжка достигает 70. ..90 % от
предельно возможной разрывной нагрузки. Структура волокна
кристаллическая с высокой степенью ориентации макромолекул
вдоль оси волокна; фиксация структуры - радиационное или хи-
мическое соединение.
В настоящее время в лабораторных условиях изготовляют поли-
этиленовые волокна, обладающие модулем упругости до 200 ГПа,
прочностью 6...9 ГПа и плотностью 940...970 кг/м3. В 2000 г. объем
выпуска высокопрочных полиэтиленовых волокон во всем мире со-
ставлял около 1000 т в год. Предполагается, что производство таких
волокон будет возрастать примерно на 20 % в год и к 2012 г. соста-
вит 3000 т в год. В США полиэтиленовое волокно выпускается под
торговой маркой Spektra. Область его применения - РКТ, бронежи-
леты. Основные свойства высокопрочных полиэтиленовых волокон
приведены в табл. 1.7. К недостаткам таких волокон следует отнести
низкую рабочую температуру (до 100 °C), высокие ползучесть и го-
рючесть, а также плохую адгезию к большинству полимерных мат-
риц.
Стоимость перспективных арамидных и полиэтиленовых во-
локон очень высока, например: стоимость нитей из волокна «Кев-
лар-49» составляет 102... 109 долл./кг, стоимость арамидного во-
локна Twaron НМ - 112 долл./кг, стоимость российских арамидных
волокон СВМ ПЭ и «Армос-2» - 100... 130 долл./кг.
Сегодня разрабатываются новые более перспективные типы вы-
сокопрочных и высокомодульных органических волокон на основе
гетероциклических полиариленов - PBZ-волокна (фирма «Дюпон»,
США), полиимидные волокна ИВСАН (РАН, Россия) и ПТБ-нити
(PBZ), разработанные в НПО «Химволокно» (Россия).
Глава I. Намоточные волокнистые композиционные материалы 31
Физико-механические характеристика I PBZ- и ПТБ-нитей и
ИВСАН-90 приведены ниже: PBZ-нити ПТБ-нити ИВСАН-90
Плотность, кг/м3 — — 1500...1520
Прочность, ГПа Волокно: ..3,0. ..4,1 2,3...2,5 —
прочность, ГПа ..5,1. ..5,7 2,8...3,2 3,2...5,1
деформация разрушения, % .... ... 1,0...1,8 1,5...2,0 3,0...5,0
модуль упругости, ГПа ...267...385 280...320 225...292
термостойкость, °C — — 570...580
Теплостойкость ... Устойчива до 375 °C на воздухе Сохраняет 50 % проч- ности при 500 °C
Перечисленные волокна отличаются уникальными характери-
стиками: их модуль упругости равен 300 ГПа и более, прочность
3,0...5,0 ГПа при высокой для органических волокон термоста-
бильности. Столь хорошие механические характеристики ставят
PBZ-волокна в один ряд с углеродными (при меньшей плотности),
что обеспечивает этому типу волокон хорошее будущее.
1.2.3. Углеродные волокна
Во всем мире широко исследуются, разрабатываются и выпус-
каются многочисленные типы и марки углеродных волокон, обла-
дающих ценными, а по ряду показаний непревзойденными меха-
ническими и теплофизическими характеристиками, большим по-
тенциалом развития и перспективами получения уникальных
свойств. Кроме того, углеродным волокнам присущи высокая теп-
лостойкость, низкие коэффициент трения и КЛТР, высокая стой-
кость к атмосферным воздействиям и химическим реагентам, а
также самые высокие значения удельной прочности и модуля уп-
ругости при растяжении. Перечисленные характеристики углерод-
ных волокон предопределяют их широкое применение в качестве
армирующих наполнителей КМ с полимерной, углеродной, кера-
мической и металлической матрицами.
Углеродные волокна получают из высокомолекулярных соеди-
нений волокнистой формы путем термической деструкции и по-
следующего преобразования органических веществ в углерод. Ис-
32 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
ходное сырье в виде волокон должно удовлетворять следующим
основным требованиям: не плавиться в процессе пиролиза, сохра-
няться как единое целое на всех стадиях термической обработки,
давать высокий выход коксового остатка, перерабатываться в угле-
родные волокна с хорошими физико-механическими характери-
стиками, иметь приемлемую стоимость.
Анизотропные углеродные волокна (рис. 1.5) производят из
синтетических (химических) волокон, молекулярные цепи в кото-
рых строго ориентированы вдоль оси волокна. Исходными волок-
нами являются полиакрилонитрильные (ПАН) волокна с выходом
углерода (коксового остатка) около 40 % массы исходного волок-
на и гидратцеллюлозные (ГТЦ), или вискозные, волокна, с выхо-
дом углерода около 20 % массы исходного волокна. Также исход-
ными волокнами могут быть пековые волокна с большим
(90...92 %) содержанием углерода.
Рис. 1.5. Поперечный срез анизотропных углеродных волокон нити из
вискозного корда (я), из нефтяного пека (б) и фибриллярная структура (в)
поверхности углеродного волокна
Пековые волокна формуются из смеси низкомолекулярных
нефтяных и каменноугольных смол (пеков), а потом перерабаты-
ваются в углеродные волокна с высоким выходом углерода
(85...90 %).
Механические характеристики получаемых углеродных воло-
кон в большей степени определяются структурой и характеристи-
ками исходных волокон, которые путем термической обработки в
инертной среде перерабатываются в углеродные волокна. Характе-
ристики исходных волокон, используемых для переработки в угле-
родные волокна, приведены ниже:
Глава I. Намоточные волокнистые композиционные материалы 33
ГТЦ-волокно ПАН-волокно** Пековые
волокна
Плотность, кг/м3 ..1300 1200...1426 1280...1310
Диаметр, мкм Прочность при растяжении, ..10...14 10...14 10...15
МПа ..690...800 610...1140 ~ 1000
Модуль упругости, ГПа Содержание углерода ..50...60 15...20 70
в сырье, % Выход углерода в волок- ..45,0 68,0 92...85
не, % ..15...30 <40 87...90
Вискозная нить с удлинением 10... 13 %.
** ПАН-волокно плотностью 1426 кг/м3 имеет упругую деформацию 1,85%,
пластическую деформацию 8,95 и общую деформацию 10,8 %.
Волокнистые углеродные наполнители изготовляют в виде ни-
тей бесконечной длины, жгутов, лент, тканей, трикотажных изде-
лий и т. д. Текстильная форма материалов из таких волокон опре-
деляется геометрией исходного материала. При использовании ни-
тей получается углеродная нить, из жгута - углеродный жгут, из
тканых материалов - углеродные ткани различной структуры.
Углеродные волокна из исходных волокон получают в контро-
лируемой среде (азот, аргон) под натяжением в результате трех- или
четырехстадийной термосиловой обработки, включающей окисле-
ние (пиролиз), карбонизацию и графитизацию. Содержание угле-
рода в карбонизованных волокнах составляет 80...95 %, а в графи-
тированных - более 99 %. Плотность графитированных волокон
значительно ниже плотности непористого графита (2,26 г/см3), что
обусловлено менее совершенной структурой и большой пористо-
стью волокон. Механические характеристики определяются особен-
ностями структуры и зависят от наличия внешних и внутренних де-
фектов. Одни из важных характеристик таких волокон - развитая
пористость и большая удельная поверхность волокна. Размер пор
изменяется в пределах 0,3...5,0 нм. Удельная поверхность карбо-
низованных волокон достигает 120 м2/г.
Углеродные волокна обладают исключительно высокой теп-
лостойкостью. В инертной среде их прочность и модуль упруго-
сти при растяжении практически не изменяются до температуры
1500 °C. Чтобы углеродные волокна надежно работали при высо-
ких температурах в окислительной среде, на их поверхность на-
34 Часть 1. Характеристика намотанных композитных конструкций
носят газофазным способом защитные покрытия из пироуглеро-
да, карбида кремния или нитрида бора. При температуре до
600...700 °C углеродные волокна имеют отрицательное значение
КЛТР вдоль оси волокна.
Углеродные волокна на основе ПАН-волокон. Высокопроч-
ные углеродные и высокомодульные графитовые волокна изготов-
ляют в основном из органического ПАН-волокна (табл. 1.8), кото-
рое путем окисления и натяжения при температуре 200...325 °C в
течение 8... 10 ч переводят в углеродосодержащие волокна. Про-
цесс окисления волокон сопровождается деструкцией исходного
полимера, выделением летучих продуктов (Н2О, NH3, HCN) и об-
разованием полисопряженных связей С-С. Переход от органиче-
ского волокна к углеродному с содержанием углерода до 95 % про-
исходит уже при карбонизации окисленного волокна в диапазоне
значений температуры 400... 1100 °C, сопровождающейся хими-
ческими превращениями и формированием основной структуры
углеродного волокна. При дальнейшей высокотемпературной
(1200... 1800 °C) обработке происходят физические изменения, со-
вершенствуется структура, упрочняется углеродное волокно и су-
щественно увеличивается модуль упругости (рис. 1.6, а}. Окисле-
ние и карбонизацию осуществляют при натяжении волокон, кото-
рое препятствует их усадке в процессе термической обработки.
Таблица 1.8
Типичные механические характеристики углеродных волокон
Характеристика Углеродное волокно
на основе ПАН-волокон на основе жид- кокристалличе- ских пеков на основе гтц- волокон
высоко- прочных высоко- модульных
Диаметр, мкм 7...8 6...7 10...15 6...8
Плотность, кг/м3 1740... 1780 1780... 1840 2000 1900
Модуль упругости, ГПа 230...240 350...450 380...690 690... 760
Предел прочности при растяжении, Па 3000... 3500 2000...2500 2100...2400 3500
Деформация раз- рушения, % 1,3--.1,4 0,5...0,6 0,35...0,55 0,5...1,0
Удельный предел прочности, кДж/кг 1730... 1960 1120... 1360 1050...1200 1840
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 35
растяжении углеродных волокон на основе ПАН-волокон от температуры
термической обработки Т
Высокомодульные графитированные волокна с кристалличе-
ской структурой получают путем растяжения и нагрева при тем-
пературе 2500...2800 °C в течение короткого (70 с) промежутка
времени предварительно карбонизованного углеродного волокна
в среде азота или аргона. Увеличиваются содержание углерода
(>99 %), плотность волокна и модуль его упругости. Для армиро-
вания КМ используют две группы волокон: высокомодульные
графитированные (£в = 300...450 ГПа, св = 2,0...2,5 ГПа) и высо-
копрочные углеродные (£в = 200...250 ГПа, пв = 2,5...3,5 ГПа,
рис. 1.6, б).
Углеродные волокна на основе пековых волокон. Достоин-
ства исходных пековых волокон - высокие содержание углерода и
выход углерода, низкая стоимость. К недостаткам пеков следует
отнести содержание значительных количеств концерогенных ве-
ществ.
Процесс производства углеродных волокон из жидкокристал-
лических пеков состоит из температурной подготовки пека, фор-
мования (прядения) и отверждения волокна, карбонизации в среде
инертного газа, графитизации при высокой температуре с растяже-
нием волокна. Формование волокон из расплавов пеков осуществ-
ляется со скоростью 127 м/мин, степень фильерной вытяжки со-
ставляет 1000:1, а диаметр волокна - 10... 15 мкм.
Процесс карбонизации протекает с выделением летучих про-
дуктов из волокна при температуре 950... 1200 °C, скорость нагре-
36 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
ва равна 1,3-..10,0 °С/мин, при быстром нагреве в волокне возни-
кают структурные дефекты и трещины. Окончательная темпера-
турная обработка при 2800...3000 °C (рис. 1.7, а) обусловливает
свойства графитированного волокна. Типичные механические ха-
рактеристики углеродных волокон на основе пековых волокон при-
ведены в табл. 1.8.
Рис. 1.7. Зависимости модуля упругости углеродных волокон на основе
пековых волокон от температуры обработки (а) и предела прочности от
модуля упругости при растяжении углеродных волокон на основе ГТЦ-
волокон (б)
Углеродные волокна на основе ГТЦ-волокон. Такие углерод-
ные волокна получают методом мокрого формования из древесной
целлюлозы. Процесс производства углеродных волокон из ГТЦ-
волокна включает в себя три стадии: термическую обработку на
воздухе при 350...400 °C в течение 10 ч (пиролиз, скорость нагрева
10 °С/ч), карбонизацию при 1300 °C в среде инертного газа под на-
тяжением, графитационную вытяжку при 2800...3000 °C в течение
очень короткого промежутка времени, за который вытяжка волокна
достигает 100 %. Влияние температуры обработки на модуль упру-
гости и предел прочности волокна показаны на рис. 1.7. После гра-
фитизации модуль упругости увеличивается с 60 до 690...760 ГПа
(рис. 1.7, б), прочность - с 690 до 3445 МПа, плотность возрастает
до 1,9 г/см3, а деформации составляют 0,5... 1,0 %.
Характеристики углеродных и графитированных волокон, вы-
пускаемых в России и за рубежом, приведены в табл. 1.9-1.13.
Глава I. Намоточные волокнистые композиционные материалы 31
Таблица 1.9
Механические характеристики углеродных волокон,
выпускаемых в России
Марка наполнителя Предел прочности волокна при рас- тяжении, МПа Модуль упругости при растяжении, ГПа Плотность, г/см3
Ленты углеродные 250...280 220...280 1,75
Жгут УКН-5000 300...350 200...250 1,75
Жгут ВМН 200...250 200...400 1,75
«Ровилон» 250...300 200...250 1,7...1,8
Лента «Кулон» 250...300 400...450 1,85...1,95
Жгут «Кулон-Н» 300...350 350...400 1,95
Таблица 1.10
Физико-механические характеристики
непрерывных углеродных волокон, выпускаемых в России
Марка наполнителя Число филамен- тов в нити, шт. Предел проч- ности при растяжении, МПа Модуль упругости, ГПа Дефор- мация разруше- ния, % Линейная плот- ность, мг/м Плот- ность, г/см3
Нить
УКН-5000 5000 2500 180...240 1,2 410 1,75
10000 900
УКН-5000П 2500 3000 20...250 1,2 205 1,73
5000 400
У КН-ПО. 1 2500 4000...4500 200...250 1,5 125 1,75
5000 250
10000 410
«Гранит-П» 5000 3000...3500 320...400 0,9 400 1,8
«Кулон-24П» 5000 2500...3000 450...550 0,6 400 1,97
«Кулон» 5000 3500...4000 550...600 0,6 400 1,97
«Урал Н-15» 6600 1800 60...80 2,0...2,5 205 1,45
«Урал Н-24» 6600 1500 80...100 1,5...2,0 205 1,47
Лента
ЛУ-П - 2800... 3000 250...280 1,0 - 1,75
«Элур-П» - 2700...3200 220...250 1,2 - 1,7
ЛУ-24П - 2500...3000 320...350 0,8 - 1,8
38 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
Окончание табл. 1.10
Марка наполнителя Число филамен- тов в ни- ти, шт. Предел проч- ности при растяжении, МПа Модуль упругости, ГПа Дефор- мация разруше- ния, % Линейная плот- ность, мг/м Плот- ность, г/см3
«Урал Т-24» - 1000... 1500 60 2,0 - 1,47
ТМ-24 - 3000 60 2,0 - 1,47
Тесьма
«Урал-15» - 1800 60...80 2,0...2,5 - 1,45
«Урал-24» - 1500 80... 100 1,5...2,0 - 1,47
Таблица 1.11
Характеристики эпоксиуглепластиков на основе
углеродных наполнителей, выпускаемых в России
Марка наполнителя Предел проч- ности при рас- тяжении, МПа Модуль упру- гости, ГПа Прочность при сдвиге, МПа Прочность при сжатии, МПа
Лента:
ЛУ-3 1000...1100 150...160 20...25 400...500
ЛУ-П 1000...1100 150...160 45...60 600... 700
«Элур-П» 1100...1200 130...150 70...80 800... 1000
«Кулон» 1000 250 30 600
«Кулон-Н» 1200 250 30 600
Жгут:
УКН-5000 150...160 130...140 50...80 700... 800
ВМН-4 900... 1000 130...140 40 600... 700
«Ровилон» 1100...1200 130...150 40...50 700... 800
Углеродные волокна фирмы «Торейка» (Япония). Фирма
«Торейка» выпускает широкий ассортимент высокопрочных и высо-
комодульных нитей и на их основе тканей различной толщины и
плотности. К началу 1990 г. специалисты из Японии получили
сверхвысокопрочное углеродное волокно «Торейка-1000». Прочно-
стные и деформационные характеристики этого волокна (см.
табл. 1.12), реализованного в микропластике имеют следующие зна-
чения: пв = 7,0 ГПа, £в= 294 ГПа, ев = 2,4 %. Однонаправленный КМ
на основе волокна «Торейка-1000» и эпоксидного связующего, от-
вержденного при температуре 177 °C, имеет предел прочности
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 39
(Укм = 3,8 ГПа и относительную деформацию разрушения ЕКм -
= 2,0 %. Достигнуты реализации прочности исходных волокон в
композитной конструкции (55 %) и деформации разрушения (84 %).
Таблица 1.12
Физико-механические характеристики углеродных нитей
фирмы «Торейка»
Марка нити Число филамен- тов в нити, шт. Предел прочности при рас- тяжении, МПа Модуль упруго- сти, ГПа Деформация разрушения, % Линейная плотность, мг/м Плот- ность, г/см3
тзоо 1 3 6 12 3600 235 1,5 66 198 396 800 1,76
T300J 3 6 12 4500 235 1,9 198 396 800 1,82
Т400Н 3 6 4500 255 1,8 198 396 1,80
T700S 12 4900 235 2,1 800 1,82
Т800Н 6 12 5700 300 1,9 223 445 1,81
T1000G 12 6500 300 2,1 485 1,80
Т1000 12 7200 300 2,4 448 1,82
M35J 6 12 5100 350 1,6 225 450 1,75
M40J 6 12 4500 385 1,2 225 450 1,77
M45J 6 12 4300 445 1,0 223 445 1,84
M50J 6 4100 485 0,8 215 1,87
M55J 6 3700 550 0,7 212 1,93
M60J 3 6 3900 600 0,7 100 200 1,94
мзо 1 3 6 12 4000 300 1,3 53 160 320 640 1,70
40 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
Окончание табл. 1.12
Марка нити Число филамен- тов в нити, шт. Предел прочности при растя- жении, МПа Модуль упруго- сти, ГПа Деформация разрушения, % Линейная плотность, мг/м Плот- ность, г/см3
М40 1 3 6 12 2800 400 0,6 61 182 364 728 1,81
М46 6 2600 460 0,5 360 1,83
М50 1 3 2500 500 0,5 60 180 1,91
Углеродные волокна «Торнел». Изготовитель волокон -
фирма «Юнион Карбид Корпорейшен» (США). Углеродные волок-
на «Торнел-250», «Торнел-300», «Торнел-600», «Торнел-700» и гра-
фитированное волокно «Торнел-50» (см. табл. 1.13) представляют
собой высокопрочные и высокомодульные волокна непрерывной
длины, состоящие из соответствующего количества филаментов
(элементарных волокон) в нити (ЗК - 3000, 6К - 6000 и 12К -
12 000 шт.), полученные поверхностной обработкой для увеличе-
ния прочности волокон.
Таблица 1.13
Характеристики углеродных волокон «Торнел»
Марка во- локна Диа- метр фила- мента, мкм Плот- ность, г/см3 Предел прочно- сти при растяже- нии, МПа Мо- дуль упру- гости, ГПа Дефор- мация разруше- ния, % Продоль- ная теп- лопро- водность, Вт/мК Содер- жание углеро- да, %
«Торнел- 250 ЗК» 7 1,76 2720 240 1,2 8,5 92
«Торнел- 300 6К» 7 1,76 3200 228 1,4 8,5 92
«Торнел- 500 12К» 7 1,79 3650 240 1,5 8,5 92
«Торнел- 600 6К» 7 1,81 4140 241 1,7 7,0 92
«Торнел- 700 6К» 6 1,81 4550 248 1,8 7,0 92
«Торнел- 50 ЗК/6К» 6,5 1,81 2420 390 0,7 70 99
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 41
Перспективы развития технологии производства углерод-
ных волокон. Из рассмотренных данных следует, какие огромные
резервы повышения прочности есть у КМ, армированных углерод-
ными волокнами. Что же касается вопросов создания и примене-
ния высокотемпературных КМ, то углеродные волокна имеют не-
оспоримые преимущества.
На рис. 1.8 приведены зависимости предела прочности при
растяжении арамидного волокна «Кевлар» и углеродного волокна
от температуры. Из рис. 1.8 следует, что при температуре выше
275...325 °C арамидное волокно почти полностью утрачивает проч-
ность, в то время как прочность углеродного волокна при повыше-
нии температуры испытания увеличивается, например, при темпе-
ратуре получения волокна 2700 К прочность в 1,6 раза выше, чем
при комнатной температуре.
Рис. 1.8. Зависимость предела проч-
ности при растяжении некоторых
типов волокнистых наполнителей от
температуры испытаний:
/ - арамидное волокно; 2 - углеродное
волокно
На рис. 1.9 показаны зависимости предела прочности при рас-
тяжении некоторых углеродных материалов и конструкционных
металлов от температуры. На рисунке видно, что в области повы-
шенных температур механические характеристики углеродных ма-
териалов превосходят характеристики наиболее жаропрочных ме-
таллов.
Материальная основа всех волокнистых ПКМ - волокна, для
которых технология их получения, сырьевая основа, стоимость и
объем производства различны. До недавнего времени углеродные,
арамидные, борные, карбидокремниевые волокна составляли лишь
5 % объема волокнистых наполнителей, 95 % приходилось на долю
стеклянных волокон. Подавляющая доля объема производства
стеклянных и органических волокон объяснялась широкой конъ-
юнктурой применения стекло- и органопластиков, менее сложной
технологией и невысокой стоимостью.
Например, в ряде публикаций указывается, что в военно-эко-
номическом и техническом потенциале многих стран весьма за-
42 Часть 1. Характеристика намотанных композитных конструкций
метную роль стали играть показатели объема и качества производ-
ства композитных, прежде всего углеродных, материалов и степень
их использования.
Рис. 1.9. Зависимость предела прочности при растяжении
некоторых углеродных материалов и жаропрочных
металлов от температуры испытаний:
1 - ниобиевый сплав ВН-2; 2 - молибденовый сплав ВМ-1;
3 - вольфрамовый сплав ВВ-2; 4 - графит МПГ-7; 5 - УУКМ
Характерным для всех стран является то обстоятельство, что,
несмотря на стремительные темпы роста исследований и производ-
ства КМ, дисбаланс производства и потребления не уменьшается.
Огромный спрос на неметаллические КМ, в том числе и из
углеродных волокон, обусловлен сравнительно небольшими энер-
гозатратами, недефицитностью сырьевых компонентов, наличием
оборудования для многих базовых технологий, основанных на
известных методах прессования, намотки, ткачества и т. п. Глав-
ное же достоинство этих материалов состоит в том, что их при-
менение взамен металлов и сплавов в конструкциях различного
назначения не только не ухудшает работоспособность, но и в ряде
случаев делает невозможным создание машин и технических уст-
ройств без КМ.
Сегодня прогресс в области технологии производства углерод-
ных материалов связан с поиском новых связующих и армирую-
щих наполнителей, с разработкой уникального термического обо-
рудования, с созданием технологий производства как исходных
компонентов, так и деталей из углеродных материалов, со сниже-
нием длительности технологического цикла, цен, энергозатрат, с
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 43
повышением качества и надежности изделий. Эти задачи успешно
решаются в России и за рубежом, причем уровень достижений в
данной области уже определенным образом характеризует состоя-
ние науки и техники.
Однако непрерывное повышение эксплуатационых характери-
стик современных конструкций и их ресурсных требований приво-
дит к изменению соотношений в производстве волокнистых на-
полнителей в пользу углеродных волокон (рис. 1.10), выделяемых в
настоящее время в самостоятельный класс материалов.
ов, ГПа
0 100 200 300 400 500 600 700 800 Ев, ГПа
Рис. 1.10. Достигнутые и теоретически возможные значения предела
прочности и модуля упругости волокнистых наполнителей КМ:
1 - теоретическая прочность; 2 - нитевидные кристаллы; 3 - наноуглеродные
трубки; 4 - алмазы; УВП, УВ£ - высокомодульные и высокопрочные углеродные
волокна; WB, Вв, FeB - вольфрамовые, борные и стальные волокна; ОВ, СВ - орга-
нические и стеклянные волокна; ПМ - полимерные матрицы
44 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
Основное направление в развитии технологии производства
углеродных материалов - создание и совершенствование углерод-
ных волокон и углерод-углеродных материалов. По мнению спе-
циалистов США и Японии, оптимальным связующим для произ-
водства углеродных материалов является каменноугольный или
нефтяной пек, размягчение которого происходит при температуре
85...90 °C.
Таким образом, КМ на основе углеродных волокон представ-
ляют собой один из основных и наиболее перспективных классов
конструкционных, теплозащитных и эрозионно-стойких материа-
лов для создания элементов конструкций ЛА.
1.3. Полимерные матрицы и термореактивные связующие
для намоточных композиционных материалов
1.3.1. Требования к матрице волокнистых ПКМ
Матрица в армированных КМ фиксирует необходимую форму
изделия, распределяет действующие напряжения по объему мате-
риала. Податливая матрица, заполняющая межволоконное про-
странство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон
вследствие собственной жесткости и взаимодействия на границе
раздела волокно - матрица. Объединяя многочисленные волокна в
монолитный материал, матрица позволяет КМ воспринимать раз-
личного рода внешние нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг
и т. д.).
В то же время матрица принимает непосредственное участие в
создании несущей способности КМ. С помощью матрицы также
осуществляется передача сил от разрушенных или дискретных во-
локон к соседним волокнам, поглощение концентрации напряже-
ний вблизи различных дефектов и разрывов волокон.
Матрица как непрерывная среда обеспечивает сплошность и
монолитность всего материала, надежную фиксацию формы изде-
лия и наполнителя в пространстве; передает внешнюю нагрузку на
наполнитель и перераспределяет ее с помощью напряжений сдвига
на границе раздела элементов наполнителя и матрицы; предохра-
няет наполнитель от воздействия внешней среды, механических
повреждений и истирания друг другом, как правило, хрупких эле-
ментов наполнителя; обеспечивает технологичность КМ, т. е. пе-
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 45
реработку материала и формообразование из него различными ме-
тодами композитных конструкций.
Сформулируем эксплуатационные и технологические требова-
ния к материалам матриц:
• механические характеристики матрицы должны обеспечивать
совместную работу армирующих волокон при различных видах
нагружения;
• прочностные характеристики матрицы являются определяю-
щими при сдвиговых нагрузках, при нагружении КМ в направле-
ниях, отличных от ориентации волокон, а также при циклическом
нагружении КМ;
• матрица определяет рабочую температуру изделия, характер
изменения свойств КМ при различных атмосферных и химических
воздействиях;
• матрица обеспечивает равномерное распределение волокон в
матрице с сохранением их свойств, хорошую смачиваемость воло-
кон, возможность изготовления полуфабрикатов (препрегов) и ка-
чественное соединение слоев КМ в процессе прессования или на-
мотки.
Материал матрицы определяет метод изготовления изделий из
КМ, возможность выполнения конструкций заданных габаритных
размеров и формы, а также параметры и режимы технологических
процессов.
В качестве полимерных матриц обычно применяют отверж-
дающиеся смолы (полиэфирные, эпоксидные, фенолоальдегидные),
реже термопласты (например, полиамиды и полиимиды). В от-
вержденном виде прочность реактопластов составляет 40...75 МПа,
а деформация разрушения матрицы - ем = 3,0.. .4,5 %.
Функции матрицы заключаются в перераспределении напря-
жений на волокна и в останавливании роста трещин, что достига-
ется путем деформирования матрицы в местах отслоения, выдер-
гивания или разрушения волокон. В ПКМ все компоненты струк-
туры должны быть прочно соединены между собой по всей
поверхности контакта. Параметры деформируемого ПКМ зависят
от характеристик волокон, матрицы и прочности их сцепления или
напряжения сдвига на границе раздела волокно - матрица.
Для выполнения условия сохранения монолитности структу-
ры ПКМ необходимы следующие соотношения характеристик
46 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкции
компонентов: Ем/Ев> 0,06...0,064; qm/qb> 0,06...0,07; ем/ев>
> 2,5 при ем > 5 %; тсд/ав > 0,04...0,06, где Ев, Ем- модули уп-
ругости волокна и матрицы; сув и ам - пределы прочности при рас-
тяжении волокна и матрицы; ев, £м - относительные деформации
разрушения; тсд- среднее напряжение сдвига на границе раздела
волокно - матрица.
Кроме того, в КМ матрицы выполняют функцию защитного
покрытия, предохраняющего волокна от механических поврежде-
ний и окисления. Матрица также обеспечивает прочность и же-
сткость КМ при действии нагрузки растяжения или сжатия в
направлении, перпендикулярном к армирующим волокнам.
Если нагрузка растяжения направлена вдоль оси волокон,
расположенных параллельно друг другу, то, чтобы обеспечить мо-
нолитность КМ, предельная относительная деформация матрицы
должна быть равна относительной деформации волокон. Если же
нагрузка действует перпендикулярно к оси волокон, этого требо-
вания недостаточно.
В общем случае для повышения эксплуатационных характе-
ристик ПКМ необходимо применять полимерные связующие с пре-
делом прочности матрицы ом > 250 МПа, плотностью рм <
< 1,20... 1,35 г/см3, относительной деформацией ем = 15 % и более
и с теплостойкостью не ниже 250...300 °C.
Этим требованиям удовлетворяют только жесткоцепные поли-
меры типа полиимидов.
1,3,2, Термопластичные матрицы
К достоинствам связующих на основе термопластов
(табл. 1.14) следует отнести короткий цикл получения из них изде-
лия (до нескольких минут) и возможность вторичной переработки,
а также высокую теплостойкость (до 300 °C), большой срок хране-
ния препрегов и премиксов, высокие износостойкость, устойчи-
вость к воздействию агрессивных сред, вязкость разрушения и
способность к релаксации напряжений, низкие чувствительность к
местным повреждениям и трещиностойкость.
Термопласты используют в виде расплавов, порошков, воло-
кон, пленок, которые также могут быть смешаны друг с другом.
Связующие совместно с наполнителем перерабатываются метода-
Глава I. Намоточные волокнистые композиционные материалы 47
ми прессования, пултрузии, намотки, штамповки, способны к теп-
ловой сварке, а изделия из них ремонтнопригодны.
Главные недостатки термопластичных матриц - их плохая
пропитка и плохое смачивание армирующих волокон расплавлен-
ными связующими (вязкость расплава более 10 Па с), низкая рас-
творимость связующих в органических кислотах (концентрация в
растворе приблизительно равна З...6%), высокие температура и
давление формования, а также ползучесть под действием механи-
ческой или тепловой нагрузки в процессе эксплуатации изделия.
Таблица 1.14
Физико-механические характеристики термопластов
Марка термопласта Температура плавления тпя. °C Плотность Рм, г/см3 Прочность с„, МПа Модуль уп- ругости Ем, ГПа
ПЭВП полиэтилен 120...125 0,95...0,96 26...18 0,75...0,61
ПА-66 полиамид 225...265 1,12...1,15 77...55 1,6...1,4
ПЭТФ лавсан 225...267 1,38...1,40 81...73 2,5...2,2
ПИ полиимид >400 1,35...1,40 120...100 4,9...3,5
ПТФЭ-4 фторопласт 327 2,15...2,27 35...16 0,28...0,34
На основе термопластичного полиамидоимидного связующего
(ПАИС) и углеродного жгута УКН-5000 разработан однонаправ-
ленный углепластик (НПО «Карболит», г. Кемерово) с характери-
стиками: ркм = 1,6 г/см3, Овкм = 900 МПа, ЕКм = 132 ГПа, еКм =
= 0,4 % qbKM- временной предел прочности КМ при растяжении.
При действии электростатического поля порошок ПАИС за-
крепляется на одной из сторон движущейся ленты намоточного
материала. Содержание связующего на углеродной ленте равно
(40 ± 1) %. Лента с порошком проходит между двумя плоскостями,
нагретыми до 90... 100 °C, в результате чего порошок оплавляется
и прочно «садится» на ленту сплошным слоем. Полученная лента
наматывается на бобину. Жизнеспособность такого препрега при
температуре 20 °C составляет два месяца, а при хранении в холо-
дильной камере - до шести месяцев.
Далее после процесса выкладки или намотки пакет материала
подвергается обработке давлением (0,7... 1,0 МПа) и нагреву
48 Часть 1. Характеристика намотанных композитных конструкций
(250 °C), под действием которых связующее плавится и полностью
пропитывает все слои, обеспечивая получение необходимого мо-
нолитного материала с расчетным соотношением компонентов.
Для вакуумно-автоклавного прессования углепластиков разра-
ботано полиимидное связующее ТП-80 с диапазоном значений те-
плостойкости 250...300 °C и конечной температурой отверждения
175 °C в течение 8 ч. В вакуумном мешке создается давление, рав-
ное /?вак = 0,8...0,9 кПа, а в автоклаве - избыточное давлениераз} =
= (5...6) • 102 кПа. Характеристики углепластика, изготовленного
на основе углеродной ленты ЛУ-П и связующего ТП-80, следую-
щие: ркм = 1500 кг/м3, авкм= 770 МПа, Екм = 160 ГПа, ера} =
= 0,45 %, аизг = 800 МПа, асж = 630 МПа.
В Институте химической физики РАН разработаны методы по-
лучения однонаправленных препрегов лент на основе стеклянных
волокон, полипропилена и полисульфонов (из расплава), а также
способ изготовления цилиндрических изделий из стеклопластика
на основе полиамидов с использованием волоконной технологии.
Наиболее термостойкими смолами для перспективных КМ
считаются полиимиды (температура эксплуатации 235...315 °C).
По данным специалистов США, масса панелей на основе поли-
имидной смолы, армированных графитированным волокном, на
50 % меньше массы титановых панелей, но при этом не уступают
им в прочности.
Большие перспективы получения высокопрочных КМ свя-
зывают с применением новых типов связующих на основе поли-
фениленоксида, полиэфиркетона, полиамидоимидов с температу-
рой эксплуатации около 415 °C. Отечественная промышленность
выпускает полифениленсульфид и полисульфоны. Остальные по-
лимеры производят в лабораторных условиях в весьма малых ко-
личествах.
1.3.3. Термореактивные связующие для волокнистых ПКМ
Термореактивные связующие, или реактопласты, основу ко-
торых составляют синтетические смолы, при нормальных услови-
ях и температуре 20 °C находятся в жидком, вязкотекучем или
твердом состоянии. Твердые связующие переходят в жидкое со-
стояние с помощью растворителей (спирта, ацетона и их смесей).
Для отверждения смол применяют отвердители, которые при на-
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 49
греве в результате реакции полимеризации или поликонденсации
переводят систему смола - отвердитель в стабильное твердое со-
стояние.
В жидком состоянии связующее должно быть липким, т. е. об-
ладать хорошей адгезией к волокнам. Кроме того, связующее
должно быть технологичным, обеспечивая переработку ПКМ в
изделия при невысоких температуре и давлении, а также иметь
низкую стоимость и быть экологически чистым.
Для улучшения технологических или физико-механических
характеристик в состав реактопласта вводят различные добавки -
пластификаторы и наполнители. Добавки представляют собой низ-
комолекулярные смолы (10...20 %) и придают эластичность поли-
мерному связующему. Наполнители (до 40 %) - аэросил, мел, сажа,
стеклосферы, оксиды металлов, а также пигменты и др. - придают
специфические свойства материалу и снижают его стоимость.
Таким образом, реактопласт в большинстве случаев сам является
КМ, состоящим из компонентов.
Полиэфирные связующие представляют собой растворы нена-
сыщенных полиэфиров в мономерах (в стироле или в диметакри-
лат триэтиленгликоле (ТГМ-3)), способных при определенных ус-
ловиях сополимеризоваться с этими мономерами. Полиэфирные
связующие на основе мономера ТГМ-3 отличаются значительно
меньшей токсичностью по сравнению со стирольными смолами.
Соотношение полиэфиров и мономера обычно составляет 3 : 2.
Вязкость полиэфирных связующих общего назначения в состоянии
переработки при температуре 20 °C равна 0,36. ..1,0 Па с.
Реактопласты на основе ненасыщенных полиэфирных связую-
щих могут отверждаться как при комнатной, так и при повышенных
температурах. Для полимеризации используют инициирующую сис-
тему, состоящую из инициаторов, ускорителей и ингибиторов.
В качестве инициаторов применяют оксиды нестабильных
соединений, например пероксид бензоила (ПБ) в количестве
0,5...2,0 %, служащий источником свободных радикалов и
инициирующий цепную реакцию полимеризации.
Реакция полимеризации при введении инициатора начинается
после преодоления действия ингибитора - улавливателя свободных
радикалов. За это время до начала реакции полимеризации арми-
рующий наполнитель успевает пропитаться. Хороший ингибитор -
гидрохинон.
50 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
Ускоритель, или активатор, увеличивает скорость разложения
инициатора, поэтому эти компоненты в полиэфирное связующее
вводят раздельно. В качестве ускорителя наибольшее распростра-
нение получил 6 %-ный раствор нафтената кобальта в стироле
(НК-1), количество которого в зависимости от времени проведения
реакции полимеризации составляет 0,1... 1,0 %. Композиции свя-
зующего без инициатора, но содержащие нафтенат кобальта, могут
храниться в течение нескольких месяцев.
Время реакции полимеризации полиэфирного связующего оп-
ределяют с помощью гель-теста. Для этого исследуемое связующее
(смола + ингибитор + инициатор + ускоритель) загружают в стек-
лянную пробирку и помещают ее в термостат. В пробирку вводят
термопару, соединенную с самописцем, и записывают кинетиче-
скую кривую экзотермического процесса отверждения полиэфир-
ного связующего в термостате (рис. 1.11).
Этот способ позволяет проводить детальное сравнение влия-
ния различных видов и количеств инициаторов, ингибиторов и ус-
корителей на скорость отверждения смолы. Совместное действие
инициатора и ускорителя могут в десятки раз уменьшить время
полимеризации полиэфирного связующего, доведя время гелеобра-
зования до 3... 7 мин.
Рис. 1.11. Кинетическая кривая экзотермического процесса отверждения
полиэфирного связующего в термостате (масса образца 10 г, диаметр
пробирки 19 мм):
Гвб = 82 °C - температура водяной бани; время: /нач - начала процесса отвер-
ждения, /гсл - гелеобразования, /п э - достижения пика экзотермы, /отв - общее
процесса отверждения (конец тепловыделения); Тп, - температура при пике
экзотермы
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 51
Как правило, отвержденные полиэфирные смолы отличаются
высокой стойкостью к воде, действию минеральных масел, неорга-
нических кислот, многих органических растворителей. Верхнее
предельное значение температуры эксплуатации в зависимости от
марки связующего равно 40... 105 °C.
Предел прочности, относительная деформация, модуль
упругости при растяжении и плотность полиэфирных связующих
(матрицы) соответственно равны: ом = 39.. .58 МПа, ем = 2,0.. .5,0 %,
Ем = 2,8...3,8 ГПа, рм = 1,15... 1,20 г/см3. Адгезионная прочность по-
лиэфирных связующих с армирующими волокнами ниже, чем у
эпоксидных связующих, и составляет тсд =1,4.. .7,0 МПа.
Эпоксидные связующие на основе эпоксидных смол наиболее
универсальны и используются в равной степени в производстве
композитных изделий, получаемых методами намотки и выкладки
из стеклянных, органических, углеродных волокнистых ПКМ.
Многолетняя практика создания отечественных композитных
конструкций РКТ позволила отобрать группу высокоэффективных
и технологичных эпоксидных связующих для пропитки волокни-
стых наполнителей и получения на их основе намоточных мате-
риалов. К этой группе относятся композиции связующих ЭДТ-10,
ЭХД-М, УП-2218, ЭХД-МК (с каучуком, 10 массовых частей) для
мокрого способа намотки, а также ЭДТ-10П и другие, используе-
мые для получения препрегов при сухом способе намотки.
Например, эпоксидное связующее ЭДТ-10 и раствор эпоксид-
ного связующего ЭДТ-10П представляют собой композиции на ос-
нове эпоксидных диановых смол, отвердителя и ускорителя. Все
компоненты, входящие в рецептуру эпоксидных связующих, долж-
ны пройти входной контроль на соответствие техническим услови-
ям (ТУ) и ГОСТам.
Так, эпоксидное связующее ЭДТ-10 (ОСТ 3-3178-75) включает
ПО массовых частей эпоксидного компаунда КДА (смола ЭД-20 +
пластификатор ДЭГ-1, ТУ 6-05-1380-70) и 11 массовых частей от-
вердителя триэтаноламинтитаната ТЭАТ-1 (ТУ 6-05-1860-78).
Для изготовления намоточных препрегов в раствор связующе-
го ЭДТ-10П дополнительно вводят смесь этилового спирта (ГОСТ
18300-87) с ацетоном (ГОСТ 2603-87) и АДЭ-3 (ТУ 105761-83).
Технические характеристики эпоксидных связующих приведе-
ны ниже:
52 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
Плотность, г/см3 ЭДТ-10 1,18...1,20 ЭХД-МК УП-2218
Предел прочности, МПа: при растяжении 70 75 50
при изгибе 90 95 80
адгезионная к волокну СВМ при сдвиге 45 46 45
Модуль упругости, ГПа 3 4 4,1
Относительная деформация разрушения, % 3...5 3...4 2...3
Теплостойкость по Мартенсу, °C 100 165 210
Температура переработки, °C 60 ±5 40 ±5 35 ±5
Вязкость при температуре пере- работки, Пас 0,25...0,30 0,20...0,25 0,18...0,23
Жизнеспособность при темпе- ратуре переработки, ч 15 15 28
Важнейшее технологическое свойство реактопластов и их
растворов в исходном состоянии, оказывающее большое влияние
на качество пропитки волокнистых наполнителей, - вязкость.
С повышением температуры вязкость резко уменьшается, с по-
нижением - возрастает.
Для снижения вязкости связующего при нормальной темпе-
ратуре используют растворители: инертные (летучие) или актив-
ные (нелетучие). Инертные растворители должны быть удалены до
начала отверждения, а активные могут оставаться в композиции
связующего в качестве модификаторов.
Требуемую вязкость растворов связующих в исходном со-
стоянии можно рассчитать по формуле
1п(1/Праств ) = ln(i / П,),
/=1
где Лраств и Л/ _ вязкости раствора и z-ro компонента; ф, - объем-
ная концентрация z-ro компонента.
В производственных условиях вязкость связующих опреде-
ляют на вискозиметре ВЗ-1 или ВЗ-4. В табл. 1.15 приведены тех-
нологические характеристики эпоксидных связующих, их состав
и изменение условий вязкости связующих в зависимости от темпе-
ратуры.
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 53
Таблица 1.15
Состав и технологические характеристики связующих
для мокрого способа намотки
Марка Состав Массо- вое содер- жание Условная вязкость, с, по вискозиметру B3-1 при температуре, °C Переработка
Темпе- ратура, °C Время, ч
20 30 40 50 60
ЭДТ-10 ЭД-20 ДЭГ-1 ТЭАТ-1 100 10 11 576 252 72 32 17,0 58...63 4...5
УП- 612М УП-612 ЭД-20 М-ТГФА 85 15 НО 43 17 9,0 6,0 4,5 30...35 10...15
ЭХД-М ЭА ЭЦ-М М-ТГФА 112 50 108 38 25 15 9,0 5,0 38...43 4...5
Примечание. ЭД-20 - эпоксидно-диановая смола; ДЭГ-1 - алифатическая
эпоксидная смола, пластификатор; ТЭАТ-1 - триэтаноламинтитанат, отверди-
тель; УП-612 - циклоалифатическая эпоксидная смола; ЭА, ЭЦ-М- азотосо-
держащие эпоксидные смолы; М-ТГФА - метилтетрагидрофталиевый ангидрид,
отвердитель.
Основные этапы приготовления связующего ЭДТ-10:
• нагрев ТЭАТ-1 в закрытой таре при температуре 50...55 °C
до текучего состояния и взятие необходимого количества продук-
та (11 массовых частей к общей массе приготовляемого свя-
зующего);
• смешивание ТЭАТ-1 и части КДА в пропорции 1:1 по мас-
се до гомогенного состава в эмалированной посуде в течение
35...40 мин;
• загрузка в эмалированный аппарат расчетного количества
КДА и раствора ТЭАТ-1 с КДА, перемешивание при температуре
40...50 °C в течение 1,5...2,0 ч до однородного состояния;
• слив приготовленного связующего ЭДТ-10 через сетку в чис-
тую и сухую тару с герметичной крышкой; условная вязкость свя-
54 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
зующего должна быть не более 45 с по вискозиметру ВЗ-1 (сопло
диаметром 5,4 мм) при температуре 40...50 °C.
Для приготовления раствора ЭДТ-10П в связующее ЭДТ-10
следует добавить продукт АДЭ-3 согласно рецептуре и спиртоаце-
тоновую смесь (САС) в пропорции 1:1. Все тщательно перемешать
в мешалке в течение 15 мин.
Полученные связующие хранятся в герметически закрытой та-
ре: связующее ЭДТ-10 не более 5 сут при температуре 25 °C, а
ЭДТ-10П не более 3 сут с момента приготовления. Установлено,
что при мокром способе намотки связующее ЭДТ-10 может нахо-
диться в ванне в течение 4...5 ч при температуре переработки
55...60 °C. При этом условная вязкость связующего в состоянии
переработки должна быть равна 15...20 с по вискозиметру ВЗ-1.
Отверждение эпоксидных связующих ЭДТ-10 и ЭДТ-10П в
свободном режиме протекает (ОСТ 92-0957-74) следующим об-
разом:
• подъем температуры до 120 °C не менее 2 ч; выдержка при
(120 ± 5) °C в течение 1,0... 1,5 ч;
• подъем температуры до 160 °C не менее 1 ч; выдержка при
(160 ± 5) °C - 2 ч, но не менее 10... 15 мин на 1 мм толщины стенки;
• подъем температуры до 180 °C не менее 0,5 ч со скоростью
не более 1 °С/мин; выдержка при (180 ± 3) °C не менее 3 ч;
• охлаждение до 50 °C - свободное с печью или в термокамере.
Существенный недостаток эпоксидных связующих, применяе-
мых в конструкциях изделий специального машиностроения, - не-
высокая длительная температура эксплуатации (менее 115 °C), при
этом допустимая кратковременная температура изделий должна
быть не более 135 °C. Повышение теплостойкости эпоксидных
компаундов и улучшение их физико-механических характеристик
возможны путем химической модификации связующих, однако это
не всегда дает желаемый результат.
В связи с этим разработано эпоксифенольное олигомерное свя-
зующее ЭТФ-М, обладающее более высокой (до 180 °C) тепло-
стойкостью по сравнению с эпоксидиановыми смолами. Для свя-
зующего ЭТФ-М и углеволокнистых наполнителей рекомендован
следующий оптимальный режим отверждения: 90 °C - 1 ч; 130 °C -
1 ч; 140 °C - 2 ч; 160 °C - 2 ч; 180 °C - 3 ч. Скорость подъема тем-
пературы и охлаждения изделия при термической обработке - не
более ±1 °С/мин.
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 55
В настоящее время ЗАО «ЭНПЦ ЭПИТАЛ» (г. Москва) выпус-
кает компаунды и эпоксидные связующие под маркой «ЭТАЛ».
Например, двухупаковочное эпоксидное связующее горячего от-
верждения «ЭТАЛ-245» применяют для изготовления мокрым спо-
собом намотки (без растворителя) конструкционного слоя стекло-
пластиковых труб и газовых баллонов, работающих под давлением
до 78 МПа.
Для связующего «ЭТАЛ-245» на 100 массовых частей основ-
ной смолы берут 33...35 массовых частей отвердителя. Отвержде-
ние связующего «ЭТАЛ-245» происходит при (ПО ±5) °C в тече-
ние 4. ..7 ч, или при (150 ± 5) °C за 2. ..4 ч. Предел прочности при
растяжении равен 95 МПа, относительная деформация - не менее
5 %. Стоимость связующих горячего отверждения марки «ЭТАЛ»
составляет 80... 160 руб./кг, а стоимость реактопластов, по данным
зарубежных источников, в зависимости от сорта и назначения из-
меняется от 2,5 до 6,0 долл./кг.
В состав эпоксидно-фенольного связующего ЭНФБ входят
следующие компоненты: эпоксидно-новолачная смола ЭН-6 по
ТУ 6-05-1585-77, фенолоформальдегидная смола СФ-341А по
ГОСТ 18694-80, фурфурилглицедиловый эфир по ТУ 6-09-5208-85,
ускоритель УП 605/3 по ТУ6-05-241-533-88, САС в пропорции
1 : 2 для изготовления препрегов на основе углеродных и органи-
ческих наполнителей. Для приготовления 10 л раствора связующе-
го ЭНФБ требуется: 3,0 кг смолы ЭН-6; 0,48 кг смолы СФ-341А;
1,8 кг эфира; 0,29 кг ускорителя УП 605/3; 6 л САС. Условная вяз-
кость раствора по вискозиметру ВЗ-4 (ГОСТ 9070-75) должна со-
ставлять (16 ± 3) с.
Автоклавное отверждение препрегов производится по мно-
гоступенчатому режиму с произвольной скоростью подъема тем-
пературы и выдержкой не менее 1 ч на каждой ступени, вакуумом
0,30...0,65 кПа и давлением 0,6...0,8 МПа. Окончательная темпе-
ратура отверждения составляет 160... 165 °C, вакуум 0,3...0,5 кПа,
давление 0,4 МПа, выдержка 8,0 ч; охлаждение до температуры
35...40 °C произвольное, вакуум - 0,3...0,5 кПа, давление -
0,3 МПа.
Физико-механические характеристики углепластика на осно-
ве углеродного волокна ЛУП-01 и связующего ЭНФБ приведены
ниже:
56 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
Плотность, кг/м3............................................1580
Объемное содержание волокон, % .............................60
Модуль упругости при растяжении волокон, ГПа:
продольном...........................................114,2
поперечном............................................8,10
Модуль сдвига, ГПа .........................................3,94
Предел прочности, МПа:
при растяжении волокон:
продольном.......................................1322
поперечном........................................35,30
при сжатии волокон:
продольном........................................719
поперечном........................................133
при сдвиге ...........................................112
1.4. Структура и свойства однонаправленных
композиционных материалов
1.4.1. Микромеханика волокнистых ПКМ
Процесс создания (конструирования) волокнистых ПКМ под-
разделяют на два этапа: расчетно-аналитический и эксперимен-
тально-технологический.
Первый этап включает в себя анализ заданных условий нагру-
жения изделия и разработку способа конструирования (проектиро-
вания) КМ с необходимыми характеристиками. На этом этапе ис-
пользуют представления и расчетные формулы, взятые из механи-
ки КМ, которая базируется на применении уравнений теории
упругости для анизотропных материалов. Также определяются за-
висимости механических характеристик КМ, на которые действу-
ют внешние силы, от состава и свойств компонентов, размеров на-
полнителя, его объемного содержания, структуры материала и дру-
гих параметров. Обычно эти зависимости анализируют и
устанавливают на микроскопическом, макроскопическом и проме-
жуточном структурных уровнях.
Перечислим структурные уровни волокнистых ПКМ.
1. Элементный уровень (состав компонентов). Элементарные
составляющие системы - матрица, волокна и их покрытие
(рис. 1.12, а). Каждый из выбранных компонентов должен отличать-
ся друг от друга по своим химическим и физико-механическим ха-
Глава I. Намоточные волокнистые композиционные материалы 57
рактеристикам, при этом компоненты не должны растворяться друг
в друге и разлагаться в процессе соединения их в единый материал -
КМ. Сами компоненты выбирают на основе принципа синергизма в
целях создания (получения) волокнистого ПКМ с заданными свой-
ствами.
Рис. 1.12. Компоненты микропластика (а); структурный элемент (б);
фрагмент микропластика («); первичная нить со связующим (г); элемен-
тарная полоска, собранная из нитей или ровингов (жгутов), пропитанных
связующим (б):
1 - матрица; 2 - волокно; 3 - переходная зона; 4 - поры
2. Элементарный уровень волокнистого ПКМ представляет
собой очень малый неоднородный элементарный объем волокни-
стого ПКМ (его структурный элемент), в котором присутствуют
все компоненты системы, взаимосвязанные друг с другом за счет
сил поверхностного сцепления или адгезионного взаимодействия
по границам раздела фаз. Кроме волокнистого наполнителя и мат-
рицы структурный элемент ПКМ (рис. 1.12, б) содержит переход-
ную зону толщиной 2 нм...1 мкм (10...5000 атомных слоев) и
большое число мелких пор, представляющих собой распределен-
ные газовые включения диаметром до 1 мкм и более. Объемное
содержание пор в волокнистом ПКМ составляет 0,5...5,0 %.
58 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
3. Микроскопический уровень - это в полном смысле КМ, в
котором неоднородный элементарный объем (элементарный уро-
вень), полученный в процессе соединения компонентов системы в
единое целое, равномерно и регулярным образом распределен по
всему объему волокнистого ПКМ. Структура материала, образо-
ванная из элементарных объемов, представляет собой микрокомпо-
зит. или микропластик, в виде пропитанной связующим нити
(рис. 1.12, г), или пряди из нитей, или ленты (элементарной полос-
ки, рис. 1.12,3), которые в отвержденном состоянии имеют все
свойства волокнистого однонаправленного ПКМ.
Следовательно, микропластик имеет структурную неоднород-
ность, соизмеримую с поперечным размером элементов волокни-
стого наполнителя. Очевидно, что в микропластике армирующие
волокна связаны с полимерной матрицей по границам раздела фаз,
т. е. соединены друг с другом силами поверхностного сцепления
или адгезионного взаимодействия. На микроскопическом уровне
проводят расчеты всех физико-механических характеристик для
неоднородных (гетерогенных) волокнистых ПКМ.
В связи с тем что при анализе работы волокнистого ПКМ его
локальные объемы считаются однородными и эквивалентными в
пределах определенных допущений, при расчетах напряжения и де-
формации усредняют в объемах на уровне микропластика и выво-
дят расчетные формулы для определения механических характери-
стик КМ в целом.
4. Макроскопический уровень представляет собой структур-
ные схемы материала конструкции изделия (стенка оболочки, об-
шивка и др.), сформированного, или собранного, из элементарных
однонаправленных полосок или лент (микропластика) в соответст-
вии со схемой армирования изделия (детали). Структура материала
может быть однонаправленной (рис. 1.13, а), например, в полосе
(лист, шпон), кольцевом образце, цилиндрической оболочке с
кольцевой намоткой. Структура материала также может быть орто-
тропной (рис. 1.13, 6) или перекрестно-армированной (рис. 1.13, в).
например в композитных оболочках, изготовленных методом спи-
ральной намотки из узких однонаправленных лент или из широких
лент при производстве многослойных листовых обшивок (напри-
мер, для трехслойных панелей, полученных методом контактного
формования: выкладкой и прессованием).
Глава I. Намоточные волокнистые композиционные материалы 59
Макроскопический уровень КМ, масштаб которого равен ха-
рактерному размеру создаваемой конструкции, например толщине
стенки изделия, используется при установлении функциональных
зависимостей усредненных механических характеристик для всего
КМ в зависимости от условий нагружения изделия (растяжения,
изгиба, динамического или статического нагружения).
Особенность расчета механических характеристик волокни-
стых ПКМ заключается в их большей чувствительности к дефек-
там матрицы и наполнителя, к взаимодействию на границе раздела
компонентов и к другим дефектам, проявляющимся на микроско-
пическом уровне. В связи с этим удовлетворительные расчетные
формулы получены только для простейших случаев, например для
растяжения однонаправленных ПКМ вдоль волокон.
Рис. 1.13. Однонаправленная (а), ортотропная (б) и перекрестно-
армированная («) слоистые структуры КМ, получаемые методом
пултрузии, намотки или выкладки
При выполнении более сложных расчетов необходимо учесть все
возможные воздействия и влияние различных технологических фак-
торов и режимов изготовления композитных изделий на механиче-
ские характеристики проектируемого материала. В этом случае сле-
дует провести дополнительные экспериментально-технологические
исследования, связанные с эмпирическим выбором состава компо-
нентов, условиями режимов изготовления и со способом формирова-
ния структуры (конструирования схем армирования) ПКМ.
1.4.2. Упрочнение однонаправленных ПКМ непрерывными волокнами
Априори можно утверждать, что прочность однонаправленных
ПКМ при растяжении будет зависеть от состава компонентов, их
механических характеристик, от объемного содержания компонен-
60 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
тов, в первую очередь волокон, и от взаимосвязи волокон с матри-
цей по поверхностям раздела фаз. Приближенный расчет свойств
однонаправленных ПКМ основан на предположении об идеальной
упругости волокон и матрицы, а также о равнонагруженности па-
раллельно уложенных армирующих волокон, находящихся под
действием сил растяжения.
Поперечное сечение образца однонаправленного микропла-
стика состоит из областей площадью FB (рис. 1.14), заполненных
волокнами, и областей площадью FM, заполненных матрицей.
Прочность однонаправленного ПКМ определяют при следующих
допущениях:
• относительные деформации волокон, матрицы и ПКМ равны
вплоть до разрушения образца, т. е. 8В = 8М = 8КМ, это означает, что
^км
Рис. 1.14. Схема растяжения
образца однонаправленного
КМ:
1 - волокно; 2 - матрица
в процессе растяжения ПКМ про-
скальзывание между волокнами и
матрицей отсутствует;
• объемное содержание пор рав-
но нулю, т. е. наличие пор в ПКМ не
учитывается;
• напряжения вдоль волокон по-
стоянны в пределах областей площа-
дью FB и площадью FM и изменяются
на границе раздела скачком, а началь-
ные напряжения в ПКМ отсутствуют.
Пренебрегая для простоты эф-
фектом Пуассона в волокнах и мат-
рице, рассмотрим растяжение одно-
направленного образца микропла-
стика силой б/км- Согласно правилу
суммирования (аддитивному закону смесей) и гипотезе плоских
сечений запишем следующие выражения.
Площадь сечения образца определяют как
^м=^л=^в+Л.=^км+(1-«в)^м; <>в+о„=1, (1-1)
где f)B и f)M - объемное содержание волокна и матрицы в однона-
правленном ПКМ единичной длины, f)B = Кв / Икм = Ив / (Ив + Им);
Ив, Км, Ккм - единичные объемы волокна, матрицы и ПКМ в
целом.
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 61
Сила растяжения вдоль образца составляет <7км~пкм^км =
= овЕв+омЕм. Отсюда с учетом (1.1) получим предел прочности
при растяжении однонаправленного ПКМ вдоль волокон
<*КМ1 =°вкм ^.Лв+а-^вК, (1-2)
где ав и ам - напряжения разрушения в волокне и в матрице, кото-
рые связаны с деформациями законом Гука, т. е. ов=евЕв и
ом=емЕм, причем при растяжении вдоль волокон £в=ем=екм-
Таким образом, из (1.2) имеем оКМ1 =[ОВЕВ+(1-Ов)Ем]екм1 и
^КМ1 = ПКМ1 /еКМ1 = ^в + 0 -1®в)^м • (1-3)
Предполагается, что при поперечном растяжении однонаправ-
ленного образца (см. рис. 1.14, направление 2) чередующиеся ком-
поненты материала нагружаются последовательно. Из этого пред-
положения следует, что поперечная деформация образца еКм2 будет
состоять из суммы деформаций волокон и матрицы, пропорцио-
нально занимаемой ими площади в образце:
Екм2=^в+0-А)Ем-
При совместной деформации волокна и матрицы, а также с
учетом закона Гука и равенства напряжений в волокне и в матрице
<\ = °м=°км2> запишем
1 = еКМ2 = ^в | 0 4)
^КМ2 ПКМ2
Поскольку Ев » Ем, то первым слагаемым в (1.4) можно пре-
небречь, тогда ЕКМ2 = Ем /(1 - Ов). Следовательно, модуль упруго-
сти при растяжении однонаправленного ПКМ в направлении 2 (по-
перечном) больше модуля упругости матрицы.
Более полный анализ модели однонаправленного микропла-
стика с учетом коэффициентов Пуассона волокон vB и матрицы vM
позволяет получить следующие формулы для упругих постоянных
ПКМ:
^КМ “ ^КМ1 = ПКМ1 /еКМ1 ~ ^в +0 - «вК;
62 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
1 ! i-fl, ! [^в+УмО-М2.
^КМ2 £в^в+(1-«в)^
V12 ~ Vb^b + Vm(1-1^b)’ V2l = V12^KM2 ^KMl’
где V12, v21 — коэффициенты Пуассона соответственно при растяже-
нии в направлениях 1 и 2.
Коэффициенты линейного термического расширения однона-
правленного ПКМ в направлении 1 (продольном) ocKmi и в направ-
лении 2 (поперечном) осКм2 в зависимости от КЛТР изотропных
материалов волокна осв и матрицы осм рассчитывают по формулам
„ _«в^в+аМ£М(]-^в).
В В х В 7 М I О I
акм2=ав(1 + Ув)^в+«ма + Ум)(1-^в)-Мв + Ум(1-^в)]«км1-
Как правило, разрушение ПКМ вдоль волокон происходит в
тот момент, когда деформация еКм1 однонаправленного ПКМ ста-
новится равной деформации разрушения волокон евраз или матри-
цы £м раз-
Обычно для полимерных и металлических матриц в однона-
правленных КМ выполняется условие е в раз < е м раз, при этом пре-
дел прочности волокон qb намного больше предела прочности мат-
рицы qm. В связи с этим при достижении предела прочности воло-
кон в результате избытка нагрузки на образец матрица разрушается
немедленно. Следовательно, в соответствии с (1.2) предел прочно-
сти однонаправленного ПКМ овКм будет определяться линейной
зависимостью вида
( 1-$ Е
^вКМ^^в+О-^вКраз^м^^в 1 + > (17)
В lx IV! В В х В 7 Враз М В В I Q j—» 7 х /
V % м
где £в и Ем - модули упругости волокна и матрицы; евраз =
= а IE .
в в
Из решения (1.7) находим критическое объемное содержание
волокон 0вкр, при котором предел прочности однонаправленного
ПКМ <эв км равен пределу прочности ом матрицы:
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 63
вкр
°в-°м
(1-8)
где а* - напряжение матрицы в момент разрушения волокон (реа-
лизуемый предел прочности), о* =евразЕм - овЕм /Ев.
При малом объемном содержании волокон ПКМ в образце сна-
чала разрываются все волокна, однако матрица все еще восприни-
мает приложенную нагрузку и продолжает деформироваться вплоть
до своего разрушения, которое произойдет при Ов= f}Bmin. Следо-
вательно, предел прочности однонаправленного ПКМ на участке
0...OBmin согласно (1.2) описывается уравнением qbKM =
= QM(1-OB), а на участке 0Bmin...0BOpt-уравнением (рис. 1.15)
(1-9)
°вКМ
Рис. 1.15. Зависимости предела прочности в КМ от объемного содержа-
ния волокон, рассчитанные по уравнениям овКм = (1 - 0в) (/), овКм -
= 0вов +(1 - 0в)ом(2) и по результатам эксперимента (3); реализуемая
прочность волокна (4), участок оптимального содержания волокна (5)
Из решения (1.9) находят минимальное объемное содержание
волокон Ов min, при котором все волокна в ПКМ и сама матрица вы-
держивают одинаковую нагрузку:
64 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
а _
в min ~ *
°в-°м+°м
(1.10)
Максимальный предел прочности однонаправленных ПКМ
при растяжении согласно (1.7) достигается на узком участке Ов -
= Ов opt, который для данного вида волокон и матрицы является наи-
лучшим, или оптимальным:
( 1-0 F
^втах =СТв1»вор1 1+^----(1П)
™ В opt В ;
Для определения оптимального объемного содержания воло-
кон в ПКМ 0B opt рассмотрим идеальные схемы армирования эле-
ментарных волокон в первичных нитях или ровингах. При гексаго-
нальной схеме армирования (рис. 1.16, а) цилиндрических воло-
кон, когда они соприкасаются друг с другом, объемное содержание
составляет Огекс = л/4 = 0,785, а при тетрагональной (рис. 1.16, 6) -
Фтетр = л/(2л/з) = 0,907.
Рис. 1.16. Гексагональная (а) и тетрагональная (б) схемы укладки
элементарных волокон в однонаправленном ПКМ; напряжения на
границе раздела стеклянное волокно - эпоксидное связующее (в)
(ЛТ = 120 °C; Ов = 0,58; о2 = 22,6 МПа; ое = 24 МПа; ог = -10 МПа):
1 - волокно; 2 - матрица
Полагая распределение волокон по обеим схемам армирова-
ния равновероятностным, получаем среднее значение максимально
возможного объемного содержания волокон: $ВП1ах = (^гскс +
+ О )/2 = 0,846. Фактическое (оптимальное) содержание волок-
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 65
на в ПКМ значительно меньше максимально возможного и может
быть вычислено по приближенной формуле
0О1|, = Овор( = 0,846/(1+ 8т1П/<7Н)2, (1.12)
где Smin - минимальное расстояние между волокнами, необходимое
для достижения максимального предела прочности однонаправ-
ленного ПКМ.
Следует отметить, что после отверждения связующего на гра-
нице раздела стеклянное волокно - матрица (рис. 1.17, в, точка А)
возникают остаточные усадочные напряжения, зависящие от ко-
эффициентов Пуассона, модулей упругости и разности значений
КЛТР волокна и матрицы.
Приближенное значение осевых и радиальных напряжений,
возникающих при изменении температуры на величину ДГ, нахо-
дят по формулам
с =Д7—~ав)£м£'в— (!.!3)
ЪИЕЯ+ЪМЕМ r (1 + v )Е +(l-v )£
где осм и ав - КЛТР матрицы и волокна; vM и vB - коэффициенты
Пуассона матрицы и волокна. При этом в самом центре между во-
локнами, особенно при их плотной упаковке, наблюдается всесто-
роннее растяжение матрицы с эквивалентной интенсивностью на-
пряжений о)к = (0,80.. .0,86) раз.
Остаточные осевые ст напряжения (1.13), складываясь с на-
пряжениями от внешней нагрузки растяжения, являются причиной
быстрого разрушения (растрескивания) полимерной матрицы. За-
метное растрескивание связующего наступает уже при нагрузке
15... 18 % от разрушающей нагрузки.
С позиции достижения максимального предела прочности при
растяжении, например, однонаправленных эпоксидных стеклопла-
стиков оптимальным считается массовое содержание волокон, рав-
ное Пвор, =0,790...0,815.
Этой величине r|Bopt будет соответствовать (без учета пор)
среднее значение объемного содержания волокон Ов = 0,652, кото-
рое определяют из выражения
66 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
1пв Ж
(114)
где рв и рм - плотности стеклянного волокна и эпоксидной матри-
цы, рв = 2,58 и рм =1,19 г/см3. При 2 %-ном учете пор (0пор = 0,02)
оптимальное объемное содержание волокон в ПКМ составит OBOpt =
= 0,64. Подстановка этого значения в (1.12) дает 5min = б7в/7, что
для волокон диаметром dB = 6.. .8 мкм соответствует 5min ~ 1 мкм.
При увеличении объемного содержания волокон на значение,
большее, чем OBOpt, экспериментальная кривая отклоняется от ли-
нейной зависимости (1.9) и предел прочности волокнистого ПКМ
уменьшается вплоть до предела прочности пучка сухих волокон в
нити, не связанных между собой матрицей. Например, для однона-
правленных стеклопластиков средний реализуемый предел проч-
ности qh элементарных волокон в сухой нити (см. рис. 1.15) на
10... 15 % ниже предела прочности волокнистого ПКМ с?^ах.
Уменьшение предела прочности волокнистого ПКМ при уве-
личении объемного содержания выше, чем значение OBOpt связано с
возрастанием числа дефектов (разрывов) волокон, нехваткой свя-
зующего и его растрескиванием вдоль волокон, со снижением на-
пряжений сдвига на границе раздела стеклянное волокно - матри-
ца, с «сухим» контактом рядом находящихся волокон при недоста-
точном объеме матрицы.
Предел прочности можно определить по линейной плотно-
сти нити Ти и разрывной нагрузке qH, которые указываются в пас-
порте при поставке наполнителя. Реализуемый предел прочности
волокон в сухих нитях находят из равенства
стн=М /в=Я«Рв/Тп=ЧнРв, (1-15)
где /в и рв - площадь поперечного сечения всех волокон в нити и
плотность материала волокна. Средняя относительная разрывная
нагрузка q^=q^/Tn в состоянии поставки для стеклонитей состав-
ляет 0,661 Н-м/мг, для стеклоровингов - 0,61 Н-м/мг, для ровингов
из арамидных волокон СВМ - 2,1 Н/текс, из волокон «Армос-6»-
2,2 Н м/мг.
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 67
Основное различие процессов разрушений однонаправленного
ПКМ и сухой нити, состоящей из пучка волокон, заключается в
том, что разрушение волокон в пучке означает ослабление нити и
рост эффективного напряжения в ней, в то время как разрушение
отдельных волокон в однонаправленном ПКМ приводит к перерас-
пределению нагрузки между волокнами, близко расположенными
около зоны разрыва, и поддержанию заданного уровня напряжений
в образце однонаправленного КМ.
Реализуемый предел прочности ов элементарных волокон в од-
нонаправленном ПКМ при Ов < OBOpt принимают в расчетных фор-
мулах постоянным, а его значение может быть найдено по зависи-
мости
п = ~1 + -—— — = const. (116)
в Ов Ов £в J
Прочность волокон в сухих нитях (1.15) по сравнению с проч-
ностью волокон в однонаправленном ПКМ (1.16) снижается для
стеклопластиков примерно на 40 %, для арамидных волокон - на
10 %. Однако определить реализуемый предел прочности волокна в
КМ можно только экспериментально-технологическим методом.
Для этого необходимо изготовить образцы-свидетели из микропла-
стика и экспериментальным путем установить максимальную проч-
ность однонаправленного КМ и оптимальное содержание волокна.
Если сила растяжения, действующая на образец, превысит по-
ловину предельной нагрузки, то будет наблюдаться разрыв отдель-
ных волокон в однонаправленном КМ. С возрастанием нагрузки
вследствие наличия различного вида дефектов (цепочки пор, мик-
ротрещин) волокна разрушаются в случайных местах, но дефекты
не накапливаются у места первоначального разрушения. Напряже-
ния на конце разорвавшегося волокна перераспределяются таким
образом, что около зоны разрыва осевое напряжение в волокне со-
гласно модели Розена* почти сходит на нет (рис. 1.17). Благодаря
касательным напряжениям, которые передаются через границу
раздела волокно - матрица, напряжение в волокне при удалении от
зоны разрыва постепенно возрастает до исходного уровня. При
этом касательные напряжения имеют максимальное значение око-
* Современные композиционные материалы / Под ред. Л. Браутмана,
Р. Крока. М., 1967.
68 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
ло зоны разрыва волокна и сводятся к минимуму на критической
(характерной) длине /кр волокна.
Рис. 1.17. Модель нормаль-
ных и касательных напряже-
ний при разрушении волокна:
/ - матрица
В случае прочной связи волокна с
матрицей граница раздела не является
потенциальным источником разруше-
ния, поэтому при полном адгезион-
ном взаимодействии волокна с мат-
рицей можно записать равенство сил
(см. рис. 1.17) нормального растяже-
ния волокна и сдвига матрицы: qB =
= овти7в/4 = т Лб// /2. Отсюдакри-
D О Cl) D Кр х
тическая длина волокна
/кр/<=ав/(2тср), (1.17)
где dB - диаметр волокна; qb - предел
прочности волокна при растяжении,
тср - среднее напряжения сдвига, тср~ттах/ 3; ттах - максимально
возможное напряжение сдвига матрицы около зоны разрыва во-
локна, ттах = ом - предел прочности упругой матрицы
при растяжении.
Запишем формулы для определения эффективной длины во-
локна, которая характеризует степень реализации предела прочно-
сти волокна в однонаправленном КМ (pi или ср2 = (рЭф при растяже-
нии (рис. 1.18):
(р, =ств/ств =/в/(2/кр); ф2 =ф.)ф =ов/ов =1-/кр/(2/эф), (1.18
где QB = оСр - средний реализуемый предел прочности волокна в
КМ; /в- дискретная длина волокна; /эф- эффективная длина во-
локна.
Рис. 1.18. Схема распределе-
ния среднего напряжения оср
при растяжении от длины
волокна /в
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 69
В конечном счете дальнейшее возрастание нагрузки на образец
вызывает статистическое накопление разрушений или дробление
волокон с неэффективной длиной до тех пор, пока в пределах по-
перечного сечения образца взаимодействие между отдельными во-
локнами с большим числом разрушений не приведет к ослаблению
КМ в целом и окончательному его разрыву.
В качестве примера рассмотрим стеклопластик на основе во-
локна ВМПС-6 и эпоксидного связующего ЭДТ-10. Для этого ма-
териала реализуемый предел прочности волокна в КМ составляет
пв = 2850 МПа, прочность матрицы при растяжении ом = 85 МПа,
расчетное значение тер = 16,4 МПа. Если диаметр волокна dR =
= 6 мкм, то в соответствии с (1.17) и (1.18) критическая длина во-
локна /кр =0,52 мм, удлинение I /dB = ST, а эффективная длина
при 95 %-ной реализации предела прочности волокна /эф = 5,2 мм.
1.4.3. Требуемое удлинение матрицы при растяжении
волокнистого ортотропного ПКМ
Нарушение монолитности волокнистых ПКМ на уровне
образования микротрещин в полимерной матрице начинается
задолго до полного разрушения материала конструкции изделия в
целом. Начальные поврежденные участки (трещины) занимают
малый объем, поэтому при проведении прочностных расчетов
конструкции изделия в первом приближении однонаправленный
ПКМ считают сплошным материалом.
Однако при оценке утечек жидкости через стенки изделия не-
обходимо, определив герметичность конструкции из условий экс-
плуатации, найти нижнюю границу трещинообразования, которая,
например, для эпоксидных стеклопластиков определяется уже при
нагрузке 15 % от разрушающей нагрузки.
Для транспортировки и хранения химически активных жидко-
стей необходимо применять герметичные емкости и трубопроводы с
большим сроком службы. Это касается прежде всего перекачки и
хранения кислот, щелочей, агрессивных жидкостей на химических и
металлургических заводах, перевозки их в цистернах по железным и
автомобильным дорогам. Химически активными являются горячая и
холодная вода, промышленные стоки (коммунальное хозяйство,
ТЭЦ), а также большинство сортов нефти с большим содержанием
70 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
газообразных продуктов в виде СО2, H2S и др., перекачиваемых по
внутрипромысловым и магистральным трубопроводам.
Наиболее химически стойкие конструкционные материалы для
изготовления методом намотки трубопроводов и емкостей для хра-
нения агрессивных жидкостей - стеклопластики на основе реакто-
пластов. Так, эпоксидное покрытие толщиной 300 мкм (без трещин
и волокон) в концентрированной соляной кислоте (37 %-ной) при
температуре 20 °C может сохранять свои эксплуатационные харак-
теристики в течение нескольких лет.
Для исключения утечек жидкости из сосуда давления или тру-
бопровода через стенку конструкции в ней не должны образовы-
ваться сквозные трещины со степенью герметичности более Qaon =
= 10 6 Пам3/с, так как меньшие утечки будут перекрываться жид-
костью за счет сил поверхностного натяжения.
Поток двухатомных газов (воздуха) через сквозное отверстие в
стенке сосуда в единицу времени определяют из следующего урав-
нения*:
(1.19)
•"Ра. /Рсл
где 50 - площадь сквозного отверстия при ра1 / рсд 0, м2. Срав-
нивая поток воздуха через трещину с допустимой степенью гер-
метичности рдоп при давлении рсл и с потоком воздуха через
сквозное отверстие (1.19) при ра1/рС}1 —> 0, найдем минималь-
ную площадь сечения трещины: 5min = Q,lon / 197,4 = 10 6 / 197,4 =
= 0,507- 102мм2. Если принять, что раскрытие трещины будет
равно 1...2 мкм, то длина трещины составит 2,5...5,1 мм. В экс-
периментах установлено, что трещины таких размеров образуют-
ся уже при незначительном деформировании (15 %) волокнистого
ПКМ сосуда давления.
Чтобы определить, какое требуемое удлинение при разруше-
нии изделия должна иметь матрица, рассмотрим модель дефор-
мированного состояния элементарного объема ортотропного
ПКМ стенки сосуда в поперечном направлении к волокнам (см.
рис. 1.14, направление 2).
Основы вакуумной техники / А.И. Пипко, В.Я. Плисковский,
Б.Н. Королев и др. М., 1981.
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 71
Сила растяжения дКм2 действует на элемент А однонаправ-
ленного ПКМ шириной /?км и толщиной h в перпендикулярном к
волокнам направлении (рис. 1.19, а).
аКМ2
Рис. 1.19. Модель армированного КМ с прямоугольным расположением
волокон (сила приложена перпендикулярно) (а) и зависимости отноше-
ния деформаций ем / еКм от объемного содержания 0в волокна (б) для
Ем / Ев, равного 1/20 (7), 0 (2)
Предположим, что матрица и волокна деформируются совме-
стно и упруго, тогда можно записать
^KMeKM2 = GKM2- (1-20)
При совместном деформировании матрицы и волокон напря-
жения в компонентах одинаковы и условие равновесия элемента А
единичной длины имеет вид
Gb2 =аКМ2 ~<7кМ2 (1-21)
где оВ2 иом- напряжения в волокнах и матрице в направлении 2.
Деформация еКМ2 = Екм элемента КМ шириной бкм может
быть выражена через деформации компонентов:
£КМ2^КМ =еКМ2(^в +^м) = ев^в +ем^м’ (1-22)
где ев и Ем - относительные деформации при растяжении волокна
и матрицы; dB- диаметр волокна; 8М - толщина прослойки мат-
рицы между волокнами.
12 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
Решая совместно (1.20)—(1.22) с учетом (1.12), получаем
ем _ 1 + 8м/<
еКМ 8„ /< +ЕМ /ER
1+5мЧ=#/4)»в-
(1.23)
Например, для однонаправленного стеклопластика при 8М = 0,
Ем / Ев = 25 и Екм = 2,2 % из (1.23) удлинение матрицы должно со-
ставлять 55 %, что для реактопластов является нереальным. На
рис. 1.19, б по уравнениям (1.23) построены зависимости отноше-
ния ем / Екм от объемного содержания Ов, показывающие, что при
оптимальном армировании КМ деформация матрицы должна быть
в 6-10 раз больше деформации разрушения стеклопластика.
Чтобы обеспечить монолитность КМ и не допустить образо-
вания в нем трещин, необходимо или выбрать (синтезировать)
эластичное связующее с деформацией не менее Емра} = 15...20 %,
или снизить объемное содержание до Ов < 0,25. Тогда для сохра-
нения монолитности материала можно будет использовать широ-
ко применяемые эпоксидные связующие с деформацией Емраз =
= 4,0...4,5 %.
Однако получить микропластик на основе нитей (жгутов), со-
стоящих из пучка стеклянных, органических или углеродных воло-
кон с объемным содержанием вв < 0,25, крайне затруднительно.
Тогда следует снизить уровень рабочих деформаций ниже порога
растрескивания связующего, что чаще всего и используют, напри-
мер, при изготовлении методом намотки стеклопластиковых труб
общего назначения.
1.5. Методы определения механических характеристик
однонаправленных волокнистых композиционных материалов
Для выбора рационального технологического варианта изго-
товления ПКМ и прогнозирования их свойств необходимо экспе-
риментальное определение его механических характеристик на
образцах-свидетелях. Самый распространенный метод механиче-
ских испытаний - одноосное статическое растяжение.
Удобным образцом для испытаний, проводимых с целью опре-
деления свойств непрерывных волокнистых наполнителей, являет-
ся микропластик, представляющий собой элементарный однона-
Глава 1. Намоточные волокнистые композиционные материалы 73
правленный ПКМ на основе полимерных матриц (связующих) и
однонаправленных наполнителей (волокон). Микропластик служит
для экспресс-анализа и определения реализуемого предела проч-
ности и модуля упругости при растяжении непрерывных стеклян-
ных, органических, углеродных или других волокон, используемых
в качестве наполнителей для ПКМ.
Образцы микропластика изготовляют мокрым способом на-
мотки на рамочную оправку (рис. 1.20). Они представляют собой
цилиндрические или плоские стержни длиной 200...250 мм из
крученых нитей, жгутов или ровингов, избыточно пропитанных
связующим и отвержденных по режиму, принятому для данного
типа полимерного связующего, например эпоксидного. Перед на-
моткой образцов определяют линейную плотность сухой нити
или ровинга Гн:
7;, =(1/и)1(Л/в,//„,), (1.24)
/=1
где п - число образцов сухих нитей; Л/в/ - масса волокна z-й нити;
/„/-длина z-й нити.
Рис. 1.20. Схема изготовления образцов микропластика мокрым спосо-
бом намотки:
/ - шпулярник; 2 - бобина; 3 - тормоз; 4 - компенсатор неравномерности
расхода нитей при намотке; 5 - ролики; 6 - раскладчик ленты; 7 - оправка;
8 - образец микропластика; 9 - суппорт станка; 10 - ванна; 11 - связующее;
12 - фильера для отжима связующего; X - направление движения суппорта;
/обр- длина образца; /нам - шаг намотки; яоп - частота вращения оправки
74 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
После намотки и отверждения связующего образцы микро-
пластика испытывают на растяжение (рис. 1.21) и определяют
средние предел прочности св и модуль упругости Ев волокна,
реализуемые в КМ:
пв=(1/и)Х[(9обрРв),/7’н]; Ecp=(l/»)ie,; ^в-ов/еср, (1.25)
/=1 /=1
где <7обР- сила разрушения, действующая на микропластик; рв-
плотность волокна; Еср- средняя относительная деформация об-
разца при разрыве.
Рис. 1.21. Схема испытаний образцов
микропластика на разрывной машине
STATIGRAPH М:
/, 2 - кнопки подвижного и неподвижного
пневмозажимов; 3 - самописец «сила - уд-
линение»; 4 - индикатор разрушающей де-
формации (%); 5 - индикатор разрывной си-
лы (Н); 6, 8 - неподвижный (измерительный)
и подвижный зажимы; 7 - образец микро-
пластика; 9 - тумблер автомата подачи бу-
маги; 10 - тумблер «Растяжение»; / / - тум-
блер «Обратный ход»; X - направление
движения захвата; /обр- длина образца
Полученные в результате испытаний микропластика значения
(7В и Ев вводят в расчетные формулы, определяющие механические
характеристики всего КМ. Реализуемый предел прочности волокна
ов в КМ получается с избытком в 0,5... 1,5 % без учета напряжения
матрицы в разрушении образца микропластика.
Механические характеристики слоистых ПКМ, армированных
непрерывными волокнами, определяют на специально изготовлен-
ных образцах-свидетелях. При выборе геометрической формы и
технологии изготовления образцов-свидетелей необходимо моде-
лировать процесс изготовления самого изделия.
Например, для оценки характеристик материала многослой-
ных обшивок, получаемых контактным формованием, использу-
ют плоские образцы прямоугольного сечения с концевыми наклад-
ками по ГОСТ 25.601-80. По результатам испытаний плоских
образцов на растяжение (рис. 1.22) и по известным формулам
Глава I. Намоточные волокнистые композиционные материалы 75
(ОСТ 3-4354-79) расчетным путем определяют предел прочности
Овкм, модуль упругости Екм, деформацию разрушения КМ ЕКм и
коэффициент Пуассона vKmi-
^вКМ — *7раз ^(^обр^обр)’ £КМ — ^(^обр^обр^)’
_А, , _ , (1.26)
£КМ ~^раЛ’ VKM1 ~еКМ2 ^£КМ1’
где <?раз - сила разрушения при растяжении образца; Ад - прираще-
ние силы; /0- базовая длина образца, /0 = 75... 100 мм; А/ - удлинение
базовой длины, мм; А/ра}- удлинение при разрушении, мм; еКм1 и
Екм? ~ относительные деформации в продольном и поперечном на-
правлениях по показаниям тензодатчиков, например КБ-10-200П
или 2ФПК-5-200.
Эти 200-омные тензодатчики имеют активную базу измерения
10 мм и тензочувствительность Sm = 2,0. Предельная измеряемая
деформация при нормальной температуре составляет 5 %. Тензо-
датчики на бумажной или пленочной основе приклеивают
к образцам клеем БФ-2, БФ-4 (ГОСТ 12172-74) или «Циакрин»
ЭО (ТУ 6-09-30-76) в соответствии с требованиями ОСТ 92-4236-77
«Тензорезисторы. Технические требования к установке на поверх-
ности изделий».
Рис. 1.22. Форма плоских образцов на рас-
тяжение с концевыми накладками:
/ - плоский образец; 2 - накладка; 3 - клеевой
слой; Г 5 - тензодатчики продольного и попе-
речного направлений
Плоский образец для испытаний на растяжение должен отве-
чать следующим требованиям: в рабочей зоне должно быть созда-
но однородное напряженное состояние; разрушение образца долж-
76 Часть L Характеристика намотанных композитных конструкций
но происходить на его базовой длине. Рекомендуемые размеры об-
разцов для испытаний на растяжение: длина рабочей части /раб =
= 127 мм; общая длина образца - не менее 250 мм; ширина образца
/?обР = 12,7...20,0 мм; толщина образца ЛОбР = 0,5...2,5 мм; толщина
накладок образца (1,5.. .4,0)Л.
Для определения механических характеристик однонаправ-
ленных КМ, изготовленных методом намотки, используют кольце-
вые или трубчатые образцы. Кольцевые образцы служат для оцен-
ки характеристик в направлении ориентации волокон и в перпен-
дикулярном направлении, трубчатые - еще и в угловом
направлении к волокнам, а также для установления характеристик
материала на сдвиг при кручении.
Широкое применение кольцевых образцов обусловлено их
простой формой, удобством и быстротой изготовления, возможно-
стью прогнозирования с достаточной для практики точностью
прочностных характеристик материала. Схема растяжения и об-
щий вид кольцевых образцов-свидетелей на разрывной машине
приведены на рис. 1.23.
Рис. 1.23. Схема растяжения и геометрия кольцевого образца (а) и общий
вид кольцевых образцов-свидетелей на разрывной машине (б):
1 - кольцевой образец; 2 - жесткий полудиск-оправка; 3 - тензодатчик
б
Экспериментальное определение механических характеристик
однонаправленных стекло-, угле- или органопластиков проводят на
кольцевых образцах внутренним диаметром 150 мм, шириной от
20 мм и толщиной 1,0... 1,8 мм. Кольцевые образцы изготовляют
мокрым или сухим (препрегом) способом намотки на разъемную
(см. рис. 1.20) цилиндрическую оправку по режимам, принятым
для изготовления композитного изделия. При испытаниях кольце-
Глава I. Намоточные волокнистые композиционные материалы 77
вые образцы растягивают жесткими полудисками на разрывной
машине со скоростью перемещения захватов около 15 мм/мин.
Следует отметить некоторые особенности испытаний кольце-
вых образцов. В зависимости от типа волокнистого наполнителя и
толщины кольцевого образца его прочность получается в большей
или меньшей мере заниженной. Это связано с тем, что при растя-
жении образца в области разъема полудисков образуется зазор, в
этой области кольцевой образец изгибается, становится прямоли-
нейным, создается дополнительное напряжение в образце от изги-
бающего момента. Это и приводит его к преждевременному раз-
рушению.
Кроме того, существенную погрешность, причем неопреде-
ленного знака, вносит неточность определения толщины намотан-
ного образца, наружная поверхность которого не обрабатывается
механическим путем во избежание перерезания большого коли-
чества нитей. Поскольку точность измерения толщины образца
примерно равна толщине наматываемой ленты 8Л = ±(18... 24) мм,
суммарная погрешность определения предела прочности и моду-
ля упругости при растяжении может составлять не менее
±(10. ..15) %. Формулы для расчета предела прочности и модуля
упругости приведены ниже:
_ 9раз р _ Ьд лПср п
^^обр^обр ^^обр^обр 2Д/
где ^раз - сила разрушения кольцевого образца; £>ср - средний диа-
метр кольца, D =£>оп+Аоб ; Д/* - изменение расстояния между
полудисками (см. рис. 1.23, а) при увеличении силы на \q.
Для устранения погрешности определения предела прочности
и модуля упругости КМ при растяжении предложены формулы, все
величины в которых рассчитываются с погрешностями не более
Ду < 1 %. В этом случае при испытании кольцевых образцов опре-
деляют удельную прочность и предел прочности однонаправлен-
ного КМ по формулам
QbKM _ Я^обр?раз . _ РкМ V ПвКМ ^04
Ркм 2Л/обр п /=1^ркм J.
78 Часть 1. Характеристика намотанных композитных конструкций
где Л/обр - масса кольцевого образца; п - число испытанных коль-
цевых образцов. При этом плотность КМ р«м без учета пор нахо-
дят расчетным путем по зависимостям
Рм
Ркм 1-Пм(1-рм/рв)’
гс£>обр
Т’нЧлр
(1-29)
nB = w
где рв и рм - плотности волокна и матрицы (связующего); г|в, г|м -
массовое содержание волокна и матрицы в КМ; Тп - линейная плот-
ность сухой нити; т - число витков нитей или ровингов в кольцевом
образце, т > 400 или 100 шт. Плотность р«м также можно опреде-
лить гидростатическим взвешиванием (ГОСТ 15139-69), при этом
будет учтена и пористость КМ.
Кроме того, при испытании кольцевых образцов с помощью
тензометрирования дополнительно определяют относительные
деформации еКм и модуль упругости Е«м однонаправленного КМ.
Для этого на кольцевые образцы с двух сторон (см. рис. 1.23, а)
наклеивают тензодатчики под углом ±15° к плоскости разъема по-
лудисков, где влияние изгибающего момента уже незначительно, а
трение между растянутым образцом и полудисками практически
отсутствует. В этом случае значения относительных деформаций,
%, и модуля упругости находят из выражений
£км-^^-юо%; L (1-30)
П i=\ \ ^КМ Jj
где А и ДУ? / R - текущее цифровое показание и цена деления реги-
стрирующего прибора; AR - приращение активного сопротивления
плеча моста; R - сопротивление тензорезистора, R = 200 Ом; Sm -
тензочувствительность датчика, Sm = 2,0; п - число кольцевых об-
разцов.
Механические характеристики кольцевых образцов средним
диаметром Dcp = 151,0... 151,2 мм и шириной Аобр = 20 мм из одно-
направленных стекло- и углепластиков на эпоксидном связующем
ЭДТ-10 приведены ниже:
Глава I. Намоточные волокнистые композиционные материалы 79
ВМС6-7,2x1x3x5-80 РВМП-9-1260-80П У КН-300
Плотность, кг/м3 ...2025 2020 1600
Предел прочности, МПа ... 1925 1750 1460
Модуль упругости, ГПа ...57 55 110,8
Удельная прочность, кДж/кг ...950 865 912
Удельный модуль упругости, кДж/кг ...28,3 27,4 69,2
Деформация разрушения, % ...2,53 2,48 1,32
Массовое содержание волокна в КМ, % ...79 78 77
Намотку образцов из стеклопластика проводят узкой лентой из
крученых нитей ВМС6-7,2x1x3x5-80 и эпоксидного связующего
ЭДТ-10 мокрым способом намотки, а также предварительно про-
питанным ровингом (препрегом) РВМП-9-1260-80П. Термическую
обработку образцов осуществляют по режиму, указанному в ОСТ
92-0957-74. Натяжение нитей при изготовлении кольцевых образ-
цов поддерживают на уровне 10 % от разрывной нагрузки, дейст-
вующей на наматываемую ленту.
Характеристики углепластика на основе волокна УКН-5000 и
модифицированного эпоксидного связующего ЭХД-МК приведены
ниже:
Плотность, кг/м3 ..........................................1600
Модуль упругости волокна, ГПа, в направлении:
продольном ............................................125,6
поперечном ............................................2,45
Модуль сдвига, ГПа.........................................3,80
Коэффициент Пуассона.......................................0,192
Предел прочности волокна, МПа, в направлении:
продольном .............................................1270
поперечном ............................................ 10
Прочность, МПа:
на сдвиг ..............................................31
при сжатии в направлении:
продольном .........................................740
поперечном ........................................45
Глава 2
АНАЛИЗ НАМОТАННЫХ
КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
РАКЕТ И СРЕДСТВ ПОРАЖЕНИЯ
2.1. Характеристика технологических методов создания
композитных конструкций из однонаправленных
композиционных материалов
Рассмотрим три основных метода изготовления композитных
конструкций из однонаправленных волокнистых ПКМ. К этим ме-
тодам относят пултрузию, контактное формование и намотку
2.1,1, Метод пултрузии
Метод пултрузии - это технологический процесс получения
длинномерных профилей путем непрерывной вытяжки через на-
гретую формообразующую фильеру стеклоровингов, пропитанных
термореактивным связующим. В фильере убираются излишки свя-
зующего, происходит профилирование ламината и отверждение
реактопласта, после чего отвержденный профиль автоматически
обрезается на необходимую длину. В результате получают армиро-
ванный стеклянным волокном профиль постоянного сечения, кон-
фигурация которого повторяет форму фильеры.
Первый патент на метод пултрузии был выдан в 1946 г. С по-
мощью этого метода можно создавать длинномерные профильные
стеклопластиковые изделия (рис. 2.1) с уникальными физико-меха-
ническими характеристиками при незначительной плотности ма-
териала.
Рис. 2.1. Конфигурации стеклопластиковых профилей,
армированных стеклянным волокном (/) и стекломатом (2)
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 81
Стеклопластик профиля состоит из стеклоровинга (60 %), ори-
ентированного в продольном направлении, из стекломата (10%) и
из полиэфирного термореактивного связующего (30 %). Стеклоро-
винги и стекломаты протягивают через ванну со смолой, где стекло-
наполнитель пропитывается полиэфирным связующим. Далее про-
питанные волокна пропускают через нагретую до 130... 150 °C
фильеру со скоростью от 0,04 до 2,5...4,0 м/мин, где происходит от-
верждение (полимеризация) связующего и профили принимают
окончательную форму поперечного сечения. В результате получают
высокопрочный профиль, готовый к применению сразу после того,
как он покидает пултрузионную установку.
Профили изготовляют на специальной пултрузионной уста-
новке, на которой получают изделия любой конфигурации (стер-
жень, труба, уголок, пластина, швеллер, короб и т. д.). Метод пул-
трузии реализуется на современных компьютерно-управляемых
установках с силой вытяжки 10...240 кН, позволяющих выполнять
профили для строительных и мостовых конструкций шириной до
1,0 м и высотой 0,35 м, а также трубы электротехнического и дру-
гого назначения диаметром до 80 мм.
Пултрузионная установка (рис. 2.2) для получения стеклоплас-
тикового профиля в автоматическом режиме представляет собой
ряд смонтированных в линию основных узлов, функционально
связанных между собой пневматическими и гидравлическими ма-
гистралями, а также электрическими кабелями.
Основные узлы пултрузионной установки: секции подачи
стеклонаполнителя, пропитки наполнителя полиэфирным связую-
щим, формообразующей фильеры; тянущий агрегат; контрольный
узел, включающий в себя блоки питания, управления нагреватель-
ными элементами и систему управления тянущего агрегата; гид-
ромаслостанция и секция отрезной пилы.
Разработана технология производства стеклопластиковых труб
и освоено оборудование для их производства. Такие трубы конку-
рентоспособны и находят широкое применение наряду со сталь-
ными, с чугунными, полиэтиленовыми трубами и с трубами из
ПВХ. Стеклопластиковые трубы отличают высокие удельная проч-
ность материала, коррозионная стойкость, надежность и долговеч-
ность (50...80 лет), отсутствие «зарастания» внутренней поверх-
ности, разрушения при замерзании в них воды, минимальные за-
траты на монтаж и обслуживание, высокая ремонтопригодность.
82 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
Трубы применяют для трубопроводов холодного и горячего водо-
снабжения, канализации, химических трубопроводов, водостоков,
мусоропроводов, вентиляции и др.
Рис. 2.2. Пултрузионная компьютерно-управляемая установка фирмы
Pultrex с габаритными размерами 25 000x1000x1850 мм и высотой шпу-
лярника 3500 мм:
I - шпулярник с бобинами стеклоровинга; 2 - секция пропитки стеклонитей
связующим; 3 - секция формирования профиля; 4 - камера подогрева с формо-
образующей фильерой; 5 - контрольный узел; 6 - тянущий агрегат; 7 - секция
отрезной пилы
Физико-механические характеристики стеклопластика приве-
дены ниже:
Плотность, кг/м3 ............................. 1600...2000
Предел прочности, МПа:
при сжатии (растяжении) ..................... 410... 1180
при изгибе............................... 690... 1240
Модуль упругости, ГПа:
при растяжении .............................. 21.. .41
при изгибе............................... 21...41
КЛТР а! О’6, К’1.............................. 5... 14
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)
0,30...0,35
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 83
2.1.2. Метод контактного формования
Метод контактного формования многослойных конструкций
(обшивок, профилей) из волокнистых ПКМ подразделяется на:
• контактное формование (метод выкладки) путем выкладки
слоистой заготовки изделия и последующего отверждения свя-
зующего без приложения внешнего давления сжатия на заготовку;
• контактно-вакуумное формование путем выкладки слоистой
заготовки изделия, последующего вакуумирования технологиче-
ского пакета и отверждения связующего под атмосферным давле-
нием, действующим через эластичную диафрагму (мешок из рези-
ны, полипропилена) на заготовку;
• контактно-автоклавное формование путем выкладки слои-
стой заготовки изделия, последующего вакуумирования техноло-
гического пакета с оснасткой и отверждения связующего под вы-
соким давлением в автоклаве, действующим через эластичную
диафрагму на заготовку.
Методом контактного формования могут быть изготовлены
как позитивные (выпуклые), так и негативные (вогнутые) формы
изделий.
Процесс контактного формования является прерывистым и
включает в себя основные проходы, связанные с укладкой препрега
ленты, и вспомогательные (холостые) проходы, связанные с возвра-
том раскладчика в исходное положение. В связи с этим структура
стенки изделия (обшивки) получается слоистой анизотропной или
квазиизотропной, что обусловлено прерывистой многослойной ук-
ладкой лент с любой угловой ориентацией по слоям (0 < Рукл < 90°) и
различным числом слоев по разным направлениям.
Таким образом, метод контактного формования обеспечивает
получение переменной толщины стенки (обшивки) как по длине,
так и по ширине изделия и с любой ориентацией волокон. Кроме
того, этот метод дает возможность изготовлять обшивки из одно-
направленных лент и ровингов, а также из тканых препрегов (лент,
полотнищ) или их комбинаций.
Методом контактного формования и автоклавного отвержде-
ния получают слоистые обшивки из угле-, стекло- и органопласти-
ков или из их комбинаций для трехслойных плоских панелей кор-
пусов и солнечных батарей космических летательных аппаратов
(КЛА), для трехслойных оболочек обтекателей головных частей
ракет-носителей, для трехслойных панелей фюзеляжа, планера и
84 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
хвостового оперения самолетов и др., а также детали продольно-
поперечного силового набора (ППСН) самолетов или ракет - лон-
жероны, балки и стрингеры, нервюры и стенки, профильные труб-
ки, стойки и др. Толщина стенки изделия обычно составляет /?сг <
< 10 мм. При этом метод контактного формования и автоклавного
отверждения обеспечивает получение высокопрочных и плотных
слоистых изделий из волокнистых ПКМ с малым содержанием пор.
В строительстве и на транспорте методом контактного формо-
вания и вакуумного отверждения изготовляют хранилища для твер-
дых материалов, цистерны для жидкостей, корпуса автомобилей и
лодок, речные и морские суда, а также мебель, изделия для спорта и
отдыха.
К достоинствам метода контактного формования следует отне-
сти универсальность и простоту осуществления процесса изготов-
ления изделий сложной формы с положительной или отрицательной
кривизной поверхности, хорошие условия получения крупногаба-
ритных, тонкостенных и маложестких композитных конструкций с
одновременной установкой в них закладных, как правило, металли-
ческих деталей.
Недостатки метода контактного формования: большие затраты
ручного труда; большие отходы препрегов (до 7... 10 %); относи-
тельно невысокая стабильность характеристик изделий, особенно
при ручной выкладке и вакуумном отверждении; высокая стои-
мость основного оборудования для автоматической выкладки и
автоклавного отверждения изделий.
Процесс выкладки многослойной обшивки (оболочки, профи-
ля) и сборки технологического пакета для отверждения изделия
состоит из следующих основных операций.
1. Ручная выкладка. Выкладку однонаправленных препрегов
лент производят вручную на пресс-формы или шаблоны. Много-
слойные плоские обшивки получают путем выкладки широких
лент на специальных столах с бортовым отсосом. В основном
применяют ленты шириной 265 мм (углепластиковая лента ЛУ-ЗП,
Россия) или 457 мм (США).
Раскрой широких ленточных или тканых препрегов ведется
сразу для многих слоев (заготовок) на специальных столах. Ленты
в размер обрезают сапожным ножом, водной струей, реже лазер-
ным лучом по программе. Отходы при обрезании лент составляют
7... 10 %, что довольно много для дорогих углеродных, органиче-
ских («Кевлар-49», «Армос-2») и тем более борных волокон.
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 85
Возможность формования изделия сразу в «размер» в «сыром»
виде экономически выгодна. В результате обеспечивается более
высокое качество изделия, чем при применении технологии с по-
следующей механической обработкой кромок, сверлением отвер-
стий уже после отверждения связующего, так как разрезание пре-
прега относительно недорогая операция по сравнению с механи-
ческой обработкой. Механическая обработка алмазным или
твердосплавным инструментом разрушает (расщепляет) кромки
листа или стенку изделия, при этом образуется пыль, которую
необходимо отсасывать из зоны резания.
2. Автоматизированная выкладка тонкостенных оболочек двой-
ной кривизны. Выкладка производится лентами шириной до 100 мм
машинным способом, например, на четырехкоординатном станке
ВКЛ-2-8 с числовым программным управлением (ЧПУ) (см.
разд. 7.5). Наибольшие размеры изготовляемого изделия в плане со-
ставляют 2000x8000 мм, угол укладки лент к оси изделия Рукл =
= 0.. .90°. Станок оснащен вакуумным столом для крепления оправок.
Выкладочная головка и катушка с препрегом ленты (рис. 2.3)
совершает возвратно-поступательное перемещение в продольном
(координата V) и поперечном (координата IV) направлениях, укла-
дывая ленту шириной /л < 100 мм под углом Рукл к оси изделия (ко-
ордината III).
В начальном положении лента препрега прижимается (при-
клеивается) силой РПрик прикаточным роликом по координате 1 к
поверхности оправки. После основного прохода и укладки ленты
под углом Рукл лента в конце оправки обрезается ножом, а головка
возвращается обратно и все движения вновь повторяются на сле-
дующем проходе. Скорость укладки ленты С/укл = 7,5... 10,0 м/мин,
зазор лент по шагу укладки А/ = 0... 1 мм, угол поворота выкладоч-
ной головки 0 = 0...3500, угол поворота ножа - не менее 120°, сила
прикатки - 1000 Н.
При автоматизированной выкладке многослойных оболочек
лента препрега должна обладать двумя свойствами: липкостью и
мягкостью.
Липкость (прилипание, адгезия) препрегов должна обеспечи-
вать прилипание ленты к поверхности формования, но не слишком
сильное, чтобы можно было отделить подложку-пленку от ленты
препрега без уноса связующего. Состояние «отлипа» должно быть
86 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
таким, чтобы слой препрега не нарушался при прикосновении
пальца человека, но оставался след - четкий рисунок пальца на
поверхности препрега.
Рис. 2.3. Схема автоматизированной выкладки препрегом оболочки
двойной кривизны:
1 - оправка; 2 - головка; 3 - устройство обрезки; 4 - рама; 5 - бобина (катушка)
с лентой препрега; 6 - разделительная пленка; 7 - нагреватель; 8 - суппорт; 9 -
каретка; I-V - степени подвижности вкладочного станка и головки
Препрег должен обладать достаточной мягкостью, чтобы он
мог принять конфигурацию формируемой поверхности.
3. Сборка технологического пакета (рис. 2.4). Она включает
укладку сформованных из препрега слоев обшивки (оболочки) на
подогретую пресс-форму (оправку); укладку эластичного вакуум-
ного мешка (диафрагмы), герметизацию технологического пакета,
создание вакуума; загрузку технологического пакета с оснасткой в
автоклав или термопечь (АРП-8, см. разд. 7.5), создание внешнего
давления в автоклаве, отверждение связующего. При вакуумной
формовке слоистых обшивок и отверждении изделия в термопечи
давление обжатия /2вак = 70...90 кПа, а при автоклавном формова-
нии ^вак = 0,30...2,50 МПа. Скорость подъема температуры при от-
верждении составляет 1,0...2,0 °С/мин, а скорость охлаждения - не
более 0,25...0,50 °С/мин.
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 87
Рис. 2.4. Схема сборки технологического пакета и вакуумирование фор-
муемого изделия:
1 - герметизирующий жгут-паста; 2 - ограничивающие бобышки; 3 - формуе-
мое изделие; 4 - клапаны вакуумной системы; 5 - дренажный слой из пористого
материала; 6 - цулага с дренажными отверстиями; 7 - вакуумный мешок; 8-
компенсирующая складка; 9 - разделительные дренажные пленки; 10 - оправка
(вакуумный стол)
2.1.3. Метод намотки
Намотка - это универсальный метод изготовления композит-
ных конструкций повторяющимися витками нитей или лент в не-
прерывном автоматизированном режиме. Методом намотки можно
получить любую выпуклую форму изделия (круглую, плоскую,
треугольную, коническую или кольцо) при условии, что намотку
осуществляют с натяжением наматываемого материала. Наиболее
распространены изделия цилиндрической формы. Методом намот-
ки во множестве производят стеклопластиковые (композитные)
трубы и цилиндрические емкости диаметром до 10 м.
Исходя из предполагаемого характера нагрузок, структуру на-
мотки можно выполнять несколькими различными способами. В
зависимости от характера нагрузок (распределенных, знакопере-
менных или локальных) определяют вид используемой модели из-
делия, число слоев намотки, направление и распределение витков
нитей по слоям.
Характерные размеры и отклонения, которые могут быть по-
лучены с применением метода намотки: минимальный внутренний
88 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
радиус - 3,2 мм; минимальная эффективная толщина - 0,4 мм; мак-
симальная эффективная толщина - 7,6 мм; нормальное отклонение
по толщине - 0,4 мм. Толщину стенки можно получать и с большей
точностью посредством последующей механической обработки.
Однако при определенных обстоятельствах механическая обработ-
ка снижает прочностные характеристики и стойкость КМ к клима-
тическим условиям.
Метод намотки обеспечивает широкий выбор армирующего
наполнителя и полимерных связующих, возможность варьировать
прочность, высокий уровень контроля качества материала изделия,
низкие трудозатраты. Сам процесс намотки может быть высокоме-
ханизированным.
Методом намотки получают стеклопластиковые трубы для
нефтегазовой промышленности и коммунального хозяйства, а так-
же соединительные и фасонные части трубопроводов, гильзы для
ружейных и пушечных снарядов, баллоны и емкости для хранения
газов под высоким давлением, корпуса ракетных двигателей ЛА,
подкрыльные топливные баки для самолетов, вертолетов, мачты
парусных судов, железнодорожные цистерны, хранилища для аг-
рессивных жидкостей и др.
В настоящее время метод намотки хорошо отработан для изго-
товления большого класса выпуклых оболочечных конструкций на
намоточных станках токарного типа (рис. 2.5). К изложенному выше
следует добавить, что метод намотки обеспечивает высокую техно-
логичность переработки волокнистых ПКМ в изделия при хорошей
реализации (до 95...97 %) коэффициента использования материала
(КИМ). При этом потребность в механообрабатывающем оборудо-
вании сведена к минимуму.
Рис. 2.5. Кинематика намотки ци-
линдрических оболочек с днищами:
/ - оправка; 2 - лента; 3 - направляющая
станка; 4 - суппорт станка; 5 - катушка с
лентой препрега; 6 - раскладчик ленты;
(р - вращение оправки (главное движе-
ние); X.Y - линейные перемещения (дви-
жение подачи); Z, 0 - угловые повороты
наматываемой ленты
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 89
К технологическим основам метода намотки относят способы:
• совмещения волокнистого наполнителя с жидкими полимер-
ными связующими или с жидкими растворами вязких и твердых
смол в органических веществах;
• создания сил сжатия на КМ путем технологического натяже-
ния нитей, ровингов, жгутов, тканей или реже обжатием намотан-
ного слоя через цулаги стальным тросом либо в автоклаве через
эластичные диафрагмы.
Теоретические основы намотки гибкой нити на вращающиеся
оправки были заложены профессором А.Н. Минаковым (МГУ
им. М.В. Ломоносова) в работах по механике нити. Им рассмотре-
ны вопросы кинематики, динамики и статики идеально гибкой и
растяжимой нити, основы теории наматывания, сматывания и рав-
новесия нити на шероховатой поверхности.
Основное влияние на развитие метода намотки как технологи-
ческого процесса изготовления композитных конструкций оказали
три типа стеклопластиковых оболочечных изделий, представляю-
щие собой тела вращения (рис. 2.6): цилиндрические трубы, корпу-
са твердотопливных двигателей и баллоны высокого давления.
Таким образом, метод намотки - это универсальный, непре-
рывный и высокопроизводительный процесс изготовления боль-
шого класса выпуклых оболочек из волокнистых или пленочных
ПКМ в автоматизированном режиме повторяющимися витками
нитей или лент, обеспечивающий получение композитных конст-
рукций минимальной массы.
Рис. 2.6. Цилиндрические стеклопластиковые трубы (а) и баллоны высо-
кого давления (б)
90 Часть 1. Характеристика намотанных композитных конструкций
Под методом намотки понимается процесс формообразования
тонкостенных оболочечных конструкций путем намотки (укладки)
с натяжением непрерывных нитей (волокон), жгутов, ровингов,
лент или полотнищ на вращающуюся, подвижную или неподвиж-
ную оправку по траекториям, которые определены схемой армиро-
вания композитной оболочки.
После реализации методом намотки заданной схемы армирова-
ния, получения необходимой структуры материала и толщины стен-
ки композитной оболочки происходит отверждение изделия тем или
иным способом и последующее удаление технологической оправки.
Намоточное оборудование для подачи нитей или лент на
оправку снабжено средствами контроля натяжения, содержания
смолы, ширины и толщины наматываемой ленты. Точный контроль
параметров этого процесса предотвращает повреждение волокна и
приводит к получению однородных КМ и изделий с оптимальными
механическими характеристиками.
Технологические особенности метода намотки. Производство
композитных конструкций, в частности оболочек сосудов давления
и трубопроводов, методом намотки потребовало от конструкторов и
технологов новых подходов к проектированию и разработке конст-
руктивных и экспериментально-технологических решений, которые
способствовали бы наиболее полному и эффективному использова-
нию свойств волокнистых ПКМ и раскрытию всех возможностей
этого метода.
При намотке на оправку высокопрочных волокон в виде нитей,
жгутов или ровингов, предварительно собранных для повышения
производительности в ленты и пропитанных склеивающим поли-
мерным связующим, одновременно происходит формирование стен-
ки конструкции и заданной структуры КМ и оформление внутрен-
ней и внешней поверхностей изделия. Как правило, на технологиче-
скую оправку устанавливают и затем вматывают в композитную
оболочку закладные элементы (штуцера, фланцы, фитинги), фор-
мируют законцовки и в едином процессе отверждения связующе-
го выполняют склеивание (соединение) между собой сопрягаемых
деталей.
Намотка конструкции производится повторяющимися витками
лент из волокнистого или пленочного КМ, что позволяет автомати-
зировать этот процесс и снизить трудоемкость изготовления изде-
лия в целом. Кроме того, формообразование конструкции изделия
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 91
или его элементов идет одновременно с получением КМ, что зна-
чительно сокращает производственный цикл и стоимость изготов-
ления, сводя к минимуму необходимые затраты.
По кинематическому исполнению намоточных станков разли-
чают открытую намотку на станках токарного типа (см. рис. 2.5),
и орбитальную намотку на станках планетарного или торонамо-
точного типа (рис. 2.7).
4 5
Рис. 2.7. Кинематика орбитальной намотки тороидальных оболочек и
криволинейных труб:
1 - криволинейный трубопровод; 2,7 - слои +р и - р; 3 - тороидальная оправка;
4 - раскладчик ленты; 5 - лента; 6 - намоточная головка; р - углы намотки ни-
тей; ан г и (роп - углы вращения намоточной головки и тороидальной оправки;
Хтр и Утр - координаты перемещения оправки (трубопровода)
Основная особенность открытой намотки - вращающаяся оп-
равка и неограниченный запас намоточного материала. В станках
открытой намотки главное движение по координате (р получает
технологическая оправка, а движение подачи - раскладчик ленты,
установленный на суппорте намоточного станка.
Главная особенность орбитальной намотки на станках плане-
тарного типа - вращающаяся вокруг поперечного сечения оправки
намоточная головка с раскладчиком ленты и с ограниченным запа-
сом намоточного материала.
Таким образом, при орбитальной намотке главное движение -
вращение по координате а - получает намоточная головка вместе с
92 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
орбитальным вращением нити или раскладчиком ленты, но с огра-
ниченным запасом намоточного материала на ней. Технологическая
оправка получает движение подачи по угловой координате (р или
линейные перемещения по координатам X1V и (или) Уф.
Методом намотки можно изготовлять конструкции диаметром
или с поперечным сечением - до 4...6 м, длиной - до 12 м и более.
Толщина стенок композитных конструкций обычно не превышает
8... 10 мм, а точность получаемого диаметра или толщины стенки
находится в пределах толщины наматываемой пряди или ленты,
т. е. равна ±0,25 мм. При толщине стенки более 10 мм в процессе
термической обработки и охлаждения изделия происходит рас-
трескивание и расслоение КМ по толщине стенки.
Формы поверхностей наматываемых конструкций, как прави-
ло, представляют собой тела вращения (рис. 2.8, а): выпуклые обо-
лочки с положительной кривизной меридиана (К\ > 0) и торои-
дальные оболочки с круговым или эллиптическим сечением и кри-
визной меридиана К\ > 0 на наружной стороне и К\ < 0 на
внутренней стороне тора.
Рис. 2.8. Форма оболочек вращения, изготовляемых намоткой (а), и на-
мотка кольцевого шпангоута (0:
у = f (г) - образующая оболочки общего вида; Лоб (г) - текущая толщина обо-
лочки; г - текущий радиус вращения; гп - радиус полярного отверстия; R - ра-
диус экватора
б
Гпава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 93
Методом открытой намотки получают цилиндрические трубы
и детали сложной (произвольной) формы, а также многогранные
стержни, плоские панели, элементы крыльев самолетов или лопа-
сти винтов вертолетов расчетного сечения, но с кривизной поверх-
ности Л) > 0.
Методом орбитальной намотки изготовляют криволинейные
трубопроводы, тороидальные и тороидально-цилиндрические обо-
лочки сосудов давления, а также шпангоуты и кольца прямоуголь-
ного (рис. 2.8, 6) или иного сечения.
По форме витка, укладываемого на поверхность оправки, раз-
личают спиральную намотку пространственно замкнутыми или
разомкнутыми витками, спирально-винтовую намотку витками с
небольшим постоянным шагом типа резьбы, а также планарную
намотку плоскими витками вдоль (меридиональная, или продоль-
ная), поперек (окружная, или поперечная) изделия и под углом к
оси изделия (наклонно-планарная).
Намотку в зависимости от вида кривой укладки нитей на по-
верхности оболочки или от кинематического уравнения намотки
подразделяют:
• на геодезическую намотку, позволяющую проводить укладку
нитей на поверхности изделия с большим технологическим натя-
жением, например: на намотку по меридианам или образующим
оболочек вращения, по большому диаметру на сфере, по винтовой
линии на цилиндре и др.;
• на намотку по кривым линиям с равногеодезическим откло-
нением или по линиям равного отклонения (J1P0), например: на
намотку по малым диаметрам на сфере, по поперечному сечению
(широте) на конусе;
• на негеодезическую намотку, например: на намотку с посто-
янным шагом спирали на конусе, намотку нитей с постоянным уг-
лом к меридиану на тороидальной оболочке или изогнутого участ-
ка криволинейного трубопровода.
Геодезические линии на поверхности вращения определяют по
уравнению Клеро rsinp = const, где г - радиус вращения оболоч-
ки; Р - угол намотки или угол между меридианом и направлением
укладки нитей (см. рис. 2.5 и 2.7).
В качестве исходных намоточных материалов (полуфабрика-
тов) применяют однонаправленные ленты или пряди, составлен-
ные из нитей, жгутов, ровингов. Такую намотку называют нитя-
94 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
ной. Если используют тканые ленты и полотнища, то намотку на-
зывают тканой, а если полимерные пленки в виде узких лент с на-
несенным на их поверхность клеем, то - пленочной. По способам
намотки различают мокрый и сухой способ намотки.
В общем случае сущность изготовления изделий методом на-
мотки заключается в укладке с натяжением по расчетным траекто-
риям пропитанного связующим армирующего наполнителя на
вращающуюся или подвижную оправку с последующим отвер-
ждением волокнистого ПКМ будущего изделия в термопечах или
автоклавах.
К достоинствам метода намотки по качеству создаваемых кон-
струкций изделий и их производству следует отнести:
1) минимизацию массы конструкции изделия благодаря:
• применению высокопрочных волокон низкой плотности в со-
четании (в КМ) с низкой плотностью полимерных матриц;
• высокому объемному содержанию высокопрочных волокон
Ов = 0,62...0,72 в КМ и, следовательно, получению высокой удель-
ной прочности однонаправленных КМ;
• созданию равнонапряженных конструкций, в которых дости-
гается постоянство напряжения aKM(r) = const по всей поверхно-
сти оболочки;
• высокой реализации предела прочности йвКМ > 0,85 овКМ, а
следовательно, и удельной прочности пвКМ/рвКМ в конструкции
изделия;
2) сокращение цикла изготовления изделия путем:
• резкого снижения (сведения к минимуму) механической об-
работки, так как в процессе намотки в окончательном виде форми-
руется внутренняя (по форме оправки) и почти всегда внешняя по-
верхности изделия;
• создания интегральных конструкций, включающих в себя
сумму простых элементов, которые образуют сложную поверх-
ность изделия (например, корпус реактивного двигателя твердого
топлива (РДТТ) и цилиндрического бака для хранения и транспор-
тировки агрессивных жидкостей);
• сборки на оправке закладных, как правило, металлических
элементов, их установки и вматывания в композитную стенку из-
делия;
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 95
• соединения и склеивания закладных элементов с силовой
оболочкой в процессе отверждения связующего, т. е. одновремен-
ной сборки и соединения всех деталей, получения неразъемной
интегральной конструкции;
3) снижение трудоемкости изготовления изделия в результате:
• непрерывности процесса намотки и возможности его авто-
матизации, так как намотка осуществляется повторяющимися вит-
ками в каждом слое конструкции;
• относительно высоких скоростей намотки при изготовлении
конструкций из однонаправленных КМ. Скорость намотки при
мокром способе равна 12... 15 м/мин (<0,25 м/с), при сухом -
20...25 м/мин (< 0,40 м/с). Достигнутая и практически реализо-
ваннная скорость намотки однонаправленных КМ составляет
60...72 м/мин (>1,0 м/с). Скорость намотки тканых полотнищ и
широких тканых лент при сухом способе намотки составляет
6... 12 м/мин (<0,15 м/с);
• наматывания за единицу времени большого объема КМ, рав-
ного 0,5 дм3/мин (<1,0 кг/мин) в случае применения стеклопла-
стиковых лент шириной до 100 мм и 2,0 дм3/мин (<4,0 кг/мин)
при использовании широких (700...900 мм) полотнищ стеклотка-
ни (например, изготовление транспортно-пусковых контейнеров
(ТПК));
4) повышение технико-экономических показателей вследствие:
• сокращения производственных затрат и достижения высокого
КИМ (до 97 %);
• уменьшения количества деталей в конструкции изделия на
65 % и числа сборочных операций на 81 %;
• уменьшения количества крупногабаритного оборудования, в
том числе механосборочного, на 87 %;
• снижения трудоемкости изготовления на 29 %.
Все перечисленное выше может обеспечивать уменьшение
массы конструкции ЛА на 12...39 % и стоимости ее изготовления
до 40 % (по данным фирмы «Локхид»).
Недостатками метода намотки являются:
1) необходимость наличия сложных и индивидуальных оправок
многоразового (хорошо) или одноразового (плохо) использования;
2) большая длительность процесса отверждения ПКМ, напри-
мер, на основе эпоксидных связующих, что приводит к высокому
расходу электроэнергии;
96 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
3) невозможность без привлечения методов переформовки и
подпрессовки изготовлять конструкции с отрицательной кривиз-
ной поперечного сечения, например двутавровые шпангоуты и др.
В заключение следует еще раз отметить, что особенность и одно
из главных достоинств метода намотки - возможность проектирова-
ния и изготовления из однонаправленных волокнистых ПКМ равно-
напряженных оболочек сосудов давления минимальной массы. Боль-
шое значение имеет и высокая степень реализации прочностных
возможностей материала в конструкции оболочки, равная 85...90 %
исходного предела прочности (овкм = 1450...2300 МПа) соответст-
венно однонаправленных стекло-, органо- или углепластиков.
Здесь же уместно привести слова крупного отечественного уче-
ного, много лет отдавшего организации производства и отработке
технологии изготовления методом намотки композитных корпусов
двигателей: «Квалификация инженера, создающего изделия из КМ,
определяется в первую очередь его технологической культурой, по-
скольку технология определяет, с одной стороны, особенности мно-
гих конструктивно-геометрических решений, с другой - особенно-
сти структуры, механические и теплофизические свойства КМ, на-
конец, она определяет стоимость, надежность, качество изделия» .
2.2. Типовое применение намотанных композитных
конструкций в ракетно-космической технике
и средствах поражения
2.2.1. Корпусные конструкции
Высокая удельная прочность КМ и управляемость анизотроп-
ностью свойств открывают широкие перспективы для существен-
ного улучшения технического совершенства композитных конст-
рукций, что в конечном итоге повышает тактико-технические ха-
рактеристики ракет, КЛА и средств поражения.
Так, совокупность высокой удельной прочности наполнителя
и рациональной схемы армирования композитных оболочек корпу-
сов РДТТ (рис. 2.9) и баллонов высокого давления ракет и разгон-
ных блоков жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) обеспечивает
уменьшение массы изделий на 20...30 % по сравнению с массой
аналогичных конструкций, выполненных из металлических сплавов.
* Смыслов В.И., Цыплаков О.Г. Технологические основы и опыт соз-
дания элементов ракет из композиционных материалов. М., 1993.
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 97
Рис. 2.9. Общий вид намотанной композитной оболочки-кокона (а) и
корпуса РДТТ (б) с металлическими фланцами и стыковочными узлами
б
Для повышения герметичности конструкции при длительном
использовании на КЛА могут применять комбинированные балло-
ны с лейнером из беспористых металлов и пластиков. Например,
автомобильные баллоны (рис. 2.10) выполнены с алюминиевым
бесшовным лейнером и оболочкой из ПКМ на всей поверхности
лейнера.
Рис. 2.10. Цилиндрические баллоны фирмы
НПФ «Реал-Шторм» (Россия)
Баллоны (табл. 2.1) предназначены для транспортировки и
хранения воздуха, сжатого природного газа, используемого в ка-
честве моторного топлива на легковых автомобилях, автобусах,
самосвалах, передвижных автомобильных газовых заправщиках
(ПАГЗ), ресиверах АГНКС. Срок эксплуатации - 15 лет; количест-
98 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
во заправок - 15 000; массовый показатель баллонов M^IV^ =
= 0,75...0,80 кг/л.
Дальнейшее уменьшение массового показателя баллона до
Л/б/Кб ~ 0,25...0,40 кг/л может быть достигнуто применением в
качестве материалов для герметизирующих лейнеров жестких по-
лимерных пленок, деформационные характеристики которых обес-
печивают работоспособность волокнистых ПКМ вплоть до их раз-
рушения. Герметизирующие оболочки из лавсановых (ПЭТФ) и
полиимидных (ПМФ-352) пленок были разработаны в МГТУ им.
Н.Э. Баумана и прошли цикл испытаний на прочность и герметич-
ность при нормальных и криогенных температурах (табл. 2.2) -
вплоть до температуры жидкого водорода (20 К).
Таблица 2.1
Характеристика баллонов при рабочем давлении 24,5 МПа
Обозначение Объем, л Диаметр, мм Длина, мм Масса, кг
ТУ 009 ТУ010 ТУ 009 ТУ010
БА 80.24,5.330/1360 80 330 334 1360 59,0 65,5
БА 100.24,5.330/1660 100 330 334 1660 72,0 80,5
БА 123.24,5.330/2000 123 330 334 2000 86,5 97,0
БА 100.24,5.406/1165 100 406 408 1165 72,0 77,0
БА 185.24,5.406/2005 185 406 408 2005 126,0 135,0
Таблица 2.2
Параметры оболочек из жестких полимерных пленок
Форма (материал) оболочки ^гпах» ММ ^сеч» ММ ^экв» ММ Ио6, л кг Рраз» МПа ^раз, МПа Рраз^об кДж Моб ' КГ
Сфера (ПЭТФ) 206 - 1,0’ 4,4 0,26 2,0"" 102 34,3
Тор (ПЭТФ) 323 82,5 1,24 4,08 0,44 3,8"’ НО 35,0
Тор (ПМФ-352) 322 82,0 0,96 4,08 0,33 3,о’’’ 112 35,4
Цилиндр (ПМФ-352) * Толщина т Длина цил1 При темпе] **** При темпе] 52,3 ia эква индри’ ратуре ратуре 295** поре оС ческой : 82 К (- : 293 К 1,15 юлочь оболо -191 ° (20 °C 0,58 :и. чки. С). ’)• 0,076 4,3’’" 97 32,8
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 99
Следовательно, такие пленки могут быть использованы для
создания функциональных изделий, работающих под действием
внутреннего давления жидкостей и газов в широком диапазоне
значений температуры. Оболочки сосудов давления из жестких
пленок изготовляют методом непрерывной намотки узких лент по
единой технологии, принятой для намотки композитных оболочек,
сухим или мокрым способом. Конструктивная прочность пленоч-
ного КМ в оболочке баллонов при нормальных условиях составля-
ет 100... 110 МПа, его плотность - 1,4 кг/дм3.
2.2.2. Намотанные трубопроводы
Трубопроводы предназначены для подачи жидких и газообраз-
ных компонентов топлива в транспортном машиностроении, хи-
мической, нефтегазовой, авиационно-космической отраслях про-
мышленности. Трубопроводы изготовляют методом намотки узких
лент. Они снабжены металлическими законцовками, обеспечи-
вающими надежное соединение отдельных элементов с целью по-
лучения длинномерных конструкций.
Наличие современного оборудования и специально разрабо-
танная технология позволяют выпускать прямолинейные и криво-
линейные трубопроводы внутренним диаметром 30...300 мм с уг-
лом изгиба криволинейных поверхностей до 90°. Толщину стенок
определяют расчетным путем в зависимости от требуемой прочно-
сти, обусловленной условиями эксплуатации. Технический и эко-
номический эффекты связаны с высокой коррозионной стойкостью
материала, малой удельной массой и способностью сохранять эла-
стичность в широком диапазоне значений температуры - вплоть до
температуры жидкого гелия.
На рис. 2.11, а, б приведены прямо- и криволинейные трубо-
проводы, выполненные методом намотки из полиимидных пленок,
а на рис. 2.11, в - криволинейный трубопровод из полиимидной
пленки, усиленный намотанным сверху органопластиком. Предел
прочности материала лейнера равен 80... 120 МПа, герметичность
трубопровода по гелию методом вакуумирования - 510 6 Вт.
На рис. 2.11, г, д показаны технологическая оправка с нане-
сенным внутренним теплозащитным покрытием (ТЗП) и металли-
ческими фланцами на концах криволинейного газопровода ЛА.
Композитная оболочка этого трубопровода изготовлена совместной
намоткой прямо- и криволинейных участков.
100 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
д
Рис. 2.11. Криво- (а) и прямолинейные (б) трубопроводы, выполненные
методом намотки из полиимидных пленок; криволинейный трубопровод
(в), усиленный намотанным сверху органопластиком; технологическая
оправка с нанесенным внутренним ТЗП и металлическими фланцами на
концах (г); криволинейный газопровод ЛА (б), изготовленный методом
непрерывной намотки
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 101
Рис. 2.12. Тороидальный (а) и цилиндрический (б) тройники, изготов-
ленные методом непрерывной и комбинированной намотки
На станках токарного типа можно наматывать изделия и с пе-
рекрестной осью, например тороидальные (рис. 2.12, а) или ци-
линдрические (рис. 2.12, б) тройники, используя метод комбиниро-
ванной намотки. Лейнер таких тройников выполнен из полиэ-
тилена.
Конструкция фланцевых законцовок трубопроводов (тройни-
ков) должна быть работоспособной и легкой, не снижать конструк-
тивную прочность композитной оболочки, иметь минимальные
диаметр, и осевую длину хвостовика фланца, сохранять условный
проходной диаметр dy трубопровода, а также быть простой в изго-
товлении с применением стандартного технологического оборудо-
вания.
2.2.3. Намотанные сетчатые конструкции
Методом намотки можно получать изделия с сетчатыми струк-
турами (рис. 2.13). Открытой намоткой изготовляют детали слож-
ной (произвольной) формы (рис. 2.13, а\ а также многогранные
стержни, плоские панели, элементы крыльев самолетов или лопа-
сти винтов вертолетов расчетного сечения (рис. 2.13, в), но с кри-
визной поверхности А?| > 0. На намоточных станках токарного типа
также можно получать и композитные конструкции со слабоизо-
гнутой криволинейной осью (рис. 2.13, г). Намоткой по тетрасхеме
могут быть изготовлены сетчатые цилиндрические (рис. 2.13, б)
или конические оболочки, плоские листы (панели) или стержни.
102 Часть /. Характеристика намотанных композитных конструкций
в
Рис. 2.13. Детали сложной формы с прямолинейной (a-в) и слабоизогну-
той криволинейной (<?) осями
Пример плоских сетчатых конструкций - лепестки централь-
ной части космической антенны 12АКР из углепластика
(рис. 2.14), разработанной и изготовленной в РКК «Энергия».
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 103
Рис. 2.14. Центральная часть космической антенны 12АКР с плоскими
сетчатыми лепестками:
1 - центральная часть; 2 - разводящий пантограф; 3 - плоские сетчатые лепест-
ки из углепластика; 4 - стержневые углепластиковые стойки
2.2.4. Намотанные конструкции средств поражения
и систем вооружения
Высокая прочность и малая масса намотанных композитных
конструкций предопределили их широкое применение в средствах
поражения и системах вооружения. Использование метода намотки
при получении корпуса осколочных боевых частей (рис. 2.15) с го-
товыми поражающими элементами кубической формы снижает мас-
су конструкции и трудоемкость ее изготовления. Формообразование
корпуса осуществляется в три операции намотки: 1) композитной
оболочки двойной кривизны с одновременным вматыванием флан-
цев и закладных элементов; 2) на наружную поверхность оболочки
ленты стеклопластика с предварительно наклеенными поражающи-
ми элементами; 3) нескольких слоев однонаправленной ленты стек-
лопластика на наружную поверхность поражающих элементов.
Рис. 2.15. Конструктивная схема намотан-
ного корпуса осколочной боевой части:
1 - передний фланец с законцовкой и завальцо-
ванным в него стаканом; 2 - стакан; 3 - задний
фланец с законцовкой; 4 - слои стеклопластика;
5 - поражающие элементы
104 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
Рис. 2.16. Противотанковый комплекс «Фагот» (а) и ТПК для крылатой
ракеты «Яхонт» (б)
Преимущество такого конструкторско-технологического ре-
шения состоит в том, что сложный профиль боковой поверхности,
который определяет диаграмму разлета поражающих элементов,
получается на оправке в процессе намотки. В трубопроводах и
корпусах двигателей намотка объединяет в конструкцию металли-
ческие фланцы и стенку из стеклопластика.
Важное направление совершенствования средств поражения -
замена металлических конструкций пороховых двигателей и ТПК
боеприпасов ближнего боя и вооружений намотанными конструк-
циями из КМ. На рис. 2.16 приведены противотанковый комплекс
«Фагот» и ТПК для крылатой ракеты «Яхонт». Элементы этих
средств поражения подлежат замене конструкциями из КМ. Воз-
можно применение композитных насадков на металлические ство-
лы танковых орудий, которые обеспечивают уменьшение массы и
повышение дульной скорости снаряда (рис. 2.17).
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 105
Рис. 2.17. Конструктивная схема удлине-
ния металлических стволов (/) танковых
орудий композитными насадками (2)
И наконец, намотанные конструкции могут представлять собой
МКМ. Например, для повышения прочности корпусов боеприпасов
их можно изготовлять путем намотки высокопрочной проволоки и
последующего компактирования материала конструкции взрывом.
2.3. Особенности концевых соединений
композитных конструкций
2.3.1. Фланцевые шконцовки композитных труб
Создание работоспособных изделий из КМ, полученных мето-
дом намотки из комбинированных материалов, во многом зависит от
качества конструкторского и технологического решения узлов со-
единений. Основным требованием, предъявляемым к конструкции,
является создание работоспособного и легкого соединительного уз-
ла, не снижающего конструктивной прочности силовой оболочки
конструкции.
В настоящей работе эта сложная и очень актуальная проблема
подробно не рассмотрена. Следует отметить, что любая конструк-
ция, полученная методом намотки из КМ, так или иначе связана с
конструктивно-технологическим решением узла соединения.
Принципиально возможны два метода сборки композитных
конструкций:
1) сборка стыкуемых элементов конструкции, выполненных из
КМ, с образованием разъемных и неразъемных соединений между
ними;
2) сборка металлических элементов конструкции (законцовок),
предварительно установленных в тело КМ изделия, посредством
образования всех известных видов соединений.
Наиболее часто в композитных конструкциях применяют клее-
вые, резьбовые, штифто-болтовые, клееболтовые и петлевые со-
единения. В общем случае для сборки и соединения цилиндриче-
106 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
ских оболочек малых или больших диаметров (труб, отсеков) из
намотанных однонаправленных КМ применяют различные типы
законцовок (рис. 2.18). К ним относят законцовки типа «вмотан-
ный фланец» (А (I), для малых диаметров труб); законцовки с по-
воротом спирального слоя на 180° и с эффектом самозаклинивания
(А (II), для средних диаметров труб); законцовки со штифто-
болтовым соединением (А (III), для больших диаметров труб или
отсеков).
Рис. 2.18. Схемы фланцевых законцовок цилиндрических конструкций:
1 - поперечный (окружной) слой; 2 - спиральный слой; 3 - герметизирующий слой
(полимер, резина); 4 - металлический вмотанный фланец; 5 - поперечная намотка
из однонаправленного КМ; 6 - накидной металлический фланец; 7 - наружная
обойма из намотанного тканого КМ; 8 - опорное кольцо из намотанного однона-
правленного КМ; I—III - виды конструктивного исполнения; - диаметр фланца
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 107
В большинстве случаев по торцам соединяемых конструкций
создаются металлические и неметаллические законцовки различ-
ного конструктивного исполнения (см. рис. 2.18). Если прочность
петлевого соединения принять за единицу, то клеевые и резьбовые
соединения будут составлять лишь 2/5, штифто-болтовые 2/3 и
клееболтовые 4/5 прочности петлевого соединения.
2.3.2. Сборка стыкуемых элементов композитных конструкций
с образованием разъемных и неразъемных соединений
Клеевые соединения. Когда клей обеспечивает требуемую
прочность соединения и технологический процесс изготовления,
необходимо применять склеивание как наиболее универсальный
способ соединения однородных и разнородных материалов.
Прочность клеевых соединений зависит не только от прочно-
стных характеристик применяемых клеев, соответствующей подго-
товки склеиваемых поверхностей и технологии выполнения со-
единительного шва, но и от конструктивного оформления стыкуе-
мых деталей и вида нагружения клеевого соединения.
При любых видах соединений клеевой шов должен восприни-
мать всю нагрузку, приходящуюся на стыкуемые элементы. Для
этого необходима как можно большая поверхность клеевого шва, а
также следует стремиться к оптимальному выбору геометрических
размеров клеевого соединения.
Наибольшей прочностью обладают клеевые швы, которые ра-
ботают на «чистый» сдвиг или «чистый» отрыв, а при возникнове-
нии хотя бы небольших сил изгиба или неравномерного отрыва,
прочность клеевого соединения резко снижается.
При упругом деформировании самих стыкуемых элементов
касательные напряжения в клеевом слое распределяются неравно-
мерно по длине шва (рис. 2.19). Касательные напряжения имеют
максимальное значение на концах соединения и почти линейно
сходят на нет к середине нахлестки. Если длина нахлестки /наХл
превышает предельную /,,р ^б^км Ам5™ Z(2GO), то в UeH’
тре клеевого соединения начинает развиваться зона, которая прак-
тически не воспринимает внешнюю нагрузку. Здесь EKmi - модуль
упругости КМ в осевом направлении; ЛКм - толщина композит-
ной оболочки (слоя КМ); 8КЛ - толщина клеевого слоя, 8КЛ =
= 0,10...0,20 мм; С7КЛ - модуль сдвига клея.
108 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
тупр
лйшп
Рис. 2.19. Характер изменения касатель-
ных напряжений по длине соединитель-
ного шва при упругом (я) и упруго-
пластичном (б) деформировании клеевого
слоя
Разрушение клеевого соединения происходит тогда, когда пики
максимальных касательных напряжений на концах нахлестки пре-
вышают абсолютную прочность клеевого слоя на срез, равную
твкл =пвкл/Л где овкл - временной предел прочности клея при
растяжении.
Надежность трубчатых соединений зависит от качества под-
гонки поверхностей и геометрических размеров клеевого узла.
Лучшие результаты получают при усовом (рис. 2.20, а) соедине-
нии цилиндрических элементов по конусу. При этом касательные
и нормальные напряжения скошенного трубчатого соединения
(см. рис. 2.20) определяют по формулам
где го, г, - внешний и внутренний радиусы трубчатого соединения.
Клеевые соединения труб с наружными разъемными наклад-
ками (рис. 2.20, б) имеют высокую прочность сдвига и технологи-
чески легко выполнимы.
Существующие методы расчета клеевых соединений не явля-
ются надежным средством точного определения их размеров. Во-
первых, непросто установить допустимый уровень напряжений в
клеевом соединении, так как прочность клея зависит от условий
окружающей среды, старения, режимов отверждения, природы и
геометрических размеров соединяемых деталей, толщины слоя
клея. Во-вторых, напряжения в клеевом соединении редко бывают
однотипными и часто соответствуют уровню упругопластических
деформаций.
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 109
Рис. 2.20. Усовое соединение (а) и клеевые трубчатые
соединения с помощью внешнего кольца или разрезных
накладок (б) с применением уплотнительных колец (в)
Опыт применения клеевых соединений показывает, что в ре-
альных конструкциях наблюдается значительный разброс значений
прочности. Это следует учитывать при проектировании конструк-
ций введением коэффициента запаса прочности (&3.п = 2,0...2,5),
значение которого назначают в результате экспериментальной от-
работки клеевого соединения.
Резьбовые соединения композитных труб. Резьба на закон-
цовках стеклопластиковых труб (рис. 2.21) нарезается с помощью
прецизионного шлифования на станках с ЧПУ. Резьбовые закон-
цовки обеспечивают быструю и надежную сборку трубчатых кон-
струкций и получение разъемных соединений стыкуемых элемен-
тов трубопровода.
Соединение труб между собой осуществляется с помощью
резьбовых соединительных втулок или резьбового раструба, сфор-
мированного на другом конце трубы. При этом используют стан-
дартные уплотнительные кольца в сочетании с фторопластовым
уплотнительным материалом (ФУМ) или специальный эпоксидный
клей. С помощью резьбы можно соединять трубы диаметром до
600 мм.
110 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
Рис. 2.21. Резьбовые законцовки стеклопластиковых труб:
а - стандартная промышленная резьба API EUE 10RD; б - резьба с шагом
4 нитки на 1 дюйм для диаметров до 150 мм; в - резьба с шагом 2 нитки
на 1 дюйм для диаметров 200...300 мм
Штифто-болтовое или штифто-шпилечное соединение
применяют для сборки крупногабаритных отсеков ракет или
ТПК, выполненных из КМ. Для штифто-болтового соединения
отсеков обязательно наличие концевых утолщений в элементах
конструкции, радиальных штифтов, болтов или резьбовых шпи-
лек с гайками и шайбами, расположенных в профилированных
отверстиях и пазах концевых утолщений (рис. 2.22).
Рис. 2.22. Штифто-шпилечное соединение
отсеков:
1,7 - отсеки; 2 - штифт; 3 - шпилька; 4 - втулка;
5 - шайба; 6 - гайка
В зависимости от особенностей конструкций изделий, в ко-
торых применяют штифто-болтовое или штифто-шпилечное со-
единение, способов соединения и требований к ним штифто-
шпилечное соединение выполняют как с наружными, так и с
внутренними фланцевыми утолщениями. Способ формования
краевых утолщений под штифто-болтовое или штифто-шпилеч-
ное соединение определяется назначением конструкции, уров-
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 111
нем и характером эксплуатационных нагрузок. Среди этих спо-
собов следует отметить специальную намотку кольцевых утол-
щений, дополнительную приформовку, введение специальных
упрочняющих элементов и др.
2.3.3. Сборка композитных конструкций
с металлическими законцовками
посредством образования всех видов соединений
Законцовки с поворотом спирального слоя на 180° приме-
няют в тех случаях, когда стыкуются два конструктивных элемента
топливного бака (трубы) с помощью коротких и тонкостенных ме-
таллических шпангоутов, например, сваркой или механическим
путем. Конструктивное оформление, состав элементов и геометри-
ческие размеры такого соединения показаны на рис. 2.23.
Рис. 2.23. Конструкторско-технологическое оформление центрального
стыковочного узла топливного бака вертолета:
/ - окружной слой из однонаправленного волокнистого ПКМ; 2 - спиральный
слой намотки; 3 - металлический лейнер; 4 - заделка спирального слоя в канавку
хвостовика шпангоута с поворотом на 180°; 5 - кольцевой соединительный
шпангоут; 6 - ответный шпангоут
Клееклепаные соединения крупногабаритных композитных от-
секов с металлическими шпангоутами, как правило, образованы
одновременно силовыми точками и непрерывным клеевым швом
(рис. 2.24). К ним относят клееболтовые, клеезаклепочные (клее-
112 Часть I. Характеристика намотанных композитных конструкций
клепаные), клеесварные и другие соединения. Такие соединения в
первую очередь применяют для усиления несущей способности и
герметизирующих свойств соединяемых изделий (деталей).
Рис. 2.24. Клеезаклепочное соедине-
ние композитного корпуса с ме-
таллическим шпангоутом:
1 - цилиндрическая юбка конструкции;
2 - кольцевая проставка; 3 - заклепка;
4 - клей-герметик; 5 - шпангоут с штиф-
то-болтовым соединением; 6 - стенка
корпуса из КМ; 7 - слой контурной гер-
метизации
Главные цели использования клеевого слоя в комбинированных
соединениях - поглощение клеевым слоем вибраций, ослабление
действия ударных нагрузок и снижение вероятности усталостного
разрушения стыков. При выполнении клеезаклепочных соединений
применяют заклепки, винты или болты по незатвердевшему клеево-
му шву с последующим отверждением клея в комбинированном со-
единении. Заклепки могут быть установлены впотай.
Для уменьшения деформации КМ при клепке образуют потай-
ную головку по методу клепки давлением с раскаткой. Такой спе-
цифический метод осадки стержня заклепки способствует благо-
приятному формированию замыкающей головки заклепочного со-
единения и снижает силу осадки стержня на КМ.
Рис. 2.25. Конструктивная схема стеклопласти-
ковых труб и корпусов снарядов, изготовленных
продольно-поперечной намоткой, с вмотанными
резьбовыми металлическими законцовками:
/, 2 - поперечный и продольный слои намотки; 3 - резь-
бовой фланец (законцовка)
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 113
Соединения резьбовыми металлическими законцовками типа
«вмотанный фланец» используют при серийном производстве труб
и корпусов снарядов (рис. 2.25). Трубчатые изделия изготовляют
продольно-поперечной намоткой стеклопластика за один или не-
сколько проходов на специальных намоточных станках.
2.3.4. Фланцепетлевые законцовки трубчатых конструкций
Фланцепетлевое соединение (ФПС). Очевидно, что для ци-
линдрических или криволинейных трубопроводов, изготовляемых
методом спиральной намотки, наиболее перспективным является
петлевое соединение, в котором наматываемые витки нитей охва-
тывают петлей расширяющийся конический выступ (бурт) хвосто-
вика фланца и передают осевое усилие от слоя КМ на фланец тру-
бопровода.
На рис. 2.26 приведена схема формирования ФПС на патруб-
ках и трубах. По этой схеме поворот наматываемой ленты осуще-
ствляется на расширяющейся конической поверхности длиной /к, а
формирование петли с углом охвата аохв горловины фланца за бур-
том высотой Лбур = 7?бур - 7?ф на горловине фланца радиусом 7?ф и
длиной /ф.
Рис. 2.26. Схема формирования ФПС на
патрубках и трубах:
/ - лента; /хн - длина хвостовика фланца
При геодезической намотке углы намотки на оболочке враще-
ния определяют по уравнению Клеро rsin0 = const. Следователь-
но, углы намотки на участке конической поверхности sin(36yp =
114 Часть 1. Характеристика намотанных композитных конструкций
= (7?ц / 7?бур) sin |3Ц будут меньше, чем на участке цилиндрической
поверхности, так как 7?бур > 7?ц (см. рис. 2.26). Чтобы увеличить
углы намотки на участке конической поверхности, необходимо на-
матывать нити по ЛРО. В этом случае угол намотки Рбур на бурте
фланца находят по формуле
—!— = —--------М1п^, (2.1)
sinP6yp sinp„ tgyK RH
где ук - угол конусности; и рбуР - углы намотки на участках ци-
линдрической и конической поверхностей; 0 - угол геодезического
отклонения. Подбирая значения tg0 <fwn и tgy <.Аоп, где 4оп - до-
пустимый коэффициент трения, можно добиться того, чтобы Р6ур =
= Рц. При этом длину конической поверхности /к вычисляют по вы-
ражению
tgYK ( Ijge^sinpH
(2.2)
При намотке с постоянными шагом вдоль оси фланца и углом
поворота раскладчика ленты по координате а углы намотки свя-
заны соотношением tgP6yp = tg(3u(/?u/7?6yp)cosyK. Длину кони-
ческой поверхности находят из равенства /к = (Аф + Лбу ) / tgy к =
= (7?бур-/?u)/tgyK. Тупой угол бурта ориентировочно определяют
как Убур = л/2-ук +РЦ >л/2, где Рц = const - угол спиральной
намотки на участке цилиндрической поверхности трубопровода;
ширина скоса бурта примерно равна ширине наматываемой ленты
'л=Чр/сО8Рц-
Толщину цилиндрического участка хвостовика фланца находят
из условия прочности в окружном направлении: h^ = R^- Ru =
= /?раз/?ц/от, гДе Ppai ~ давление разрушения трубопровода, сгт -
предел текучести металла. Высота бурта /гбур и длина цилиндри-
ческого участка (канавки) фланца /ф должны обеспечивать надеж-
ный разворот охватывающих петель из наматываемых лент (см.
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 115
рис. 2.26), а также дополнительную подмотку цилиндрического
участка КМ в поперечном направлении.
Слой КМ при осевом растяжении оболочки удерживается хво-
стовиком фланца вследствие образования захлестывающей петли
на бурте законцовки трубопровода. Такое соединение обеспечивает
надежное соединение трубопровода по условиям прочности и ми-
нимальному приращению массы трубопровода.
Минимальная масса хвостовика металлического фланца с на-
мотанным на него КМ достигается при угле конусности ук =
= 9°...11° и угле охвата горловины фланца, определяемом по эмпи-
рической зависимости вида
аохв>1п(0,75/?ф//г6ур).
(2.3)
Масса хвостовика фланца состоит из массы металла и КМ и
зависит от относительной высоты бурта и угла аохв. Проектные
расчеты показывают, что минимум массы хвостовика из МКМ дос-
тигается при значениях /?бур = h6 / = 0,02...0,06. При этом угол
охвата составляет аохв = 2,5...3,6 рад, но при намотке и в расчетах
принимается кратным 360°.
Экспериментальные исследования рассмотренного ФПС, про-
веденные на модельных и натурных трубопроводах, показали его
работоспособность вплоть до предельных нагрузок без поврежде-
ний в зоне концевой заделки.
Фланцепетлевое соединение на сужающемся конусе флан-
ца. Основной недостаток ФПС, схема формирования которого
приведена на рис. 2.26, - большая длина /хв хвостовика фланца,
поэтому это соединение не может
быть использовано при создании разъ-
емных по меридиану торов, собирае-
мых из двух или трех частей (криво-
линейных патрубков). С целью умень-
шения осевой длины фланца (длины
конической поверхности) /к и степени
искажения формы криволинейного
патрубка были созданы ФПС с обрат-
ным конусом (рис. 2.27), уменьшаю-
щим условный проходной диаметр dy
Рис. 2.27. Схема формиро-
вания ФПС с обратным ко-
нусом:
1 - нить; 2 - тор; 3 - цилиндр
116 Часть 1. Характеристика намотанных композитных конструкций
изделия. Степени отличия контура поперечного сечения от круго-
вого меридиана и искажения формы криволинейного патрубка в
плане зависят от осевой длины фланца /к.
При геодезической намотке длину /к и угол разворота аразв
петли нитей на сужающемся конусе фланца определяют по фор-
мулам
4 =/?H(1-sinPlx)/tgYK; аразв =(л/2-Р1()/8тук. (2.4)
Рис. 2.28. К определению уравне-
ния контура, полученного сечени-
ем круговой тороидальной оболоч-
ки плоскостью, параллельной оси
вращения тора
Рис. 2.29. Криволинейный патрубок с ФПС (а) и схема члене-
ния оболочки тороидального сосуда давления (б):
1,2 - силовая и герметизирующая оболочки; 3 - фланец;
4 - радиальная подмотка; 5 - штуцер
Глава 2. Анализ намотанных композитных конструкций ракет 117
Согласно обозначениям, приведенным на рис. 2.28, запишем
уравнение в параметрическом виде для контура, полученного се-
чением круговой тороидальной оболочки плоскостью, параллель-
ной оси вращения тора:
х = Ry](a + cosa)2 -(J/R)2; y = Rsina, (2.5)
где / = /к - осевая длина фланца; R = 7?ц - радиус сечения тора или
цилиндра.
Из рис. 2.28 следует, что с увеличением расстояния / от плоско-
сти сечения до центральной оси тора, форма сечения, рассчитанная
по зависимостям (2.5), резко отличается от кругового сечения.
Рис. 2.30. Штифто-петлевое соединение:
а - схема продольно-поперечной намотки разъемной по меридиану композитной
тороидальной оболочки (7 - намоточная головка; 2 - раскладчик продольного
слоя; 3,4 - продольный и поперечный слои; 5 - штуцер; 6 - оправка; 7 - штифты
шпангоутов; (рО11 - угловое перемещение оправки; арл - угол поворота расклад-
чика ленты); б - конструктивное оформление ШПС (7 - шпангоут; 2 - штифт; 3 -
серьга (соединительный элемент); 4, 5 - поперечный и продольный слои; 6 -
герметизирующий слой; 7 - резиновое кольцо; 8 - жгут (поперечная намотка);
9 - петля продольного слоя); в - разъемная по меридиану тороидальная оболочка
118 Часть 1. Характеристика намотанных композитных конструкций
Так, для тора с параметрами а = 5, R = 40 мм и / = 30 мм макси-
мальный размер сечения по координате х составляет 81 мм, т. е. от-
личается на 1,25 % от исходного размера, равного 80 мм. При этом
ось фланца сместится на 2,5 мм от исходной оси сечения тора.
Таким образом, этот участок тороидальной оболочки является
нерасчетным, следовательно, прочность заделки хвостовика флан-
ца в силовую оболочку патрубка и работоспособность соединения
в целом необходимо определять экспериментально.
На рис. 2.29, а показан изготовленный методом намотки кри-
волинейный патрубок с ФПС, который применяют как самостоя-
тельную конструкцию (колена, отводы) в пневмогидросистемах
ЛА, так и в сборе с другими патрубками, например, в виде замкну-
той конструкции тороидального сосуда давления (рис. 2.29, б).
Штифто-петлевое соединение (ШПС). В связи с изложенным
выше было разработано ШПС (рис. 2.30) криволинейных патруб-
ков и разъемных по меридиану тороидальных оболочек с мини-
мально возможной осевой длиной фланца /к и минимальной степе-
нью искажения криволинейной формы оболочки.
Полутороидальные оболочки с ШПС изготовляют продольно-
поперечной намоткой на торонамоточном станке СНТ-2 А по тех-
нологическому процессу, отработанному для цельнонамотанных
торов. Испытания полутороидальных оболочек, собранных в замк-
нутую конструкцию (рис. 2.30, в), показали работоспособность
ШПС и силовой стеклопластиковой оболочки на уровне цельнона-
мотанных тороидальных оболочек с продольно-поперечной схемой
армирования.
ЧАСТЬ II
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПОЗИТНЫХ ОБОЛОЧЕК
КОНСТРУКЦИЙ РАКЕТ И СРЕДСТВ ПОРАЖЕНИЯ
Глава 3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАВНОНАПРЯЖЕННЫХ
КОМБИНИРОВАННЫХ И КОМПОЗИТНЫХ
ОБОЛОЧЕК КОНСТРУКЦИЙ РАКЕТ
И СРЕДСТВ ПОРАЖЕНИЯ
3.1. Принципы проектирования
равнонапряженных композитных оболочек,
образованных намоткой нитей
3.1.1. Геометрия и уравнения равновесия
оболочек сосудов давления
В настоящее время вопросы рационального проектирования
оболочек тел вращения, изготовленных методом намотки из одно-
направленных волокнистых ПКМ, исследованы достаточно широ-
ко и полно. Прежде всего это относится к композитным оболочкам
сосудов давления цилиндрической (трубы, цилиндры с днищами),
конической и сферической формы. В меньшей мере исследованы
композитные тороидальные оболочки сосудов давления и криво-
линейные трубопроводы.
Основной несущий элемент конструкции любого сосуда дав-
ления, выполненного как из металла, так и из однонаправленного
КМ методом намотки, - тонкостенная силовая оболочка.
Выпуклая (рис. 3.1, а) или тороидальная (рис. 3.1, б) оболочка
общего вида получена вращением двух плоских кривых вокруг
неподвижной оси, лежащей в их плоскости и не пересекающей эти
кривые. Расстояние между кривыми - толщина оболочки /гоб. Зада-
вая форму срединной поверхности у(г) и толщину /гоб, геометриче-
ски полностью определяем оболочку тела вращения.
Плоская кривая у(г), образующая срединную поверхность
оболочки, называется меридианом или образующей. След от пе-
ресечения оболочки плоскостью, перпендикулярной ее оси вра-
120 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
щения, называется окружностью или широтой г. При этом ок-
ружность максимального радиуса представляет собой экватор
оболочки.
Рис. 3.1. Обобщенная схема и геометрические размеры поверхности обо-
лочек, образованных вращением произвольной кривой (а) и замкнутой
(тороидальной) кривой (б):
1- меридиан; 2 - экватор; 3 - широта угла а; 4 - большой экватор тора; 5 - ма-
лый экватор тора; 6 - вершина тора
Каждая точка оболочки имеет два главных радиуса кривизны.
Дуга вдоль меридиана характеризуется первым радиусом R\ кри-
визны оболочки с центром в точке К\. Второй главный радиус
кривизны Т?2 соответствует кривой, полученной при пересечении
меридиана плоскостью, перпендикулярной этому меридиану. Его
центр находится на оси вращения оболочки в точке К2. Радиусы
/?1, /?2 и центры кривизны A?i, К2 лежат на одной прямой.
Угол ос между нормалью к меридиану и плоскостью, перпен-
дикулярной оси вращения, называется углом широты оболочки в
рассматриваемой точке. Далее речь пойдет только об осесиммет-
ричных и безмоментных оболочках сосудов давления.
Для определения меридиональных (Afj) и окружных (N2) по-
гонных сил (далее - сил) рассмотрим, как более общую для всех
оболочек, тороидальную оболочку (рис. 3.2), нагруженную равно-
мерным внутренним давлением р. Тороидальные оболочки имеют
знакопеременную кривизну, следовательно, включают выпуклые и
вогнутые формы оболочек тел вращения.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 121
Рис. 3.2. Схема и геометрические размеры комбинированной торои-
дальной оболочки общего вида, нагруженной равномерным внутрен-
ним давлением:
/ - угол широты а; 2 - нить; 3 - меридиан; 4 - экватор
Записывая в направлении оси у условие равновесия части обо-
лочки, отсеченной коническим и цилиндрическим сечениями, по-
лучаем
2nrNl cos ос = л(г2 - с2 )р,
отсюда меридиональная сила
2rcosoc
(3.1)
где г - текущий радиус вращения (гл < г < г0); с - расстояние от оси
до вершины оболочки; ос - угол широты в меридиональном на-
правлении (0 < ос < л).
122 Часть IL Проектирование композитных оболочек конструкций
Из уравнения Лапласа NJ R{+N2/ R2= р найдем окружные
силы в полученное выражение подставим определенное по
(3.1) значение N], и вычислим
N2= —
2 2г
2 2 \
г -с
2г---------
R} cos ос
/?2.
(3.2)
Почленно разделим друг на друга левые и правые части урав-
нений (3.1) и (3.2) и найдем
N2/N} = 2r2 / (г2-с2)-R2/Rt, (3.3)
где R2 = г cos ос.
Подставляя в (3.3) значение с — 0, получаем соотношение для
выпуклых оболочек вращения:
N2/N} = 2-R2/R}.
(3.4)
Силы 7V| и Л/2 для распространенных форм оболочек легко оп-
ределить из (3.1) и (3.2), пренебрегая действием изгибающих мо-
ментов. В частности, для круговой тороидальной оболочки
(рис. 3.3, а) имеем R}=R, r = c + /?cosoc, тогда
pR г + с _pR 2а + cos ос
2 г 2 а + cosoc
W2=^.
2 2
(3.5)
где а - геометрический параметр, а = с/ R; R- радиус сечения тора.
Когда параметр тора а—> 1 (рис. 3.3, б), меридиональные силы
в области малого экватора при угле ос = л неограниченно возрас-
тают. Однако на вершине тора реализуются мембранные силы, со-
ответствующие значениям сил в цилиндрической оболочке.
При увеличении расстояния с от оси до вершины тора одно-
временно с ним возрастает и текущий радиус вращения оболочки
г, тогда
lim (с/г) = 1.
При этом круговая тороидальная оболочка стремится к ци-
линдрической, ось вращения которой перпендикулярна оси вра-
щения тора.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 123
c=aR
Рис. 3.4. Схема конической
оболочки, нагруженной внут-
ренним давлением
Рис. 3.3. Схема и геометрические размеры круговой торои-
дальной оболочки, нагруженной внутренним давлением (а), и
зависимости относительных меридиональных (Л^) и окруж-
ных (TV2) сил от угла ос (б)
С учетом изложенного выше и (3.5) для цилиндрической обо-
лочки запишем
N^pRJ2- N2 = pRu, (3.6)
где /?ц - радиус цилиндра.
В случае конической оболочки (рис. 3.4) необходимо принять:
с = 0, Rx =оо, /?2 =r/cosoc. Тогда из (3.1) и (3.2) для меридиональ-
ных и окружных сил имеем
TVj = prl (2cosoc1/2);
N2 = pr / cosa1/2,
где a1/2 = const - угол полураскрытая конуса.
124 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Для сферической оболочки с = 0, 7?, = Т?2 = 7?сф и меридиональ-
ные и окружные силы N}=N2= pRc^/2, где /?Сф - радиус сферы.
3.1.2. Проектирование равнонапряженных композитных оболочек
на основе метода сетчатого анализа
Намотку композитных оболочек осуществляют прядью нитей,
пропитанных связующим (мокрый способ), или лентой препрега
(сухой способ), которая в частично полимеризованном виде пред-
ставляет собой элементарную полоску однонаправленного КМ.
Методы проектирования и определения напряжений в таких
конструкциях основаны на двух различных моделях волокнис-
того ПКМ, из которого изготовлены силовые оболочки сосудов
давления.
Согласно первой модели КМ стенки изделия, состоящий из
высокопрочных волокон и полимерной матрицы, можно заменить
однородным материалом с анизотропными свойствами. Такое
рассмотрение материала допустимо, так как размеры конструк-
ции силовой композитной оболочки всегда велики по сравнению
с размерами компонентов материала (волокна, нити, пряди нитей
или элементарной полоски ткани, которыми осуществляется
намотка).
При таком подходе определяются усредненные упругие по-
стоянные материала стенки изделия в зависимости от упругих
постоянных волокон и связующего, их объемного содержания в
материале, схем армирования и углов намотки. По таким усред-
ненным характеристикам и рассчитывают композитные оболочки
как изотропные, но выполненные намоткой из анизотропного
волокнистого ПКМ.
В соответствии со второй моделью оболочка сосуда считает-
ся образованной системой гибких нитей, которые в результате
натяжения воспринимают всю нагрузку от внутреннего давления.
Равновесие силовой композитной оболочки обеспечивается рав-
новесием каждой отдельной нити, входящей в КМ. Связую-
щее принимается абсолютно податливым (эластичным), служит
для создания монолитной структуры материала, а его несущая
способность не учитывается. Такой расчет оболочек сосудов
давления называется методом сетчатого анализа. Он отличается
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 125
простотой и позволяет быстро получить практические результаты
на стадии проектирования новых композитных конструкций
изделий.
Если в качестве модели КМ установить линейный вид диа-
граммы напряженно-деформированного состояния при растяже-
нии гибких нитей вплоть до разрушения, то за критерий опти-
мальности (получение минимума массы) для безмоментных обо-
лочек тел вращения принимается условие равнонапряженности
всех нитей, образующих оболочку, или критерий равнопрочности.
Поскольку напряженно-деформированное состояние нитей од-
номерно, то применение критерия равнопрочности является доста-
точным для получения минимума массы.
Следовательно, задача проектирования композитных оболочек
минимальной массы на основании второй модели материала, или
метода сетчатого анализа, сводится к созданию равнонапряженной
конструкции, когда каждая нить на поверхности оболочки воспри-
нимает максимально допустимые для нее силы растяжения.
Очевидно, что условие получения минимума массы конструк-
ции предусматривает полное использование несущей способности
материала в момент его разрушения, когда напряжения в нитях
всюду постоянны и равны пределу прочности скм =пвКМ однона-
правленного КМ при растяжении. Это условие эквивалентно дос-
тижению максимальной энергии деформации в момент разруше-
ния композитной оболочки.
Действительно, если под действием внутреннего давления
объем оболочки Иоб увеличится на величину АЕоб, то относитель-
ная деформация КМ вдоль нитей в равнонапряженной оболочке бу-
дет Екм = А/км / /км. Для малых упругих деформаций справедливо
приближенное равенство Екм = А/км//км = АКоб/(ЗИоб).
При этом работа, произведенная давлением при расширении
оболочки на величину АИоб, будет восприниматься всем объемом
КМ за счет его растяжения на величину А/км.
Запишем следующее энергетическое соотношение:
Рра'А^об =авКМЛ/кМ^Ц<М’ (3-8)
где /?раз - давление разрушения; я/км - площадь сечения всех ни-
тей КМ длиной /км; и/кМ/кМ = Екм - объем КМ оболочки. Под-
126 Часть IL Проектирование композитных оболочек конструкций
ставив в (3.8) значение nfKM -Л/Км /(/кмркм) и л/км =
= /кмЛИоб / (ЗИоб), определим минимальную массу равнонапря-
женной оболочки сосуда давления, образованную системой гибких
нитей:
_ р- Рраз^обРкМ
^KMmin ~ ^форггпп ~ ’ (3-9)
~в КМ
где А^Ор - минимально возможный коэффициент формы равно-
напряженных оболочек из однонаправленных КМ, ^opmin = 3.
В (3.9) не входят геометрические параметры и размеры сосуда
давления, поэтому оно справедливо для сравнения композитных
оболочек, относящихся к разным топологическим классам (напри-
мер, к сферам, цилиндрам и торам).
Однако возможности создания равнонапряженных оболочек
методом намотки довольно ограничены вследствие того, что в дан-
ном случае форма и схема армирования оболочки взаимозависимы и
определяются однозначно, т. е. нет произвольного выбора ни того,
ни другого. В первую очередь это связано с базовым положением
метода намотки, а именно с непрерывностью намотки нитей, за-
ключающейся в том, что любой слой формируется путем непрерыв-
ной и последовательной (застольной) укладки наматываемых лент
(нитей) на всю поверхность композитной оболочки. Условие непре-
рывности намотки, при котором каждую широту оболочки радиу-
сом вращения г пересекает одинаковое число п нитей площадью
/км под углом намотки Р = РГ, описывается уравнением
Arrcos[3 = A0r0cosP() = const. (3.10)
Из (3.10) выразим переменную толщину композитной оболоч-
ки йкм = hr в виде
h _А _ "/км -VoCOsPo
"км-4-э о“ о ’ (311)
Zftrcosp rcosp
где /км - площадь поперечного сечения одной нити КМ со свя-
зующим; Ао и Ро - толщина и угол намотки на максимальном
диаметре (экваторе) оболочки при г = г0.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 127
Силы TVj (3.1) и N2 (3.2), возни-
кающие в стенке композитной обо-
лочки при действии внутреннего дав-
ления, будут восприниматься одно-
направленным КМ. Найдем связь сил
в оболочке (3.3) с углами намотки 0
и напряжениями пкм, действующи-
ми в направлении нитей.
Рассмотрим положение двух на-
матываемых прядей шириной t и
толщиной 5 (рис. 3.5) на фиксиро-
ванной широте тороидальной обо-
лочки г(а).
Каждая прядь наклонена к мери-
диану под углом Р и натянута с силой
F. Напряжения растяжения по на-
Л(П1)
Рис. 3.5. Главные напряже-
ния Qi и о2 в оболочке и на-
пряжения Окм, действующие
вдоль направления нитей:
/ - широта; 2 - меридиан
правлению волокон акм = F/(/5). Спроецируем силы F на оси ко-
ординат и запишем F\ - = 2FcosP; F2 - 2Fsin p. Разделив проек-
ции сил на площадь сечения прядей в меридиональном и широт-
ном направлениях, получим
а, = F] cosP/(2/5) - cKMcos2P;
q2 = F2 sinp/(2r5) = cKMsin2p.
(3.12)
Умножив левые и правые части уравнений (3.12) на толщину
композитной оболочки Лкм = 25, найдем
=CT|/? = CTkm\mCOs2P; ^=CT2/? = CTKMAKMsin2p. G-13)
Отношение уравнений (3.13) позволяет записать следующее:
7V2/?V,=tg2p. (3.14)
Исключив из уравнения (3.3) отношение (3.14), запишем связь
между геометрическими размерами и углами намотки оболочки:
tg2Р = 2г2/(г2-с2) - R2/R}. (3.15)
128 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Зависимость (3.15), полученную для тороидальных оболочек,
в отличие от зависимости для выпуклых оболочек (3.4) с учетом
(3.14), следует рассматривать как условие, которому удовлетворя-
ет равновесная, или уравновешенная, конструкция, но из более
широкого класса оболочек тел вращения, образованных системой
гибких нитей. В общем случае для равновесной конструкции обо-
лочки значения напряжений растяжения вдоль витка нитей не ос-
таются постоянными, т. е. скм (г) / const.
Таким образом, для равновесной оболочки не существует сво-
боды выбора формы витка нитей, т. е. углов Р(г), если уравнение
меридиана j(r) задано. И наоборот, если углы намотки известны,
то форма оболочки не может быть произвольной. Следовательно,
необходимо найти углы и форму меридиана, при которых безмо-
ментная оболочка сосуда давления будет одновременно и равно-
весной и равнонапряженной.
Для определения искомых углов намотки подставим перемен-
ное значение толщины оболочки Лкм из (3.11) в (3.13) и по-
лучим
N\ = <*A=aKMVbcos0ocosP/'';
, (3.16)
N2 = <32hr =aKMAorocosP0sin p/(rcosP).
Исключая угол P из (3.16) и учитывая, что для равнонапря-
женной конструкции пкм(г) = скм = const, находим
^2 + ^^=(nKMVoCOSp0)2/r2=/l2/r2, (3.17)
где А - константа. Дифференциальные соотношения для оболочки,
согласно обозначениям, приведенным на рис. 3.2:
dy у'
— — у = —ctgcx; cos ос =—, (3.18)
dr V'+t/)2
Тогда для главных радиусов кривизны с учетом (3.18) можно за-
писать
Я, = Н2=—= - (3.19)
у" 6/(cosoc) cos ос у'
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 129
Подставив (3.1) и (3.2) в (3.17) с учетом (3.19), имеем
(3r2-c2)(r2-c2) r(r2-с2)2 e/(cosa) 4Л2 2
--------7-------------------------= —т- = Al = const, (3.20)
cos~a cos a dr p
где - константа. Следует отметить, что в (3.20)
(l/cos2a)' =-2(cosa)' /cos3a. (3.21)
С учетом (3.21) выражение (3.20) можно представить в виде
линейного дифференциального уравнения относительно зависи-
мой переменной z = l/cos2a, решение которого следующее:
_ = 1 42r2-c,2 ™
cos2 a r2(r2-c2)2’ ( }
где C| - постоянная интегрирования.
Решая (3.1) и первое уравнение (3.16) относительно величины
cosP, получаем
cosP = (r2 -с2) / (Л, cosa). (3.23)
Исключив величину cosa из (3.22) и (3.23) и сделав алгеб-
раические преобразования, найдем искомый закон намотки (урав-
нение Клеро), обеспечивающий равнонапряженность нитей:
rsinP = rosinPo =Cj I А} = const. (3.24)
Равенство (3.24) представляет собой математическую запись
теоремы Клеро, определяющей положение геодезической линии на
поверхности тела вращения.
Таким образом, армирование композитных оболочек тел вра-
щения по геодезическим линиям позволяет получить равновесные
и равнонапряженные конструкции, обладающие минимальной
массой.
Намотка по геодезическим линиям поверхности тела враще-
ния является основным технологическим требованием (условием),
так как обеспечивает укладку (намотку) нитей на поверхность обо-
лочки без соскальзывания и с необходимым натяжением. В этом
случае для каждого типа волокон оптимальное натяжение нитей
130 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
при намотке реализует в конструкции оболочки максимальную
прочность однонаправленного КМ и обеспечивает минимально
возможную массу изделия.
В заключение следует отметить, что создание высокопрочных,
легких и конкурентоспособных сосудов давления различного на-
значения всегда было связано с решением актуальных задач, воз-
никающих перед инженерами-проектировщиками в соответствие с
требованиями потребительского рынка.
По конструктивно-технологическим признакам все многооб-
разие конструкций сосудов давления можно подразделить на две
группы:
1) для ЛАиРКТ;
2) для наземных транспортных средств, дыхательных аппара-
тов, переносимых на спине человека.
К основным, или базовым, технико-экономическим показате-
лям сосудов давления относятся:
• высокий параметр конструктивного совершенства (ПКС) или
минимальная масса сосуда на единицу его объема.
• достижимая или требуемая степень герметичности сосуда
давления;
• стоимость изготовления и приведенная стоимость (цена)
единицы объема сосуда давления, например 1 л (дм3);
• трудоемкость и цикл изготовления сосуда давления в целом;
• коррозионная стойкость материалов сосуда давления при его
работе в агрессивных средах;
• длительность эксплуатации и количество заправок сосуда до
рабочего давления.
Конструктивно-массовое, или весовое, совершенство сосудов
давления любой формы принято оценивать по ПКС, кДж/кг, пред-
ставляющему собой энергетический показатель сосуда давления:
ПКС = ^сд=рра/о6/Л/сд, (3.25)
где рраз - давление разрушения; Иоб - объем оболочки; Л/сд -
масса конструкции сосуда давления.
Полная масса сосуда давления включает в себя массу силовой
и герметизирующей оболочек, массы штуцеров, фланцев, покры-
тий и других элементов конструкции. При этом параметр Wcд не
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 131
зависит от формы и геометрических размеров сосуда, поэтому
формула (3.25) может быть использована для сравнения между
собой не только конструкции сосуда давления в целом, но и сило-
вых оболочек, выполненных из металлов и КМ.
Следовательно, ПКС тонкостенной силовой (металл, КМ) обо-
лочки сосуда давления также будет определяться по формуле
ПКС=^об = РраЛб/А/об, (3.26)
где Л/об - масса силовой оболочки сосуда давления,
пл Рраз^обР МТ ->*7Х
4>б = ^фор —------> (3-27)
^МТ
где А?фор - коэффициент формы, учитывающий форму поверхно-
сти и анизотропию свойств материала оболочки; пмт - предел
прочности материала при растяжении; рмт - плотность материала
оболочки.
Равнонапряженной оболочкой сосуда давления, выполненной
из изотропного материала - конструкционного металла, является
только сфера, массу которой определяют по формуле
Чф-nin =3РраЛбРмет/(2авмет), =3/2, (3.28)
где авмет и рме1 - предел прочности и плотность металла.
Хотя для всех равнонапряженных композитных оболочек ми-
нимальное значение opmin = 3, т. е. в 2 раза больше, чем значе-
ние для металлической сферы A?£*p = 3/2, однако удельная проч-
ность однонаправленных КМ в 4-6 раз больше, чем у конструкци-
онных материалов (табл. 3.1).
В связи с этим существенно (в разы) снизить массу сфериче-
ских, цилиндрических и тем более тороидальных сосудов давления
можно лишь путем изготовления их из однонаправленных КМ ме-
тодом намотки.
132 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Таблица 3.1
Характеристики конструкционных материалов,
применяемых для изготовления оболочек сосудов давления*
Материал Рмст, кг/дм Пв мет, МПа (Уг, МПа °в ме/Рмеп кДж/кг Еж„ ГПа 8, % 1|/, %
АМгб 2,64 340...400 170...300 140 71 15...20 —
1201 2,85 430 340 150 71 10 —
1420 2,47 450 270 180 75 10 -
ОТ4 4,55 690...800 550...650 175 НО 15 25
ВТ6С 4,51 830...980 736 210 НО 10 25
ВТ22 4,62 1080 992 240 115 19,5 42,6
12Х18Н10Т 7,90 620 280 80 188 41 63
30ХМА 7,80 930...980 735...760 120 208 13 50
30ХГСА 7,85 1100 850 140 200 10 45
08Х15Н5Д2Т 7,76 1350...1450 1150...1250 180 196 11 50
(ВНС2)
03Х11Н10М2Т 7,85 1550 1470 185 210 12 50
Примечание. 8, - относительные удлинение и сужение при разрыве.
* Деформируемые и свариваемые конструкционные материалы; толщина лис-
та 2...6 мм.
3.2. Комбинированные тороидальные оболочки
общего вида
3.2,1, Общие сведения
Однонаправленные КМ газопроницаемы, следовательно, в
конструкции сосуда давления необходимы специальные гермети-
зирующие слои из резин, полимерных пленок или тонких метал-
лических оболочек - лейнеров, значительно снижающих массовую
эффективность от применения КМ.
Однако умелое сочетание положительных характеристик ме-
таллов и однонаправленных КМ позволяет создавать на их основе
комбинированные тороидальные оболочки, соответствующие всем
требованиям по герметичности и чистоте внутренней поверхности
при существенном уменьшении их массы по сравнению с цельно-
металлическими аналогами.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 133
Очевидно, что тороидальная оболочка, состоящая из внутрен-
него металлического и наружного композитного слоев, оказывает-
ся тяжелее оболочки, выполненной только из КМ. В то же время
такая оболочка обладает рядом технологических и эксплуатацион-
ных преимуществ.
При проектировании равнонапряженных комбинированных
оболочек, в том числе тороидальных, в качестве основной расчет-
ной схемы принимается безмоментная оболочка, нагруженная внут-
ренним давлением, с характерным размером h^/r (отношением
толщины стенки оболочки к радиусу сечения), меньшим 0,05.
Другое допущение при расчете комбинированной тороидаль-
ной оболочки - условие равенства деформаций слоев металла и
КМ. Полагают, что металл и КМ прочно скреплены между собой
за счет действия адгезионных сил и внутреннего давления, слои
деформируются совместно без проскальзывания относительно
друг друга.
В качестве основного критерия при проектировании безмо-
ментных оболочек принимается критерий равнопрочности, или
равнонапряженности, согласно которому, комбинированная обо-
лочка будет иметь минимально возможную массу, если ее слой
металла выполнен равнонапряженным, а в слое из однонаправлен-
ных КМ напряжения вдоль волокон всюду постоянны и имеют
одинаковую величину. Далее такие оболочки из комбинированных
материалов будем называть равнонапряженными.
3.2.2. Форма поперечного сечения комбинированных
тороидальных оболочек общего вида
Рассмотрим тонкостенную тороидальную оболочку (см.
рис. 3.2), состоящую из слоев металла и КМ. Толщина внутреннего
слоя металла Лме1 постоянна, толщина слоя КМ ЛКм переменна и
включает в себя четное число одинаковых элементарных слоев,
намотанных под углами ±Р к меридиану тора. Полагаем, что обо-
лочка, нагруженная внутренним давлением р, является безмомент-
ной, а ее главные радиусы кривизны и Т?2 одинаковы для обоих
слоев.
Тогда отношение (3.3) при учете дифференциальных соотно-
шений радиусов кривизны оболочки (3.19) запишем в виде
134 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
(ЗМ)
Nx г -с cosou/r
После интегрирования (3.29) получим дифференциально-ин-
тегральное уравнение
ln(cosoc) = ln(r2 -c2) + lnC - [ (3.30)
J Nxr
связывающее геометрические размеры и силы в безмоментной то-
роидальной оболочке. В (3.30) постоянную интегрирования С\ оп-
ределяют из граничных условий. Задавая (определяя) отношение
W2 / М и решая (3.30), можно найти форму меридионального сече-
ния и геометрические размеры тороидальной оболочки.
Меридиональные и окружные силы, возникающие от действия
внутреннего давления, воспринимаются обоими слоями оболочки,
поэтому уравнения для них будут иметь вид
=^мет1 +^КМ1 =Пмст1^ме1 +^КМ1’
(3.31)
^2 ~ ^ме12 + ^КМ2 -Пмет2^мет + ^КМ2 ’
где омет1 и омеТ2 - меридиональные и окружные напряжения в слое
металла. Напряжения амет] и nMei2 связаны с относительными де-
формациями законом Гука:
Е Е
°Meri=:-^-(ei+vMeTe2); омет2 =—^-(е2 +vMe,e,), (3.32)
l-vMeT l-vMC1
где 8i и 82 - относительные деформации в меридиональном и ок-
ружном направлениях; Емет и vMeT - модуль упругости и коэффици-
ент Пуассона металла.
Безмоментные силы в слое однонаправленного КМ зависят от
относительных деформаций следующим образом:
^КМ1 +^12е2’ ^КМ2 ~ ^21е1 +^22е2- (3.33)
Совместное решение уравнений (3.31)—(3.33) относительно
неизвестных деформаций 81 и 82 дает
£ _ ^22^1 ^12^2. £ ^21^2
^11^22“ ^12 ^11^22 “^21
(3.34)
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 135
где Bj j = ЕМС1ЛМС1 /(1 - vMCT) + В] ]; В22 = ВмстАмет /(1 - vMeT) + В22; В}2 =
= В2| = EMei hMC} /(1- VMC1 ) + В12.
В (3.33) и (3.34) Вн, Bi2 - B2i и В22 - обобщенные жесткости,
зависящие от углов намотки, толщины слоя и упругих постоянных
однонаправленного КМ.
Далее не будем учитывать несущую способность связующего
и КМ заменим системой гибких нитей. Такая замена позволяет по-
лучить приемлемые результаты, особенно на начальном этапе про-
ектирования изделия. Без учета связующего выражения для обоб-
щенных жесткостей упрощаются и имеют вид
1 = ^км^км cos ^22 = ^км^км s^n Р’ =B2i =
= £KM^KMsin2Pcos2₽’ (3.35)
где Вкм - модуль упругости однонаправленного КМ при растяже-
нии вдоль волокон.
Определив £] и е2 из (3.34), по (3.32) можно найти меридио-
нальные (оМег1) и окружные (оМС12) напряжения в слое металла. На-
пряжения и деформации в однонаправленном КМ составят:
акм = ^кмекм’ екм = ei cos P + s2sin Р, (3.36)
где Екм - относительная деформация КМ при растяжении вдоль
волокон.
Для получения комбинированной оболочки минимальной мас-
сы используют критерий равнопрочности, согласно которому на-
пряжения oMeTj и омет2 равны друг другу, т. е. омет1 - омеТ2 - омет, а
напряжения в КМ <зКм постоянны по всей длине нитей.
При введении условия совместности деформаций металла и
КМ при соблюдении критерия равнопрочности из (3.32) и (3.36)
следует, что Е| е2 Екм- Решая совместно (3.33) и (3.35) при £j -
£2 ~ £км, найдем связь безмоментных сил (3.31) с напряжениями
в слоях оболочки:
^^^меЛет+^км^км^Р; TV2 = ометЛме1 + <ткмЛкм sin2 0. (3.37)
Переменная толщина ЛКм определяется из условия непрерыв-
ности намотки и рассчитывается по выражению (3.11). Разделив
136 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
второе уравнение (3.37) на первое уравнение и учитывая (3.11),
находим
= X + r0cosp0sin2 p/(rcosP) 3g)
TV, X + r0cosP0cos2 p/(rcosp)’
где X - отношение сил, действующих в слоях металла и однона-
правленного КМ на большом экваторе тора при г = Гц, X =
~ ^мет^мет /(^КМ^КМо)*
Слой КМ, представляющий собой систему гибких нитей, будет
равнонапряженным только в случае укладки их по геодезическим
линиям поверхности. Выразим sin[3 и cosP в (3.38) из уравнения
Клеро (3.24) и подставим полученное отношение (3.38) в (3.29). По-
сле несложных преобразований запишем дифференциальное урав-
нение второго порядка с разделяющимися переменными
d(cosа) _ 2rdr Xr2 + r0 cosРо(r0 sin Ро)2 /^r2-r02 sin2 Ро dr
dr г2-с1 Хг2 +r0 cosP0-Jr2 -r02 sin2 Ро г
Интегрируя это уравнение, найдем
X г2 +r0cosP0^/r2 -r()2 sin2 Р()
Постоянную интегрирования Cj определим из граничного ус-
ловия, согласно которому при г = гтах = угол а = 0, cosoc = 1 и
_ r0(X + cos2 Ро) _ X + cos2 Ро
1= = г0(1-Е2) ’
где с = с/г0.
Подставляя значение Q в (3.39), получаем зависимость угла а
от радиуса вращения оболочки г:
_______r0(X + cos2P0)(r2-c2)r
(г02 -с2)(Хг2 +r0cosp07r2-r02sin2p()
(3.40)
Заменяя в (3.40) величину cosa соотношением из (3.18) и учи-
тывая (3.24), получаем дифференциальное уравнение, определяю-
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 137
щее меридиональное сечение равнонапряженной комбинирован-
ной тороидальной оболочки:
>'4=
аг
г(г2 -с2)
r0(X + cos2P0)
Хг2 + r0 cos Ро -^r2 -r02 sin2 Ро j - г2 (г2 - с2 )2
(3.41)
В (3.40) и (3.41) входят неизвестные постоянные Ро, с2 и Л,
связь между которыми может быть найдена из второго граничного
условия: при г = гт^=гя угол а = л, cosoc = -l, Р = Рл. Тогда из
(3.40) и (3.24) имеем
с2 -ц2 _Хц2 +cosPoA/n2-sin2 ро
1-с2 p(X + cos2P0)
cosPn=-J|T-sin2p0.
Ц
После преобразований полученных выражений запишем
-2 = + Ц) + cos Ро (Ц2 COS Ро + cos Ря) (3
Z(1 + |Li) + cosP0(cosP0 +cosPH)
где с2 - квадрат относительного расстояния от оси вращения до
вершины тора (0,3984 < с2 < 1,0), с2 - с2 /г02; ц - параметр тора,
равный отношению минимального (гл) и максимального (г0) ра-
диусов вращения оболочки, ц = гл/г0, 0 < ц < 1; Л - отношение
сил, действующих в слоях металла и однонаправленного КМ на
большом экваторе тора, Х = амстЛмет/ (окмЛкмо), 0 <Х< Хкруг =
= 2/(1 + ц), Л - отношение сил в тороидальной оболочке с
круговым поперечным сечением; Ро - начальный угол намотки
тороидальной оболочки, 0 < Ро < 35° 16'.
Следовательно, для тороидальной оболочки, заданной отно-
шением ц, параметры Ро, с2 и X связаны лишь одной зависимо-
138 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
стью (3.42). Однако величина X может быть выбрана, например, из
технологического условия изготовления сосуда или из условий его
эксплуатации при учете прочностных характеристик материала
слоев. Таким образом, остаются два неизвестных параметра ро и
с2, связанных друг с другом уравнением (3.42).
В качестве второго уравнения используем выражение (3.41),
которое после преобразования приведем к виду
У = Г-1.....-.... dr ; + Q, (3.43)
1 1(1-с2)2 (Хг2 + cosPoA/r2 -sin2 Ро j
у (Z + cos2P0)2r2(r2 -с2)2
где у, Т - безразмерные координаты сечения, y-ylrQ, T-rlr^,
ц < Г < 1. В экваториальной плоскости при г = 1 ордината обра-
зующей тора у равна нулю и, следовательно, - 0. Уравнение
(3.43) не выражается через элементарные функции и может быть
проинтегрировано численным методом на ЭВМ.
Совместное решение (3.42) и (3.43) осуществляется следую-
щим образом. Для оболочки, заданной параметрами ц и X, выби-
рают значение угла ро из диапазона 0< Ро < Ро t, где P0opt - на-
чальный угол намотки для равнонапряженной или оптимальной
(минимальной) по массе композитной тороидальной оболочки.
Далее по (3.42) находят параметр с2 и вычисляют интеграл (3.43),
который при г = ц должен быть равен нулю. Если Ф 0, то ус-
танавливают новое значение угла р0 и повторяют расчет интеграла
(3.43). Таким образом, для каждой оболочки, заданной параметра-
ми ц и Z, однозначно и с необходимой точностью определяют па-
раметры Ро и с2. На рис 3.6 приведены формы меридиональных
кривых комбинированных тороидальных оболочек для некоторых
значений параметров ц и X.
Все меридиональные кривые лежат между круговыми сече-
ниями и образующими оптимальных (композитных) торов. При
этом для оболочек с ц > 0,5 и со значениями параметра X, близки-
ми к значению Хкруг, формы поперечных сечений комбинирован-
ных тороидальных оболочек приближаются к окружностям, так
как сжатие сечения оболочки в направлении оси вращения тора
составляет менее 5 %.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 139
Рис. 3.6. Форма меридиональных кривых комбинированных
тороидальных оболочек для некоторых значений параметров
ц и X:
/ - верхние точки сечений
3.2.3. Параметрическая область существования равнонапряженных
комбинированных и композитных тороидальных оболочек
Пусть тороидальная оболочка задана параметром ц. При изме-
нении толщины слоя металла от Лмст - 0 до некоторого значения
Белтах изменится и параметр Х = омст/гмет/(окмЛкмо) от нуля до
максимального значения Лтм= Хкруг =ометЛметтах /(акмАкмо), где
Лметтах _ максимальная толщина слоя металла комбинированной
тороидальной оболочки кругового сечения с поперечной намоткой
однонаправленного КМ, Лметп1ах = ^7?/(2пмет); р - давление; R -
радиус сечения.
Рассмотрим частные случаи решения уравнения (3.42) и инте-
грала (3.43).
1. При отсутствии слоя металла (X X / Хкруг - 0) во всем диа-
пазоне значений параметра ц реализуются равнонапряженные
композитные торы, а интеграл (3.43), записанный в относительных
координатах, будет иметь вид
140 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
__ г r(r2-c2)<7r
। '.-г- V
Решение интеграла (3.44) можно выразить через алгебраиче-
ские функции и эллиптические интегралы первого (Л(0,Л)) и вто-
рого (Е(0,Л)) рода:
0 = arcsinJ(l-r2)/( 1-ц2); k = I-------—£-----(3.45)
V V 2(1-с2) + ц2
Выражения (3.45) описывают форму меридиональной кривой
равнонапряженной композитной оболочки, образованной систе-
мой гибких нитей, которые уложены по геодезическим линиям
поверхности. Диапазоны значений начального угла намотки и гео-
метрического параметра тора были определены в подразд. 3.2.2.
При этом следует отметить, что с>гср = гср/г0, где Тср =
= (1 + |ы)/2 - относительный средний радиус вращения оболочки.
Напряженно-деформированное состояние композитной торои-
дальной оболочки общего вида будет рассмотрено далее.
2. При ц - 0 центральное отверстие отсутствует и тороидаль-
ная оболочка имеет вид жгута. В этом случае из уравнения геоде-
зических линий sin Р() = цsin = const следует, что Ро = О. То-
гда для |ix= 0 из (3.42) находим
cosPH = с2(1 + Х)/(1-с2). (3.46)
Кроме того, с увеличением параметра X от нуля до X - Хтах =
= Хкруг поперечное сечение тороидальной оболочки стремится к
круговому сечению.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 141
3. В случае максимальной толщины (X = X / Хкруг = 1) слоя ме-
талла поперечное сечение тора становится круговым и реализуют-
ся равнонапряженные тороидальные оболочки и криволинейные
трубы с поперечной схемой армирования (Ро = Рл =0) или с попе-
речной намоткой. Если Х = Хкруг, то для всех круговых тороидаль-
ных оболочек и изогнутых участков трубопроводов, заданных па-
раметром ц в пределах 0 < ц < 1, выполняются условия
\руг = 1/Е'круГ=2/(1 + Ц); ёкруг=гср=(1 + ц)/2. (3.47)
Из (3.40) и (3.42) с учетом (3.47) запишем, что Ро= 0 и |3Л= 0, а
из интеграла (3.43) найдем уравнение меридиана комбинирован-
ной круговой тороидальной оболочки, усиленной однонаправлен-
ным КМ в меридиональном направлении:
_ р (r-c)dr
(3.48)
Напряженно-деформированное состояние этой оболочки будет
рассмотрено далее.
4. При ц = гл/г() —> 1 центральное отверстие неограниченно
возрастает: с=с/г0-»1, а поперечное сечение оболочки
близко к круговому сечению. Тогда из (3.42) найдем, что
cosPH = cos[3(), следовательно, Р(Х) = const и форма комбиниро-
ванной тороидальной оболочки стремится к форме цилиндриче-
ской комбинированной оболочки, ось вращения которой перпен-
дикулярна оси вращения тора.
При этом во всем диапазоне значений 0<X<Xknvr =
= 2/(1 + ц) = 1 углы намотки цилиндрической оболочки определяют
из равенства X = l-3sin2[3, которое получается из уравнений
(3.37), если принять, что = pRJ2 и N2 = pR. Углы Р = Р(Х)
отсчитываются между направлением нити и поперечным сечением
цилиндра.
5. Если угол намотки Р(ц,Х) = О, параметр Х>Хкруг, то рас-
стояние от оси вращения до вершины тора с <7^р, а образующая
142 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
тороидальной оболочки у (F = ц) > 0 оказывается незамкнутой
относительно экваториальной плоскости тора. В данном учебном
пособии такие оболочки не рассмотрены.
Параметрическая область реализации равнонапряженных ком-
бинированных тороидальных оболочек, ограниченная координат-
ными осями ц и X, приведена на рис. 3.7.
Рис. 3.7. Параметрическая область реализации равнонапряженных ком-
бинированных тороидальных оболочек:
1 - композитные и комбинированные цилиндрические оболочки (ц = 1); 2 -
равнонапряженные композитные тороидальные оболочки; 3 - круговые комби-
нированные тороидальные оболочки и криволинейные трубы; 4 - жгуты (ц = 0);
Аус - относительное сжатие сечения тора по ус© - экспериментальные
тороидальные оболочки
Параметрическая область ц и Л кроме комбинированных то-
роидальных оболочек включает в себя равнонапряженные компо-
зитные торы, а также цилиндры и криволинейные трубы. Степень
отличия геометрических размеров (Дус, Ас) меридиональных кри-
вых комбинированных торов в зависимости от размеров круговых
тороидальных оболочек определяют как
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 143
дя<иА)=1-л™7л"р"г;
Дс(ц.Л) = с<ои/с,„г-1. (3'49)
При изменении параметра X в
диапазоне значений 0 < X < Хкруг углы
намотки изменяются в пределах
0<Р0 <35°16' и 0<Рл <49°17'
(рис. 3.8). Кроме того, для всех значе-
ний ц и X выполняются неравенства
с >гср = (1 + ц)/2;
(3.50)
-Утах — З^кру! — (1
Рис. 3.8. Зависимость на-
чального угла намотки ро от
параметра X при различных
значениях ц
3.2.4. Конструктивно-массовый анализ комбинированных
тороидальных оболочек общего вида
Проверим выполнение критерия равнопрочности конструкции
комбинированной тороидальной оболочки. Для этого приравняем
правые части уравнений (3.1), (3.2) и (3.37) и, учитывая (3.11) и
(3.19), запишем
Г2-С2 . , r0COsP0 2п
Р~-----= <*„eAeT+°KNAM -----^C0S в
2rcosa rcosp
(3.51)
г
Р-----
cosa
। (г2-c2)c/(cosa)
2rcosa<7r
FgCOsPo 2 а
= °меЛет + МКМ ~Р-
rcosp
Подставив величину cos а из (3.40) в первое уравнение (3.51),
получим выражение вида
СТмеЛет=/? Го(!-С ) (3.52)
Л. 2(X + cos2P0)
Выражение (3.52) представляет собой условие прочности ком-
бинированной тороидальной оболочки на большом экваторе при
г = г0, а = 0:
144 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
/?(1-с2)г0/2 = омстЛмет +акмАкм cos2 р0. (3.53)
Дифференцируя выражение (3.40) по переменной г и под-
ставляя полученное значение во второе уравнение (3.51), получаем
тождество, если выполняется условие прочности (3.52). Таким об-
разом, форма образующей тороидальной оболочки, заданная урав-
нением (3.41), обеспечивает ее равнопрочность, если возникающие
силы в слоях металла и КМ на экваторе оболочки удовлетворяют
условию (3.53).
Для дальнейшего анализа следует определить длину / витка
нити, площадь поверхности S’, объем оболочки Иоб, суммарную
массу Л/ком комбинированной оболочки и массы составляющих ее
слоев Л/мет и Л/км из соответствующих (см. рис. 3.2) дифференци-
альных соотношений:
ds
dl =---dS - litrds', dVo6 = nr2 у'dr,
cosp
dM = Znrhpds; ds = Jl + (^')2 dr, (3.54)
где p - плотность материала; h - толщина слоев.
После подстановки в (3.54) величин cosf3 и tgP (3.24), преобра-
зований и интегрирования имеем
/ = 2r0f = 2г, 7 (и, X); (3.55)
i 7г -Sin (30
S = 4лг02 ]> 71 + (У')2^г = 4лг025(цА); (3.56)
ц
1
Гоб = 2nr^r2y'dr = 2ти-03Гоб(цЛ), (3.57)
н
где / ,5 и Коб - определенные интегралы, зависящие от парамет-
ров ц и X. В выражениях (3.55)-(3.57) производная у' берется из
(3.41) или (3.43).
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 145
Толщины слоев металла и КМ найдем из условия, согласно
которому при достижении расчетного давления р — слои раз-
рушаются одновременно, напряжения в материалах каждого слоя
достигают своих пределов прочности или допустимых напряжений
при растяжении, т. е. qmct = пВМСт и qKm = пвкм- Тогда с учетом
(3.11) и (3.52) запишем расчетные толщины слоев:
, _ Рразго^(^ ~С _ /2KMqC0SPq .
2°Вме, + COS Ро) “S‘n Ро
(3.58)
_ ^bmct^mci _ /^раЛоО-С )
^qbkmo 2qbKM (X + cos2 Ро)’
Последовательно подставляя соответствующие значения тол-
щин из (3.58) в (3.54), проводя интегрирование и суммирование
с учетом выражений (3.55)—(3.57), получаем соответствующие
массы:
_ /^раз^обРмсг SX(1 —С )
Пвмез Йоб(Х + СО82 Ро)’
д/ _ Рраз^обРкМ /(1-С )COSP0
7WKM~ ~ т7 л . 2fl х’
qbkm Коб(Х +cos р0)
Wkom = Ла,И°б(1~7С ) fb^XJ + ^-FcOSpJ,
^об(^ + С°8 Ро)1<<7вмет ^вКМ J
где пвмет/рмет и авКМ /ркм - удельные прочности металла и КМ.
Кроме того, разделив первое уравнение (3.59) на второе, найдем
^- = —-М-------; Wo = CT™eT/pMeT, (360)
^КМ Жа/COSPo ^Вкм/Ркм
где \|/ст - отношение удельных прочностей материалов слоев обо-
лочки.
Таким образом, если задан конструктивный параметр рразКоб,
то отношение масс слоев равнонапряженных комбинированных
торов будет зависеть только от величин \|/а и X.
146 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Действительно, при X = Хкруг = 2 / (1 + ц) масса комбиниро-
ванной оболочки кругового сечения будет равна Л/круг =
= /?разГобРмет(1 + ^ст)/^вмет- Подобные результаты получаются и
для других значений параметра X из диапазона 0 < X < Хкруг. При
Л = 0 (композитный тор) минимальная масса равнонапряженной
тороидальной оболочки находится по формуле вида A/KMmin -
= 3/?разКобркм/овКМ, определяющей минимальную массу равно-
напряженной оболочки из КМ. Сравнивая между собой массы рав-
нонапряженных комбинированной (3.59) и композитной (3.9) обо-
лочек, получаем
. А/ком (1-c22(SX/Vct+TcosP0)
^KMmin 3KO6(A, + COS Ро)
Выражение (3.61) графически представлено на рис. 3.9, а. Из
рисунка следует, что масса комбинированных оболочек может быть
меньше массы равнонапряженных композитных оболочек только
при \|/ст > 0,5. Однако для реальных конструкционных материалов,
из которых изготовляют сосуды высокого давления, \|/ст <0,5. Та-
ким образом, комбинированные оболочки всегда будут иметь
большую массу, чем равнонапряженные композитные оболочки.
Рис. 3.9. Сравнение массы комбинированной тороидальной оболочки с
массой равнонапряженной композитной (а) оболочки и с массой метал-
лической (б) сферической оболочки
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 147
Полагаем, что в момент разрушения комбинированной обо-
лочки материалы обоих ее слоев достигают своих пределов проч-
ности при растяжении. При этом металлическая сферическая обо-
лочка и внутренний слой металла комбинированной тороидальной
оболочки будут изготовлены из одного и того же материала. За-
пишем отношение массы комбинированной оболочки (3.59) с мас-
сой металлической сферы (3.28):
Мкт 2(1-c2)(5X + VcosP0)
М —--------=-----=----------------. (3. о2)
Чфт.п ЗИ0б(Х + С08 Ро)
Зависимости величины М* от параметра X, построенные по
выражению (3.62), приведены на рис. 3.9, б.
Комбинированные тороидальные оболочки будут тяжелее
сферических только при \|/ст > 0,5. Как уже было отмечено выше,
отношение удельных прочностей реальных конструкционных
материалов, применяемых для изготовления комбинированных
оболочек, намного меньше 0,5. Следовательно, при \|/ст < 0,5 во
всем диапазоне значений параметра X комбинированные торои-
дальные оболочки будут легче равных им по объему и величине
давления разрушения сферических оболочек, выполненных из
металлов.
В качестве примера приведем результаты эксперименталь-
ных исследований комбинированных оболочек тороидальных
баллонов при нагружении их внутренним давлением жидкости.
Были проведены измерения относительных деформаций, давле-
ния разрушения, установлены характер и место разрушения
(рис. 3.10).
Анализ проведенных испытаний показал, что материалы ком-
бинированных тороидальных баллонов работают совместно
вплоть до разрушения конструкции. Сначала разрушается метал-
лическая оболочка (сталь 12Х18Н10Т, hMey = 1,0 мм) в области
сварного шва на малом или большом диаметре тора. Затем раз-
рываются волокна углепластикового слоя (УКН-5000 + ЭДТ-10,
/?кмо =U66 мм). Если толщина намотанного слоя меньше расчет-
ного значения, то оболочка разрушается на малом диаметре тора,
а если больше, то на большем диаметре (рис. 3.11, а).
148 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
р, МПа
14 13 9 8 71 15
Рис. 3.10. Изменение относительных деформаций в комбинированной
тороидальной оболочке (ц = 0,63) в зависимости от давления вдоль мери-
диана (б]), по широте тора (е2) и по углам намотки вдоль нитей (еКм)-
1 - для Екм; 2 - Для е2; 3 - для Ej; 1-15 - тензодатчики КБ-10-200П
Результаты тензометрирования показывают, что относитель-
ные деформации по сечению оболочки (рис. 3.11, б) не постоянны,
их максимальные абсолютные значения, зафиксированные при
давлении 16,0 МПа, равны, %: Ei = 0,41; е2 = 0,43; еКм = 0,38. Ли-
нейная интерполяция относительных деформаций до момента раз-
рушения комбинированной оболочки дает значение 0,65...0,75 %,
что значительно выше зафиксированного значения 0,545 % для
металлической оболочки. При этом масса комбинированных торой-
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 149
Рис. 3.11. Изменение относительных деформаций по сечению комбиниро-
ванной тороидальной оболочки при давлении 16,0 МПа (а) и характер раз-
рушения комбинированного тороидального баллона с наклеенными тензо-
датчиками (X = 0,61; ц = 0,63; с = 0,82; Р = 19,5°; Z)max = 482 мм), из-
готовленного спиральной намоткой углепластика на стальной лейнер (б)
дальних оболочек увеличилась на 50 % по сравнению с массой
металлических оболочек за счет намотки углепластикового слоя и
составила 3,11 кг. Давление разрушения возросло в 2,75 раза: с 9,3
до 25,5 МПа. Реализованный предел прочности металла в комби-
нированных тороидальных оболочках оказался несколько выше,
чем в контрольных металлических тороидальных оболочках.
В 1,93 раза увеличился и ПКС комбинированной тороидальной
оболочки = p^V^I Мком =60 кДж/кг) по сравнению с ПКС
цельнометаллического баллона (1Гмет = р^Уоъ / М^ = 31 кДж/кг).
3.3. Композитные тороидальные оболочки
с расчетным меридианом
3,3.1. Равнонапряженные тороидальные оболочки,
изготовленные методом спиральной намотки нитей
Одной из особенностей изготовления композитных торои-
дальных оболочек является то, что при их намотке соседние слои
нитей не пересекаются друг с другом ни в одной точке (см.
рис. 3.11, б).
150 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Намотка первого слоя тороидальной оболочки осуществляется
при вращении оправки и орбитального раскладчика ленты (см.
рис. 2.8) в одну сторону. Для намотки второго слоя вращение оп-
равки или раскладчика ленты (но не обоих сразу) изменяется на
обратное. Таким образом, второй слой оболочки будет намотан
под такими же углами, но отсчитываемыми в противоположном
направлении по отношению к первоначальным углам намотки.
Для определения конструктивно-технологических параметров
равнонапряженных композитных тороидальных оболочек (см.
рис. 3.2) в исходное уравнение (3.29) подставим отношение
TV2 / TVj = tg2P, значение tg2 р найдем из уравнения геодезиче-
ских линий (3.24). В результате получим дифференциальное урав-
нение с разделяющимися переменными
<7(cosoc)_ 2rdr r20sin2P06/r
cosoc r2-c2 r(r2-r02sin2p0)
Проинтегрируем это уравнение и запишем
г(г2 -с2)С,
cos a = ,
yjr2 -г2 sin2 Р()
(3.63)
При ^ = ^max=ro Угол ос = 0, cosa = l, постоянная интегриро-
вания С] =cosP0/(r02 -с2). Подставляя значение С\ в (3.63) и учи-
тывая равенство (3.24), получаем зависимость угла ос от радиуса
вращения г тороидальной оболочки:
cosBnr(r2 -с2)
cos ос =--------------—----------
/ 2 2
(3.М)
-r02sin2p0 (г0-с )cosp
В уравнение (3.64) входят неизвестные постоянные или пара-
метры тороидальной оболочки: ро, •> с2. Заменив в (3.64) величи-
ну cosoc ее дифференциальным соотношением (3.18) и произведя
алгебраические преобразования, имеем
. dy r(r2 — с2)
у'=^= ,222 О-65)
dr (г2_г2\2
J ° 2ft (r2-r02sin2|30)-r2(r2-c2)2
V C0S Ро
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 151
Дифференциальное уравнение (3.65) определяет форму мери-
диана равнонапряженной тороидальной оболочки, образованной
нитями, которые уложены по геодезическим линиям поверхности.
Чтобы проинтегрировать (3.65), разложим его подкоренное
выражение на сомножители. Поскольку в экваториальных точках
оболочки у =±оо, максимальный (rmax=±r0) и минимальный
(rmin =±гя) радиусы оболочки должны быть корнями этого урав-
нения. Подстановка rmax = ±г0 и rmin = ±гя в подкоренное выраже-
ние с учетом (3.64) и (3.24) обращает его в нуль.
Третий корень определяется простым делением подкоренного
выражения на произведение двух полученных сомножителей:
г - +y]lc2 -Kq -гя2 . Все три корня являются действительными.
Представим подкоренное выражение уравнения (3.65) в виде
произведения трех сомножителей, заменим величину rdr величи-
ной dr2 /2 и выполним интегрирование:
1'г (г2-с2)б/г2
у = — ! ------- + С?. (3.66)
2 «•<? у/(г2-г2)(г2-г2)[г2-(2с2-г2-г2)]
Меридиональное сечение тороидальной оболочки расположе-
но симметрично относительно ее оси, поэтому далее рассматрива-
ется только одна ветвь искомой кривой у(г). для которой можно
записать неравенство гя < г < г0.
Поменяем пределы интегрирования в (3.66) и знак интеграла
на обратный, представим данное уравнение суммой двух интегра-
лов, которые могут быть выражены через алгебраические функции
и эллиптические интегралы следующим образом:
мн=± -
^2Уг2-с2 I----------
° * F(e,k) + p(r2-c2) + r2 Е&к) + С
3’
(3.67)
где F(0, к) и Е(0, к) - эллиптические интегралы первого и второ-
го рода; к и 0 - модуль и аргумент эллиптических интегралов,
I г2-г2
к=1----—г-—7, 0 = arcsin
\2(г02-с2) + гл2
152 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Очевидно, что в экваториальной плоскости, когда гП1ах = г0 и
rmin =гл’ координата образующей тора у(г) = 0. При подстановке
г = rQ в (3.67) аргумент 0 будет равен нулю и, следовательно, Сз =
= 0. Если г = гя, то аргумент 0 = л/2 и эллиптические интегралы
Е(0, £) и Е(л/2Д) перейдут в полные эллиптические интегралы
первого (Л?(л/2,£)) и второго (Е(л/2Д)) рода. В этом случае,
приравнивая выражение (3.67) к нулю и выполняя алгебраические
преобразования, получаем
_г = | ; k!= 1-ir
2E(n/2,k)-K(n/2,k) 2(1-с2) + Ц
Из (3.68) для каждой оболочки, заданной отношением
ц = гя /г0, с необходимой точностью и однозначно определяется ее
геометрический параметр с2=с2/г02. Начальный угол намотки
найдем из (3.64), используя второе граничное условие, согласно
которому при минимальном радиусе оболочки rmin = гя угол
а = л, cosoc = -l и Р = РЯ . Тогда
г02-с2 1-с2 cosp()
2 2 —2 2 о ’ (3.69)
с -гп с -ц cosPn
Учитывая (3.24), из (3.69) выразим начальный угол намотки
Ро =arcsin
1 + ц2 -2с2
1 + ц2 -2с2 + (с2 - ц2)2
(3.70)
На рис. 3.12 приведены зависимости геометрического пара-
метра с2 и углов намотки Ро и Ря от отношения ц, построенные
на основании выражений (3.68) и (3.70).
При ц~1 из уравнений (3.68) следует, что к - 0, А^(тт/2, Zr) =
= Е(л/2, £) = тг/2, с1 - 1. Поскольку при ц —> 1 тороидальная
оболочка стремится к круговому цилиндру (с 1), то углы на-
мотки определяют так: Р = Ро = Ря - arctgVl / 2 = 35° 16'.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 153
Рис. 3.12. Зависимости гео-
метрического параметра с2
и углов намотки р() и Ря от
отношения ц
Если при ц = О, с2^1, то в знаменателе выражения (3.68)
должно выполняться равенство K(Ti/2,k) = 2Е(л/2, Л), которое
будет справедливым при с2 = 0,39477.
При ц = 0 из (3.70) имеем ро= 0, угол намотки на малом эква-
торе тора Ря находим из (3.69): Pn=arccos[ с2/(1-с2)] =49° 17'.
Образующие равнонапряженных тороидальных оболочек у(г),
г =^/l-(l-|bi2)sin2 0 (у = у1гц и г=г/г0), построенные в относи-
тельных координатах в соответствии с (3.67), показаны на рис. 3.13.
Рис. 3.13. Образующие равнонапряженных то-
роидальных оболочек при различных значениях
отношения ц
154 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
3.3.2. Конструктивно-технологические параметры
композитных тороидальных оболочек
Напряжения в нитях определяют по формуле оКм =
= Nx / (/гкм cos1 2 * * Р). После подстановки в нее величин N\ и /гкм из
(3.1) и (3.11) с учетом (3.64) имеем
_ /2ГО(1-С2)_/7ЛГО2(1-С2)
°КМ ~ 2 п ~ s D ’ V5-' U
2/z0cos Ро tf/cosp0
где h0 - толщина оболочки на большом экваторе тора.
Как следует из (3.71), напряжения в нитях постоянны и про-
порциональны внутреннему давлению р.
Подставив в равенство (3.11) значения Ло из (3.71) и cosoc из
(3.24) с учетом окм = <эвКМ и р - р?^, получим переменную тол-
щину оболочки
» А Т^раз^оО С ) z~
ЛКМ = К =-------1- - =-----п /_2 . =>
2лг0^г -sin Ро 2овКМ cosP0A/r -sin Ро
которая возрастает от большого экватора тора к малому.
Для определения длины / витка нитей, объема Иоб и массы
оболочки Л/об воспользуемся дифференциальными соотношениями
(3.54):
dl = dVo6 -Ttr2y'dr\ dMQfS = 2iirhrpKMds, (3.73)
где ds - элемент длины образующей тора, ds = ^/1 + (^')2 dr ; рКм -
плотность однонаправленного КМ. Подставим в (3.73) значения^'
из (3.65), cosoc и hr из (3.24) и (3.72), выполним соответствующие
алгебраические преобразования и проведем интегрирование. Для
искомых величин окончательно запишем
1 = 2 j dl =—о( ; ^-ЛГ(л/2Д); (3.74)
/(гл) cosPqVI-Ц2
И(г0) з _2
^об-2 j dVo6 = 2Ttr° V-f )к К(л/2,к); (3.75)
И(гл) Зсо82Р0Л/1-Ц
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 155
М(л1|) 2тгг03(1 —с2)2/? ркмЛ
Л/о6=2 J <7Л/о6=^——--------’ уИкм К(п/2,к). (3.76)
ctbkMcos Ml-Ц
Осуществив алгебраические преобразования выражений (3.75)
и (3.76), получим более компактную и уже известную запись для
массы равнонапряженных композитных торов (3.9), образованных
системой гибких нитей, уложенных по геодезическим линиям по-
верхности: Моб = A/KMmjn =3рра/обркм/ствКМ. Формулу (3.9) так-
же легко вывести из равенства М = nflpKM, если в него подставить
величину nfm (3.71), а длину / из выражения (3.74) с учетом (3.75).
С практической точки зрения конструктивно-технологические
параметры и теоретическую форму меридиональной кривой ком-
позитной тороидальной оболочки целесообразно определять через
угол ос. Связь радиуса вращения г и величины cosoc имеет кубиче-
скую зависимость, поэтому для заданного значения ос определять
га = /(ос) и уа = /(Гу) следует численным методом с применени-
ем ЭВМ. При этом вычисляют и другие конструктивно-техно-
логические параметры (рис. 3.14), которые необходимо знать при
проектировании равнонапряженных композитных оболочек то-
роидальных сосудов давления.
Из дифференциальных соотношений (3.18) и формулы (3.64)
для определения координат меридиональной кривой следует
а а
Ун=^ J /(r„,a)cosada; ra = -r0 j f(ra, a) sin add, (3.77)
а=() а=0
где /(га,а) и га - функционалы,
Ж,а) =
(3.78)
cos Ро
1-с2
(3Fa2
(3.79)
156 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
//>;Йоб;5 Ф, град
О 0,2 0,4 0,6 0,8 ц
Рис. 3.14. Зависимости параметров равнонапряженных композитных обо-
лочек тороидальных сосудов давления от отношения ц:
Иоб = Иоб / - относительный объем оболочки; S = S / г02 - относительная
площадь поверхности тора; f = flr02 - площадь поперечного сечения;
s=slrQ - длина меридиана; / = //г0 - длина витка нити; Ф = 2срл - угловой
шаг намотки
Расчет конструктивно-технологических параметров равнонап-
ряженных тороидальных оболочек необходимо проводить в сле-
дующей последовательности.
Задаем давление /2раз, объем 7об и максимальный радиус обо-
лочки rmax =г0. Определим три основных параметра тороидальной
оболочки: ц, с2, р0. По зависимости, приведенной на рис. 3.14, для
заданного ИОб найдем геометрический параметр тора ц = гл/г0.
По зависимости, приведенной на рис. 3.12, для найденного
значения ц приближенно определим параметр с2, а по (3.64)
методом последовательных приближений вычислим его точное
значение. Начальный угол намотки ро для параметров ц и с2
найдем по (3.70). Точность полученных значений параметров
проверим расчетом объема оболочки Иоб по (3.75).
По (3.77) и (3.78) вычислим координаты меридиональной кри-
вой композитной тороидальной оболочки уа и га. Затем построим
контур образующей тора уа =
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 157
Для заданного давления рраз и известного значения предела
прочности однонаправленного КМ овКМ по (3.72) определим на-
чальную (Л0со) и текущую (/гасо = /(га)) толщины силовой обо-
лочки.
Координаты профиля пресс-формы для изготовления торои-
дальной оправки найдем по формулам
'опа — 'а (О’^кМа + ^аг.о)сО$
(3.80)
-Уопа — У а (О’ 5/?кМа + ^аг.о)^^
где ЛКМа и Лаг о - толщины композитной и герметизирующей (не-
несущей) оболочки (лейнера).
Для примера приведем результаты экспериментальных иссле-
дований равнонапряженных стеклопластиковых (ВМ-1 + ЭДТ-10,
/гКмо - 0’93 мм) оболочек тороидальных сосудов при нагружении
их внутренним давлением жидкости, которые были изготовлены
геодезической намоткой на торонамоточном станке СНТ-2А.
Полученные оболочки проходят гидроиспытания с целью про-
верки работоспособности конструкции тороидального сосуда,
прочности заделки штуцера, определения характера и места раз-
рушения равнонапряженной оболочки. Общий вид одного из них
после испытания внутренним давлением показан на рис. 3.15, а.
В процессе нагружения измеряют внутреннее давление с
помощью датчика давления МД-300Т и контрольного манометра, а
также относительные деформации стеклопластиковой оболочки
(рис. 3.15, б) в направлении меридиана еь широты е2 и вдоль углов
намотки ЕКм с помощью пластических тензодатчиков КБ-10-200П.
Тензодатчики приклеивают циакриновым клеем к наружной по-
верхности в точках с координатами а = 0, 30, 60, 90, 120 и 150°.
Испытания показали, что все модельные тороидальные сосуды
разрушались в области большого экватора в результате разрыва во-
локон наполнителя (см. рис. 3.15, а) и вплоть до момента разруше-
ния силовой оболочки оставались герметичными. Разрушение рав-
нонапряженных тороидальных оболочек должно быть равновероят-
ностным в любой точке поверхности. Однако поскольку вращение
тороидальной оправке передается непосредственно тянущей цепью
станка, то в результате контакта заматываемой поверхности оправки
158 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
с цепью происходит частичное повреждение волокон в области
большого экватора тора, где и разрушается оболочка.
Стеклопластиковые тороидальные сосуды разрушились при
давлении 22,0...24,0 МПа, что соответствует прочности однона-
правленного стеклопластика в композитной оболочке 64...69 % от
прочности однонаправленного стеклопластика, полученной при
испытании кольцевых образцов-свидетелей. При этом ПКС сило-
вой оболочки составил 186 кДж/кг, а ПКС сосуда в целом -
114 кДж/кг, что в 2 раза выше подобного показателя для титаново-
го (ВТ6С) тороидального сосуда такого же объема.
р, МПа
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 е, %
Рис. 3.15. Общий вид стеклопластикового тороидального сосуда (а) (ц =
= 0,60; с2 = 0,8025; р0 = 24°20'; Z)max = 403 мм) и зависимости давления от
относительных деформаций в сосуде (б):
1 - для Ej (тензодатчики 1, 3-13); 2 - для е2 (тензодатчики 2, 4-14); 3 - для ЕКм
(тензодатчики 15, 16-21); 4 -для относительных деформаций Ег по приращению
объема оболочки (объемные деформации)
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 159
На каждой ступени нагружения (Др = 10 МПа) значения точек
кривых р = /(е) представляют собой среднее значение по показа-
ниям пяти - семи тензодатчиков, измеряющих деформации в за-
данном направлении. Средние квадратичные отклонения дефор-
маций для каждой точки оказались равны, %: по меридиану Aei =
= 7...12; по широте Де2~ 10...20 и вдоль углов намотки ДеКм = 4...8.
Наибольшие относительные деформации сосуда по всем трем
направлениям наблюдались в области большого экватора тора и
находились в пределах 1,8...2,4 %. Эти значения получены по по-
казаниям отдельных тензодатчиков, не вышедших из строя вслед-
ствие растрескивания связующего, и путем аппроксимации экспе-
риментальных зависимостей деформаций, полученных для давле-
ния разрушения.
Кроме того, на рис. 3.15, б приведена зависимость р = /(ег),
показывающая усредненную относительную деформацию стен-
ки оболочки. Значения рассчитывали по формуле гу =
= (Д Иоб /(ЗИоб)) • 100 %, где ДИоб - приращение объема оболочки
тороидального сосуда на каждой ступени его нагружения внутрен-
ним давлением.
Следует отметить, что окружные силы (деформации) в отли-
чие от меридиональных очень чувствительны к изменениям фор-
мы меридиональной кривой (см. рис. 3.3, 6) и к отклонениям углов
намотки (армирования) от своих расчетных значений, поэтому ус-
редненные объемные деформации довольно хорошо согласуют-
ся с относительными деформациями в направлении меридиана Ei и
углов намотки еКм-
3.4. Комбинированные тороидальные оболочки
кругового сечения с поперечной намоткой
3.4.1. Конструктивно-массовый анализ комбинированных
тороидальных оболочек кругового сечения
В конструкциях изделий различного назначения нашли приме-
нение металлические тороидальные оболочки кругового сечения.
Как было изложено в разд. 3.3, для равнонапряженных комбиниро-
ванных тороидальных оболочек кругового сечения (рис. 3.16) и кри-
волинейных труб реализуется поперечная схема армирования. Сле-
160 Часть 11. Проектирование композитных оболочек конструкций
довательно, усиление несущей способности тороидальной оболочки
однонаправленным КМ должно проводиться путем его намотки
(укладки) в направлении меридиана.
Рис. 3.16. Общий вид металлостеклопластикового тороидального балло-
на, изготовленного поперечной намоткой
В тороидальной оболочке кругового сечения окружные силы
постоянны и значительно меньше меридиональных (3.5), поэтому
слой металла выбирается такой толщины, чтобы он воспринимал
полностью окружные силы TV2 и часть сил N\, а слой из КМ - толь-
ко оставшуюся часть меридиональных (поперечных) сил 2Vj.
Пусть безмоментная тороидальная оболочка (рис. 3.17) состо-
ит из внутреннего слоя металла и КМ, намотанного строго в мери-
диональном направлении. Несущую способность КМ в попереч-
ном направлении к волокнам не учитывают. Оба слоя деформиру-
ются упруго, радиусы сечения слоев одинаковы и равны.
Для комбинированной тороидальной оболочки с использова-
нием (3.5) и (3.37) при углах [3=0 можно записать
__ . . pR 2a + cosoc __ . pR
^1 — ^меН^мет + ^КМ"КМ — о । ’ 2 — ^мст2"мст ~ ’
2 tf + cosoc 2
(3.81)
где оМет1 и (УмеТ2 - меридиональные и окружные напряжения в слое
металла; Амет и АКм - толщины слоев металла и КМ; аКм - напря-
жения в однонаправленном КМ вдоль волокон.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 161
Рис. 3.17. Поперечное сечение и геометри-
ческие размеры комбинированной торои-
дальной оболочки кругового сечения
Напряжения пмст1 и oMCl2 в металлической оболочке связаны
с относительными деформациями 81 и е2 законом Гука (3.32). Де-
формации слоев тороидальной оболочки в меридиональном на-
правлении связаны условием £j = 8км, где 8км - относительная
деформация КМ вдоль армирующих волокон. Полагая, что при
давлении р = 0 начальные напряжения, возникающие в слое ме-
талла в результате натяжения нитей при намотке, отсутствуют и
начальные деформации также равны нулю, определяем напряже-
ния в слое КМ:
£
ПКМ =еКМ^КМ =е1^КМ ~ (пмст1 -УметПмст2)- (3.82)
£мст
Подставив напряжения (3.32) и (3.82) в соотношение уравне-
ний (3.81), получим два уравнения относительно неизвестных 81
и 82:
е _ pR 2a + cosoc-vMCT(a + cosoc)
2 (EM^M„ + EKMhKM)(a + cosay
(3.83)
I + л _ v2 1 _ v 2g + cosa
1 T vMCr/ r i *мет .
/>/? £Мст"мет a + COS«
MCT MCT
2 ~ 2 F h +F h
^мсГ'мст T ^KMr/KM
162 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Тогда уравнения для напряжения в слоях металла (3.32) и КМ
(3.82) после подстановки в них величин £] и е2 из (3.83) примут
следующий вид:
F
D МеТ
_ _pR______________
'“'мет! 2
V,
^км^км । 2a + cos(X
мет г-. / ,
£меЛ,ет a + COSOC
^мет^мет + ^КМ^КМ
(3.84)
п PR
(У э —---------,
мст2 л 1 ’
2/?мет
ст
(2a + cosa
„о -^км ; тг~vmci
_ pR V a + cosa___________
км - 2 F h + F h
г с-мет"мет т С'КМ"КМ
Комбинированная оболочка будет иметь минимальную массу,
если она удовлетворяет критерию равнонапряженности, т. е. если
слой металла находится в равнонапряженном состоянии, а напря-
жения в слое КМ в направлении волокон всюду постоянны.
Чтобы был выполнен критерий равнонапряженности в слое
металла, в уравнениях (3.84) примем омет1 = пмет2 = пме1. Тогда из
первых двух уравнений (3.84) найдем необходимые толщины сло-
ев металла и КМ:
h /гкм=-^---------. (3.85)
2стМС1 2стмст (l-vMei)£KM(a + cosa)
Из второго уравнения (3.85) определим начальную (при ос = 0)
толщину слоя КМ:
Акмо = -—------------—------• (3.86)
2стмет a + 1 (1-vMCT)£KM
Тот факт, что толщина слоя металла (3.85) имеет постоянное
значение, является следствием постоянства окружных сил N2 в то-
роидальной оболочке кругового сечения. Теперь проверим выпол-
нение критерия равнонапряженности в слое КМ. Для этого подста-
вим в (3.84) полученные значения Лме1 и /?Км из (3.85) и с учетом
(3.86) запишем
пкм =—~-------““ = амет(1- VMei)~M£L = const- (3.87)
K.IVI Л ; 1 мет V MCI 7 1-1 v 7
2«KM0« + 1 £км
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 163
Таким образом, оба слоя находятся в равнонапряженном со-
стоянии, а сама комбинированная оболочка является равнопроч-
ной и, следовательно, имеет минимальную массу из данного клас-
са оболочек.
Остается сравнить значение толщины /?км (3.85), определенное
по критерию равнонапряженности металлической оболочки, со
значением толщины ЛКм, которая получается в результате намотки
в меридиональном направлении. Из условия непрерывности на-
мотки тороидальной оболочки (3.11) с учетом (3.86) и при [3 = [% =
= 0 находим
h — ь г® _ 1 <7 + 1 _ pR
"КМ-"КМ0 -"КМ0 . Z1 \гг / , ч* (3-оо)
ra а+cosa 2амст (l-vMCT)£KM(6z+cosa)
Выражение (3.88) аналогично уравнению (3.85). Следует от-
метить, что здесь имеет место тот удачный случай, когда необхо-
димая (с позиции равнонапряженности оболочки) и возможная (из
условия непрерывности поперечной намотки) толщины слоя КМ
полностью совпадают.
Анализ массы комбинированных тороидальных оболочек кру-
гового сечения проводим для случая работы слоев оболочки в зоне
упругих деформаций. При этом полагаем, что упругие деформации
в слое КМ выше, чем в слое металла. Это допущение справедливо
для большинства изотропных металлов и однонаправленных КМ,
из которых и изготовляют сосуды давления.
Массу каждого слоя комбинированной тороидальной оболоч-
ки найдем из равенства (см. рис. 3.17)
dM = pdw = ph2nraRda, (3.89)
где dM и dw - элементы массы и объема соответствующего слоя
оболочки.
В качестве расчетного давления и допустимого напряжения
примем р = рг и омст = от, где от - предел текучести металла; рг -
давление, при котором в слое металла возникают пластические
деформации (при от). Заменив в (3.85) и (3.86) текущее давление р
значением рт, а напряжение (Умет значением пт, последовательно
подставив толщины Лмет и /?км из (3.85) в уравнение (3.89), после
интегрирования получим
164 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
_ Рт^обРмет .
_ Рг^обРКМ ^мст
<*,0-vMCI)£KM
(3.90)
где Л/мет, Рмет и Л/км> Ркм - масса и плотность металла и КМ соот-
ветственно.
Суммируя правые и левые части выражений (3.90), рассчитаем
массу комбинированной тороидальной оболочки:
т г
М - М +М - обРмст 1 +
т ком т мет lvl КМ 1
т <
^метРкМ
Пт0 VMei )^КМРмст>
(3.91)
Выражение (3.91) показывает, что масса комбинированной то-
роидальной оболочки зависит только от конструктивного парамет-
ра /\Иоб и упругих свойств применяемых материалов и в отличие
от массы металлического тора Л/тор = /\Иобрмст(2я - 1) / (пт(я - 1) не
зависит от геометрических размеров оболочки.
Сравнение массы комбинированной оболочки (3.91) с массой
металлической тороидальной оболочки, работающей только в зоне
упругих деформаций, дает
^ТОР I l-vMCj2a-l l-vMCJl + 3g
(3.92)
где Ц/д - отношение удельных модулей металла и однонаправлен-
ногоКМ, \|/£ =(Емст/рмет)/(ЕКм/Ркм)’ геометрические параметры
a = c/R и Ц = гл /г0 в тороидальной оболочке кругового сечения
связаны между собой следующими соотношениями:
а = (1 + ц)/(1-ц); ц = (б7-1)/(я + 1). (3.93)
Из выражений (3.92) следует, что применение комбинирован-
ных тороидальных оболочек наиболее эффективно для круговых
торов с малыми геометрическими параметрами а или ц (3.93).
Очевидно, что масса оболочки, определяемая по (3.91), будет
завышенной, поскольку данное соотношение получено из условия
работы материалов в зоне упругих деформаций. В этом случае
прочностные характеристики металла и КМ используются не пол-
ностью, так как металлы пластически деформируются при растя-
жении выше предела текучести, а КМ остаются линейно упругими
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 165
вплоть до разрушения. Повысить эффективность работы материа-
лов в зоне упругих деформаций можно путем предварительного
натяжения нитей в процессе их намотки на металлическую обо-
лочку.
Здесь задачи о влиянии предварительного натяжения нитей и
об упругопластических деформациях слоя металла не будут рас-
смотрены. Определим массу комбинированной оболочки из усло-
вия, что в момент разрушения слой КМ достигает своего предела
прочности (Твкм, а в слое металла возникают допустимые напря-
жения [амС1] = авмС1, близкие к пределу текучести п, при растяже-
нии (рис. 3.18). Тем самым оценим минимально возможную массу
комбинированной тороидальной оболочки с поперечной схемой
армирования.
Рис. 3.18. Зависимость напряжений омст и оКм от относительных
деформаций металла емст и однонаправленного КМ еКм-
1 - металл (титановый сплав); 2 - стеклопластик; 3 - углепластик
Как и ранее, полагаем, что условие совместности деформаций
в меридиональном и окружном направлениях в момент разруше-
ния оболочки выполняется. Слои разрушаются одновременно, при
этом напряжения в металле и в КМ достигают своих предельных
166 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
значений. Теперь расчетное давление и допустимые напряжения
будут
Р~ Рв’ [^мет ] — ^мст! — ^мст2 — ^bmci’ ^КМ — ^вКМ’ (3-94)
где йВМС1 и пвКМ - допустимое напряжение в слое металла (см.
рис. 3.18) и предел прочности КМ при растяжении; р3- предель-
ное давление разрушения при ов. Исходя из принятых допуще-
ний, из (3.94) и (3.81) определим толщину слоев тороидальной
оболочки:
h - • h - __________ (3 95)
"мст ’ "км ~
2°вмет 2°вКМ fl + COSOC
Последовательно подставляя толщины /7МСГ и ЛКм из (3.95) в
(3.89) и проводя интегрирование, найдем массу каждого слоя и
суммарную массу комбинированной оболочки:
Д^ _ /^В^обРмСТ . Д/ _ /^В^обРкМ .
УИмет “ — •> УИКМ “ ’
Пвмс' ПвКМ (3.96)
Ком = Кст + Км =Рв5бРмС'(1 + VCT).
u BMCI
Таким образом, масса комбинированного тора не зависит от
геометрических параметров тороидальной оболочки.
Сравнивая между собой массы комбинированной (3.96) и ме-
таллической тороидальных оболочек, работающих до реализуемых
пределов прочности материалов, получаем
М Ком
Кор
=0+0
<2-1
2а-1
=('+О
2Ц .
1 + Зц’
Vo
ПВМС1 /Рме1
ОвКм/Ркм
(3.97)
где 1|/п - отношение удельных прочностей материалов слоев обо-
лочки.
На рис. 3.19 показаны кривые изменения массы комбиниро-
ванной тороидальной оболочки по отношению к массе ее металли-
ческого варианта в зависимости от геометрического параметра ц
тора. Зависимости построены по выражениям (3.92) и (3.97) для
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 167
различных значений отношений удельных прочностей \|/п и моду-
лей упругостей и для постоянного значения коэффициента Пу-
ассона vMC1 = 0,3-
Следует отметить, что конструкционные металлы (стали,
алюминиевые, титановые и магниевые сплавы), из которых изго-
товляют сосуды давления, имеют близкие к значению 0,3 коэффи-
циенты Пуассона и почти одинаковые удельные модули упруго-
сти: Емсг / Рмст = (24...27) • 103 кДж/кг. Удельные прочности ука-
занных металлов различаются примерно вдвое: амст/рмет =
= 130...250 кДж/кг. В то же время удельные прочности и моду-
ли упругости однонаправленных КМ на основе эпоксидных свя-
зующих и армирующих волокнистых наполнителей в 4-5 раз и в
2-4 раза выше, чем у конструкционных материалов (см. табл. 3.1).
Из анализа зависимостей, приве-
денных на рис. 3.19, ясно, что ком-
бинированные тороидальные обо-
лочки почти всегда получаются лег-
че металлических оболочек и для
широко применяемых параметров
торов (ц = 0,2...0,6) выигрыш массы
может составлять 40... 60 %. Осо-
бенно большой выигрыш массы дос-
Рис. 3.19. Зависимость отно-
сительной массы комбини-
рованной тороидальной обо-
лочки от геометрического па-
раметра ц при различных
значениях (/) и \|/о (2)
тигается, когда геометрические па-
раметры тора малы (ц < 0,1...0,2).
При этом масса оболочки, рассчи-
танная из условия работы слоя ме-
талла до пределов прочности и теку-
чести, отличается всего на 12... 15 %.
Следовательно, правильный подбор материалов обоих слоев
(металл + КМ) позволит получать минимальные по массе комби-
нированные тороидальные оболочки кругового сечения.
3.4.2. Натяжение ленты при намотке
комбинированных тороидальных оболочек
Натяжение - один из важнейших технологических параметров
при изготовлении изделий методом намотки. Натяжение нитей
влияет на прочность, модуль упругости, плотность, пористость и
Рис. 3.20. К определению
натяжения нитей при на-
мотке на тороидальную
металлическую оболочку
(лейнер)
168 Часть 11. Проектирование композитных оболочек конструкций
другие характеристики КМ. Натяжение наматываемой ленты зави-
сит от способа намотки (мокрый, сухой) и от упругих свойств ар-
мирующих волокон.
Так, для однонаправленных стеклопластиков можно выделить
некоторое оптимальное значение натяжения (/Н| = (0,10...0,15)(/раз,
где <7Раз - нагрузка разрушения, действующая на нить. При этом от-
носительная деформация нитей при на-
тяжении будет равна е|П = 0,22...0,36 %.
Для органопластиков натяжение при
намотке выдерживается более высоким:
<?нт = (0,25...0,35) <7раз, что составляет
ент= 0,6...0,8 % относительной дефор-
мации нитей при намотке. Для однона-
правленных углепластиков рекоменду-
ются значения натяжения, равные gHI =
= (0,04...0,07) (/ра), что соответствует
ент = 0,05...0,09 % удлинения нитей при
намотке.
Кроме того, рекомендуемое натя-
жение ленты, создавая напряжения сжатия в слое металла, увели-
чивает работоспособность комбинированной оболочки в зоне уп-
ругих деформаций. Однако следует знать и минимально необхо-
димое натяжение ленты, исключающее провисание нитей и обра-
зование складок в КМ. Минимально необходимое натяжение
ленты зависит от кривизны поверхности оболочки, выбранной ши-
рины ленты и модуля упругости армирующих волокон.
При намотке слоя КМ на тонкостенную металлическую обо-
лочку-оправку возможна потеря устойчивости при действии внеш-
него давления сжатия, создаваемого наматываемой с натяжением
лентой:
<7нт(*л)^кр=%'Лр О-98)
где (/кр и окр - критические значения, при которых возникает поте-
ря устойчивости металлической оболочки.
Для определения допустимого натяжения ленты [дит] рассмот-
рим равновесие двухслойной тороидальной оболочки кругового се-
чения (рис. 3.20), рассеченной по экваториальной плоскости.
Гпава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 169
Учитывая, что для комбинированных тороидальных оболочек
кругового сечения Ра = ро = 0 и га = /?(ос + cosoc), запишем уравне-
ние равновесия слоев
<Умст(а)Л„С1 = [g.„ ]^км(а) = [^н, ]\мо- = [gH, ]\мо + * > (3 ")
к а 4- cos ос
где о^т(ос) - напряжение сжатия в слое металла на широте а;
Лмсг - const, Лкмо и /гКМ(Х = /?км (ос) - толщина металла, начальная
и текущая толщины КМ соответственно; а - геометрический пара-
метр тора, а = с/ R.
Максимальное сжатие в металлической оболочке согласно
соотношению (3.99) возникает на малом экваторе тора при ос = л,
где толщина слоя КМ имеет наибольшее значение: ЛКМл =
= Лкмо(й + 1)/(«-1)-
Давление сжатия, появляющееся в металлической оболочке
при намотке ленты с натяжением, можно определить с учетом
(3.99) по формуле
_ 2 ^кмо д + 1
Рек ° HI п П I
R 2tf + COSOC
(3.100)
Критическое давление, при котором тороидальная оболочка
кругового сечения теряет устойчивость, может быть найдено по
эмпирической формуле
0 4 k Е h512 (h Y/2 1
’ Р2 Г "=0^£мет -/ - "> (3.101)
R у]Га V R J Vtf + COSOC
где Емст - модуль упругости металла; га - текущий радиус враще-
ния тороидальной оболочки, га =/?(я +cosoc); 1; 0,7; 0,6; 0,5
для R/hMCT - 100; 200; 500; 1000. При этом потеря устойчивости
оболочки наблюдается при углах ос — 90°... 120°.
Решая совместно (3.100) и (3.101), получаем выражение для
определения критического натяжения ленты при намотке:
СТНТ<О = 0,2£Еме|-^4^| —2a+,C0Sa . (3.102)
«кмо k Л ) (a + l)Va + cosa
170 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Из (3.102) следует, что минимум натяжения ленты сНт дости-
гается при угле ос — 90°. Подставляя в (3.102) значения толщин /гмет
и Лкмо из (3.85) и (3.86) и учитывая, что угол ос = 90°, запишем
1- (h V/2
от<а =Q,4kEKM^^[^-\ (3.103)
W \ Я )
Очевидно, что с уменьшением толщины металлической обо-
лочки снижается и допустимое натяжение ленты, а с уменьшением
геометрического параметра а тора критическое давление увеличи-
вается и, следовательно, натяжение ленты при намотке будут воз-
растать.
Зная проектные параметры комбинированной тороидальной
оболочки, можно рассчитать по (3.102) и (3.103) натяжение ленты
при намотке и сравнить полученный результат с рекомендуемым
(оптимальным) натяжением для данного вида волокон. При необ-
ходимости имеющийся результат можно скорректировать с допус-
тимым значением натяжения.
Для примера приведем особенности технологии изготовления
модельных комбинированных тороидальных оболочек и результа-
ты их испытаний. Была разработана конструкция модельных ком-
бинированных тороидальных сосудов давления (рис. 3.21), имею-
щих следующий элементный состав: внутренняя металлическая
оболочка с двумя приваренными на ее вершине штуцерами, на-
ружный слой КМ и элементы усиления силовой оболочки в зоне
установки штуцеров.
Металлическую оболочку изготовляют штампосварной из лис-
тового материала толщиной 1,0 мм. Слой КМ тороидальных оболо-
чек кругового сечения наматывается только в направлении мери-
диана. Усиление оболочки в зоне установки штуцеров осуществля-
ется путем размещения тканых салфеток (2 шт.), а также намоткой
поперечных витков (12... 15 шт.) ленты на торонамоточном станке
СНТ-2А при использовании ручного привода вращения оправки.
Эффективная работа комбинированной оболочки может быть
достигнута в том случае, если материалы обоих слоев работают
совместно. Казалось бы, что в комбинированной оболочке первым
всегда будет разрушаться слой КМ (см. рис. 3.18), однако на прак-
тике сначала разрушается металлическая оболочка по сварному
шву (рис. 3.22, а\ а затем и слой КМ, намотанный в направлении
меридиана.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 171
Рис. 3.21. Конструктивная схема модельных комбинированных
тороидальных сосудов давления:
1 - полутор верхний; 2 - слой КМ; 3 - штуцер; 4 - накладная шайба; 5 -
стяжная гайка; 6 - полутор нижний
При этом все экспериментальные металлические тороидаль-
ные оболочки без намотки КМ разрушились по сварному шву в
области малого экватора тора при действии меридиональных сил
(рис. 3.22, б).
Рис. 3.22. Характер разрушения комбинированной (а) и металлической (б)
тороидальных оболочек (ц = 0,66) после гидроиспытания внутренним
давлением жидкости
172 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Рис. 3.23. Диаграммы распределения относительных показателей цель-
нометаллических и комбинированных тороидальных оболочек:
а - относительная масса слоев тороидальных оболочек с параметрами ц =
= 0,58. ..0,66; б - относительное давление разрушения; в - относительный ПКС
Испытания, проведенные на модельных комбинированных то-
роидальных оболочках (рис. 3.23), показали, что при сохранении
эксплуатационных характеристик масса экспериментальных ком-
бинированных оболочек снизилась на 31...48 % по сравнению с
массой металлических аналогов, в 2,31-3,0 раза увеличилось дав-
ление разрушения, в 1,76-2,40 раза повысился ПКС сосудов дав-
ления: fVK0M = Рраз^об^^ком- Реализованный предел прочности ме-
талла в комбинированных тороидальных оболочках оказался не-
много выше, чем в металлических тороидальных оболочках.
3.5. Анализ комбинированных
и композитных цилиндрических оболочек
3.5.1. Комбинированные трубы со спиральной намоткой
Параметрическая область реализации комбинированных и ком-
позитных цилиндрических оболочек (труб) существует на всей ко-
ординатной оси X (см. рис. 3.7) при постоянном (предельном) зна-
чении параметра ц = 1. Приведенный параметр X изменяется
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 173
в диапазоне значений 0 < Л = Л/Лкру1 < 1, где текущее значение па-
раметра X = пме1 Аме1 /(пкмЛкм), а его максимальное значение равно
Чу. =стме1ЛмСТтах/((УкмАкм)- ПРИ этом толщина металлической
оболочки изменяется в диапазоне значений 0 < Амст< /гметтах- Углы
намотки цилиндрической оболочки определяют из равенства
Х = 1 - 3sin2 (3, которое получается из уравнений (3.37), записанных
для цилиндрической оболочки в виде
= °метЛет + <*КМЛКМ COS2 Р = PRI 2;
(3.104)
N2 = СТме12Лме, + CTKMV Sin2 P = pR,
где aMCTi и qMCI2 - напряжения в осевом и окружном направлениях;
R, hMer - радиус и толщина металлической оболочки.
Цилиндрическая оболочка, выполненная из металла и нагру-
женная внутренним давлением, не является равнопрочной. Ее осе-
вые напряжения вдвое меньше окружных напряжений (3.6). Рас-
четную толщину цилиндрической оболочки, проектируемой на
давление разрушения р = р^ определяют из условия ее прочности
в окружном направлении (3.6), т. е. ймет0 = /?раз /?/[омет]. При этом
масса единицы длины цилиндрической оболочки из металла со-
ставит
Чмет =2лЛ2рразрмет/[омет], (3.105)
где [омст] и рмС1 - допустимое напряжение и плотность металла.
Однако если стенку цилиндрической оболочки сосуда давле-
ния или трубопровода изготовить комбинированной, состоящей из
слоев металла и однонаправленного КМ, то такая оболочка может
быть спроектирована равнонапряженной. В общем случае спи-
ральный слой однонаправленного КМ должен быть намотан по-
верх металлической оболочки (лейнера) под углом 0 < 90° к обра-
зующей цилиндра.
Введем условие равнопрочное™ комбинированной оболочки
при расчетном давлении разрушения рраз. Полагаем, что слой ме-
талла нагружается лишь в зоне упругих деформаций. Чтобы ме-
174 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
таллическая оболочка была равнонапряженной, примем омст1 =
= стмет2 = амет и стмет = [омет] = а,. При этом напряжения в од-
нонаправленном КМ постоянны и равны реализуемому значению
С км = скм (СМ. рис. 3.18).
Для получения равнопрочной конструкции необходимо обес-
печить совместность деформаций в слоях металла и КМ, т. е. Г] =
= £2 = Е3 - Екм = Емст.упр- Тогда расчетное реализуемое значение на-
пряжения для однонаправленного КМ согласно (3.32) и (3.36)
будет
ПКМ “ ет^КМ “ О VMCI )^КМ ! ^ме, ’
(3.106)
где £мст и vMCT - модуль упругости и коэффициент Пуассона метал-
ла; £Км - модуль упругости КМ; ел - относительные деформации в
слое металла.
Теперь из (3.104) с учетом (3.106) находим расчетные значе-
ния толщин слоев КМ и металла:
_ £раз^________£Мег_________.
2от (l-vMCI)EKM(l-2cos2P)’
, Рра,^ 1~3COS2P
мст~ 2от l-2cos2p
(3.107)
Неотрицательная толщина слоя металла возможна при угле
намотки 90° > (3 > 54°44'. Согласно (3.107) массу оболочки еди-
ничной длины рассчитываем по формуле
М
ком
Л/?2РразРМет
QT(l-2cOS2P)
1 - 3 cos2 3 +-£мС1ркм-----
0 ^мсг )^КмРмез
(3.108)
Отношение массы комбинированной оболочки (3.108) к массе
металлической оболочки (3.105)
Мкоы = - 1 3C0S Р + ЧМО Vmct) £ме. /Рме1 (3 J 09)
Чьмет 2 (1-2cos2P) Екм/Ркм
2 (1-2cos2|3)
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 175
Анализ (3.109) при vMeT = 0,3 показывает, что до значений =
= 0,35 комбинированные оболочки, имеющие угол намотки 3 < л / 2,
обладают меньшей массой, чем оболочки с поперечной намоткой.
Однако при хуЕ > 0,35 (рис. 3.24, а) более целесообразно армирова-
ние цилиндрической оболочки высокомодульными волокнами под
углом 3 < 7t / 2.
Рис. 3.24. Зависимости относительной массы комбинированной обо-
лочки, работающей в зоне упругих деформаций металла и до предела
прочности КМ, от значений (а) и (б) при углах намотки: 90° (7),
60°(2)и 55°(3)
Очевидно, что в такой комбинированной оболочке прочностные
возможности металла и КМ полностью реализовать не удается.
В связи с этим проектировать конструкцию комбинированной обо-
лочки следует из условия, что в момент разрушения цилинд-
рического баллона или трубопровода силовая оболочка является
равнопрочной при достижении предела прочности однонаправлен-
ного КМ при растяжении. Это означает, что в момент разрушения
оболочки материал слоя КМ достиг своего предела прочности овкм,
а в слое металла напряжения в обоих направлениях равны друг дру-
гу (амег1 =ПМ(Л2 = ЙМС1 ~ (1,06... 1,10)(Ут) и достаточно близки пре-
делу текучести металла (см. рис. 3.18).
Расчетное значение напряжения в слое металла ймет опреде-
ляют при значениях деформации разрушения слоя КМ ёмет =
= екмРаз’ взятых с кривых растяжения с = /(е), которые по-
176 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
строены по результатам испытаний металлических и композит-
ных (кольцевых) образцов-свидетелей (см. рис. 3.18). При этом
прочность однонаправленного КМ описывается зависимостью
авКМ = £КМ раз^КМ •
Полагаем, что в момент разрушения комбинированная обо-
лочка является равнопрочной, внутреннее давление достигает сво-
его максимального (расчетного) значения /?ра}, а напряжения
в слоях металла и КМ омет1 = омст2 = омст и пкм = ствКм. Кроме
того, радиус сечения оболочки R = <Умет/2 (рис. 3.24, б) одинаков
для обоих слоев оболочки и определяется по наружному диаметру
металлической трубы. С учетом изложенного запишем в следую-
щем виде уравнения (3.104):
М = ^МеЛмет + СТвКМЛКМ ^S2 0 = p^R / 2;
(3.110)
N2 = °меЛет + ^вКМЛКМ Sin2 ₽ = p^R.
Толщину и углы намотки слоя КМ равнопрочной комбиниро-
ванной оболочки, а также толщину металлической оболочки нахо-
дим из (3.110):
2^вкм 2ЛкмсгвКМ
, РразЛ 1“3COS2P
и —----------------
ме1 2стМС1 l-2cos2p
Из (3.112) следует, что значение толщины металлической обо-
лочки (о<Лме1 < рраз7?/(2йме1)) будет неотрицательным в том слу-
чае, если углы намотки слоя КМ взяты из диапазона значений
54,74° < (3 < 90°.
На основе равенства М = 2л7?/гр и выражений (3.111), (3.112)
вычислим массы слоев комбинированной цилиндрической обо-
лочки единичной длины:
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 177
^2РразРме, 1-3COS2|\
ОМС1 l-2cos2p’
(3.113)
Т^разРкМ 1
^вКМ 1 —2cos Р
м1, l-3cos:jj4-4,
^MCI I —2cos Р ^вКМ /Ркм
где фо - отношение удельных прочностей (см. табл. 3.1 и гл. I),
= 0,10...0,25.
Массу комбинированной оболочки со спиральной намоткой
(3.114) сравниваем с массой металлической оболочки (3.105):
= ^ком = ^mciPmci +/?KMpKM = l-3C0S2p + Vo
К0М Л/цмег ЛмстОрмет 2(1-2cos2P) '
Следовательно, снижение массы комбинированной цилиндри-
ческой оболочки будет составлять не менее 38...45 % по сравне-
нию со снижением массы металлической трубы того же назначе-
ния и таких же размеров, а снижение массы комбинированной
оболочки со спиральной намоткой существенно больше, чем сни-
жение массы оболочки только с поперечной намоткой однонаправ-
ленного КМ (см. рис. 3.24).
Однако на практике при проектировании комбинированной
трубы диаметр металлической оболочки с толщиной стенки, крат-
ной 0,5 или 1,0 мм, которая может быть больше толщины, опреде-
ленной по (3.112), выбирают из стандартного ряда диаметров. Но и
в этом случае, если толщина стандартной трубы выбрана из диапа-
зона значений (1/2) /гмето < hMCT < Лмст0 = ppa3R /ймет, то металличе-
скую оболочку при < 1 также следует усиливать однонаправ-
ленным КМ в поперечном направлении (рис. 3.25).
Относительная масса поверхности комбинированной цилинд-
рической трубы единичной длины
178 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
ду _ ^метРмет + ^КМ РКМ
lVl КОМ 1
"метОР мет
h
^метО
^мет /Рмет
ПвКМ /РКМ
Va
(3.116)
где /гмето - толщина металлической оболочки без обмотки КМ при
том же расчетном давлении разрушения рраз.
^Асом
р, град
О 0,25 0,50 0,75 Амет/Амет0
Рис. 3.25. Зависимости относи-
тельной массы и угла намотки Р
комбинированной оболочки, ра-
ботающей до предела прочности
КМ, от относительной толщины
слоя металла при значении \gCT,
равном 1,0 (7), 1/2 (2), 1/3 (3) и
при \|/о->0(4)
Если /гмет/ ^мето — 1/2, то металлическую оболочку (лейнер) не-
обходимо усиливать однонаправленным КМ в спиральном направ-
лении. В этом случае с учетом (3.116) и (3.111) определим относи-
тельную массу единицы поверхности:
М ^метРмет+^КМРкМ =2 4g_(l-2m ). (3.117)
ком 1 О ' v ' о 7 v '
^метоРмет ^мегО
На рис. 3.25 приведены зависимости Л/ком от отношения
^мет/ ЛметО, ПОСТрОСННЫС ПО (3.1 16) при ЛМСТ / ^метО > 1/2 И ПО (3.1 1 7)
при /гмет / Лмето < 1/2. Следует отметить, что при \|/ст > 1/2 простая
поперечная намотка выгоднее спиральной намотки.
3.5.2. Композитные цилиндрические оболочки {трубы)
Самая распространенная намотанная композитная оболочка,
работающая под внутренним давлением жидкости или газа, -
стеклопластиковая труба. Она может входить в состав прямо- и
криволинейных трубопроводов, в цилиндрические баллоны давле-
ния и в корпуса двигателей с профилированными днищами.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 179
Рассмотрим подробнее частный случай (см. рис. 3.7), когда
ц= 1, А, = аметЛме1 /(пкмАкм) = 0, т. е. когда слой металла в ком-
бинированной цилиндрической оболочке отсутствует. Для полу-
чения минимальной массы композитной цилиндрической обо-
лочки необходимо, чтобы напряжения в волокнах по всей ее по-
верхности были постоянными: пкм(г) = const. При этом волокна
нитей воспринимают всю нагрузку растяжения, вследствие чего
сткм =п,А + амеЛмет а прочность связующего в КМ не
учитывается (пмст=0).
Пусть композитная цилиндрическая оболочка наматывается
конечным числом слоев, каждый из которых имеет свою толщину
ht и углы намотки Р„ где i - число слоев, / = 1,2, ..., п.
Используя уравнения равновесия (3.6) и правило суммирова-
ния для осевых Ni и окружных N2 сил (рис. 3.26) с учетом (3.13),
запишем
-% = WKM; cos2 /2; W2 = WKM;sin2p,. = pR. (3.118)
Z = 1 Z = 1
Относительно неизвестных ht и P, система уравнений (3.118)
имеет множество решений.
Рис. 3.26. Схемы армирования ци-
линдрической оболочки, намо-
танной из однонаправленных КМ
Для равнонапряженной цилиндрической оболочки напряже-
ния в нитях по определению постоянны, т. е. пкм/ = акм = const, а
углы намотки находят из уравнения геодезических линий, и в ци-
линдрической оболочке и в каждом слое они постоянны
(Р, = const).
180 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Для получения минимальной массы оболочки требуется,
чтобы напряжение в однонаправленном КМ в момент разрушения
оболочки при давлении р - ppsn было предельным и равным
акм=авкм- Суммируя левые и правые части уравнений (3.118),
получаем
ствкм X h, (cos2 Р, + sin2 Р,) = ?>P^R /2-
(=1
Отсюда толщина многослойной равнонапряженной цилиндриче-
ской оболочки, изготовленной намоткой нитей, имеет вид
где пвКМ - предел прочности однонаправленного КМ при растя-
жении; /?раз - давление разрушения. Таким образом, независимо от
числа слоев равнонапряженная цилиндрическая оболочка, намо-
танная из однонаправленных КМ, будет иметь постоянную тол-
щину, которая определяется по уравнению (3.119).
Рассмотрим частные случаи определения толщин слоев и
углов намотки для двухслойной цилиндрической оболочки. С
учетом изложенного выше запишем систему уравнений (3.118) для
двухслойной оболочки в виде
N\ = авкм c°s2 Pl + Л2 cos2 Р2) = pp3iR / 2;
^2 =aBKM(/»|Sin2P1 +Л2 sin2 Р2) = pV3iR.
(3.120)
1. Перекрестная схема армирования цилиндрической оболоч-
ки с толщинами слоев hx = h2 реализуется при спиральной намотке
под углами Pj=P2=±P = ±P t к образующей при возвратно-
поступательном движении нити или раскладчика ленты.
Разделив в (3.120) второе уравнение на первое, найдем опти-
мальный угол намотки:
N2/N, =tg2Popt =2, откуда Рор1 = 54,74° = 54°44' = 55°. (3.121)
2. Ортотропная схема армирования с углами Pi = 0° и р2 = 90°
осуществляется при одновременной продольно-поперечной намотке
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 181
осевого и окружного слоев оболочки. Тогда из (3.120) для толщин
слоев имеем
^/к^раЛ/^вКм); /г2=/гок=/’раэЛ/^вКМ- (3>22)
3. Спирально-поперечная схема армирования с углами Pi - ±Р
и р2 = 90° реализуется при раздельной или совместной спирально-
поперечной намотке^ когда 0° < Pi < ± 54,74°. Подставив значения
углов Pi и р2 в (3.118) для толщин слоев, получим
h - h - р ______• h -h
п\-п$- 2 о ’ "2 - "ок
2°bkmCOS 3
^^-(2-tg2₽). (3.123)
4. Спирально-осевая схема армирования с углами Pi = ±Р и
Р2=0° применяется крайне редко и осуществляется укладкой
осевого слоя оболочки и намоткой спирального слоя. Для
спирально-осевой намотки из (3.120) находим толщины слоев:
Ppa>R
<\км81п2|3’
РпазЛ <1 -А
А2=Аос=ГЕ^к-^2₽ • (3.124)
^вКМ 7
Для получения неотрицательного значения толщины осевого
слоя (3.124) необходимо выполнение условия l/2-ctg2 Р, > 0, ко-
торое реализуется при Pi > ±54,74°.
Следует отметить, что суммарная толщина слоев цилинд-
рической оболочки в общем случае и в рассмотренных выше
схемах армирования остается всегда постоянной и равна /?об =
= 3/2раз/?/(2сгвКМ). Зависимости относительных толщин слоев от
угла намотки Р приведены на рис. 3.27.
Рис. 3.27. Зависимости от-
носительных толщин спи-
рального (/), окружного (2)
и осевого (3) слоев и тол-
щины цилиндрической обо-
лочки (4) от угла намотки
однонаправленного КМ
182 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Определим массу цилиндрической оболочки, изготовленной
методом намотки по любой из схем армирования, и с учетом
(3.119) запишем
Л/ц км = 2лЛЛоб/обркм = 2^*^™ , (3.125)
^вКМ
где Лоб - толщина композитной оболочки, Лоб = hx + h2. Масса рав-
нонапряженной цилиндрической оболочки (3.125) равна мини-
мальной массе композитной оболочки общего вида AfKMmin =
= 3/7ра-/обРкм/авкм’гДе П)б “ объем цилиндрической оболочки,
^o6=7t7?2/o6-
3.6. Анализ комбинированных и композитных оболочек
днищ цилиндрических баллонов
3. 6.1. Комбинированные днища цилиндрических баллонов
Если в уравнении меридиана комбинированных тороидальных
оболочек (3.43) принять квадрат относительного расстояния от оси
вращения до вершины тора равным ~с2 - с2 / г02 = 0 (г0 - макси-
мальный радиус вращения тора), то получим уравнение меридиана
для выпуклых комбинированных оболочек тел вращения общего
вида. Такие выпуклые оболочки применяют в качестве днищ ци-
линдрических баллонов или сосудов давления общего назначения.
Рассмотрим конструкцию цилиндрического баллона, выпол-
ненного из комбинированных материалов. Баллон (рис. 3.28, а)
состоит из тонкостенной металлической оболочки и слоя КМ, ко-
торый представляет собой комбинацию из спиральных и окруж-
ных (поперечных) слоев (рис. 3.28, 5), получаемых методом не-
прерывной намотки.
Спиральный слой толщиной Лр на цилиндрическом участке
наматывается под углами ±РЦ к оси изделия, далее выходит на
торцевую поверхность баллона и используется для усиления не-
сущей способности днища оболочки. При этом окружной слой КМ
толщиной Лок дополнительно усиливает только цилиндрический
участок баллона в поперечном направлении.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 183
3
а
Рис. 3.28. Баллоны:
а - металлокомпозитный цилиндрический баллон (7 - горловина баллона с
резьбой; 2 - лейнер из коррозионно-стойкой стали; 3 - защитный слой; 4 - си-
ловая оболочка из КМ; 5 - шов, полученный аргонодуговой сваркой); 6 - ком-
бинированный баллон (7, 2 - спиральный и окружной слои; 3 - металлическая
оболочка (лейнер); 4 - днище баллона; 5 - фланец (штуцер))
Внутренняя металлическая оболочка в первую очередь выпол-
няет функцию герметизации баллона, но при этом частично вос-
принимает и нагрузку от внутреннего давления. Толщину метал-
лической оболочки выбирают из технологических возможностей
ее изготовления, в то же время металлическую оболочку (лейнер)
184 Часть 11. Проектирование композитных оболочек конструкций
используют и в качестве технологической оправки для намотки
слоя КМ баллона.
Чтобы силовая оболочка баллона работала как единое целое,
необходимо обеспечить совместность работы слоев комбиниро-
ванной оболочки вплоть до разрушения КМ. Это достигается раз-
личными конструктивно-технологическими способами, и в первую
очередь путем увеличения деформаций разрушения сварного шва
и околошовной зоны металлической оболочки до деформаций раз-
рушения однонаправленного КМ: £свш =£КМраз (см. рис. 3.18).
Подставив в (3.43) значения с2 = 0 и заменив в нем cos Ро на
cos рц, а Х = стмет/гМСт/(акм/'кмо) на z cos ₽»> получим урав-
нение контура днища, записанное в виде интеграла:
, , , (3.126)
I I f у _2 / —2 —ТА
+<Г "Гп -6
J ---------г^~'~ ~г
V I ^-1 + У |-Г112 >
где у, г - безразмерные координаты днища, отнесенные к макси-
мальному радиусу вращения образующей оболочки, у = у/Я,
~F-г!R \ ~ги - относительный радиус полярного отверстия, опреде-
ляемый по наружному диаметру штуцера, = гп //? = sin Рн; X] -
безразмерный параметр сил выпуклой оболочки,
=сгЛмсг/(овКМЛрл/Г^7). (3.127)
Интеграл (3.126) является несобственным при г —> 1, но он
сходится, и соответствующая оценка в области экватора при г =
= 1 - £, где Е - малое число, будет
У(1-е) = л/2е
71-'?(м71-'?)
х.Ть^+г-З/;,2’
(3.128)
Формы контуров днищ баллонов у = f(r), построенные в от-
носительных координатах по (3.126) с учетом (3.127) и (3.128), по-
казаны на рис. 3.29.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 185
Рис. 3.29. Формы контуров рав-
нонапряженных комбинирован-
ных днищ баллонов при различ-
ных параметрах Х| и относитель-
ном радиусе полярного отверстия
= 0,087 (ра = 5°)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 Я
Выбор модели герметизирующего слоя определяется конкрет-
ным видом его диаграммы деформирования. Для металлов с боль-
шой степенью упрочнения можно потребовать, чтобы равнопроч-
ность конструкции баллона сохранялась в предельном состоянии
при давлении разрушения р^ = рраз, когда оМСт1 = QMei2 = йМС1 = 1,1
(см. рис. 3.18), а прочность КМ реализовалась полностью, т. е.
Икм = СГВ км-
Как правило, при проектировании баллона известны давление
разрушения /?ра„ объем баллона Иб, максимальный диаметр (ради-
ус цилиндрического участка R) и размер штуцера (радиус г„). То-
гда угол спиральной намотки на цилиндрическом участке одно-
значно определяется из уравнения геодезических линий: Ро = РЦ =
= arcsin(rH//?). Для определения остальных технических парамет-
ров баллона необходимо найти толщины слоев, объем 2ИДН и массу
Л/дн двух днищ.
Толщину слоя металла Лме, выбирают, а толщину спирального
слоя КМ Ар на большом диаметре днища баллона, находят из
(3.127), если задан безразмерный параметр Xj и известен угол на-
мотки рц. Объем двух днищ баллона определяют по интегральному
уравнению
2V.m=2nR3\r2y'dr, (3.129)
где производную y' = f(r) находят из (3.126).
Теперь, зная объемы Иб и 2КДН (3.129), рассчитывают объем Иц
и длину цилиндрического участка (см. рис. 3.28, б) баллона /ц =
= ГЦ/(7ГЛ2).
186 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Масса одного днища баллона будет состоять из масс металла и
КМ, а именно
^дн — ^днмет + ^днКМ — Рмет^мст^дн + РкМ^/н^н ’ (3.130)
где Лмет - толщина металлической оболочки; F;1H - площадь по-
верхности одного днища; Лн - длина витка нитей, укладываемого
на днище от цилиндрического участка до полярного отверстия и
обратно; п и /н - число нитей, проходящих через поперечное сече-
ние оболочки, и приведенная площадь сечения одной нити со свя-
зующим. Произведение пf}] определяется из уравнения (3.11), за-
писанного в виде
nfH = 2л7?Лр cos Зц = 271/гЛр J 1 -гп2, (3.131)
где - толщина спиральной намотки на цилиндрическом участке
баллона.
Площадь поверхности одного днища и длину нити от экватора
до полярного отверстия находят из уравнений
Fw = 2nR2 J Jl + (r)2rt/r; (3.132)
rn
, п'гз/ЖГ)2 - 'Ь + (У'У
-------о—d,' = R I /-,------; rdr, (3-133)
'п C0S₽r
в которых производную у' = f(r) определяют из (3.126).
Далее рассчитывают значения толщин спирального Лр и ок-
ружного (поперечного) h0K слоев намотки на цилиндрическом уча-
стке баллона из уравнений равновесия (3.104), которые с учетом
окружного слоя намотки записываются как
= ^мет^мет + cos2 Р = /;/?/2; (3134^
^2 = СТмет2Лмет + sin2 Р + ^КМ^ок =
Такую схему армирования часто применяют при изготовлении
металлокомпозитных цилиндрических баллонов с днищами. Как и
ранее, полагаем, что в момент разрушения комбинированная ци-
линдрическая оболочка является равнопрочной, внутреннее давле-
ние достигает своего предельного значения, равного рраз, а напря-
жения в слоях металла и КМ равны сгмет1 = пмег2 = пт и окм = ав км.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 187
Из решения (3.134) с учетом (3.127) находим толщины спи-
рального и окружного слоев намотки, а также суммарную толщину
композитной оболочки на цилиндрическом участке:
, PpaiR _ ^т^мет
=----------~Г~ >
2ПвКм(1-Гп ) ^1авКМ\*-Гп2
Лок =(/’ра,Л-СТЛег)/^вКМ К (3-135)
^ц.КМ — + Лок ” (ЗРраэ^тр 4<7т^мет)/(2^вКМ)•
Из первого уравнения (3.135) следует, что значение толщины
металлической оболочки выбирают из диапазона значений
О < Лмет < ^раз/?/(2о1) для заданного материала металлической
оболочки (лейнера).
Массу цилиндрического участка баллона определяют из ра-
венства Л/ц = 2л/?Лр, при подстановке в которое значений толщин
слоев оболочки (3.135), получают массы каждого слоя и комбини-
рованной оболочки единичной длины:
М _ nR Руп________А]____
11ме1 о,/рмет X, +cospu’
М
ц.ком
^ц.КМ
— ^ц.мет
nR2Ppat L _ 2Х, '
СТв.КМ/Рим V ^i+C0SPu>
(3.136)
+ З^ц.км
° ^1+COSPU>
X,/(X, +cosP„) = 2Лме] /Лмет0; = (стт /рмет)/(ствКМ /рк);
^метО — Рраз^ / ’
где Xi - безразмерный параметр сил выпуклой оболочки Xi =
~ ат^мет/(авкм^р cosРц)’ cos Рц ~ угол намотки на цилиндриче-
ском участке, cosPu = 1 - Т;,2; - отношение удельных проч-
ностей; Лмето - толщина металлической оболочки без слоя КМ при
том же давлении разрушения ^раз.
188 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Суммарную массу комбинированной оболочки баллона нахо-
дят по (3.130), после подстановки в него значений, определенных
из (3.131)—(3.133), и произведения массы единичной длины (3.136)
и длины цилиндрического участка /ц баллона:
Л/б.ком=2Мдн+/цМц. (3.137)
3. 6.2. Композитные оболочки днищ цилиндрических баллонов
В частном случае, когда слой металла отсутствует, имеем ком-
позитную оболочку днища цилиндрического баллона, изготовлен-
ную методом намотки из однонаправленных КМ. Днище сосуда
давления (баллона или корпуса двигателя) формируется одним или
несколькими спиральными слоями, наматываемыми под углами к
оси изделия (рис. 3.30, а). Окружные слои, намотанные под углом
Рок = л/2 к образующей цилиндра, дополнительно усиливают ци-
линдрический участок оболочки баллона в окружном (попереч-
ном) направлении.
Рис. 3.30. Схема намотки спиральных и окружных слоев цилиндриче-
ского баллона (а) и положение нити (ленты) на днище этого баллона (б)
Силы Afi и Л^2 (рис. 3.30, б), возникающие в стенке композит-
ной оболочки (в днище) при действии внутреннего давления, бу-
дут восприниматься однонаправленным КМ. Связь между TV) и N2,
радиусами кривизны 7?i, R2 (см. рис. 3.8, а) и углами намотки Р и р0
описывается уравнениями (3.4) и (3.14). Последовательно подста-
вив значения Rh R2 и tg2p из (3.19) и (3.24) в (3.4), получим вы-
ражение, определяющее выпуклую форму меридиана композитной
оболочки вращения общего вида:
Гтава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 189
<7(cosa) _ Idr /?2sin2P0
cosa г r(r2 -/?2 sin2 Ро)
Проинтегрировав это уравнение, находим
а = -^_ = , Г’С' = , Г’С°5Р" , (3.138)
7,+(/)2 ^г2 - R2 s'in2^n R2^r2-R2 sin2 %
где С, - постоянная интегрирования, определенная при a = 0 и
r = R, С, = cosP0 /R2. Решая (3.138), имеем
у' = — = , (3.139)
dr
AJcos р0 v 7
В конечном виде решение дифференциального уравнения
(3.139) записывается через алгебраические функции и эллиптиче-
ские интегралы первого и второго рода:
y = R
^=^-f(0,X) + 7X£(0A) ;
7 k2
(3.140)
г - Ry/ 1 - Л, sin2 0;
Г
min
< г < R,
где F(0, X) и Е(0, X) - эллиптические интегралы первого и второ-
го рода; X = у/ X, /Х2 и 0 = arcsin-J(/?2 — r2)/(/?2 -r^jn) - модуль и
аргумент эллиптических интегралов; Х,(Х2) = 0,5|3 + -J 1 + 4tg2 р0).
Минимальный радиус вращения оболочки
V (3.141)
Формы образующих днища цилиндрического баллона, по-
строенные в относительных координатах y = y/R и ~r = r!R по
(3.140) и (3.141) для различных значений ро, приведены на
рис. 3.31. При этом меридиональная кривая у(г) существует на
интервале радиусов rmin < г < R.
190 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Рис. 3.31. Формы образующих равнонапряженных днищ цилиндрического
баллона, построенные в относительных координатах, для различных зна-
чений начального угла намотки (30 = ₽ц и радиуса 7[х полярного отверстия
При Ро^ arctgV? - 54°44' имеем цилиндрическую оболочку
с закрытыми торцами. Если Ро = 0, то уравнения (3.140) прини-
мают вид
^ = ^[2Е(0Д)-Г(0А)]; r = /?cos0; Л = /Т/2. (3.142)
В зависимости от относительного радиуса Тп полярного от-
верстия уравнение меридиана (3.140) описывает неограничен-
ную длинную гофрированную трубу (см. штриховую линию на
рис. 3.31) с минимальным радиусом вращения г = rmin. Чтобы дни-
ще баллона оказалось всюду выпуклым, необходимо образующую
в интервале от точки перегиба г = 6 = V3/2 гп(у". = 0) до радиуса
г = гп достроить по другой формуле. В связи с этим для рациональ-
ной конструкции цилиндрического баллона или корпуса двигателя
наибольший радиус закладного элемента (штуцера, фланца) дол-
жен быть не менее 7^ = b > 1,2257;.
Высоту днища определяют из уравнения (3.140) при мини-
мальном значении радиуса вращения оболочки г = rmin:
-УднС'ггпп) ^дн К
(3.143)
7 k2
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 191
где К(Х) и Е(Х) - полные эллиптические интегралы первого и вто-
рого рода, в которых аргумент 0 = л/2. В предельном случае, ко-
гда г = гп = 0, относительная высота днища согласно (3.142)
^„=^н//? = [2ВД-Ш)]/л/2 =
= (2 • 1,35064- 1,85407)/V2 =0,599.
Теперь найдем напряжения в нитях. Из двух уравнений (3.13)
запишем
сткм = c°s2 р) = ЛЛ2/(/7км sin2 Р)- (3-144)
Например, подставив в (3.144) силу N\ из (3.1), толщину ЛКм из
(3.11) и величину cos|3 из уравнения геодезических линий (3.24),
получим
nR2p pR /и 1
аим =-----------=-------z— = const, (3.145)
«/kmcos3o 2A0cos р0
отсюда следует, что спроектированная оболочка является равно-
напряженной.
Определим длину витка нити, лежащей на поверхности, и
внутренний объем оболочки (днища) согласно (3.54)
L
н
sw ds
5(i,„)C°S₽
R I--------
= I Vl+(X)2
rmin
dr _ RK(k)
cosP ^/T^COsPo
(3.146)
yW
^об=КДН = I
3'(rmin
2j RC 2 Л/?3^(Х)
Г dy=n J r yrdr = —T=---—(3.147)
'mm 3J k2 COS Po
Массу оболочки найдем из равенства Л/км = л/км^нРкм- По-
сле подстановки в него произведения nfKM и длины нити LH из
(3.145) и (3.146) с учетом (3.147), получим AfKMmin =
= ЗРраз^обРкм /сгвкм, гДе Рраз - давление разрушения; ркм и сгвкм -
плотность и предел прочности однонаправленного КМ при растя-
жении. Зависимость (3.9) выражает минимально возможную массу
равнонапряженной выпуклой оболочки сосуда давления, образо-
192 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
ванной системой гибких нитей, уложенных по геодезическим ли-
ниям поверхности.
3, 6,3, Днища баллонов, образованные намоткой вдоль меридианов
Задача о нитяной оболочке, не имеющей полярного отверстия
и армированной вдоль меридианов, была решена В.И. Феодосье-
вым. В процессе непрерывной намотки КМ на вращающуюся оп-
равку раскладчик ленты совершает возвратно-поступательное дви-
жение параллельно оси изделия. При подходе к полярному отвер-
стию радиусом г = гп прядь нитей касается его контура и
возвращается в область больших радиусов.
Из (3.140) следует, что при р() = Рц > 0 образующая днища из
равнонапряженных волокон не доходит до полярного отверстия
rmin > ^п. Уравнения (3.140) определяют неограниченную длинную
гофрированную трубу (см. штриховую линию на рис. 3.31). Если
угол намотки 0Ц = 0, то гп = rmjn и форма образующей днища опре-
деляется по уравнению (3.142).
В связи с этим предлагается изготовлять днища баллонов с
использованием двух систем нитей. Первая система нитей уклады-
вается вдоль меридианов с углом [Зи = 0. В окрестности полярных
отверстий направление укладки меридиональных нитей меняется
на обратное. Вторая система нитей укладывается по окружности
полярного отверстия, т. е. она приматывает первую систему и вос-
принимает силу растяжения от нее.
В этом случае форма образующей определяется также по
уравнениям (3.140) при подстановке в них значения угла намотки
нитей (Зц = 0. Такая форма образующей соответствует условию ра-
венства нулю окружных сил. Для определения параметров кольце-
вой системы нитей спроецируем меридиональные силы 2V] (см.
рис. 3.30) на плоскость полярного отверстия. Учитывая (3.11) и
(3.145), получаем распределенную нагрузку, приходящуюся на еди-
ницу длины окружности кольцевой намотки:
Q = ствкмЛпsin ап = ^раЛ2 sin а„ / (2г„),
где Лп и ап - толщина и угловая координата оболочки в окрестно-
сти полярного отверстия при г = гп. Суммарное натяжение кольце-
вых нитей составляет
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 193
4,, =ягп = ppa3tf2sina„/2. (3.148)
Для площади сечения кольцевых нитей FKH из (3.148) и
(3.138) при Ри = 0 имеем
Z7 н ^раз^ . Рраз^ Г\
Лкн = ----sinan = -£---7 1-гп , (3.149)
QbKM 2(7вКМ 2(7вКМ
где гп - относительный радиус полярного отверстия, гп = гп / R.
С учетом (3.149) определим массу кольцевых нитей
. , п £7 ^/^раз^ Ркм^п Г\ — 4 1
Ч.н =2™;ЛнРкм =---------------V >-гп • (3.150)
QbKM
Формула для расчета массы продольного (меридионально-
го) слоя с учетом выражения (3.145)
ПТ? /^пазРкМ
Ч,рол = #kmWkm = Г Ш); (3.151)
2пвКМ
где Амер - длина нити в направлении меридиана,
/? I------------------------ р
хмср = Н 1 + (У)2^ = -/=-л(бД);
у' = г2/-г4 = r2/V1 - г4; X = >/1/2; O^arccosr;,.
Объем днища
ro6 = ^=^r2y'dr = — ^=F(0,X) + rJl-rn4 . (3.152)
'll
Суммируя (3.150) и (3.151) с учетом (3.152), получаем мини-
мальную массу оболочки равнонапряженного днища, определяе-
мую по формуле WKMmin = Мкн + А/прод = ЗрразИобркм /ствКМ.
Создание композитной оболочки сосуда давления начинают
прежде всего с проектирования ее конструкции, т. е. с определения
конструктивных параметров, размеров и геометрии оболочки.
В общем случае проектирование композитной оболочки цилинд-
рического баллона может быть выполнено в следующей последо-
вательности.
194 Часть 11, Проектирование композитных оболочек конструкций
1. В качестве проектных параметров известны или заданы
внутренний объем оболочки баллона Кб, давление разрушения рраз
и один геометрический размер оболочки, например радиус R
цилиндрического участка сосуда давления.
2. Выбор из конструктивных или технологических соображе-
ний радиуса гп полярного отверстия и нахождение его относи-
тельного значения 7п = гп / R.
3. Определение из (3.24) угла намотки на цилиндрическом
участке оболочки: Рц = arcsinFn.
4. Расчет по значению Рц с помощью (3.140)—(3.143) вспомога-
тельных величин: к\, к2, к = у]к} /к2, rmin, координат меридиональ-
ной кривой у = /(Рц, г) и высоты /дн днища.
5. Определение по результатам испытания кольцевых образ-
цов-свидетелей предела прочности однонаправленного КМ при
растяжении авКм или его выбор табличного значения.
6. Нахождение с использованием (3.123) и (3.145) проектной
(расчетной) толщины днища на экваторе оболочки, которая равна
толщине спирального слоя на цилиндрическом участке сосуда:
= PpvR /(^ВКМ COS2 Р) = РразЛ/[2^вКМ 0 " )]•
7. Вычисление по (3.123) расчетной толщины окружного (по-
перечного) слоя намотки и общей (суммарной) толщины оболочки
на цилиндрическом участке баллона или корпуса двигателя*
Лок = Pp^R(2~ tg2 Рц)/(2ствкм); Лц = Лоб = МАок-
8. Определение при необходимости толщины слоя КМ вдоль
меридиана, которая является переменной. Выразив величину cosP
из (3.24) и подставив в (3.11), получим формулу толщины днища:
* Для безмоментной оболочки справедливо отношение Лоб =
= ho6 / R < 0,05. Если оно не выполняется (Лоб > 0,05), то уменьшают давле-
ние разрушения и по (3.119) определяют толщину оболочки на цилиндриче-
ском участке так, чтобы относительная толщина составляла Лоб < 0,05, далее
расчеты повторяют по п. 6 и 7.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 195
^км
W, COSPn
J г2 - /г2 sin2 рц
(3.153)
Согласно (3.153) в окрестности полярного отверстия толщина
оболочки неограниченно возрастает. В реальной конструкции
толщина /?г = /ь имеет ограниченное значение. В (3.153) не учиты-
вается, что намотка осуществляется лентой конечной ширины.
Однако эта формула справедлива при удалении от края полярного
отверстия на расстояние, превышающее примерно две ширины
наматываемой ленты.
9. Определение по (3.147) внутреннего объема днища баллона
Гдн. Зная общий объем Кб баллона и объем 2КДН двух днищ, нахо-
дят длину /п цилиндрического участка сосуда, а с учетом высоты
двух днищ 2/дн (см. формулу (3.143)) - длину L всего баллона или
корпуса двигателя.
3.7. Композитные сферические оболочки, изготовленные
методом зональной намотки однонаправленных
композиционных материалов
3.7.7. Общие сведения
В изделиях РКТ, и в частности в ракетах-носителях, разгонных
блоках и КЛА, устанавливают штампосварные титановые (реже
стальные) сферические баллоны (табл. 3.2) объемом 20... 130 л на
рабочее давление 20...33 МПа со сроком эксплуатации до 10лет.
Баллоны высокого давления - типовые узлы пневмогидравлической
системы двигательных установок ракет и КЛА, работающие при
нормальных, повышенных или криогенных температурах в агрес-
сивных средах (в оксиде, виниле), на воздухе или в вакууме. Пара-
метр конструктивного совершенства W6 = ррабИоб / М6 таких балло-
нов по рабочему давлению составляет 51... 117 кДж/кг. Чаще всего
баллоны имеют сферическую форму, также применяются цилинд-
рические баллоны, реже металлические баллоны тороидальной
формы.
196 Часть 11. Проектирование композитных оболочек конструкций
Таблица 3.2
Характеристики сферических баллонов высокого давления
из титановых сплавов в изделиях РКТ разных стран
Параметр США СССР
Внутренний диа- метр Z)BH, мм 410 312 274 274 - - - -
Объем Иоб, дм3 28,2 И,5 8,5 8,5 130 58 36 20
Масса Л/б, кг Давление, МПа: НО 16,3 26,8 27,6 31,2 11,7 14,3 4,6
рабочее рраб 24,8 6,5 20,6 24,2 23,4 23,5 33,6 11,7
разрушения рраз 50 13 31,2 48,4 48* 40,1* 52,9* 27,6*
Температура Т °C 1 раб» 115 66 — 30 -182 -182 ±50 ±50
ПКС ^6, кДж/кг * Расчетные знач Значение для ( 63,6 ения да >аллона 45,9** вления] из корр 65,3 разруше озионнс 74,5 !НИЯ. )-СТОЙКС 97,5 >й стали 116,5 84,6 50,9
Характеристики металлокомпозитных баллонов приведены
ниже:
Цилиндрические Сферические
Диаметр баллона, мм Толщина слоя, мм: ...203 203 203
металла ... 0,76 0,76 2,00
КМ ... 1,47 2,2 2,06
Объем Коб, л ... 9,28 4,1 4,1
Масса композита кг ...0,377 0,355 0,340
Давление разрушения /?раз, МПа ... 14,7 28,7 34,3
ПКС рраз Иоб / Л/Км, кДж/кг ...353 314 413
Объемное содержание волокна, %... ...67,5 69,9 67,9
Альтернативой титановым сферическим баллонам могут быть
комбинированные сферические баллоны, полученные методом
намотки однонаправленного КМ на тонкую стальную (Лмет =
= 0,165 мм) или алюминиевую (Лмет = 0,76 мм) оболочку. В сфе-
рических и цилиндрических металлокомпозитных баллонах давле-
ния, применяемых в изделиях РКТ, достигнуто снижение их массы
на 40...60 % по сравнению с их титановыми аналогами. Компо-
зитные оболочки баллонов изготовлялись методом намотки во-
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 197
локна «Кевлар-49» на тонкостенные (Лмет = 0,76 мм) и толстостен-
ные (Лмет = 2,0 мм) алюминиевые оболочки (лейнеры).
Характеристики металлических баллонов тороидальной фор-
мы в изделиях РКТ, выпускаемых в России, приведены ниже:
Диаметр, мм:
максимальный Z)max ... 530* 946 1300 600*
сечения JCC4 ... 59 156 160 270
Параметр тора c/R ... 8,60 5,06 6,25 1,22
Внутренний объем Ивн, дм3 ... 2,8 40 64 60
Рабочее давление рраб, МПа.... ... 27,5 4,8 4,0 3,4
Материал оболочки ... ВТ6С ОТ4 ОТ4 08Х15Н5Д2Т
* Диаметр оболочек баллонов с переменной толщиной стенки.
Однако при изготовлении металлокомпозитных баллонов су-
ществуют некоторые ограничения, связанные с малыми деформа-
циями разрушения металлических оболочек в зоне сварного шва,
что не позволяет полностью реализовать прочность однонаправ-
ленных КМ (стекло-, органо- и углепластиков), деформации раз-
рушения которых значительно выше.
Кроме того, композитные сферические баллоны, полученные
методом зональной намотки на полимерную (полиэтилен, резина)
герметизирующую оболочку, хотя и реализуют полностью проч-
ность однонаправленных КМ, но не могут работать при низких и
криогенных температурах. Герметизирующие оболочки сфериче-
ских баллонов, изготовленные методом намотки из жестких лав-
сановых или полиимидных пленок, еще не нашли широкого при-
менения.
На рис. 3.32, а показан сферический баллон с пленочной обо-
лочкой диаметром 204 мм и внутренним объемом 4,3 л, которая
изготовлена методом зональной намотки лавсановой пленки тол-
щиной 60 мкм и шириной 20 мм. Толщина стенки на экваторе обо-
лочки равна 1,5 мм, масса оболочки без массы штуцеров - 0,26 кг,
а давление разрушения - 2,0 МПа. Такая оболочка может быть ис-
пользована как герметизирующая оболочка для изготовления сфе-
рического баллона, так и самостоятельно в качестве ресивера.
Применительно к композитной равнонапряженной сфериче-
ской оболочке (рис. 3.32, б), для которой теоретически намотан-
ный материал должен быть распределен равномерно по меридиану
198 Часть IL Проектирование композитных оболочек конструкций
оболочки, можно выделить два практически реализуемых варианта
распределения нитей по слоям.
В первом варианте каждый слой (зона) образуется одним и
тем же числом витков нитей или узких лент; во втором - зональ-
ные углы наматываемых слоев располагаются на одинаковом рас-
стоянии друг от друга вдоль меридиана, при этом число витков
нитей в каждом слое будет переменным. Поверочные расчеты по-
казывают, что предпочтительнее использовать второй вариант
распределения нитей по слоям, который обеспечивает равнопроч-
ность композитной оболочки на экваторе баллона.
оо
а б
Рис. 3.32. Сферические баллоны, изготовленные методом намотки из
лавсановой пленки (а) и однонаправленного стеклопластика (б)
3.7.2. Определение толщины зонального слоя сферической оболочки
с учетом ширины наматываемой ленты
Для проведения прочностных расчетов и определения сум-
марной толщины многозонной композитной оболочки необходимо
установить закон изменения толщины отдельного слоя намотки на
всей поверхности покрытия сферического пояса (зоны).
Очевидно, что толщина слоя намотки в каждой зоне меняется
вдоль меридиана оболочки в диапазоне значений зонального угла
О < ос < ос3 (рис. 3.33) и в общем случае зависит от числа z3 витков
ленты в зоне. При этом необходимо учитывать, что при повороте
оправки на полный угол ср = 2л каждый виток ленты пересекает
любую широту сферической оболочки дважды и, следовательно,
толщина слоя намотки (зоны) должна быть удвоена.
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 199
а
Рис. 3.33. Геометрия и система координат сферической оболочки
(а) и схема намотки лент на зональном отверстии слоя намотки (б):
1 - широта; 2 - меридиан; 3 - лента; 4 - экватор; тл - угловая
ширина ленты
Запишем основные геометрические соотношения для сфери-
ческой оболочки (см. рис. 3.33):
ra = /?cosoc; Р0 = л/2-ос3; sinP0 = cosoc.3;
о • о / (3.154)
cospo = sinoc3; sinpa = cosoc3/cosoc.
Подставив значение cos Pa из (3.24) в (3.11) с учетом (3.154),
получим текущую толщину намотки зонального слоя сферической
оболочки, зависящую только от угла ос:
/?An/cosP^ Лп/since.,
hr = . °' Нз - лз,.(а) - °' (3.155)
у! r2-R2 sin2 ^cos2 a-cos2 а,
Согласно (3.155) в области зонального угла ос —> ос3 толщина
слоя намотки неограниченно увеличивается. В реальной конструк-
ции толщина Ла=а имеет конкретное значение. Однако (3.155)
справедлива при удалении от края полярного отверстия на рас-
стояние, превышающее примерно две ширины Л, наматываемой
ленты.
Если при выводе формулы толщины слоя намотки учитывать,
что намотка осуществляется лентой конечных ширины и толщины,
200 Часть П. Проектирование композитных оболочек конструкций
то можно записать другое аналитическое выражение для толщины
слоя на всей поверхности сферического пояса (зоны).
Рассмотрим схему намотки ленты толщиной Лл и шириной /л в
области зонального угла ос3 или полярного отверстия г3. По мере
вращения оправки вокруг полярной оси по координате ф (см.
рис. 3.33, 6) угол намотки ленты относительно фиксированного
меридиана будет смещаться от начального фнач = 0 (верхнего) по-
ложения ленты до конечного фкон (нижнего) положения ленты.
Рис. 3.34. Траектория намотки ленты на сферическом поясе, проходящей
через фиксированный меридиан в точке А (а) и схема намотки витков
ленты шириной тл на координате а произвольного сферического пояса (5):
/ - лента; 2 - экватор
При этом лента, дискретно смещаясь с угловым шагом намот-
ки Ф3 в фиксированной зоне, накрывает первоначально уложенную
ленту по всей ее нормальной /л или угловой тл ширине. В этом
случае на правом краю первоначально уложенной ленты достига-
ется максимально возможная толщина слоя намотки. Текущая
толщина слоя намотки в каждой зоне определяется из равенства
, , ч Фкон,(а)-Фнач,(а) , .
А3/ (а) = 2/?л-------------= hn -! Дф.„. (а), (3.156)
Ф3 л
где z3 - число витков ленты в наматываемой зоне при повороте оп-
равки вокруг полярной оси на угол 2л. Угловой шаг намотки Ф3
связан с числом витков в зоне и шириной ленты зависимостью
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 201
ф, = 2л/z., = /крщ /Яоб = tn /(Яоб sin а3) = тл /sin a3, (3.157)
где /крщ, тл - кроющая и угловая ширины наматываемой ленты,
/крщ = /sinостя =/я//?об; Яоб - радиус сферической оболочки
по срединной поверхности.
Для определения начального фнач и конечного фкон углов на-
мотки лент друг на друга рассмотрим положение ленты на фикси-
рованном меридиане в точке А. Из сферического прямоугольного
треугольника (рис. 3.34, а) находим tgoc = tga3sin(Tt/2-(pa). По-
скольку sin(Tt/2-(pa) = cos(pa, угол поворота оправки до пересе-
чения ленты с меридианом в точке А (координатой а) и соответст-
вующие углы поворота оправки до начального и конечного поло-
жений ленты с координатами анач и оскон (рис. 3.34, б) будут
. COSCO — ^ё^нач . COSCO — /о
СО8фа — , COS(pHa4-— , COS(pKOH-—------------. (З.Ю8)
tga3 tga3 tga3
Рассмотрев сферический прямоугольный треугольник АВС (см.
рис. 3.34, б), запишем sin(TB/2) = sin(oc — сскон)sinРкон. Раскрывая
скобки и учитывая (3.154), получаем sin|3KOH = cosoc3/cosocKOH и
sin(Tn /2)/cosoc3 = since - tgocKOH cos a. (3.159)
Подставив величину tgaKOH из (3.159) в (3.158), найдем вы-
ражение, определяющее конечный угол поворота оправки фкон в
точке А :
co„m -tg^QH-tga sin(V2)
tga3 tga3 sina3cosa
(3.160)
Аналогичное выражение описывает начальный угол поворота
оправки фнач в точке А при намотке ленты в сферическом поясе:
cosq>lia4
tg С^нач = tga ! sin(T„/2)
tga3 tga3 sina3cosa
(3.161)
Окончательно, с учетом равенства (3.156), угловой ширины
ленты тл = /л / 7?об и числа витков z3 в зоне запишем уравнение
толщины намотки зонального слоя вдоль координаты ос:
202 Часть П. Проектирование композитных оболочек конструкций
h^i \ z
Ма) = —(arcC0S(PK0„-агссозфнач) = Лл—Дф„(а), (3.162)
Ф3 л
где Дф3,(а) - функция толщины слоя,
4 z ч (tga 81п(тл/2) (tga sin(T./2) ) z. ,
Дф3, (а) = arccos —--------2---- -arccos +-----------2--- (3.163)
^tga3 sina3cosaj ^tga3 sina3cosa?
в диапазоне значений углов 0 < a < (a3 - тл / 2) и
Дф3,(а) = arccos
tga
Jga3
8Щ(Тл/2) "
sina3cosa?
(3.164)
в диапазоне значений углов (осз - тл /2) < a < (ос3 + тл /2).
На рис. 3.35 показано изменение толщин пяти слоев пленоч-
ной сферической оболочки (см. рис. 3.32, а) вдоль меридиана, оп-
ределенных по (3.162)—(3.164). Наматываемая лента с клеевым
слоем имела толщину Лл = 0,072 мм, число витков ленты в каждой
зоне определялось из равенства z3/ = 2тг/?об sina3///л, где ширина
ленты tn = 20 мм, а средний радиус оболочки 7?об =101 мм. Зо-
нальные углы намотки, начиная с полярной зоны, имели значения
осз/ = 83,1°; 73,4°; 59,6°; 41,3° и 29,2°. Суммарная толщина обо-
лочки на экваторе составляла Лэкв = /?o6min = 1,44 мм.
Рис. 3.35. Изменение толщин зональных слоев , вдоль меридиана
(координаты а) для пяти слоев пленочной сферической оболочки:
1 - расчет по (3.163); 2 - расчет по (3.164)
Глава 3. Проектирование равнонапряженных оболочек конструкций 203
3.7.3. Напряжения в нитях на экваторе сферической оболочки
Запишем уравнения равновесия для многозонной сферической
оболочки, которая воспринимает всю нагрузку от внутреннего
давления р, т. е. без учета несущей способности герметизирующе-
го слоя:
= 2/?км,акм,с°82Р, =pR!b N2 = SAKM,oKM,sin2(3,. = pR/2,
z=l i=\
(3.165)
где /гКМ/ - толщина слоя намотки; сгКМ/ - напряжения в нитях ка-
ждого слоя; р - угол намотки слоя по координате a; R - радиус
экватора.
Примем, что на экваторе в момент разрушения оболочки вы-
полняется критерий равнонапряженности нитей каждого слоя:
пкм/ ~пвкм = const’ а толщины зональных слоев будут равны
hi =hQi. Тогда при давлении разрушения р = р?^ система уравне-
ний (3.165) будет иметь вид
-Ч = о,км S*0, cos2 рш = pr,,RI2-, N, = о,к„ £ sin2 ₽„, = рр„Я/ 2.
(З.|«6>
Суммируя левые и правые части уравнений (3.166), получаем
А- к
= ПвКМ W ^КМО = S^Oz = Рраз^^вКМ’ (3.167)
/=1 /=1
где к - число зон; ЛКмо - суммарная толщина композитной оболоч-
ки на экваторе. Полагаем, что на экваторе выполняется условие
плотной намотки витков ленты друг к другу для каждой зоны:
Л0/. =/г0 = 2/?л, где /?л - толщина наматываемой ленты. Из
рис. 3.34, а следует, что cosPo, - sinoc3/ и sinPo, = cosa3/, тогда урав-
нения (3.166) можно записать в виде
к . 2
^1 = ПвКМ^КМ0 = Рраз^/2;
(3.168)
к 2
^2 ~ Пвкм^кмо Sc°s осз/- = ppa3R/2.
204 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Система уравнений (3.168) имеет решение, если при неогра-
ниченном увеличении числа зон (к —> ©о) в диапазоне значений зо-
нальных углов 0 < осз/ <тг/2 их суммы заменить интегралами пер-
вообразных функций sin2 а и cos2oc. Действительно, интегралы
первообразных будут равны друг другу:
Лг2 Г 7 “171/2 Г ? “|Л/2
J ±2sinoccosoc<7oc = ^sin aj^ =^cos ajo =1. (3.169)
Таким образом, равнонапряженность нитей на экваторе обо-
лочки достигается, если, с одной стороны, зональные углы осз/
равномерно распределены вдоль меридиана сферической оболочки
в диапазоне значений углов 0< осз; < тг/2, а с другой - толщины
намотки слоя /г0/ = 2Лл 0.
Далее определяют напряжения в нитях нулевого Р = 0 (если
существует) или первого зонального слоя между углами: oc3i =
= осп = л/2-гп!R и осз2 = осз1 -ап/к. Сначала записывают систе-
му уравнений (3.166) для первой полярной зоны:
~ ^KM1GKM1 C0S Pl ~ Рраз^
. 2п (3.170)
^2 ~ ^KM1GKM1 S^n Pl “ Рраз^^.
Z ,
С учетом (3.156) имеем Л31(ос) = Лл — Дф31(а), из первого
71
уравнения (3.170) находим напряжение оз1, а из второго уравне-
ния - напряжение оз] в диапазоне значений углов осз2 < a < осз1.
Если напряжение оз1 больше допустимого оКМ1 = овКМ = const, то
увеличим число витков в нулевом или первом слое. Далее методом
последовательных приближений решим итерационную задачу для
каждой суммы слоев и для композитной оболочки в целом.
Глава 4
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
НЕРАВНОНАПРЯЖЕННЫХ КОМПОЗИТНЫХ
ТОРОИДАЛЬНЫХ ОБОЛОЧЕК
И КРИВОЛИНЕЙНЫХ ТРУБ
4.1. Рациональные схемы армирования
тороидальных оболочек кругового сечения,
изготовленных методом спиральной намотки нитей
4.1.1. Тороидальные оболочки с равновесной схемой армирования
Как уже отмечалось, композитные тороидальные оболочки
кругового сечения по меридиану (см. рис. 3.13) не могут быть вы-
полнены равнонапряженными (см. гл. 3), поэтому выбор их схем
армирования и кинематики процесса намотки произволен. В связи
с этим при проектировании таких оболочек должны использовать-
ся другие критерии, которые позволяют минимизировать прира-
щение массы. В то же время тороидальные оболочки кругового
сечения более технологичны, кинематика их процесса намотки
проще, легче изготовить технологические одноразовые оправки и
их конструктивное решение более очевидно.
В первую очередь конструкция нитяной тороидальной обо-
лочки должна быть уравновешенной, т. е. равнодействующая сил в
оболочке должна быть направлена вдоль витка нитей. Однако рав-
новесная кривая не является геодезической, хотя намотка по гео-
дезическим линиям наиболее целесообразна, так как проводится
без соскальзывания нитей и обеспечивает требуемое их натяжение.
Кроме того, такие оболочки по возможности должны иметь мини-
мальную массу.
В связи с этим в данной главе будут рассмотрены вопросы вы-
бора рациональных схем армирования, проанализированы ограни-
чения, связанные с возможностью изготовления тороидальных
оболочек кругового сечения методом намотки, а также определены
приращение массы неравнонапряженных тороидальных оболочек
и криволинейных труб и проведено сравнение полученных значе-
ний с минимально возможной массой равнонапряженных компо-
зитных оболочек сосудов давления.
206 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Если форма оболочки вращения задана, то согласно методу
сетчатого анализа углы намотки определяют по (3.14). Решая со-
вместно (3.5) и (3.13) для тороидальной оболочки кругового сече-
ния (рис. 4.1), записываем
7V] = оа/га cos2 Р =
pR 2a + cosoc
2 я + cosoc ’
N2 = стаЛа sin2 3 =
(4.1)
(4.2)
где ос - угол или широта тора; оа - напряжение, действующее в
направлении нитей на широте ос; г - текущий радиус вращения
г = ra = 7?(tf + cosoc); ЛКм = ha - переменная толщина оболочки;
Р = Ра - угол намотки на широте ос; 7? - радиус сечения; а - гео-
метрический параметр тороидальной оболочки кругового сече-
ния, а- с / R.
Геометрические параметры а и ц тороидальной оболочки свя-
заны соотношениями (3.93).
Рис. 4.1. Геометрические параметры и углы намот-
ки тороидальной оболочки кругового сечения:
/ - нить; 2 - меридиан
С учетом угла Ра из (4.1) и (4.2) для равновесных углов намот-
ки получим
Ра = 3Р(а)= ardg
а + cosa
2<7 + cosa
(4.3)
Далее схему армирования с углами Р(Х = Рр, определяемыми по
(4.3), будем называть равновесной.
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 207
Напряжения в нитях, возникающие под действием внутренне-
го давления, найдем из (4.1) или (4.2). После подстановки в каждое
из них равенств (3.11) и (4.3), имеем
pRy](2a 4- cos ос)(Зб/ + 2а cos ос)
2Akmo(^ + 1)cosP0 ’ ( ’
Максимальные значения оа достигаются на наружной стороне
тороидальной оболочки при ос = 0, поэтому оа=0 > оа.
Зависимость углов намотки Рр от угла а показана на рис. 4.2, а,
а характер изменения относительного напряжения па/ сга = 0 вдоль
витка нитей - на рис. 4.2, б.
Из рис. 4.2. следует, что, чем меньше геометрический пара-
метр тора ос, тем сильнее различаются по величине напряжения и
углы намотки в области минимального (га =гп) и максимального
(га = г0) радиусов тороидальной оболочки.
0 тг/2 а 0 30 60 90 120 150 а, град
а б
Рис. 4.2. Зависимость углов намотки Ра от угла ос вдоль меридиана торои-
дальной оболочки {а = 4) для равновесной (7), геодезической (2) кривых
намотки и кривой постоянных скоростей (3) {а) и характер изменения от-
носительного напряжения вдоль витка нитей для различных значений па-
раметра а (б)
Расчетную толщину определяют в наиболее напряженной точ-
ке оболочки (ос = 0) при достижении в нитях напряжения сга, рав-
ного пределу прочности материала при растяжении сгвкм, и давле-
ния p=ppai.
Подставляя в (4.2) значение sin Ра из (4.3) и приравнивая угол
ос к нулю, получаем
208 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
ppa,/?3a + 2^ Pp„R
^вкм я + 1 2овКМ sin Ро
С учетом (4.5) определим переменную толщину оболочки (3.11):
Ppa3R За+ 2 cosp()
2cfbKM я + cosoc C0SP«
(4.6)
Массу тороидальной оболочки кругового сечения найдем из
равенства
67A/ = ^pKM = Ла2лгаркмЯб7ос, (4.7)
где dM и dW - элементы массы и объема материала оболочки;
Ркм - плотность КМ. Подставим значение /?(Х из (4.6) в (4.7) и уч-
тем, что ra = R(a + cosot), после интегрирования запишем
М = 2fdM(a)da = рРа|И°бРкм Зд + 2 / (д), (4.8)
о ПвКМ а
где Коб - объем оболочки, Иоб = 2п2 R3a; 1р(а) - относитель-
ная длина витка нитей по равновесной кривой, /р(<з) =
cosp" da . . Q п _ Л
=------- J----< 1,0; Ро - угол намотки при ос = 0. Если а = 4, то
71 0COsPa
7р (а) =0,973.
Кинематическое уравнение намотки по равновесной кривой
фр(ос) находят из дифференциального соотношения (см. рис. 3.2)
rdty = tgPr(7s, которое для тороидальной оболочки кругового се-
чения (см. рис. 4.1) записывают в виде
dq> = tg^a da, (4.9)
я + cosot
где г - текущий радиус вращения, г = /?(<7 +cosot); ds - элемент
дуги образующей кругового тора, ds = Rd а.
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 209
Подставив в (4.9) значение угла Рр(ос) из (4.3), найдем угловой
шаг намотки тороидальной оболочки по равновесной кривой:
(Z da л
ф (а) = /-=_=_=; Ф =2/ф' (а)4/а. (4.10)
о + cosoc)(2a + cosoc) о
4.1.2. Тороидальные оболочки кругового сечения,
намотанные по геодезическим линиям
Как уже было отмечено, с позиций процесса намотки геодези-
ческие кривые более предпочтительны, поскольку позволяют ук-
ладывать нити вдоль этих траекторий без соскальзывания. Однако
для тороидальных оболочек кругового сечения с геодезической
схемой армирования условие (3.14) не выполняется. В связи с этим
оболочка должна состоять из четного числа слоев, один из кото-
рых наматывается под углом +Р, а другой - под углом -Р к мери-
диану тора.
Для такой оболочки неравнонапряженность нитей не может
быть строго найдена в рамках метода сетчатого анализа, как для
равновесной кривой. Поэтому выбор углов намотки произволен.
Наибольший интерес представляет собой геодезическая схема ар-
мирования тороидальной оболочки кругового сечения, имеющая
такие же углы пересечения нитей с меридианом, как и в равнонап-
ряженном торе с равным геометрическим параметром ц.
Следует отметить, что под действием внутреннего давления
круговая форма меридиана сетчатой оболочки будет изменяться и
стремиться к форме сечения равнонапряженной и уравновешенной
тороидальной оболочки. Изменение формы меридиана определяют
экспериментально в процессе гидроиспытаний оболочки.
Таким образом, на основании изложенного выше геодезиче-
ские углы намотки для тороидальных оболочек кругового сечения
определяют из (3.24) с учетом обозначений, приведенных на
рис. 4.1:
rsinPr;i = 7?(я +cosoc) sin 0ГД = 7?(я +1) sin Ро = const, (4.11)
где угол Ро соответствует углу равнонапряженных (3.70) компо-
зитных торов (см. рис. 3.2) с параметром ц = (а- 1)/(я +1).
210 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Начальный угол намотки Ро для тороидальных оболочек кру-
гового сечения может быть найден и по приближенной формуле,
полученной на основании (3.70),
Ро = arcsinf(67 — 1)/\/Зб72 4- 5
(4.12)
Формула (4.12) справедлива во всем диапазоне значений 2 < а < 20
и позволяет получать значение угла Ро с точностью до 1 %.
Переменная толщина слоя намотки тороидальной оболочки
кругового сечения находится из условия непрерывности намотки
Лсхга cosPa = const:
а + 1 cosP0
а + cos ос cos Ра
(4.13)
Напряжения, действующие вдоль нитей, определяют по (4.1) и
(4.2) при условии, что под действием внутреннего давления форма
меридиана остается постоянной, т. е. круговой. После подстановки
в них переменной толщины намотки ha (4.13), имеем
pR 2а + cos ос
2Лкмо (a + l)cosP0cospa’
pR (a + cosa)cospa
2Лкмо (« + l)cosP0sin2 pa‘
Напряжения Qal (4.14) и ca2 (4.15) имеют максимальные зна-
чения на большом экваторе тора (рис. 4.3), при этом са2 > ааь
Рис. 4.3. Зависимость относительных
главных напряжений йа в тороидаль-
ной оболочке кругового сечения (а = 4),
намотанной по геодезической кривой
(Ргд0 =24°20') и по кривой постоянных
скоростей (Рп.со = 36°42'), от угла ос:
7, 2-ДЛЯ О™ И aa2’ Л 4-ДЛЯ CF™ И Па2
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 211
Однако меридиональные силы в тороидальной оболочке мало
подвержены изменениям даже при значительных отклонениях от
заданной формы поперечного сечения оболочки, в то время как
окружные силы очень чувствительны к изменению формы мери-
диана тора. В связи с этим определяющим уравнением для даль-
нейших расчетов будет зависимость (4.14), подстановка которой
в (4.13) позволяет получить переменную толщину оболочки. Ес-
ли р = рРы а напряжение па1 при ос = 0 равно пределу прочности
КМ ав км, то
,,Д Рра.^ 2а + 1
/?(Х = —-------------------------------.
2свкм (я + COS ос) COS Ро COsPa
Начальную толщину слоя намотки находят из (4.16):
дгл _ Pp^R 2a+ 1
"кмо “ ~ 7 , IX 2 О •
2ствкм (a + l)cos Ро
(4.16)
(4.17)
Подставляя (4.17) в (4.7) и интегрируя полученное выражение,
найдем массу тороидальной оболочки кругового сечения, намо-
танной из однонаправленных КМ по геодезическим линиям рав-
нонапряженных торов:
^раз^обРкМ 2tf + l —
=—------------
ПвКМ tfCOS р0
(4.18)
где /гд(я) - относительная длина витка нитей, зависящая от гео-
- cosP * da _
метрического параметра тора а, I (а) -----]------ > 1,0. Если
л ocospa
а = 4, то <д(^) = U093.
Кинематическое уравнение намотки тороидальных оболочек с
геодезической схемой армирования сргд(ос) на основе (4.9) с учетом
(4.11) будет иметь вид
a da
<Ргд(a) = (a +1) sin Р J----. , , , (4.19)
o(a + cosa)^(a+cosa) - (a + 1) sin po
где значение sinPo определяют по (4.12).
212 Часть 11. Проектирование композитных оболочек конструкций
4.13. Тороидальные оболочки, намотанные
по кривой постоянных скоростей
Наиболее простая схема намотки с позиции кинематики дви-
жения исполнительных органов торонамоточного станка - намот-
ка, при которой тороидальная оправка и раскладчик ленты враща-
ются с постоянными угловыми скоростями, пропорциональными
друг другу.
Согласно этому определению из (4.9) для тороидальной обо-
лочки, намотанной по кривой постоянных скоростей, можно рас-
считать
(рп с (ос) = vn Сос = а----= а • const, (4.20)
я + cosoc
где vn.c - коэффициент пропорциональности, vn с = dtylda = const.
Если б/ф 0, то vn с —> 0 - это поперечная, или меридиональная,
намотка. Если da 0, то vn с - это продольная намотка, или
укладка нитей (лент) по широтам тороидальной оболочки.
Тороидальная оболочка, намотанная по кривой постоянных
скоростей, также получается неуравновешенной и, следовательно,
должна состоять из четного числа слоев. Напряжения в нитях (4.1)
и (4.2) после подстановки в них значения угла Р11С(ос) из (4.20)
имеют вид
pR \/l + v (a + l) I \ т
аа1 = —— ---------:------—(2tf + cosoc)Jl +v;;e(tf + cosa) ; (4.21)
2Лкмо Я + 1
„ _ pR 71 + vn.c(« + l)2 7, + vL(« + cosa)2
Ф a2 — 9 ’ )
2Лкмо vn c(a + l) a + cos a
Максимальное напряжение QaI достигается при a = 0, а на-
пряжение ca2 - при a = л (см. рис. 4.3). Следовательно, коэффици-
ент пропорциональности vn.c целесообразно выбирать из условия
равенства напряжений oal = оа2, которое достигается на вершине
тора при a = тг/2.
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 213
Приравнивая (4.21) к (4.22) при а = тг/2 и учитывая (4.20), по-
лучаем зависимость для углов намотки тороидальной оболочки,
намотанной по кривой постоянных скоростей:
tgpnc(a) = vn C(t7 + cosa) = (a + cosa)/ (4.23)
где vnc=l/(a^). При этом угол намотки на вершине тора со-
гласно (4.23) будет равен = 35° 16'.
Толщину оболочки на большом экваторе тора находят из
(4.21):
Чм» =^^(1 + «а + 1)2)- (4.24)
2<\км я + 1 v 7
Массу оболочки определяют интегрированием уравнения (4.7)
после подстановки в него (4.13) с учетом (4.24) и значения
v,..c=l/(«V2):
Рра-ЛобРкм 2a + 1 За2 + 2а + 1у
Мп.с =—----------Z---------2---/п.с(я)’ (4-25)
QbKM а
где /nc(tz) - относительная длина витка нитей, /пс(а) =
= cosPnC0J da <0. Если <7 = 4, то Т (а) = 0,921.
л oeosPnca
Траекторные параметры намотки тороидальных оболочек, на-
мотанных по кривой постоянных скоростей, устанавливают по ме-
тодике, изложенной в гл. 6.
4.2. Анализ ограничений, связанных с намоткой
тороидальных оболочек кругового сечения
и криволинейных труб
4.2.1. Анализ неравнонапряженности нитей.
Интегральная оценка
Изготовление методом намотки композитных оболочек торои-
дальных конструкций по различным схемам армирования связано
с рядом ограничений конструктивно-технологического характера:
по неравнонапряженности нитей; по предельному углу намотки;
214 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
по коэффициенту трения в случае намотки тороидальных оболочек
и криволинейных труб не по геодезическим линиям поверхности.
Наиболее существенное влияние на несущую способность и
массовое совершенство тороидального сосуда оказывает неравно-
напряженность нитей, зависящая от геометрических параметров
оболочки и схемы ее армирования. Проведенный анализ различ-
ных схем армирования показал, что все тороидальные оболочки
кругового сечения будут разрушаться в области большого эквато-
ра тора (а = 0) при достижении однонаправленным КМ своего пре-
дела прочности св км- В других точках напряжения ст(/ (рис. 4.4, а)
будут меньше предельных, т. е. ст(/ < ствКм-
Рис. 4.4. К определению среднего предела прочности однонаправленного
КМ, реализуемого в конструкции тороидальной оболочки кругового се-
чения (а) и зависимость относительного приращения массы АЛ/ от
параметра а (5):
7 - кривая постоянных скоростей; 2 - спирально-поперечная намотка; 3 - рав-
новесная кривая; 4 - продольно-поперечная намотка (тл = 0)
Для оценки неравнонапряженности нитей введем интеграль-
ный критерий
ст 1 71
К° = ^- =----------/ст(а)б7ос<1, (4.26)
ПвКМ ЛПвКМ 0
показывающий, какую часть предела прочности однонаправленно-
го КМ можно теоретически реализовать в композитной оболочке
(см. рис. 4.4, а). Критерий (4.26) называют коэффициентом нерав-
нонапряженности. В (4.26) ста - средний предел прочности, теоре-
тически реализуемый в конструкции силовой оболочки.
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 215
Для многослойной оболочки коэффициент неравнонапряжен-
ности определяют как сумму коэффициентов А?ст/ каждого слоя,
входящего в (4.26) со своим массовым коэффициентом.
Сравнивая массы равнонапряженных торов ^кмтт=
-ЗРраз^обРкм/qbkm (3-9) и круговых тороидальных оболочек
(4.8), (4.18) с учетом (4.12), (4.25) и зависимости (4.26), получаем
выражения для определения коэффициентов неравнонапряженно-
сти нитей композитных тороидальных оболочек с различными
схемами армирования:
_ За_
° овКМ (За + 2)/р(а)’
Г'ГЛ _ _ З(<3 + а + 2) 2а
') — у ( 1 .)
овКМ (За2+5)/гд(а) 2а + 1
кп.с = Одс =________За2 _ 2а
° овКМ (За2 + 2а + 1)Гпс(а)2а + Г
При этом следует отметить, что масса композитных торои-
дальных оболочек кругового сечения в \/КП раз больше массы рав-
нонапряженных оболочек. Поэтому относительное приращение
массы таких оболочек составит
ДЛ/(а) = ~ Мкмт'п = _!-----1, (4.28)
^KMmin
где А/круг и A/KMmin - массы круговых и равнонапряженных ком-
позитных тороидальных оболочек, выполненных намоткой нитей.
Для рассматриваемых схем армирования выражение (4.28)
графически представлено на рис. 4.4, б, из которого следует, что с
позиции приращения массы практический интерес представляют
тороидальные оболочки кругового сечения с параметром а > 3...4.
Проанализировав (4.27) и (4.28), а также зависимости, приве-
денные на рис. 4.4, б, можно заметить, что с уменьшением гео-
метрического параметра а неравнонапряженность нитей резко
возрастает. Следует отметить, что для равнонапряженных оболо-
чек /Сст(я) = 1.
216 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
4.2.2. Анализ предельных углов намотки тороидальных оболочек
и криволинейных труб
Другим ограничением, возможным при спиральной намотке
тороидальных оболочек и изогнутых участков криволинейных
труб, являются предельные углы намотки. Это ограничение связа-
но с отрицательной кривизной тороидальной поверхности и гео-
метрическими параметрами оболочки. В связи с этим для торои-
дальных оболочек существуют максимальные, или предельные,
углы намотки нитей Рпр, в случае превышения которых нити пере-
стают касаться поверхности оправки на ее внутренней стороне в
диапазоне значений п / 2 < а < л. Отход нитей от поверхности оп-
равки возможен при углах намотки (укладки), превышающих на-
правление асимптотических линий на торе. Все направления с уг-
лами Ра > Рпр имеют в диапазоне значений л/2 < ос < л отрицатель-
ную нормальную кривизну Кп.
Запишем формулу Эйлера для нормальной кривизны кривой в
произвольном направлении:
= K1cos2p + K2sin2p, (4.29)
где К\ и К2 - главные кривизны поверхности. Для тороидальной
оболочки кругового сечения (см. рис. 4.1) имеем
= 1//? = const; К2 = cos ос/[Я(я + cos ос)].
Подставляя кривизны К\ и К2 в (4.29) и приравнивая ее правую
часть к нулю, получаем
tgPnp = J-^^. (4.30)
V cosot
Из (4.30) следует, что углы Р,1р достигают своего минимума на
малом экваторе тора при а = л. Следовательно, допустимые углы
намотки в области малого экватора не должны превышать значе-
ние рпр (рис. 4.5):
Рл < рпр = arctg= arctg7 2ц/(1 - ц). (4.31)
Отсюда следует, что при ц = 0 (а = 1) Рпр = 0, если ц —> 1, то Рпр —>
->л/2.
Гпава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 217
На рис. 4.5 приведены зависимости угла Рпр, построенные по
(4.31), от параметра ц. Из рисунка следует, что тороидальную обо-
лочку кругового сечения с ц < 0,4 (а < 2,2) наматывать по геодези-
ческой кривой равнонапряженных торов Ргд нельзя, так как Ргд =
“ Рп - Рпр-
Рис. 4.5. Зависимости угла Р,1р,
построенные по (4.31), от па-
раметра ц:
/ - 3.1С (VI1C оо); 2 - Рпр = 3 -
Р,д; 4 - Р(. = 35° 16' (заштрихован-
ная область - запрещенные углы
намотки)
Ограничение, связанное с отходом нитей от поверхности оп-
равки, имеет место и при намотке тороидальных оболочек круго-
вого сечения и криволинейных труб при армировании композит-
ной оболочки с постоянным углом Рс = const, в случае продольно-
поперечной намотки, при намотке по кривой постоянных скоро-
стей Рп с.
4.2.3. Анализ углов геодезического отклонения нитей при намотке
тороидальных оболочек кругового сечения и криволинейных труб
Еще одно ограничение связано с соскальзыванием нитей с по-
верхности оболочки в случае намотки их не по геодезическим ли-
ниям. Возможность намотки без соскальзывания ограничена ко-
эффициентом трения прядей нитей о поверхность оправки и меж-
ду собой. Коэффициент трения f зависит от натяжения нитей,
вида армирующих волокон, состояния связующего, свойств мате-
риала поверхности оправки и в каждом конкретном случае опре-
деляется экспериментально. Следовательно, угол геодезического
отклонения не должен превышать допустимый или предельный
коэффициент трения.
Тангенс угла геодезического отклонения (рис. 4.6), равный ко-
эффициенту трения, находят из зависимости
ttf) = KT!JK„=f, (4.32)
218 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
где Кп - нормальная кривизна кривой С, лежащей на поверхности
S, определяемая по формуле Эйлера (4.29); А?гд - геодезическая
кривизна кривой С, лежащей на этой поверхности; 0 - угол между
нормалью к поверхности п и нормалью к кривой т.
Рис. 4.6. Нормальная Кп и
геодезическая Кга кривизны
кривой С, лежащей на то-
роидальной поверхности S, в
точке М
Если на поверхности тора кругового сечения в качестве орто-
гональной системы координат выбрать направления вдоль мери-
диана а и ширины ср, то геодезическая кривизна кривой может
быть найдена из выражения
К..,
EG
„ G' z G' , з
G 2E
(4.33)
где E и G - коэффициенты первой квадратичной формы торои-
дальной поверхности, Е = R2, G = /?2(a + cosoc)2.
Уравнение кривой намотки в координатах ср и а согласно (4.9)
имеет вид
<Р = Фа = J g- da. (4.34)
о я + cosoc
Дважды продифференцировав (4.34) по углу а и подставив
значения ср^ и ср"а в (4.33), получим
1 fsinocsin6ГУ п
гд я + cosa adaJ
(4.35)
Формула (4.35) описывает геодезическую кривизну кривой,
лежащей на поверхности тора кругового сечения и заданной урав-
нением (р = /(ос) в виде (4.34). Совместно решив (4.29), (4.35) и
(4.32), имеем
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 219
у > tg0- s^n0Cs^nPa -(# + cosa)cosPaб/р/б/ос
COSOC + 67COS2 Ра
По (4.36) можно определить значение tgO для случая намотки ни-
тей на тороидальную оболочку кругового сечения или на изогнутый
участок криволинейной трубы по негеодезическим кривым и затем
сравнить его со значением допустимого коэффициента трения /цОП.
Чтобы найти тангенс угла геодезического отклонения для рав-
новесной и пропорциональной кривых, подставим значения sinPa,
cosPa и Р^ из (4.3) и (4.23) в (4.36), тогда
sina((7/4)tf + cosa)
tg0p =----------А- - ; (4.37)
(б? + cosa)5J(67 + cosa)(367 + 2cosa)
vn c sina(2 + v2 Aa + cosa)2)
tg0-=?—- ------------’-----2 <4-38)
(1 + c cosa(67 + cosa))^/l + vn c(a + cosa)
Зависимости тангенса tg0 вдоль меридиана тора от угла а, по-
строенные по (4.37) и (4.38), приведены на рис. 4.7. На рисунке
видно, что кривые имеют сильно выраженный максимум, лежащий
в диапазоне значений л/2<а<л. В экваториальных точках при
углах a = 0 и a = л (соприкасающиеся цилиндры) угол геодезиче-
ского отклонения 0 = 0. При этом максимум значения tg0 = f
уменьшается с увеличением геометрического параметра а и при
67 —> 00 угол 0тах —> 0.
Рис. 4.7. Зависимость тангенса угла гео-
дезического отклонения tgO = f вдоль
меридиана тора при намотке оболочки
по равновесной кривой, по кривой по-
стоянных скоростей и с постоянным уг-
лом Рс= 35° 16' для некоторых значений
параметра 67 от угла а:
/,3,5-ар = 2,5,4, 6; 2-д11С = 4; 4- дрс =4
tgO
0,42
0,35
0,28
0,21
0,14
0,07
0 30 60 90 120 а, град
Известно, что максимально допустимый коэффициент трения
нитей при намотке композитных оболочек лежит в пределах/дОП =
= 0,20...0,28.
220 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Это обстоятельство ограничивает возможность изготовления
методом намотки без соскальзывания нитей по равновесной кри-
вой и по кривой постоянных скоростей тороидальных оболочек
кругового сечения и изогнутых участков криволинейных труб с
геометрическими параметрами а < 4...5 (ц < 0,60...0,65).
4.2.4. Выбор ширины однонаправленной ленты, наматываемой
на тороидальную оболочку кругового сечения
Выбор ширины наматываемой ленты тесно связан со способом
намотки и схемой армирования композитной тороидальной обо-
лочки. При мокром способе намотки нити, образующие прядь, мо-
гут перемещаться относительно друг друга в осевом направлении,
т. е. вдоль наматываемой ленты. Это обстоятельство позволяет
проводить намотку оболочек с постоянным натяжением каждой
отдельной нити в пряди или ленте.
При сухом способе намотки нити в ленте препрега
зафиксированы относительно друг друга и не могут изменить свою
длину при укладке их на криволинейную поверхность. Поэтому
основным ограничением является разность длин нитей и,
следовательно, неравномерность натяжения каждой из нитей
ленты, лежащей на криволинейной поверхности оболочки как в
процессе ее намотки, так и при эксплуатации изделия.
Максимальная разность длин нитей не должна превышать до-
пустимого удлинения нитей в результате технологического натя-
жения. Натяжение нитей при намотке - один из существенных тех-
нологических факторов, влияющих на структуру и свойства полу-
чаемого материала композитной оболочки.
Так, для однонаправленных стеклопластиков можно выделить
некоторое оптимальное значение натяжения из интервала 15...20 %
от нагрузки разрушения, действующей на нить в состоянии ее пере-
работки. При этом относительная деформация нити в результате
натяжения составит 0,4...0,6 %. Для органопластиков натяжение
при намотке может быть значительно выше и равно не менее 30 %
от нагрузки разрушения, действующей на нить, что соответствует
0,8... 1,2 % относительной деформации нити при растяжении.
Таким образом, зная в каждом конкретном случае допустимую
деформацию нитей при намотке, можно выбрать или назначить
необходимую ширину наматываемой ленты.
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 221
Чтобы сравнить между собой длину крайних витков нитей в
наматываемой ленте с теоретической кривой, т. е. с длиной витка
центральной нити, требуется определить уравнение, описывающее
траекторию укладки крайних витков нитей на тороидальную по-
верхность.
Для этого предположим, что лента, лежащая на тороидальной
поверхности, имеет ширину t = /л, а расстояние от нее до оси вра-
щения тора г = га. Также примем, что лента при намотке может
изгибаться в своей плоскости, но ее нормальная ширина остается
постоянной, т. е. нет жгутования ленты.
Пусть центральная ось ленты пересекает меридиан тора под
расчетным углом намотки Р = Ра. При этом угловое положение
ф = фа середины ленты на широте оболочки размером га будет оп-
ределяться выражением (4.34). Тогда для левого флев и правого
Фправ краев ленты (рис. 4.8) можно записать:
<рлев = (рДд(р = <р„+^-—------J—-- = ? tg^eB(^a; (4.39)
2 27? (tf + cosoc)cospa о a + cosa
,1. 'л 1 *? tgP (a)
Фправ = Ф + ТДФ = Фа “Тк—-----—-----IT = J (4Л0)
р 2 27? (я + cos a) cos ра о a + cosa
где Злев И РПрав - углы намотки левого и правого краев ленты на
расстоянии ra = 7?(a + cosa) от оси вращения тора.
Подставив значение фа из (4.34) в (4.39) и (4.40), продиффе-
ренцировав и алгебраически преобразовав полученное выражение,
найдем
^ёРлсв ^Рправ
sina
4# + cosa
cosp;) i
cospaJcospa
• (4.41)
Выражение (4.41) представляет собой общее уравнение кри-
вых, которые расположены от расчетной траектории намотки на
расстоянии, равном половине ширины /л/ 2 наматываемой ленты.
Для геодезической намотки, определив значение cosPa и его
производную из (4.11) и подставив найденные значения в (4.41),
получим
tsK. = (Вк;„ = tgpg±^ Si"a . (4.42)
27? (а 4- cos a) cos Pa
222 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Рис. 4.8. Сечение ленты шириной
/л, лежащей на тороидальной по-
верхности на расстоянии га от ее
оси вращения:
I - край ленты; 2 - лента; 3 - нить
Для равновесной намотки с использованием (4.3) найдем
n 2a + cosa
cos|3a = J-----------;
V Зя + coscx
n, asincx
cosp^ =--------------z-----
2(3д + 2cosa)2 cos0a
Подставив значения cos[3a и cosP^ в (4.41), запишем
tgBp =tgBp =tgB +-^ --“-.fl----)—1—
ьРлев ёРправ ° 2 А <я + cos оц 2(3a + 2cosa)JCOSpa
(4.43)
При меридиональной намотке (Pa = 0) из (4.41) следует, что
t sin CL
tgK:Bp=tgp”eapB=(4.44)
2/?a + cosa
Отметим, что в экваториальных точках тороидальная обо-
лочка имеет соприкасающиеся цилиндры. В связи с этим на эква-
торах оболочки углы намотки для всех нитей ленты должны быть
одинаковыми. Действительно, при a = 0 и a = л из формул (4.42)
и (4.43) можно записать, что sina = 0 и Рлев = Рправ = Ра, а из фор-
мулы (4.44) - что Рдев = Рправ = 0, т. е. нити наматываются вдоль
меридианов.
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 223
Теперь, зная углы наклона крайних нитей ленты к меридиану
тора, определяем длину их витка из дифференциального соотно-
шения dl = б/s/cosРа (см. рис. 3.2). После подстановки в него
ds = Rda и созРлев, cosPnpaB из (4.42) и (4.43) получим
2л
ил — /гл — п Г _________
*лев *прав J
О
COS
da
' п sina(/„/(2R)}
arctg tgpa±——------------J-
l (a + cosa)cos p
/р =/p
лев прав
da
; (4.45)
cos < arctg tgPa±
tn sin a
27? a + cosoc
^tg2Pa 1 '
2(3«+ 2 cos a) JcosPa^
(4.46)
где /лев, /прав - длины витков левой и правой крайних нитей наматы-
ваемой ленты. Для ленты, наматываемой по меридиану, длина ее
крайних нитей составит
/2 sin2 a
47?2 (tz + cosa)2
t/a.
(4.47)
Определив длину витков крайних нитей ленты для рассматри-
ваемых схем армирования по (4.45)-(4.47), найдем их отличие от
теоретической линии:
а Т z АТ х ^лев(^прав) ч пп? d(X /л лох
Чев(Чрав) =-------7“-------; l = l(a) = 2R\---—, (4.48)
1(a) ocospa
где / = 1(a) - длина теоретической кривой при Гл/(27?) = 0. При
этом для меридиональной намотки круговых торов /мср = 2тг7?.
Таким образом, зная относительную разность длин витков на-
матываемых нитей Д/, можно выбрать допустимую ширину лен-
ты /лоп в соответствии с заданным технологическим натяжением и
деформациями наматываемого материала.
224 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Рис. 42). Зависимость значе-
ний Д/ от ширины ленты тл
для двух значений а и мери-
диональной (2, 4 при а = 4 и 3),
равновесной (5 при а = 4) и
геодезической схем армирова-
ния (7, 3 при а = 3 и 4)
На рис. 4.9 приведены зависимости значений Д/ от ширины
ленты тл = /л /(27?) для двух значений параметра а тора и трех
схем армирования: геодезической (кривые 7, 3), меридиональной
(кривые 2, 4) и равновесной (кривая 5). Следует отметить, что наи-
меньшая относительная разность длин витков нитей Д/ в зависи-
мости от ширины ленты тл = /л / (27?) получается при намотке то-
роидальных оболочек по равновесной кривой.
4.3. Композитные тороидальные оболочки
с продольно-поперечной схемой армирования
4.3.1. Конструктивно-технологический анализ
тороидальной оболочки с продольно-поперечной
схемой армирования
На тороидальных оболочках методом совместной намотки мо-
жет быть реализована продольно-поперечная схема армирования
(рис. 4.10), которая формируется путем укладки (намотки) неширо-
ких лент в продольном (окружном) направлении. Одновременно на
продольный слой наматывается поперечный слой (рис. 4.10, а).
Продольно-поперечная намотка тороидальных оболочек дос-
таточно проста в кинематическом исполнении и не требует приме-
нения управляющих программ, а одновременное формирование
продольного и поперечного слоев (рис. 4.10, 6) сокращает время,
затрачиваемое на процесс намотки композитной оболочки, по
сравнению со спиральной намоткой одной лентой. Кроме того,
появляется возможность создания разъемных по меридиану то-
роидальных конструкций, используемых в качестве не только со-
судов давления, но и контейнеров, заполняемых твердыми предме-
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 225
тами, а также изготовления криволинейных патрубков, коробча-
тых шпангоутов или корпусов снарядов.
Рис. 4.10. Стеклопластиковая тороидальная оболочка с продольно-попе-
речной схемой армирования после испытания действием внутреннего
давления (я), схема намотки слоев такой оболочки (б) и раскладчик про-
дольного слоя для лент шириной 2 мм (в):
1 - песчано-полимерная оправка; 2 - герметизирующая оболочка (лейнер);
3 - нити (лента) продольного слоя; 4 - нити (лента) поперечного слоя
Однако для реализации продольно-поперечной намотки то-
роидальных оболочек на станке СНТ-2А или СНП-3 (см. разд. 5.3)
кроме орбитальной намоточной головки необходимо дополни-
тельно установить раскладчик продольного слоя (рис. 4.10, в), что
существенно усложняет конструкцию торонамоточного станка,
подготовку намоточного препрега и технологической оснастки.
226 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Рассмотрим композитную тороидальную оболочку кругового
сечения, которая образована одновременной намоткой продольных
и поперечных слоев нитей. Пусть одна система нитей (см.
рис. 4.10, б) укладывается в направлении широты с углом намотки
Р = 71 / 2. Эту систему будем называть продольным слоем. Другая
система нитей наматывается в меридиональном направлении с уг-
лом Р = 0. Такую систему назовем поперечным слоем.
В первом приближении полагаем, что под действием внутренне-
го давления продольный слой полностью воспринимает окружные
силы в тороидальной оболочке и не влияет на несущую способность
поперечного слоя, намотанного сверху на продольный. Кроме того,
примем, что ширина t = 1л2 ленты, укладываемой в продольном на-
правлении, стремится к нулю и не оказывает влияния на несущую
способность (равнонапряженность) продольного слоя.
На основании изложенного выше для тороидальной оболочки
с продольно-поперечной схемой армирования уравнения (4.1) и
(4.2) запишем в следующем виде:
, p7?2tz + cosoc
=ста1йа1 =------------;
2 я + cos а
N2= °a2ha2 = PR/2’
(4.49)
(4.50)
где са1 и ca2 - напряжения в нитях поперечного и продольного
слоя на широте а; Ла1 и Ла2 - толщины слоев оболочки.
Из (4.50) следует, что расчетная толщина продольного слоя
составляет
, , Ppa>R
"2 “ "a2 ~ —-----= const,
2qbkm
(4.51)
где ppa3 - давление разрушения; свкм - предел прочности однона-
правленного КМ при растяжении. Следовательно, продольный
слой постоянен по толщине всего сечения и все нити в нем имеют
одинаковый уровень напряжений.
Для поперечного слоя угол намотки [3 = 0. Тогда с учетом ус-
ловия непрерывности намотки в поперечном направлении гаЛа =
= const запишем
h\ = Ла1
67 + 1
a + cosa’
(4.52)
- ^01 ~ ~
га
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 227
где Л01, го - начальная толщина поперечного слоя намотки и радиус
вращения оболочки на большом экваторе тора. Подставив значе-
ния Ла1 (4.52) в (4.49), определим напряжение, действующее в ни-
тях поперечного слоя:
_ p7?(2« + cosa)
2/?0|(а + 1)
(4.53)
Напряжения (4.53) достигают своего максимума на большом
экваторе тора, поэтому начальная толщина поперечного слоя на-
мотки равна
*01
Рра.,/?(2б7 + 1)
2°вКм(0 + 1)
(4.54)
Массу каждого слоя
поперечной намоткой, определим по (4.7). Последовательно под-
ставим толщины /?1, /?2 и /?о1 из (4.52), (4.51) и (4.54) в (4.7), про-
суммируем и получим
оболочки, образованную продольно-
_ Рраз^обРкМ 2а + 1
КМ1 “
ПвКМ а
_ Т^раз^обРкМ
КМ2 ~ ’
ПвКМ
(4.55)
Рраз^обРкМ За + 1
ПвКМ а
где Л/КМ1, Л/КМ2 и Л/п п п - массы поперечного и продольного сло-
ев, а также композитной тороидальной оболочки в целом.
Последовательно подставим в (4.26) напряжения па1 и са2 в
слоях из (4.53) и (4.50) и найдем коэффициент неравнонапряжен-
ности нитей композитных тороидальных оболочек с продольно-
поперечной схемой армирования:
^оп.п.н = ®«п.п.н /СТвКМ = Зб7/(367 + 1). (4.56)
Графическая зависимость относительного приращения массы
композитной тороидальной оболочки, изготовленной методом
228 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
продольно-поперечной намотки, на основании (4.28) с учетом
(4.56) приведена на рис. 4.4, б.
Если тороидальная оболочка с продольно-поперечной схемой
армирования выполнена многослойной, то, чтобы слои равномер-
но воспринимали нагрузку от внутреннего давления, они должны
чередоваться друг с другом. При этом первый продольный слой
должен располагаться между герметизирующей оболочкой и по-
перечным слоем, а при многослойной намотке - между двумя по-
перечными слоями. В этом случае суммарное число слоев оболоч-
ки составит zs=Z]+z2, где z\ - число поперечных слоев,
Zj = z2 +1; z2 - число продольных слоев.
Равновесие (удерживание от соскальзывания) нитей продоль-
ного слоя на поверхности оправки при совместной намотке слоев
возможно только путем прижатия их к оправке нитями поперечно-
го слоя. При этом требуемое натяжение нитей поперечного слоя и
сила прижатия будут зависеть от места расположения нитей про-
дольного слоя на оправке, т. е. от радиуса вращения оболочки.
Пусть продольная лента шириной /2, натянутая силой FHT2 и
прижатая к оправке поперечной лентой шириной t\, натянутой си-
лой FHTi, удерживается от соскальзывания силой трения F
(рис. 4.11), действующей между продольной лентой и оправкой
или поперечной лентой. При этом сила FHT2 на наружной стороне
тора (ос <71/2) прижимает ленту к оправке, а на внутренней сто-
роне тора (а>71/2) отрывает ленту от оправки в направлении
второго главного радиуса кривизны оболочки /?2 = /cos ос.
Рис. 4.11. Схема взаимо-
действия продольных и по-
перечных лент при укладке
и намотке их на тороидаль-
ную оболочку
Возникновение силы трения F возможно при наличии коэф-
фициента трения f и нормального к поверхности оправки давления
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 229
сжатия /?сж, возникающего от силы натяжения ленты FHT] в попе-
речном направлении. Тогда условие равновесия укладываемых
лент на поверхности контакта имеет вид
„ G с r,(a)sina Г](а)
Лт тт = ^нт2 -----— + ^2 —(-cosa),
2/? 2r f 2г
(4.57)
где /] и /2 - ширины наматываемых лент; /j(a) - ширина зоны кон-
такта в направлении широты, /Да) = txrQ/ га. Заменив силы FHii и
FHT2 напряжениями сН11 и сН12, возникающими от натяжения в лен-
тах при их намотке (см. рис. 4.11), из (4.57) получим
°нт! _ ^2
пш2 ЛД^ + cosa)
/ .
sina
./доп
-cosa
(4.58)
где h\ и Л2 - толщины наматываемых лент. На наружной стороне
тора при a < л / 2 отрывное воздействие продольных лент на попе-
речные ленты отсутствует, и в (4.58) сомножитель будет равен
sina//TO1,.
Из (4.58) следует, что намотка поперечной ленты при а —> 1
(жгут) должна осуществляться с максимальным натяжением лен-
ты, а при а —> °° (цилиндр) - с минимальным натяжением, прак-
тически равным нулю. Неблагоприятен случай, когда продольная
лента лежит на вершине тора. Тогда при а = 4 h\ = /?2, f = 0,2 и
a = тг/2 . По (4.58) рассчитаем, что натяжение оНт1 = 1,25qiit2.
4.3.2. Определение напряжений в поперечном слое
тороидальной оболочки с учетом влияния продольного слоя
Работоспособность тороидальной оболочки с продольно-
поперечной схемой армирования под действием внутреннего дав-
ления достигается в том случае, если поперечная лента будет до-
полнительно воспринимать сдвиговые силы, возникающие от воз-
действия на нее продольной ленты. Действительно, после растрес-
кивания связующего каждый «свободный» виток продольной
ленты будет удерживаться в равновесии напряжением межслойно-
го сдвига, создающим дополнительную распределенную нагрузку
на поперечную ленту. На внутренней стороне тора при a >71/2
поперечная лента должна еще воспринимать и отрывные силы
230 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
N^p, возникающие от действия витков продольной ленты в нор-
мальном к тороидальной поверхности направлении.
В соответствии с изложенным (рис. 4.12) суммарная сила /V1Z,
действующая на поперечную ленту, с учетом влияния продольной
ленты на внешней стороне тора в диапазоне значений 0 < ос < л/2,
составит
=^,Ла1 = + С = TV, +W2(/?/rJsina, (4.59)
где /V2t (см. рис. 4.12) - сила, появляющаяся от межслойного
сдвига в поперечном направлении, обусловленная влиянием сил,
возникающих от продольной ленты; N2 - окружная сила в элемен-
те оболочки единичной длины, N2 = pR/2 .
Рис. 4.12. Расчетная схема тороидальной
оболочки кругового сечения с продольно-
поперечной схемой армирования:
1,2 - продольная и поперечная ленты
Подставив значения и N2 из (3.5) и ra =/?(a + cosoc) в
(4.59), получим
у , р/? 2я +cos ос + sin ос
1Ла! = -Z---------------
2 a + cosa
(4.60)
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 231
После подстановки значения йа1 (4.52) в (4.60), найдем
х _ ^раз^ 2a + cosoc + sinoc
^al — ~ 7
2Л01
(4.61)
а + \
На внутренней стороне тора в диапазоне значений л / 2 < а < л
суммарная сила действующая на поперечную ленту, составит
^lL=^al=^+^r+^l2P =
(4.62)
= tVj + jV2 (/?/ra)sinoc-N2 (/?/ra)cosoc,
где ^2;;(см. рис. 4.12) - сила, действующая в поперечной ленте за
счет отрывной силы витков продольной ленты в нормальном на-
правлении.
Подставляя значения А) и N2 из (3.5) в (4.62) и учитывая (4.52),
получаем
е АхгЛ 2a + sinoc
°al = ^7----------——
2й01 а + \
(4.63)
Анализируя (4.61) и (4.63) замечаем, что напряжение о^в ни-
тях поперечного слоя достигает своего максимума при а = л / 4.
Приравняем максимальное напряжение (4.61) при ос = п/ 4 к
пределу прочности ов км однонаправленного КМ при растяжении и
найдем начальную толщину поперечного слоя на большом эквато-
ре тора при ос = 0:
, /?разЛ 2(7 + 1,414
Л10 =—------------------
2овКМ (7 + 1
(4.64)
Массу поперечного слоя определим из уравнения (4.7), в кото-
рое подставим толщину ha (4.52), и с учетом (4.64) запишем
,, Рраз^обРкМ 2(7 + 1,414 /?раз^обРкМ2 2(7 + COS45°
= —---------------------= —------------------------. (4.65)
ПвКМ а ПвКМ а
232 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Выражение (4.65) дает несколько большее значение массы по
сравнению с ранее полученным значением A/Kmi (4.55) для торои-
дальной оболочки с продольно-поперечной схемой армирования
без учета влияния продольного слоя на напряженное состояние
поперечного слоя. Например, для тороидальной оболочки с пара-
метром а = 4 разность масс ДА/ - М\ - поперечного слоя по
(4.65) и (4.55) составляет 4,6 %.
При этом максимальное напряжение межслойного сдвига на
основании Д\2т = N2 (/?/r(X)sina = тсдЛ определяют по формуле
^Passina
СД 2(47 +cosot)
(4.66)
Из формулы (4.66) следует, что максимум значения тсд дости-
гается при ocmax = arccos(-l/#). Пусть = 60 МПа, параметр
тора а = 4, а угол остах = 104,5°, тогда тсд = 7,8 МПа, что в не-
сколько раз меньше реального значения напряжения межслойного
сдвига однонаправленных КМ.
4.3.3. Определение деформации и напряжения
продольной ленты конечной ширины
В отличие от меридиональной намотки ширина наматываемой
ленты, укладываемой в продольном направлении, сильно зависит
от места ее расположения на поверхности тороидальной оболочки,
т. е. от радиуса вращения ra = R(a + cos ос) или угла ос.
Для выбора ширины наматываемой ленты найдем среднее на-
пряжение в продольных лентах, определив разность длин крайних
нитей в лентах препрега, которые образуют продольный слой то-
роидальной оболочки.
Рассмотрим положение продольной ленты шириной /2 = G на
широте тора (рис. 4.13, а) в диапазоне значений угла ос... ос + Дос,
где Дос = t2 / R = 2тл (тл - угловая ширина ленты). Для тороидаль-
ных оболочек кругового сечения разность длин крайних нитей
продольной ленты составит
д/ = /а - /а+Да = 2л(га - га+Да) = 2 л/? (cos а - cos(a + 2тл)). (4.67)
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 233
Разделив обе части равенства (4.67) на длину Za =
= 2л/?(47 + cos ос), найдем относительную разность длин крайних
нитей ленты:
д7(а) = Д/ = со5«-со5(« + 2Ь) (46g)
1а а + cos а
Решив (4.68) для относительной ширины ленты, получим
/ (2Я) = тл = (1 / 2)arccos[(l - AOcos а - аД7] - (1 / 2)а, (4.69)
где угол а изменяется в пределах 0<ос<л-2тл. Значение тл в
(4.69) будет минимальным при угле ос = ocmin, который определяют
из выражения
C0SCXmin
Д/(1 + а2)-2
2а(1-ДГ)
(4-70)
Если задать разность длин крайних нитей в ленте постоянной,
то по (4.69) можно рассчитать ширину продольной ленты в зависи-
мости от угла ос. Такие зависимости приведены на рис. 4.13, а.
Рис. 4.13. Зависимости ширины тл ленты от угла а для трех значений па-
раметра а и 47 = 0,01 (а) и средней относительной деформации ёанам
ленты от угла а при намотке нитей продольного слоя тороидальной обо-
лочки (радиус сечения R = 40 мм; параметр тора а = 4; угловая ширина
ленты 2тл = 0,05; оСщт = 103,4°) (б)
234 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Очевидно, что допустимая ширина продольных лент имеет
наименьшее значение в области вершины тора при угле ocmin (4.70)
и резко возрастает при подходе к экваториальным точкам оболоч-
ки. Это обстоятельство увеличивает ширину лент, укладываемых в
области экваторов тора (а = 0, а = я) при армировании оболочки
(см. рис. 4.10, а) по продольно-поперечной схеме. Так, для обо-
лочки с параметрами а = 4, R = 50 мм и Д/ =0,01 из (4.69) следу-
ет, что /л(ос = 0) = 15,8 мм, а при угле ocmin = 103,4° значение ши-
рины ленты минимальное: ^(ocmin) =2,1 мм.
При намотке (укладке) продольных лент с натяжением каж-
дая нить по ширине ленты растягивается неравномерно, увеличи-
вая степень деформирования от правого края ленты / =
= 2л/?(я + со8(ослев +2тл)) до левого края /лев = 2л/?(я + со8сслев)
(4.67). Текущая длина витков нитей ленты в диапазоне значений
ослсв < ос < осправ определятся как /а = 2n/?(a + cosoc).
На основании изложенного выше относительную деформацию
нитей по ширине ленты в диапазоне значений ос <ос<осппяи с
1 JI V D 11 pd D
учетом (4.67) рассчитывают по формуле
Ea(a) = kz^ =-------q + coscc----1. (4.71)
/прав о+соз(алев + 2тл)
Проинтегрируем (4.71) в диапазоне значений ослев < ос < осправ
(см. рис. 4.13, а) и найдем среднюю относительную деформацию
ленты на широте тора ос = ослев, которую необходимо создать пу-
тем натяжения ленты в процессе намотки:
1 «лсв+Да sin(oc +2т)-since+ я2тл 1
£анам =-- I ---7----" 1 • (4’72)
Да алев 2тл[а + соз(а + 2тл)]
Зависимость средней относительной деформации ленты от уг-
ла ос при намотке нитей продольного слоя приведена на рис. 4.13,
б. Таким образом, минимально необходимое (требуемое) натяже-
ние ленты (?нт при намотке нитей продольного слоя на основании
(4.72) составит
?нт(^тл,а) = Ёанам£кмСА> (4.73)
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 235
где £Км - модуль упругости однонаправленного КМ; /л, Лл - шири-
на и толщина продольной ленты.
Под действием внутреннего давления р нити в продольном
слое будут растягиваться вплоть до разрушения тороидальной
оболочки. Полагаем, что закон деформации нитей продольного
слоя под действием давления в оболочке такой же, как и под дей-
ствием их натяжения при намотке (4.72). Тогда среднее реализуе-
мое значение относительной деформации нитей по ширине ленты
в момент разрушения крайней нити (рис. 4.14) составит
еКМ ~ еКМ “ елсв + етнам’ (4-74)
где Екм - относительная деформация разрушения однонаправлен-
ного КМ в продольной ленте.
Рис. 4.14. Законы деформации
продольной ленты на тороидальной
поверхности под действием внут-
реннего давления разрушения (/) и
при намотке с натяжением на торо-
идальную оболочку(2)
Подставив в (4.74) значения елсв (4.71) и Еанам (4.72), найдем
среднюю реализуемую деформацию в продольной ленте на широ-
те тора ос = ослсв:
£2а(Т’ 67 ) “ eKM
cos ос + [sin ос - sin(oc + 2тл)] / (2тл)
67 + COS (ос + 2ТЛ )
(4.75)
Из анализа (4.75) следует, что средние деформации Е2а(т, а) в
нитях продольного слоя постоянной толщины достигают своего
минимума при ос = ocmin > л/2. Для каждого параметра тора а и
угловой ширины продольной ленты 2тл=/2/7? угол ос = ocmin в
236 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
(4.75) определяют из решения дифференциального уравнения
<7ё2а (т, a)/da = 0.
Реализуемое напряжение в продольной ленте на широте ос то-
ра согласно (4.75)
П2а = П2(°0 = е2а^КМ =
со8а + [81па-з1п(а + 2тл)]/(2тл)
— ствкм / ~ \ ^км’ (4-76)
а 4- cos (ос 4- 2тл)
где ов км - предел прочности однонаправленного КМ при растяже-
нии, овКМ =екм£км.
Зависимости напряжений в слоях тороидальной оболочки от
угла ос в момент разрушения показаны на рис. 4.15.
Cj, МПа
Рис. 4.15. Зависимости напряжений в поперечном (а) и продольном (6) сло-
ях тороидальной оболочки от угла а в момент разрушения (параметр тора
а = 4; угловая ширина ленты 2тл = 0,05; ов км - 1620 МПа; £Км = 60 ГПа):
/, 2 - с учетом и без учета влияния продольного слоя; 3,4- без учета и с уче-
том влияния ширины наматываемой ленты
Приравняв минимальное реализуемое напряжение (4.76) при
угле ос = ост1П к пределу прочности при растяжении овКМ -
= n2(ocmin) и подставив его в (4.51), определим необходимую (рас-
четную) толщину продольного слоя:
p^R
A2=A2(amin)= = const. (4.77)
2o2(amin)
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 237
Очевидно, что найденная толщина продольного слоя (4.77)
будет в пвКМ/n2(amin) раз больше толщины, определенной по
(4.51).
Для примера рассмотрим результаты экспериментальных ис-
следований. На торонамоточном станке СНТ-2А с применением
раскладчика продольного слоя (см. рис. 4.10, в) были изготовлены
тороидальные баллоны максимальным диаметром 403 мм и диа-
метром сечения 83 мм.
Стеклопластиковая тороидальная оболочка с параметром а =
= 4 получена одновременной намоткой продольного и попереч-
ного слоев (два + три). Ширина и толщина наматываемых лент,
набранных из 10 нитей линейной плотностью 14,4 мг/м, состав-
ляли Г = 2 мм, Л, = 0,055 мм. Механические характеристики од-
нонаправленного стеклопластика по результатам испытаний
кольцевых образцов-свидетелей следующие: овкм = 1620 МПа,
Екм = 58...60 ГПа, Екм = (2,3 ±0,1) %.
При испытаниях тороидального баллона измеряли относи-
тельные деформации в поперечном и продольном направлениях с
помощью тензодатчиков КБ-10-200П. Результаты измерений на
трех ступенях нагружения тороидальной оболочки давлением 1,0;
2,0 и 3,0 МПа представлены на рис. 4.16 в сравнении с рассчитан-
ными кривыми, полученными по (4.61), (4.63) и (4.75).
Рис 4.16. Зависимости относительных
деформаций е(х) и Еа2 от угла а для
поперечного и продольного слоев то-
роидальной оболочки с продольно-по-
перечной схемой армирования при
давлении 1,0 (/), 2,0 (2) и 3,0 (3) МПа:
0, □ - экспериментальные данные для
поперечного и продольного слоев;- ,
--------- расчетные данные
Sab Е(х2’
Тороидальные баллоны разрушились при давлениях /2раз = 4,12
и 3,75 МПа. При этом реализация прочности однонаправленного
238 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
стеклопластика в продольном слое на вершине тороидальной обо-
лочки (ос= л/2) составила 61,5 %.
Как и следовало ожидать, тороидальные баллоны с продольно-
поперечной схемой армирования разрушались вблизи вершины
тора в области угла ос = л / 2 (см. рис. 4.10, а).
4.4. Композитные криволинейные трубопроводы,
изготовленные методом спиральной намотки нитей
4.4.1. Конструктивно-технологический анализ
криволинейных трубопроводов, полученных
методом непрерывной намотки
Незамкнутые в кольцо тороидальные конструкции (разъемные
по меридиану торы, изогнутые патрубки и криволинейные трубо-
проводы с фланцевыми законцовками) по конструктивно-техноло-
гическим причинам могут быть выполнены только с круговым по-
перечным сечением. Эти тороидальные конструкции широко при-
меняют в пневмо- и гидросистемах ЛА и в наземном транспорте, в
трубопроводах химической и нефтегазовой промышленности, в
коммунальном хозяйстве.
В настоящее время методы расчета криволинейных трубопро-
водов, полученных намоткой из КМ, разработаны не достаточно и
не полно*. Любой криволинейный трубопровод, даже изогнутый в
двух плоскостях, можно расчленить на повторяющиеся элементы,
которые включают в себя прямолинейные и изогнутые участки
(рис. 4.17). Такой элемент трубопровода не является телом враще-
ния, однако он скомпонован из двух оболочек вращения - цилинд-
рической и тороидальной. Опираясь на опыт создания цилиндри-
ческих и тороидальных оболочек, можно разработать методику
расчета конструктивно-технологических параметров и технологию
изготовления криволинейных трубопроводов из КМ. При этом
следует иметь в виду как ряд ограничений, присущих составным
частям трубопровода (например, отход нитей от внутренней по-
верхности изогнутого участка при больших углах намотки), так и
* Теоретические исследования этого вопроса приведены в работе: Ком-
ков М.А., Буланов И.М. Определение конструктивно-технических парамет-
ров оболочек, намотанных из композиционных материалов. М., 1992.
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 239
сложность разворота нитей на концах цилиндрической оболочки в
случае спиральной намотки. Кроме того, необходимо принять во
внимание невозможность изменения формы поперечного сечения
трубопровода и расчетных углов намотки в местах стыка цилинд-
рической и тороидальной оболочек.
Рис. 4.17. Схема криволинейного трубопровода:
/ - фланец; 2 - прямолинейный участок; 3 - изогнутый участок; 4 - совмест-
ная спиральная намотка участков; 5 - изогнутая ось трубопровода
В силу непрерывности намотки в любом поперечном сечении
трубопровода будет укладываться одинаковое суммарное число
армирующих волокон, однако их распределение по сечению для
различных участков трубопровода неодинаково и не будет соот-
ветствовать напряженному состоянию оболочки.
В связи с этим рекомендуемые схемы армирования с позиции
минимизации массы для тороидальной и цилиндрической оболо-
чек могут оказаться для криволинейного трубопровода неопти-
мальными.
Рассмотрим возможность изготовления криволинейного тру-
бопровода минимальной массы. По-видимому, такой трубопровод
должен состоять из двух равнонапряженных (минимальных по
массе) оболочек: цилиндрической и тороидальной. Если цилинд-
рическая оболочка минимальной массы имеет круговое попереч-
ное сечение и постоянные углы намотки, то форма сечения равно-
напряженной тороидальной оболочки является некруговой (см.
разд. 3.3) и степень ее отличия от круга зависит от радиуса изгиба
трубы /?изг или параметра тора а.
Кроме того, углы намотки в равнонапряженной тороидальной
оболочке также изменяются по ее поперечному сечению, т. е. раз-
240 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
личны от точки к точке вдоль всего меридиана тора. Таким обра-
зом, простая стыковка равнонапряженных цилиндрической и то-
роидальной оболочек невозможна, поэтому для минимизации мас-
сы криволинейного трубопровода необходимо искать другие пути
решения задачи.
Если теперь рассматривать конструкцию криволинейного тру-
бопровода с позиции простоты его изготовления, т. е. технологич-
ности конструкции, то очевидно, что составные участки трубопро-
вода должны иметь одинаковое поперечное сечение - или круговое,
характерное для цилиндра, или расчетное (некруговое), характерное
для равнонапряженной тороидальной оболочки. Если выполнить
весь трубопровод с некруговым сечением, то прямолинейный уча-
сток под действием внутреннего давления потеряет устойчивость,
его сечение будет стремиться к круговому сечению. Кроме того,
композитная тороидальная оболочка кругового сечения хотя и явля-
ется неравнонапряженной (см. разд. 4.1), но под действием внут-
реннего давления практически не меняет своей формы.
Таким образом, приходим к выводу, что составные участки
трубопровода должны быть выполнены с круговым поперечным
сечением и иметь одинаковый диаметр по всей его длине.
Для выбора схемы армирования трубопровода рассмотрим
возможность непрерывной намотки его составных участков. Как
было показано ранее, на изогнутом участке трубы углы намотки
изменяются по сечению, а на прямолинейном участке они посто-
янны. Очевидно, что натянутая нить (лента), непрерывно наматы-
ваемая на трубопровод, не может резко (скачком) изменить свой
угол намотки при переходе с одного участка трубы на другой. Из-
менить угол намотки на достаточно большую величину можно
только в некоторой переходной зоне трубопровода, где вследствие
наличия трения между нитями и поверхностью слоя намотки мож-
но постепенно перейти от одного угла намотки к другому.
Следующая сложность заключается в том, что для каждого
витка, укладываемого по поперечному сечению трубопровода, раз-
ность значений углов намотки в зоне стыка двух участков различ-
на и, следовательно, каждому витку должна соответствовать своя
протяженность переходной зоны трубопровода как при движении
от прямолинейного к изогнутому участку трубопровода, так и при
обратном направлении намотки.
Таким образом, целесообразно, чтобы углы намотки трубо-
провода были постоянны по любому поперечному сечению, осо-
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 241
бенно если его изогнутый участок имеет небольшую протяжен-
ность, сравнимую с переходной зоной трубопровода. В этом слу-
чае масса конструкции трубопровода может быть уменьшена пу-
тем дополнительного усиления намоткой ослабленных (изогну-
тых) участков трубопровода.
Проведенный анализ показывает, что наиболее рациональной
формой поперечного сечения криволинейного трубопровода явля-
ется круговое сечение. Углы намотки спирального слоя вдоль лю-
бого сечения должны иметь постоянное значение, позволяющее
наиболее просто провести усиление изогнутого участка трубопро-
вода до уровня прочности его прямолинейного участка.
4.4.2. Криволинейный трубопровод, образованный
методом одновременной спиральной намотки
прямолинейных и изогнутых участков
Рассмотрим криволинейный трубопровод, состоящий из двух
повторяющихся в различном сочетании участков: прямолинейного
и изогнутого (рис. 4.18, а).
Далее все направления на поверхности оболочки, совпадаю-
щие с осью трубопровода, будут называться осевыми или про-
дольными, а направления, совпадающие с контуром поперечного
сечения, - радиальными или поперечными.
Изогнутый (тороидальная поверхность) участок трубопровода
образован вращением окружности радиусом R вокруг центральной
оси кругового тора на угол Фии изгиба трубы. Прямолинейный
участок имеет такой же радиус сечения R и протяженность /ц.
Пусть трубопровод наматывается однонаправленным КМ под
углом (3 к его поперечному сечению. Применяя метод сетчатого ана-
лиза и полагая, что сечение трубопровода под действием его внут-
реннего давления остается круговым, записываем поперечные и про-
дольные силы для каждого участка трубопровода в системе коорди-
нат тороидальной оболочки (см. рис. 4.18, а)\
Nn\ =o,Acos2pll = p/?; Nia =оц/гцsin2рц = pR/2; (4.78)
__ . 2о pR 2fl + cosa
^И1г1 — тор "тора COS РТОр — ,
'2 fl + COSOC
^и,г2 оратора Sin2 Ртор
242 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
где Рц = РТора = Р - угол спиральной намотки, постоянный для всего
трубопровода; пц и птор - напряжения в нитях по сечению оболоч-
ки (угол а); Лц и /гтора - толщины спиральных слоев намотки на
прямолинейном и изогнутом участках трубопровода; а - безраз-
мерный параметр изгиба трубы или геометрический параметр то-
ра, a = Rmr/R.
а
б
Рис. 4.18. Геометрические параметры типового элемента криволинейного
трубопровода и его система координат (а) и зависимости напряжений в
нитях по перечному сечению прямолинейного и изогнутого участков тру-
бопровода для двух значений параметра а = 3 и 1,5 при постоянном угле
намотки рц = Ртора = 35° 16' (б):
I ~ ^тоРа1 ’ ^тоРа2’ ^ца!’ ^ца2
Угол намотки найдем из условия равнопрочности прямоли-
нейного участка в продольном и поперечном направлениях:
= + arctg у] N2/Nl= + arctg .Д/2 = 35° 16'. (4.80)
Из условия непрерывности намотки hara cos Ртора = const
(3.10) для постоянных углов намотки Ртора = const рассчитаем пе-
ременную толщину оболочки на изогнутом участке:
^тора = ЛтоР0 (а+1)/(а + cosa). (4.81)
Поскольку любое поперечное сечение трубопровода пересека-
ет одно и то же число нитей, наматываемых под постоянным уг-
лом (4.80), то средняя толщина спирального слоя и толщина пря-
молинейного участка согласно (4.81) составят
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 243
^ср
^гоРо(<7 + |) г da a + l
п ' а + cos а тор° 7а2 -1
(4.82)
При этом текущая толщина оболочки изогнутого участка трубо-
провода согласно (4.81) и (4.82)
-1
h =h
тора
tz + cosa
(4.83)
а на вершине тора при а = л/2 меньше толщины оболочки прямо-
линейного участка трубопровода (4.83): Лторл/2 =/гцл/я2 -1 / а.
Подставив значения Лгора (4.81) и Лц (4.82) в (4.78) и (4.79), по-
лучим
_ 3pR
^ц2 ai / . <\ ’
2"торо (а + 1) (4 84)
_ 3pR 2# + cosa _ Зр/? я + cosa
<’”"1 = 2%, 2(« + |) ; = 2Л„р0 и + | '
Максимальное значение оТ0ра (рис. 4.18, 6) достигается при
а = 0, тогда расчетная толщина спирального слоя в этой точке обо-
лочки
^торО ~ вКМ ), (4.85)
где ов км - предел прочности однонаправленного КМ при растяже-
нии; - давление разрушения.
Анализ зависимостей (4.84) и кривых на рис. 4.18, б показывает,
что при давлении р = рраз максимальные напряжения в нитях оа =
= пв км достигаются только на внешней стороне изогнутого участка
трубопровода при а = 0. Во всех остальных точках, в том числе на
прямолинейном участке, напряжения в нитях существенно меньше
предельного значения, равного пределу прочности при растяжении.
Вследствие неравнонапряженности нитей изогнутый участок
трубопровода будет переутяжелен по сравнению с прямолинейным
участком. Кроме того, в силу совместности намотки обоих участков
трубопровода его прямолинейный участок оказывается намотанным
излишним числом витков нитей и тоже будет иметь излишнюю
массу, несмотря на то что выполнен равнонапряженным.
244 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Определим относительное увеличение массы трубопровода,
сравнив массу его изогнутого и прямолинейного участков с мини-
мальной массой оболочек тел вращения, выполненных методом
намотки из однонаправленных КМ. Запишем следующие соотно-
шения:
дЯор = (Чср - Ч™ )/Ч™; ДЛ/Ц = (Ч. - A/min)/Мтп, (4.86)
где Л/тор и Л/ц - массы изогнутого и прямолинейного участков тру-
бопровода, изготовленных методом совместной спиральной на-
мотки; A/min - минимальная масса равнонапряженной оболочки
объемом Ио6 при давлении рра„ Mmin =3/?ра1Ио6ркм/овКМ; ркм-
плотность однонаправленного КМ.
Массу изогнутого участка (см. рис. 4.18, а) определим по
формуле
л
Л/тор = 2ЯркмФи)Г J rahropada, (4.87)
О
где Физг - центральный угол изгиба; га - текущий радиус вращения
тороидальной поверхности, ra = /?(<7 + cosa). Подставляя значение
/гтора (4.81) в (4.87) с учетом (4.85), получаем
Чор
З/^раз^торРкМ Фргзг + 1 _ л/ 67+1
~ min ’
авКМ 2Я 67 67
(4.88)
где Игор - объем тороидальной оболочки, Игор = 2л2/?3б7. Массу ци-
линдрической оболочки находим по формуле Л/ц - по-
сле подстановки в которую значения Лц (4.82) имеем
Зр ИцРкм а + \ 67 + 1
Wu=—----------rv==^m,n-rv=
ствкм \а2 — 1 \а2 —
(4.89)
где Иц - объем цилиндрической оболочки, Иц = тг2Т?2/ц.
Подставив (4.88) и (4.89) в (4.86), найдем относительные прира-
щения масс изогнутого и прямолинейного участков трубопровода:
АЛ? = АЛ? = -1. (4.90)
а la2-1
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 245
Зависимости приращений масс ДЛ/Ц и ДЛ/тор от параметра
изгиба трубопровода а приведены на рис. 4.19. Из рисунка следу-
ет, что при малых радиусах изгиба приращение массы трубопро-
вода существенно.
Рис. 4.19. Зависимости приращений масс
изогнутого и прямолинейного участков
трубопровода от параметра а:
1 - для ДЛ/Ц; 2 - для ДЛ/тор; 3 - приращение
массы ЛЛ/Ур трубопровода с усилением изогну-
того участка при изменении его относительной
длины /тор от нуля (4) до единицы (5) и (6)
Следовательно, жестко заданное сечение, особенности рас-
пределения толщины материала по участкам оболочки, обуслов-
ленные совместностью их намотки, приводят к тому, что структу-
ра силовой оболочки криволинейного трубопровода является не-
совершенной, поэтому трубопровод имеет излишнюю массу.
4.4.3. Криволинейный трубопровод с усилением изогнутого участка
однонаправленным КМ
Утяжеление прямолинейного участка криволинейного трубо-
провода приводит к необходимости усиления изогнутого участка и
увеличения напряжений в волокнах прямолинейного участка до
разрушающих значений. Такое усиление целесообразно осущест-
вить путем продольно-поперечной намотки слоев однонаправлен-
ного КМ на изогнутом участке намотки трубопровода.
В соответствии с изложенным (рис. 4.20) запишем силы и
У2 для изогнутого участка трубопровода (4.79):
АГ 2о . pR 2fl + cosa
^1 = ЛтораСТтор COS Ртор + ------i
2 a + C°Sa (4.91)
Л/? — ^юра^тор РТОр + ~ / 2,
где Ль О| и Л2, и? - толщины и напряжения слоев усиления в попе-
речном и продольном направлениях соответственно.
246 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Рис. 4.20. Схема намотки слоев однонаправ-
ленного КМ при продольно-поперечном
усилении изогнутого участка трубопровода
Предположим, что после усиления изогнутого участка напря-
жения растяжения в волокнах всего спирального слоя трубопрово-
да постоянны (Оц = птор = const) и достигают своего предела проч-
ности при растяжении овКМ. Максимальные напряжения в волок-
нах слоев усиления также достигают своих пределов прочности:
= ПвКМ и ~ авкм-
С учетом этих допущений для давления рраз из (4.78), (4.81) и
(4.82) находим требуемую толщину спирального слоя на прямоли-
нейном и тороидальном участках:
= 1раз^ = lPpa3R . _^p^R у]а2-\ /492)
ц oBKMcos2Pu 2овКМ ’ тора 2овКМ tz + cosa
Подставляя значения Лтора (4.92) в (4.91), записываем зависи-
мости, определяющие требуемую толщину слоев усиления:
п р 2|67-a/^2-1| + cosoc
^ус _ "раз \ /
2овКМ « + cosa
, ус Ppa3R <з-л/<з2 -1 +cosa
/?а2 —
2овКМ « + cosa
(4.93)
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб ТАЛ
Из анализа (4.93) ясно, что толщины и принимают
максимальные значения при а = 0. Далее они уменьшаются и при
углах ос>тг/2 переходят в область отрицательных значений.
Следовательно, дополнительное усиление трубопровода будет
излишним.
В связи с тем что обе системы нитей не связаны между собой,
продольный слой усиления теоретически может быть выполнен с
расчетной толщиной (4.93). При этом продольное усиление в
зависимости от параметра изгиба трубопровода а. необходимо
только в диапазоне значений тг/2<а<ос2 =arccos^/#2 -1 - а
при углах а > а2 продольное усиление изогнутого участка трубо-
провода будет избыточным.
Однако толщина поперечного слоя усиления (4.93) не мо-
жет быть произвольной, она обратно пропорциональна радиусу
вращения тора. Определив значение hfi (4.93) при ос = 0 и подста-
вив его в (3.11), получим окончательное выражение для расчета
толщины поперечного слоя усиления
D р lla-yja2 -1) + 1
АуС = 2^3----\--------/_ , (4.94)
2овКМ я + cosa
которое удовлетворяет уравнению (4.91) только при а = 0. В ос-
тальных точках изогнутого участка трубопровода поперечное уси-
ление будет избыточным.
Полная масса трубопровода состоит из масс прямолиней-
ного (л/цС) и изогнутого (л/^р) участков, усиленных продольны-
ми и поперечными слоями. Подставляя толщины спирального слоя
для прямолинейного и изогнутого участков, а также толщины по-
перечных и продольных слоев усиления в (4.87) и (4.89), оконча-
тельно имеем
Д/ус — ^^рэз^цРкМ __ ду . Л//Ус — ^^раз^торРкМ Физг _
V1 ц _ limin’ 7WTop — ~ тор min’
СТвКМ °вКМ 2Л
248 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
2(я-лМ2-1) + 1
М?С = М —-----------—
1 цтш э
(4.95)
\a-\a1 - 1)ос2 + sin ос2
л/2ус = л/торт|П -------------L----------—
г АхтТГ
где Л/ус и Л/Уоср - массы спирального слоя прямолинейного и изо-
гнутого участков трубопровода, усиленных продольными и попе-
речными слоями; Л/ус и Л/2С ~ массы поперечного и продольного
слоев усиления изогнутого участка трубопровода.
Подставляя значения Л/ус и (4.95) в (4.86), получаем от-
носительное приращение массы трубопровода в целом:
АЛ/тУр=/.ор
(4.96)
где /тор и /тор - длина и относительная длина изогнутого участка,
/тоР=а/гфизг’ 4ор=/тор <ор+/,.); а2 - максимальный угол про-
дольного слоя усиления изогнутого участка трубопровода, (Ь =
= arccos (\/я2 -1 - я).
Очевидно, что снижение массы криволинейного трубопровода
(см. (4.90), (4.96) и рис. 4.19) достигается путем продольно-попе-
речного усиления его изогнутого участка. С увеличением значения
/тор до единицы, когда форма криволинейного трубопровода ста-
новится тороидальной (/ц=0), относительное приращение массы
ДЛ/ур максимально и равно ДЛ/ур (см. (4.96) и рис. 4.19).
При /тор —> 0 форма трубопровода стремится к цилиндриче-
ской и, следовательно, ДЛ/ур —> 0. Таким образом, значение при-
ращения массы в зависимости от соотношения длин участков тру-
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 249
бопровода находится в диапазоне значений 0 < AA/yp < Л/Гу^р. Это
значительно (в разы) меньше значения приращения массы трубо-
провода без усиления его изогнутого участка.
Необходимо отметить, что на практике по технологическим
причинам толщину продольного слоя усиления однонаправленным
КМ выполняют постоянной и равной максимальному значению
толщины (4.93), определенному при а = 0:
Py^R t7-\/(72 -1 + 1
2авкм а + 1
(4.97)
Подставим (4.97) в (4.87) и с учетом (4.95) найдем относи-
тельное приращение массы усиления изогнутого участка трубо-
провода по сравнению с приращением массы оптимальной (мини-
мально возможной) оболочки криволинейного трубопровода, ко-
торое записывается в следующем виде:
ДЧур=/ГОр
За
3aTi(a +1)
(4.98)
Построенные по (4.96) и (4.98) зависимости приращений
масс изогнутого и прямолинейного участков трубопровода от
параметра изгиба а при /гор = 1 приведены на рис. 4.19 (кривые 5
и б). С уменьшением относительной длины изогнутого участка
(/тор< 1) масса слоев усиления трубопровода уменьшается и для
практически значимых параметров а лежит в заштрихованной об-
ласти рис. 4.19.
Рассмотрим возможность намотки изогнутого участка трубо-
провода нитями, укладываемыми под постоянным углом к его по-
перечному сечению. Очевидно, что траектория намотки с углом
Рс = const на изогнутом участке трубопровода не совпадет с на-
правлением геодезических линий. Вследствие этого намотка без
соскальзывания возможна только при значении коэффициента
(или угла) трения, который для данной схемы армирования со-
гласно (4.36) определяется равенством
250 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
sin a sinPc
. 2 л — J доп ’
cos а + a cos рс
(4.99)
где /доп - допустимый коэффициент трения между нитями и по-
верхностью намотки.
Зависимость (4.99) для угла Рс = 35° 16' и параметра тора а = 4
графически представлена на рис. 4.7. Максимальное значение
tg0cmax определяют по формуле
tg 0етах
sinamaxSinPt f
acos2a-l/(acos2Р(.) ' до"’
(4.100)
где amax =arccos(-l/(tfcos2 Pc)j. Анализ (4.100) показывает, что
криволинейные трубопроводы с постоянным углом намотки Рс -
= 35° 16' можно армировать без заметного соскальзывания нитей
при а > 3...4.
4.4.4. Намотка трубопровода по кривой постоянных скоростей
Траектория намотки на изогнутом участке описывается кине-
(X
матическим уравнением (4.34) фДа) = tgPu j Joc/(a + cosa), а
о
опорное перемещение оправки по кривой постоянных скоростей -
кинематическим уравнением (4.20) (pilc(a) = atgPH/о, где Рц =
= 35° 16'. Тогда управляющая функция для формирования витка
нитей на изогнутом участке трубопровода определяется как раз-
ность двух приведенных выше функций:
a
АфДос) = (рг(ос)-(рГ]С(ос) = tgPu jda/(tf + cosa)-a/tf . (4.101)
.о
Однако управление траекторией намотки по кривой с постоян-
ным углом намотки Рс = рц = 35°16' в соответствии с (4.101) потре-
бует программирования каждого витка укладки нитей (ленты) на
изогнутом участке трубопровода. В связи с этим с кинематической
точки зрения наиболее просто намотку спирального слоя на прямо-
линейном и изогнутом участках осуществлять при постоянном вра-
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 251
щении намоточной головки и с равным линейным шагом переме-
щения раскладчика ленты вдоль осевой линии трубопровода.
Такая намотка соответствует схеме армирования тороидаль-
ной оболочки по кривой постоянных скоростей tgPIIC(oc) =
= vn c((7 + COSOC).
Если спиральный слой трубопровода наматывается по кривой
постоянных скоростей, то линейные шаги укладки ленты вдоль
оси трубопровода на прямолинейном и на изогнутом участках бу-
дут равны друг другу: /ц = 2n/?tgpu = nRy/2 и /тор = ФтораЯ = /ц,
где Фгор - угловой шаг намотки ленты на изогнутом участке,
Фтор =Ял/2/ а. В этом случае углы намотки рц = рторя/2 = 35° 16' и
толщина спирального слоя на прямолинейном участке и вершине
изогнутого участка трубопровода при ос = тт/ 2 также будут равны
друг другу: Лц = Л1оря/2.
Текущее значение толщины намотки на изогнутом участке на
основании (3.11) и (4.23) находится по формуле
j ^торл/2^^^^ Рторл/2 ^торл/2^ / 2 Г \ ~ ' ГуЙ i
Лтора =7-7----7—^-= —2---------J - Ll + vnc(a + cosa) J, (4.102)
(а + COSO0COSР(Х (7 + COSOC V 3 L J
где vn.c - коэффициент пропорциональности, vп с = 1 /(aV2).
В случае намотки изогнутого участка трубопровода по кривой
постоянных скоростей также необходимо проводить его усиление.
При этом толщины и массы продольного и поперечного слоев уси-
ления определяют по изложенной выше методике для намотки
композитной оболочки трубопровода под постоянным углом Рс =
= 35°16'.
Очевидно, что при усилении изогнутого участка трубопровода
в продольном и поперечном направлениях необходимые толщины
спирального слоя намотки на прямолинейном участке и на верши-
не тора будут равны друг другу (4.92):
Ац=АТоря/2- (4-103)
Подставив значения Лгора (4.102) и Лторл/2 (4.103) в (4.91), най-
дем зависимости, определяющие требуемую толщину слоев уси-
ления:
252 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
Ppjt
2авкм
2aV3
yjla2 +(а + COSOC)2 J
а
-------- 2 + cosoc-
tf + COSOC
V
, ус _ ^раз
а2 ”
2^ в км
1 (a + cosa)V3
k yjla2 +(a + cosoc)2?
(4.104)
Анализ (4.104) показывает, что толщина принимает мак-
симальные значения при а = 0, а толщина - при а = тг. В обоих
случаях на вершине тора при а = тг/2 толщины и h^c2 равны
нулю. Следовательно, дополнительное усиление изогнутого участ-
ка трубопровода при а > л/2 или а < я / 2 будет излишним.
4.4.5. Траекторно-угловые параметры намотки
криволинейного трубопровода
Для составления программы управления процессом намотки
изделия в варианте движения центра орбитальной головки вдоль
осевой линии трубопровода на станке СНП-3 (см. разд. 5.3) ис-
пользуют формулы (рис. 4.21)
*тр = cos 01 (2) + Лизг [sin 01 -sin (01 - Фп.с (а))];
Утр =/i(2)sin0i(2) + ^„Jr[cos(ei-фпс(а))-СО80,],
где /?изг - радиус изгиба изогнутого участка трубопровода, Лизг = aR\
а - геометрический параметр тора; 0] и 02 - углы между направле-
нием линейных участков и координатой х; (рпс - закон движения
оправки (4.23) относительно вращающегося с постоянной угловой
скоростью раскладчика ленты, (рпс(ос) - octgPu I Ри ~ угол намотки
на прямолинейном участке трубопровода.
В соответствии с условием плотной намотки раскладчик ленты
за один проход от одной фланцевой законцовки трубопровода до
другой должен выполнить целое число оборотов вокруг оправки
2р.л =2Ц + 2тор+2ф+Д2л> (4.106)
где zu + zTop + 7ф = целое число; гц,гтор,2ф - числа оборотов рас-
кладчика ленты на прямолинейном и изогнутом участках и на
Глава 4. Проектирование неравнонапряженных оболочек и труб 253
фланце трубопровода; Az;i - доворот раскладчика ленты на угло-
вую ширину ленты.
Рис. 4.21. К определению зако-
на движения оправки криволи-
нейного трубопровода при его
намотке на станке СНП-3
Согласно обозначениям, принятым на рис. 4.21, для слагаемых
уравнения (4.106) запишем
z = А(2) z =<x>„sr(Rmr/R).
ц 2Ti/?tgP,l’ тор 2ntgp /2 ’
(4.107)
?ф=—ln-^Ц Дгя=------------,
ф 2л 4Лбур 2n/?sinPu
где tn - ширина наматываемой ленты; h^- высота бурта фланца.
В заключение следует отметить, что методом спиральной на-
мотки из однонаправленного стеклопластика можно изготовлять
криволинейные патрубки без усиления и с усилением изогнутого
участка, а также криволинейные трубопроводы с ФПС. Их стекло-
пластиковые и пленочные герметизирующие оболочки наматыва-
ют на комбинированные (песчано-металлические) удаляемые оп-
равки на станке СНП-3. Углы намотки ПКМ по осевой линии тру-
бопровода и патрубков составляют 35° 16х, другие параметры
намотки рассчитывают по (4.105)—(4.107).
Экспериментальные исследования сопротивления внутренне-
му давлению с тензометрированием композитной оболочки прово-
дят на модельных криволинейных трубопроводах (рис. 4.22, а). В
процессе испытаний определяют характеристики деформации
стеклопластиковой оболочки, оценивают прочность заделки со-
единительных фланцев, а также изучают характер и место разру-
шения (рис. 4.22, б). При нагружении криволинейного трубопро-
254 Часть II. Проектирование композитных оболочек конструкций
вода давлением деформации определяют в поперечном (Ej) и в
продольном (е2) направлениях, а также вдоль витка нитей (еКм) с
помощью пластических тензодатчиков типа КБ-10-200П.
Намотанные стеклопластиковые трубопроводы имеют удовле-
творительную работоспособность герметизирующей и силовой
оболочек и фланцевой заделки. Эксперименты подтвердили, что
наиболее слабое место в трубопроводе - внешняя сторона изогну-
того участка, где и происходит разрушение.
Рис. 4.22. Схема криволинейного трубопровода с ФПС (а) его гидроис-
пытания (6):
/, 2 - стеклопластиковая и герметизирующая оболочки; 3 - металлический
фланец
Экспериментальные исследования модельных трубопроводов
показали, что:
• угол намотки Рц = 35° 16', являющийся оптимальным для пря-
молинейных участков, вызывает преждевременное разрушение
трубопровода на его изогнутом участке;
• массовая эффективность модельных трубопроводов после
усиления их изогнутого участка дополнительной намоткой тканой
стеклолентой сатинового плетения типа ТС-8/3-250 оказалась на
15 % выше массовой эффективности аналогичных трубопроводов
без усиления;
• максимальные деформации вдоль витка нитей в момент раз-
рушения силовой оболочки достигают значений еКм = 2,0...2,3 %.
ЧАСТЬ HI
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА
НАМОТКИ КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
РАКЕТ И СРЕДСТВ ПОРАЖЕНИЯ
Глава 5
МЕТОД НАМОТКИ В ПРОИЗВОДСТВЕ КОНСТРУКЦИЙ
ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
5.1. Технология формирования и пропитки
полимерно-волокнистой намоточной ленты
В производстве изделий из волокнистых ПКМ методом на-
мотки исходными намоточными материалами (полуфабрикатами)
являются однонаправленные ленты, составленные из нитей, жгу-
тов или ровингов, пропитанных жидкими связующими.
5.1.1. Общие сведения
Схема формирования и пропитки волокнистой ленты жидкими
связующими или растворами приведена на рис. 5.1. Нити, жгуты
или ровинги поступают из шпулярника на индивидуальные натя-
жители и с помощью гребенки собираются в ленту, которая пода-
ется в пропиточную ванну со связующим или с раствором. После
отжима связующего лента поступает на натяжитель ленты и далее
на намотку изделия или в сушильную камеру в случае изготовле-
ния препрега.
При формировании волокнистой ленты необходимо обеспе-
чить качественную пропитку нитей и оптимальное содержание
волокна в намоточной ленте. Отклонение от оптимального объем-
ного содержания волокна в КМ неизбежно снижает его предел
прочности. В связи с этим технологические параметры при фор-
мировании волокнистого наполнителя и режимные параметры
пропитки должны быть выдержаны в допустимых пределах и про-
контролированы в процессе изготовления намоточного полуфаб-
риката.
256
Часть III. Технологические основы метода намотки
а
б
Рис. 5.1. Схема формирования и пропитки волокнистой
ленты жидкими связующими или растворами (а) и пропи-
точная ванна(0:
/ - гребенка; 2 - нить, жгут; 3 - ролик; 4 - отжимные ролики;
5 - натяжитель ленты; 6 - связующее, раствор; 7 - пропиточная
ванна; I, II - способы пропитки
В производстве намоточных полуфабрикатов из волокнистых
наполнителей на основе жидких связующих или растворов наи-
большее применение нашли два основных способа пропитки (см.
рис. 5.1):
I способ - погружением и непрерывным протягиванием нитей,
жгутов, ровингов или тканых лент через пропиточную ванну с рас-
твором или со связующим;
II способ - пропитка однонаправленных волокнистых напол-
нителей и тканых лент с помощью контактного ролика, находяще-
гося в жидком связующем или растворе.
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкции из КМ 257
Основные контролируемые параметры формирования намо-
точной ленты:
•температура волокнистого наполнителя (нитей, ровингов)
Гвх, °C, при входе в ванну со связующим и индивидуальное вход-
ное натяжение нитей <увх, Н/нить (обычно gBX - 0,02драз, где драз -
разрушающая нагрузка наматываемой нити (ленты) в состоянии
переработки);
• температура переработки жидкого связующего в ванне Гсв, °C,
определяющая вязкость связующего т|св, степень наноса связую-
щего и время протекания капиллярной пропитки волокнистого
наполнителя;
• скорость пропитки (мПроп, м/мин) или протягивания волок-
нистого наполнителя (намоточной ленты) через ванну с жидким
связующим или раствором, которая равна скорости намотки
(г/нам, м/мин) и зависит от вязкости связующего, параметров ван-
ны и пропиточного ролика (ирол, Фкон, Лрол), скорости протекания
капиллярной пропитки;
• выходное натяжение волокнистой ленты при намотке на из-
делие двых, Н/лента или Н/текс (обычно максимальное значение
составляет t/BbIX = 0,05<ура1 - для углепластиков, двых = 0,12драз - для
стеклопластиков и двых = 0,35драз - для органопластиков).
5.1.2. Технология пропитки волокнистых наполнителей
связующими
Пропитка. Процесс совмещения жидкого связующего или
раствора с волокнистым наполнителем называется пропиткой. При
пропитке происходит последовательное замещение (вытеснение)
воздуха из межволоконного пространства связующим или раство-
ром. Обычно полностью вытеснить воздух из волокнистого напол-
нителя не удается, поэтому после пропитки и последующего от-
верждения связующего в КМ образуются газовые пузыри-поры.
В окончательном виде КМ становится пористым.
Основная задача пропитки - достижение равномерного рас-
пределения связующего в волокнистом наполнителе при заданном
процентном содержании последнего, т. е. обеспечение оптималь-
ного объемного содержания 0в волокна в КМ с позиции получения
требуемых характеристик, например предела прочности однона-
правленного КМ при растяжении.
258
Часть III. Технологические основы метода намотки
Термореактивные связующие (реактопласты) на основе поли-
эфирных и большинства эпоксидных смол при нормальных услови-
ях находятся в жидком состоянии, а фенолоформальдегидные свя-
зующие - в вязкотекучем или твердом состоянии. Для снижения их
вязкости, повышения качества и степени пропитки волокнистых
наполнителей жидкие связующие нагревают, а твердые и вязкоте-
кучие связующие переводят в жидкие растворы с помощью органи-
ческих растворителей (спирта, ацетона и их смесей).
Процесс пропитки непрерывно движущегося наполнителя (ни-
ти, жгута, пряди, ровинга, тканой ленты или полотнища) можно
рассматривать как двухстадийный. Сначала происходит быстрое
нанесение связующего (раствора) поверх движущегося наполните-
ля, а затем — капиллярная пропитка волокнистой структуры в ван-
не и вне ее в течение более длительного промежутка времени.
Движущие силы пропитки - капиллярное всасывание и воз-
действующие на жидкое связующее или раствор внешнее давле-
ние, вакуум и температура. Собственно самой пропитке предше-
ствуют процессы смачивания наполнителя, вытеснения из пор и
капилляров воздуха и замены его жидким связующим или рас-
твором.
Физико-механический процесс, протекающий на поверхности
конденсированных фаз (на границе раздела фаз) с образованием
новой гетерогенной системы, называется адгезией. При этом на
границе раздела фаз образуется межфазная область с особыми фи-
зическими и химическими характеристиками. В общем случае под
адгезией (лат. adhesion - прилипание) понимается сцепление (сли-
пание) двух соприкасающихся поверхностей разнородных тел.
Из условия обеспечения стабильности характеристик ПКМ в
процессе его эксплуатации следует, что адгезионная связь на грани-
це раздела волокно - матрица должна быть прочной и не разру-
шаться под действием силовых нагрузок и внешней среды (темпера-
туры, влаги, химических реакций, радиационного облучения и др).
Интегральная оценка адгезионной связи между волокном и
матрицей - способность смачивания жидкими связующими по-
верхности волокон. Смачиваемость - это мера способности жид-
кости (связующего) к растеканию по поверхности подложки (во-
локна).
Экспериментально смачиваемость твердой поверхности жид-
костью определяют по методу сидячей капли. Смачиваемость име-
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 259
ет место тогда, когда краевой угол смачивания 0СМ между жидкой
матрицей и твердым волокном меньше 90° (рис. 5.2, а).
Рис. 5.2. Схема смачивания твердых поверхностей волокон жидкой
матрицей (а) и образование газовых пор и пустот при пропитке во-
локнистых структур (б):
I - волокно; 2 - матрица; 3 - поры
Если краевой угол 0СМ > 90° (рис. 5.2, б), то смачиваемость во-
локна матрицей считается плохой и в межволоконном пространст-
ве возникает большое число пор, пустот, непроклеев и расслоений.
Если 0СМ < 90°, то жидкая капля растекается по поверхности во-
локна и в волокнистом ПКМ образуется прочная адгезионная связь
и малое число пор и т. д. При хорошей смачиваемости армирую-
щих волокон полимерной матрицей краевые углы смачивания ма-
лы: 0СМ < 20° и cos 0СМ < 0,95.
Границей раздела волокно - матрица является переходная зона
толщиной 10 нм.,.1 мкм, в которой в процессе изготовления ПКМ
происходят физические изменения (структура, ориентация кри-
сталлов, КЛТР), химические превращения (растворение, химичес-
кие реакции, изменение состава), механические воздействия (при-
жатие, усадка, внутренние напряжения), быстро затухающие в го-
товом материале.
Переходная зона обеспечивает эффективную передачу меха-
нических (сдвиговых) нагрузок от матрицы к волокну, защищает
волокна от повреждений друг другом, служит барьерным слоем
при диффузии и химическом взаимодействии между волокном и
матрицей.
В общем случае в процессе пропитки в волокнистом ПКМ
возникают пустоты и поры в результате захвата (консервации)
воздуха движущимся наполнителем через жидкое связующее. Об-
разование пустот, их число, геометрия, форма и протяженность
260
Часть III. Технологические основы метода намотки
зависят от скорости пропитки, вязкости связующего, способности
волокна смачиваться жидкими связующими или растворами.
Кроме того, при намотке с натяжением многослойных оболочек
и последующей термической обработке изделия происходит мигра-
ция связующего из внутренних слоев стенки оболочки в наружные,
обеднение нижних слоев волокнистого ПКМ и, как следствие, не-
хватка связующего для заполнения межволоконного пространства,
приводящая к образованию пустот. В процессе отверждения свя-
зующего при полимеризации и особенно при поликонденсации вы-
деляются низкомолекулярные газы, а также остатки летучих рас-
творителей из препрега, которые увеличивают число пор в ПКМ.
Мелкие пустоты или поры сферической формы объемом до
10 3 мм3 не оказывают существенного влияния на механические
характеристики КМ. Однако крупные пустоты, охватывающие не-
сколько волокон (от 2 до 15 диаметров волокон в поперечном се-
чении) и сильно вытянутые в длину на сотни диаметров волокон
по границе раздела волокно - матрица, имеют острые края и явля-
ются концентраторами напряжений.
Пустоты сильно влияют на напряжения сдвига тсд и сжа-
тия Осж в ПКМ. Так, при испытании однонаправленных эпок-
сидных стеклопластиков на межслойный сдвиг по методу трех-
точечного изгиба получена экспериментальная зависимость тсл =
= (67,3-6,ООпор) МПа, показывающая снижение напряжений
сдвига пропорционально объемному содержанию пор ОГ1ор, %.
Для улучшения смачиваемости с поверхности волокон удаля-
ют влагу, очищают волокна от замасливателей прокаливанием или
химическим травлением, создающим микрошероховатость. Затем
на подготовленную поверхность наносят специальные покрытия
или аппреты. Аппретирование волокон обеспечивает увеличение
адгезионного сцепления между волокном и матрицей, релаксацию
напряжений в тонкой низкомолекулярной пленке (усадка, КЛТР),
адсорбцию полимерных молекул на поверхности волокна, измене-
ние фазового состояния матрицы вблизи волокна.
Например, в результате прокаливания стекловолокон при
температуре 600 °C и последующего покрытия их поверхности си-
лаксоновым аппретом типа «Волан» или АМгЗ с большим содержа-
нием непредельных аминогрупп NH2 напряжение тсд полиэфирных
стеклопластиков увеличилось в 2-3 раза, а эпоксидных стеклопла-
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 261
стиков - лишь на 20 %. При этом их абсолютные значения были
равными: тсл = 1,4...7,0 МПа для полиэфирных стеклопластиков и
тСд = 14.. .28 МПа для эпоксидных стеклопластиков.
В случае погружения наполнителя в связующее или раствор
пропитка происходит в основном путем капиллярного проникания
жидкости в волокнистую структуру, время пребывания наполни-
теля в ванне должно быть значительным. Если матрица хорошо
смачивает волокна, то связующее под действием капиллярных сил
(давления), обусловленных поверхностным натяжением жидкости,
будет впитываться и перемещаться между волокнами по каналам
пористой структуры наполнителя (рис. 5.3, а).
Рис. 5.3. Схемы течения жидкости между волокнами по каналам
пористой структуры наполнителя (я) и капиллярного проникнове-
ния жидкого связующего в межволоконное пространство нити (б):
1 - волокно; 2 - матрица
Поверхностное натяжение суж (рис. 5.3, б) для разных видов
жидкостей различно. Для растворителей (спирта, ацетона) ож =
= (25...30) • 10 3 Н/м, для связующих (полиэфирных, эпоксидных)
ож = (75... 100) • 10 3 Н/м, для воды ож = 72,8 • 10 3 Н/м.
Если капилляр (см. рис. 5.3, б) имеет условный диаметр б/кап, то
капиллярное давление pKdn можно определить по формуле
Ркчп =2ож/Яме|. = 2п cos0CM/r п =4п cos0CM/67K,in, (5.1)
г Кс1П Ж / МСН Ж СМ / Кс1П Ж СМ / Кс1П 7 х /
где Ямен - радиус кривизны мениска (сферы). Диаметр б7кап пример-
но равен толщине межволоконной прослойки связующего между
262
Часть III. Технологические основы метода намотки
волокнами 8М = 8СВ, зависит от объемного содержания волокон 0в
в нити и геометрического расположения волокон в ней. Как уже
было отмечено ранее, значение толщины межволоконной про-
слойки связующего примерно равно диаметру капилляра: 8СВ =
= (1/7... 1/8) б/в - б/кап.
Если пропитка волокнистого наполнителя осуществляется
контактным роликом (см. рис. 5.1), то связующее или раствор те-
чет через волокнистую пористую структуру движущейся ленты
под действием капиллярного давления /?кап и внешнего перепада
давления Д/?рОл со стороны вращающегося ролика. В этом случае
время пропитки сокращается и зависит от геометрических пара-
метров ролика и натяжения движущейся ленты. Однако процесс
пропитки весьма скоротечен, поэтому для проектирования ванны и
пропиточного тракта необходимо знать время проникновения свя-
зующего сквозь толщину ленты (нити).
Скорость пропитки волокнистой пористой структуры мкап по
толщине ленты /гл может быть найдена из уравнения Дарси:
_ К ^Lp д
и
кап
(5.2)
где Л?д - коэффициент проницаемости пористой среды (коэффици-
ент Дарси), мм2; - суммарное давление пропитки, Па,
Ерд = /?кап + Дррол; Лев - вязкость жидкости (связующего или рас-
твора), Пас.
Проницаемость - свойство пористого материала пропускать
через себя жидкость под действием приложенного градиента дав-
ления, т. е. проводимость пористой среды по отношению к жидко-
сти. В общем случае проницаемость волокнистой заготовки зави-
сит от объемного содержания и удельной поверхности волокон,
обтекаемых жидкостью. Для медленного установившегося течения
жидкости через однородную волокнистую пористую структуру
коэффициент проницаемости может быть определен из уравнения
Козени - Кармана:
d;
д 32кизв
(5.3)
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 263
где Л?изв - коэффициент извилистости пути течения жидкости че-
рез волокнистую структуру ленты (см. рис. 5.3); KwiB=Uhn =
= 1,21... 1,25. Если объемное содержание волокон 0в = 0,64...0,67,
диаметр элементарного волокна в ленте dB = 6 мкм, то Л?д =
= 0,82 • 10 7 мм2, если dB = 10 мкм (ровинг), то Л?д = 2,27 • 10“7 мм2.
Интегрируя (5.2) по толщине ленты hn с учетом (5.1) и (5.3),
определяем время капиллярной пропитки волокнистой структуры
только при действии капиллярного давления:
Пев = ^лПсв^в
2 ^дРкап 56^ДСТжС°80св’
где <7кап - минимальный диаметр капилляра в волокнистой струк-
туре ленты, б/кап ~ 5СВ = (1/7)<7в. Толщину ленты выбирают равной
hn = 0,18...0,25 мм. Если толщина ленты менее 0,12...0,15 мм, то
снижается производительность процесса намотки, при толщине
ленты более 0,30...0,35 мм уменьшается реализация прочности
однонаправленных КМ в конструкции изделия.
Скорость капиллярной пропитки волокнистой структуры
обычно не высокая. Действительно, рассчитывая время капилляр-
ной пропитки ленты толщиной hn = 0,25 мм по (5.4) для значений
г|св = 0,25 Па-с, ож = 75 • 10 3 Па-м, dB= 6 мкм (нить) и 10 мкм (ро-
винг), найдем, что ткап = 0,287 и 0,173 с.
Следовательно, скорость капиллярной пропитки ленты из ни-
тей и ровингов будет равна мкап = 5,2 и 8,7 мм/мин. При этом мак-
симальная скорость намотки, или скорость протягивания ленты
через ванну с жидким связующим, например, длиной /ван = 100 мм
(см. рис. 5.1), составит wHaM = 20,9 м/мин для нитей и иНам =
= 34,7 м/мин для ровингов.
Время пропитки движущейся ленты под действием только од-
ного контактного давления определяют по выражению, аналогич-
ному (5.4):
Пев _ ^лПсв^рол
роя"2^рол “ 2А?довх
(5-5)
264
Часть III. Технологические основы метода намотки
где Д^рол - перепад давления на ленте, зависящий от напряжения
ленты овх при входе в пропиточную ванну и радиуса контактного
ролика Ярол = 65...75 мм, А/?рол = овхАл /Лрол.
Например, если время капиллярной пропитки (5.4) равно вре-
мени пропитки под действием контактного давления (5.5), то на-
пряжение ленты при входе в пропиточную ванну определяют по
формуле
r
овх = 28—cos0CM. (5.6)
hndB
После подстановки в (5.6) перечисленных выше значений полу-
чим напряжения пвх = 80 МПа в нитях и сгвх = 48 МПа в ровинге, что
соответствует входному натяжению <?вх = 0,05^раз для стеклонитей и
<7вх - 0,03<7раз для стеклоровингов в состоянии их переработки.
Нагрузка ^раз или напряжение араз нити в состоянии ее перера-
ботки для разных видов волокон различны. Так, для однонаправ-
ленных стеклопластиков можно принять ара} ~ 0,9qbKm, где qbKm -
предел прочности однонаправленного стеклопластика при растя-
жении, определенный по результатам испытаний кольцевых об-
разцов-свидетелей.
Вязкость. Важнейшее технологическое свойство связующих
на основе реактопластов, оказывающее большое влияние на ско-
рость и качество пропитки, - вязкость. Без применения техно-
логических приемов, ускоряющих и улучшающих качество про-
питки, максимальное содержание связующего в намоточном ПКМ
будет составлять не более 70 % требуемого значения. Дополни-
тельные приемы позволяют увеличить содержание связующего
даже до 99 % и уменьшить число пор до 1.. .2 %.
С целью повышения скорости пропитки, снижения числа пор
и равномерного распределения связующего по объему волокни-
стого наполнителя применяют различные технологические прие-
мы, повышающие качество пропитки.
1. Нагрев волокнистого наполнителя до температуры 150...
...200 °C, обеспечивающий лучшее удаление влаги из волокни-
стой структуры. При этом поверхность волокна и окружающий
воздух нагревают до температуры большей, чем температура свя-
зующего, что увеличивает смачиваемость волокон.
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 265
2. Вакуумирование волокнистого наполнителя до давления
Рык = 20...30 кПа, что обеспечивает лучшее удаление воздуха и
влаги из волокнистой структуры.
3. Технологические перегибы непрерывно движущегося во-
локнистого наполнителя на валках, создающих давление связую-
щего на наполнитель с одной и с другой стороны, тем самым уве-
личивая скорость и улучшая качество пропитки волокнистой
структуры.
4. Последовательное обжатие и отжим пропитанного волокни-
стого наполнителя подвижными роликами, ножами, упругой
фильерой или губкой, клиновой камерой или профилированной
фильерой.
Все перечисленные мероприятия ускоряют процесс, улучшают
качество пропитки, регулируют содержание связующего в волок-
нистом ПКМ на требуемом уровне.
Рис. 5.4. Схемы способов отжима связующего вра-
щающимися (невращающимися) роликами (я), эла-
стичной губкой (б), прямолинейными ножами (в)
и клиновой камерой (г)
266
Часть III. Технологические основы метода намотки
Схемы некоторых способов отжима излишков связующего из
волокнистых наполнителей приведены на рис. 5.4. Нормальное
обжатие волокнистого наполнителя (нитей, тканых лент) на вы-
ходе из ванны небольшим давлением повышает качество пропит-
ки наполнителя, корректирует нанесение связующего и снижает
число газовых пор в ленте. В свою очередь, объемное содер-
жание армирующих волокон в КМ зависит от многих других
факторов и режимных параметров процесса получения ленты
(вязкости полимерного связующего или раствора, скорости про-
тягивания нитей через пропиточную ванну, натяжения волокон
при пропитке).
Вязкость связующего можно регулировать или путем его на-
грева в ванне, или путем применения растворителей. Как уже бы-
ло отмечено, в качестве основного растворителя используют
САС в пропорции 25 : 75 или 45 : 55. В производственных усло-
виях вязкость связующих (растворов) определяют на вискози-
метре ВЗ-1 с диаметром сопла 5,4 мм или ВЗ-4 с диаметром со-
пла 4,0 мм.
Рис. 5.5. Схемы рычажных (я), фрикционных (б), ша-
риковых (в) и фрикционно-ленточных (г) натяжителей
нитей (/)
Схемы индивидуальных натяжителей нитей приведены на
рис. 5.5. Натяжители для сформированных из нитей или ровин-
гов намоточных лент имеют более сложные конструктивные ре-
шения.
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 267
5.1.3. Техническое определение вязкости разбавленных
растворов., клеев и полимерных связующих
Вязкостью, или внутренним трением, называют свойство жид-
кости сопротивляться взаимному перемещению ее частиц (слоев),
вызванному действием приложенной к жидкости силы. Единица
измерения динамической вязкости в системе СИ - Па с или Нс/м2.
При нормальных температуре и давлении вязкость связующего
или раствора постоянна. В связи с этим ее следует измерять при
температуре 20 °C и нормальном давлении.
Рис. 5.6. Вискозиметры:
а - ВПЖ-4 (/, 2 - колена; 3,4 - шарообразные резервуары; 5,6 - контрольные мет-
ки; 7 - капилляр; 8 - резервуар); б - вискозиметр Гепплера с падающим шариком
(/ - шарик; 2, 4, 8 - метки; 3 - стеклянная трубка; 5 - рукоятка; 6 - термостат; 7 -
термометр; 9 - уровнемер); в - ВЗ-1 (/ - мерная канавка; 2 - крышка резервуара;
3 - стержень; 4 - направляющая трубка для стержня; 5 - отверстие для установки
термометра; 6 - резервуар для исследуемой жидкости; 7 - внутренний резер-
вуар; 8 - сопло)
Техническое определение вязкости прозрачных жидкостей и
разбавленных растворов полимерных связующих проводят в соот-
ветствии с ГОСТ 10028-81 на капиллярных вискозиметрах ВПЖ-4
(рис. 5.6, а). Принцип действия U-образного вискозиметра осно-
268
Часть III. Технологические основы метода намотки
ван на истечении исследуемой жидкости под действием силы тя-
жести из шарообразного резурвуара 3 колена 2 через мерный ша-
рообразный резервуар 4 (Иж ~ 10 мл) и капилляр 7 в резервуар 8
колена 1. Время истечения жидкости засекается по контрольным
меткам 5 и 6 вискозиметра с погрешностью 0,2 с.
Динамическую вязкость жидкости вычисляют по формуле
Пуазейля:
Т!ж = яАргк;//(8/ка,Уж)> (5-7)
где Др - разность давления на концах капилляра; гкап - радиус ка-
пилляра; /кап - длина капилляра; Иж - объем жидкости, протекаю-
щей через капилляр; t - время истечения жидкости. Если жид-
кость вытекает из капилляра под действием силы тяжести, то
Ар ~ Рж^ > где Рж ~ плотность жидкости; g - ускорение свобод-
ного падения, g = 9,81 м/с2; Н - высота столба жидкости (разность
уровней жидкости в коленах 1 и 2 прибора). Из уравнения (5.7)
следует, что
Пж=лр^Яг11//(8/ка,Лж). (5.8)
Величины Иж, /кап и гкап, а также высота столба жидкости Н -
постоянны для каждого вискозиметра типа ВПЖ. Следовательно,
динамическую вязкость Т|ж, Па-с, согласно (5.8) можно определить
по формулам
Т|ж - Крж/ • к - ngHr* /(8/ка||Гж) = const, (5.9)
где К - константа вискозиметра; /ср - среднее время истечения
жидкости по трем - пяти замерам.
Исследуемый раствор полимера вводят пипеткой в широкое
колено 1 и заполняют резервуар 8 (см. рис. 5.6, а). После выдерж-
ки вискозиметра в термостате раствор полимера засасывают в ре-
зервуар и начинают обратный спуск жидкости. Когда уровень
жидкости пройдет верхнюю контрольную метку 5, включают се-
кундомер до момента опускания жидкости до контрольной метки
6. Процедуру измерения повторяют три - пять раз и по (5.9) вы-
числяют динамическую вязкость жидкости.
Для определения вязкости прозрачных и очень вязких поли-
мерных связующих вязкостью до 80 Па-с в диапазоне значений
температуры -60...+150 °C предназначен прецизионный шариковый
вискозиметр Гепплера (рис. 5.6, б).
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 269
Длинная стеклянная трубка 3 диаметром 16 мм вмонтирова-
на в стеклянный термостат 6, заполненный термостатирующей
жидкостью, температура которой контролируется термометром 7.
Термостат с помощью рукоятки 5 может поворачиваться вокруг
наклоненной к горизонту оси на угол 180° и крепится к корпусу
штифтом. Нормальное положение термостата регулируется устано-
вочными винтами по уровнемеру 9. На стеклянную трубку нанесены
метки 2, 4 и 8, расстояние между которыми равно 100 мм. К при-
бору прилагается набор стеклянных и металлических шариков 1
различных диаметров.
При равномерном и медленном падении скатывающегося шари-
ка радиусом /?ш в наклонной трубке, заполненной исследуемой жид-
костью, сила сопротивления вязкой жидкости движению шарика
уравновешивает силу тяжести шарика. Приравняв друг к другу эти
силы, получим формулу для расчета вязкости
Пж='ср(Рш-РжХ> (5-10)
где /ср - среднее время падения шарика между двумя метками;
рш, Рж - плотности шарика и исследуемой жидкости при темпера-
туре опыта; К = const - постоянная прибора (приведена в пас-
порте для данного радиуса шарика).
После подготовки прибора в стеклянную трубку заливают ис-
следуемую жидкость, опускают в нее шарик, вставляют пробку,
закрывают крышкой и термостатируют прибор. Затем поворачи-
вают термостат на 180° и по секундомеру отсчитывают время про-
хождения шариком расстояния между двумя метками. Процедуру
измерения времени повторяют три - пять раз, берут среднее зна-
чение и по (5.10) вычисляют вязкость связующего.
В производственных условиях экспресс-анализ вязкости свя-
зующих, клеев и их растворов чаще всего проводят на вискозиметре
Энглера ВЗ-1 или ВЗ-4. По вискозиметрам ВЗ-1 и ВЗ-4 определяют
время истечения жидкости через сопло из резервуаров вискозимет-
ров. Полученное значение времени, умноженное на константу со-
пла, - мера условной вязкости связующего, клея и раствора.
Вискозиметр ВЗ-1 (ГОСТ 9070-75) представляет собой изго-
товленный из меди резервуар цилиндрической формы (рис. 5.6, в),
переходящий к низу в полый конус со съемным соплом. Внутрен-
ний диаметр нижнего конца сопла - 5,4 мм, высота рабочей части
270 Часть III. Технологические основы метода намотки
сопла - (15,5 ± 0,1) мм, угол конуса внутренней части резервуара -
101°40'. Крышка резервуара имеет два отверстия для стержня и
термометра.
Перед каждым определением условной вязкости резервуар
вискозиметра и сопло промывают растворителем и сушат. В ру-
башку вискозиметра наливают горячую воду для нагрева свя-
зующего и поддержания требуемой температуры с точностью
±0,5 °C. Сопло вискозиметра закрывают стержнем и в резервуар
до риски наливают исследуемую жидкость.
Под сопло вискозиметра ставят чистый сухой мерный стакан-
чик (мензурку), быстро вынимают стержень и одновременно с по-
явлением жидкости из среза сопла ВЗ-1 пускают секундомер. Когда
объем исследуемой жидкости в мензурке достигает точного значе-
ния 50 см3, секундомер останавливают и отсчитывают время исте-
чения с погрешностью 0,2 с. Время истечения составляет 5...200 с.
Условную вязкость связующего на ВЗ-1 определяют путем
измерения времени, за которое из его цилиндрического сосуда вы-
текает исследуемая жидкость объемом = 50 см3.
За единицу времени dt из цилиндрического сосуда вискози-
метра через сопло вытечет элементарный объем жидкости
dVyK=Qvdt-TlD2dhl^, (5.11)
где D - внутренний диаметр сосуда вискозиметра, D = 51 мм.
Объемный расход Qv, см3/с, в (5.11) определяют по формуле
Пуазейля (5.7), записанной в следующем виде:
Q = яР*^о (5.12)
128т]ж/0
где /о - длина соплового отверстия, /0 = 15,5 мм; - диаметр вы-
ходного среза сопла, dQ = 5,4 мм.
Подставив в (5.11) значение Qy (5.12) и проведя интегрирова-
ние, получим
1п~~^~ = / Рж^^О
^50 3 2Пж/0Я2
(5.13)
где HQ - исходная высота столба жидкости от риски (мерной ка-
навки) до входа в отверстие сопла, Но = 60 мм; Н5о - высота столба
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 211
жидкости до входа в сопло после
вытекания объема Иж = 50 см3,
H5Q= 35,5 мм; рж - плотность ис-
следуемой жидкости, кг/м3.
Определив время истечения
жидкости t и зная ее плотность,
рассчитаем динамическую вяз-
кость исследуемой жидкости:
,4 (5-14)
£ __________________
32/0D2ln(H0/H50)’
где К - константа вискозиметра,
К= 1,237 • 10 5 м2/с2. Однако после
Рис. 5.7. Зависимость условной
вязкости связующих ЭДТ-10 (?)
и ЭХД-М (2) от температуры
изготовления вискозиметра и
его тестирования расчетное значение константы К уточняется и
указывается в паспорте на вискозиметр.
На рис. 5.7 приведена зависимость условной вязкости эпоксид-
ных связующих от температуры, полученная на вискозиметре ВЗ-1.
Вискозиметр ВЗ-4 предназначен для определения условной вяз-
кости жидкости в секундах. Прибор представляет собой резервуар в
форме воронки (рис. 5.8) с соплом, закрепленный на штативе. Вме-
стимость резервуара составляет (100 ± 1) см3. Резервуар устанавли-
вают горизонтально с
закрывают пальцем, а
Рис. 5.8. Воронка вис-
козиметра ВЗ-4:
/ - резервуар; 2 - кольце-
вой желобок; 3 - сопло
помощью винтов штатива. Отверстие сопла
смолу наливают с избытком, чтобы образо-
вался выпуклый мениск над верхним краем
вискозиметра, излишек смолы стекает в
кольцевой желобок. Под сопло вискозимет-
ра ставят сосуд емкостью не менее 100 мл.
Температура исследуемой жидкости долж-
на быть (20 ± 0,5) °C. Однако прибор не
обеспечен водяной рубашкой для нагрева
связующего, поэтому нагрев осуществляют
заранее.
Определение вязкости проводят пу-
тем трехкратного измерения времени ис-
течения жидкости объемом 100 см3 из
резервуара через цилиндрическое отвер-
272 Часть III. Технологические основы метода намотки
стие диаметром 4 мм. После каждого измерения воронку виско-
зиметра промывают водой и протирают насухо мягкой тканью. За
условную вязкость г|у, с, принимают среднее арифметическое
значение трех параллельных определений.
5.2. Технологические способы намотки
композитных конструкций
5.2.1. Мокрый способ намотки
В зависимости от состояния связующего (жидкого или вязко-
пластичного) в наматываемой ленте различают два способа намот-
ки: мокрый и сухой.
В этом случае процессы формообразования изделия и форми-
рования КМ совмещены во времени и в пространстве. При этом
шпулярник, пропиточно-натяжной тракт, система контроля, оп-
равка и намоточный станок представляют собой единую техноло-
гическую систему (рис. 5.9).
Рис. 5.9. Схема мокрого способа намотки цилиндри-
ческой оболочки с днищами:
/ - шпули с нитями; 2 — шпулярник; 3 — направляющие
перемещения пропиточно-натяжного тракта на намоточ-
ном станке; 4 — спиральные слои; 5 — оправка; 6 — ок-
ружные слои; 7 — привод вращения; 8 — ванна со свя-
зующим; 9 — сформированная прядь (лента)
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 273
К преимуществам мокрого способа намотки следует отнести
короткий технологический цикл, совмещенность производства
намоточного материала и изготовления самого изделия намоткой,
компактность технологической системы, расположенной на од-
ном намоточном станке, сокращение требуемых производствен-
ных площадей, снижение энергозатрат на производство единицы
продукции, а также более низкое необходимое контактное давле-
ние формования, что требует применения оборудования с мень-
шей мощностью привода, снижения технологического натяже-
ния по сравнению с натяжением при сухом способе намотки,
лучшей формуемости поверхностей изделия. В связи с этим мок-
рый способ применяют в основном для получения крупногаба-
ритных оболочек сложной конфигурации и намотки изделий с
коротким циклом изготовления, например стеклопластиковых
трубопроводов.
Пропитка армирующего волокна связующим осуществляется
одним из следующих способов: протягиванием нитей через ванну
со связующим (см. рис. 5.1); контактированием нитей с роликом,
находящимся в связующем (рис. 5.10); принудительной про-
питкой в клиновой или вакуумной камере.
Рис. 5.10. Функциональная схема мокрого способа намотки путем кон-
тактирования нитей с роликом, находящимся в связующем:
7 - оправка; 2 - раскладчик; 3 - натяжитель ленты; 4 - механизм отжима свя-
зующего; 5 - барабан; 6 - прижимной ролик; 7 - нагреватель нитей; 8 - гребен-
ка; 9, 10 - осевой и шариковый натяжители; 77 - бобина; 12 - нагреватель свя-
зующего; 13 - связующее; 14 - пропиточная ванна; I - пропиточно-натяжной
тракт; II - шпулярник
274
Часть III. Технологические основы метода намотки
Нити, жгуты или ровинги подаются из шпулярника на индиви-
дуальные натяжители нитей и с помощью гребенки собираются в
прядь или ленту, которая поступает в пропиточно-натяжной тракт.
После пропитки нитей излишек связующего отжимается,
прядь нитей натягивается до требуемого размера, проходит через
систему контроля и через раскладчик поступает на вращающую-
ся оправку, укрепленную на намоточном станке.
В данном случае необходимая вязкость связующего обеспечи-
вается выбором соответствующей марки смолы, отвердителя и на-
гревом связующего в пропиточной ванне. Нагрев связующего сни-
жает его вязкость, в результате чего улучшается процесс пропитки
нитей, а отсутствие растворителей в связующем уменьшает число
газовых включений (пор) в волокнистом ПКМ. При намотке изде-
лий по мокрому способу нити, жгуты или ровинги, сформиро-
ванные в ленту, имеют автономный авторегулируемый расход по
длине, определяемый радиусом вращения оболочки и протяжен-
ностью траектории намотки, вдоль которой и осуществляется ук-
ладка ленты.
Нити или ровинги в наматываемой ленте не склеены между со-
бой, как в препреге, поэтому благодаря автономности расхода по
длине нитей в ленте достигаются их одинаковое технологическое
натяжение и плотное прилегание каждой нити к поверхности оправ-
ки, на которую наматывается лента. В итоге формируемый волок-
нистый ПКМ получается однородным, без складок и расслоений.
Ограничение для выбора ширины ленты при мокром способе
намотки - возможность соскальзывания крайних нитей пропитан-
ной ленты с криволинейной поверхности, зависящая от допусти-
мого коэффициента трения (40П= 0,05...0,07) между крайними ни-
тями ленты и поверхностью оправки или поверхностью слоя на-
мотки. Так, при намотке на сферическую поверхность оболочки
(рис. 5.11) или на криволинейное днище цилиндрического баллона
(корпус РДТТ) угловая кроющая ширина наматываемой ленты фл
определяется по формуле
фл =/крщ //?=/л / (/? cos[3()), (5.15)
где /крщ, /я - кроющая и нормальная ширины ленты; р0 - угол меж-
ду меридианом и направлением укладки нитей на экваторе обо-
лочки; R - радиус вращения оболочки.
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 275
Для рассматриваемого случая (см.
рис. 5.11) угловую ширину ленты за-
пишем через допустимый коэффициент
трения tg (фл /i)< /Л0П, тогда с учетом
(5.15) найдем максимально допусти-
мую ширину наматываемой ленты:
'доп - 2/?cosP0 arctg/лоп. (5.16)
Недостатки мокрого способа: огра-
ничение скорости намотки вследствие
большой длительности пропитки нитей
относительно вязким связующим, зна-
чительные технологические потери свя-
зующего; образование натеков на на-
ружной поверхности изделия; загрязне-
Рис. 5.11. Схема укладки
наматываемой ленты на
сферическую поверхность
без натяжения (7) и с натя-
жением (2)
ние связующим пропиточно-натяжного
тракта, намоточного станка и рабочего места; трудности регулиро-
вания нанесения связующего на движущуюся ленту и определения
его процентного содержания.
5.2.2. Сухой способ намотки. Получение препрегов лент
При сухом способе намотки процесс изготовления намоточно-
го полуфабриката выделен в самостоятельную операцию - в спе-
циализированное производство, в котором быстрая пропитка ар-
мирующего волокна раствором связующего, подсушивание и час-
тичное (предварительное) его отверждение осуществляются на
специальных установках.
Такой намоточный полуфабрикат называется препрегом. Пре-
преги получают на основе жидких и твердых синтетических смол
и компонентов связующих, которые переводят в маловязкое со-
стояние путем растворения их в легколетучих жидкостях типа аце-
тона, спирта или их смесей.
При сухом способе намоточная лента на основе стеклянных,
органических или углеродных волокон (нити, ткани) заранее
формируется и пропитывается раствором связующего на пропи-
точных машинах, которые обеспечивают удаление растворите-
лей (подсушку), процентное содержание и частичную полиме-
216 Часть Ill. Технологические основы метода намотки
ризацию связующего в препреге, требуемые геометрические
размеры наматываемой ленты (ширину и толщину). Особенно
эффективно применение намоточных препрегов из тканых по-
лотнищ и нешироких однонаправленных лент из ровингов.
Схема сухого способа намотки цилиндрического изделия уз-
кой лентой однонаправленного препрега на станке с программ-
ным управлением, приведена на рис. 5.12. В зависимости от
сложности изделия для программной намотки применяют три-
четыре координаты управления перемещением раскладчика (го-
ловки) намоточного станка.
Рис. 5.12. Схема сухого спосо-
ба намотки цилиндрического
изделия узкой лентой однона-
правленного препрега на станке
с программным управлением:
/ - технологическая оправка; 2 - бо-
бина с лентой препрега; 3 - разде-
лительная пленка; 4 - нагреватель
ленты; 5 - суппорт станка; 6- ка-
ретка станка; 7 - натяжитель ленты;
8 - раскладчик ленты (головка);
I-V - степени подвижности станка
При сухом способе намотки можно использовать практически
любой тип связующего (эпоксидное, фенолоформальдегидное,
эпоксидно-фенольное или полиимидное), изначально находяще-
гося в вязкотекучем или твердом состоянии. Существует воз-
можность промежуточного контроля параметров препрега и от-
браковки его на стадии изготовления, повышается культура произ-
водства и улучшаются условия труда рабочих.
Сухой способ намотки имеет более высокую производитель-
ность, чем мокрый способ, так как скорость намотки ленты не ли-
митируется скоростью и качеством ее пропитки, а полностью зави-
сит от возможностей намоточного оборудования и технологической
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 277
оснастки. При сухом способе намотки обеспечивается намотка с
большим, чем при мокром способе, допустимым коэффициентом
трения (40П = 0,15...0,20), расширяются возможности намотки по
негеодезическим линиям поверхности, снижаются технологические
потери связующего, упрощается конструкция станка, сокращается
время на заправку и подготовку станка к намотке.
Однако при сухом способе намотки все нити в ленте препрега
зафиксированы относительно друг друга и не могут автономно
менять свою длину при их укладке на криволинейную поверх-
ность. В связи с этим для обеспечения плотного прилегания нитей
ленты к наматываемой поверхности (см. рис. 5.11) разность длин
крайней и центральной нитей А/= 2л:7?(1-С08(фя/2)) должна
быть скомпенсирована путем неравномерного натяжения каждой
нити в ленте, приводящего в конечном счете к уменьшению сред-
ней или реализуемой прочности однонаправленного КМ в конст-
рукции изделия.
Для рассматриваемого случая (намотка сферической оболочки
или цилиндра с днищами) относительная разность длин крайней и
центральной нитей составляет А/ = 1 - соз(фя /2), откуда с учетом
(5.15) получим максимальную допустимую ширину наматываемой
ленты:
/доп < 27?cosP0arccos(l-А/). (5.17)
Задавая относительную разность длин крайней и центральной
нитей, например А/ = 0,001ераз, по (5.17) находим допустимую
ширину /доп ленты.
Кроме того, для организации производства с использованием
сухого способа намотки требуются специальные помещения, тех-
нологические установки и другое оборудование, необходимое для
изготовления и хранения в промышленных холодильниках препре-
га лент. При этом стоимость сухого способа намотки примерно в
2 раза выше стоимости мокрого способа вследствие большего по-
требления электроэнергии, летучих растворителей и наличия хо-
лодильных камер.
Оба способа, особенно мокрый, широко применяют при изго-
товлении изделий из ПКМ на намоточных станках токарного типа
с вращающейся оправкой. Однако на станках тороидального типа,
278
Часть 111. Технологические основы метода намотки
на которых орбитальный раскладчик ленты вращается вокруг по-
перечного сечения оправки, трудно реализовать намотку мокрым
способом. Такие станки громоздки, а их габариты непропорцио-
нально больше габаритов получаемых изделий. В связи с этим
композитные тороидальные конструкции в основном изготовляют
сухим способом намотки.
Для изготовления композитных конструкций РКТ методами
выкладки или сухим способом намотки исходные препреги в виде
тканых полотнищ, широких или узких лент с однонаправленным
расположением волокон получают на специальных установках вер-
тикального (шахтного) или горизонтального типа (МТП-3 и др.).
5.2.3. Получение лент препрегов на установке УСЛ-2Б
Как уже было отмечено выше, намотка тороидальных конст-
рукций производится сухим способом на станках тороидального
типа, на которых намоточный материал (лента препрега) и орби-
тальный раскладчик ленты вращаются вокруг поперечного сече-
ния подвижной или вращающейся оправки.
Препреги из нитей, жгутов или ровингов, сформированных
в неширокие ленты, можно получать на малогабаритной лабо-
раторно-промышленной установке барабанного типа УСЛ-2Б
(рис. 5.13). На этой установке можно изготовлять ленты препре-
гов шириной до 25 мм практически из всех типов волокон, при-
меняемых в производстве композитных изделий.
Из шпулярника со шпулями 1 подаются предварительно натя-
нутые сухие нити, формируемые в ленту, которая протягивается
по поверхности принудительно вращающегося ролика 4. Нити
ленты пропитываются раствором связующего ЭДТ-10П или др.
Далее лента поступает в камеру установки и закрепляется на под-
кладной бесконечной ленте 12 из полиимидной пленки. Вдоль ка-
меры над поверхностью барабана подается горячий воздух 18, ко-
торый подсушивает волокнистую ленту, пропитанную раствором
связующего, находящегося в ванне 10, и частично полимеризует
связующее.
Предварительно сформированная и пропитанная раствором
волокнистая намоточная лента подается в корпус сушильной ка-
меры 5 в виде непрерывной прямолинейной ленты 15, сворачива-
ется в спиральные витки 17, которые вращаются и одновременно
перемещаются вдоль оси барабана 6. При выходе из установки
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 279
спиральные витки вновь разворачиваются в прямолинейную ленту
и сматываются на приемную катушку 9, представляя собой уже
ленту препрега, готовую к использованию.
Выход
Рис. 5.13. Схемы установки барабанного типа УСЛ-2Б {а) и пути пере-
мещения ленты препрега в сушильной камере (б):
/ - шпули, или бобины, из нитей или жгутов; 2 - прижим с тормозом; 3 - на-
правляющие для ленты из нитей; 4 - ролик, находящийся в растворе (имеет
принудительное вращение); 5 - корпус сушильной камеры; 6 - вращающийся
барабан с шестью цепными конвейерами; 7 - рама; 8 - привод барабана; 9 -
приемная катушка для препрега с принудительным вращением; 10- пропиточ-
ная ванна с раствором связующего; //, 13 - входная и выходная щели; 12 - под-
кладная бесконечная лента из лавсана или полиимида; 14 - система направ-
ляющих роликов; 15 - лента, сформированная из нитей или жгутов; 16 - цеп-
ные транспортеры, двигающиеся вдоль оси камеры; 17 - спиральные витки
ленты; 18 - движение горячего воздуха в сушильной камере
Вращение на барабан установки и транспортеры передается от
привода 8. Верхние ветви шести цепных конвейеров-транспортеров
начинают поступательно перемещаться слева направо и за один
оборот ведущего вала смещаются на шаг витка /вит = 25,4 мм по
винтовой линии. При выходе из сушильной камеры (из выходной
щели 73) подсушенный препрег отделяется от подкладной ленты и
наматывается с небольшим натяжением на приемную катушку.
280
Часть III. Технологические основы метода намотки
Подкладная лента через систему 14 направляющих роликов вновь
возвращается в сушильную камеру установки. При этом механизм
спирального перемещения витков волокнистой ленты в камере ус-
тановки УСЛ-2Б создает в ленте постепенно увеличивающееся от
витка к витку технологическое натяжение, которое особенно ценно
при изготовлении препрегов из хрупких и ломких высокомодуль-
ных углеграфитовых волокон. Натяжение ленты в сушильной каме-
ре способствует не только выпрямлению искривленных волокон, но
и повышению объемного содержания волокон в намоточном мате-
риале. Настройка натяжения ленты осуществляется путем установ-
ки цепных транспортеров 16 под необходимым углом к оси враще-
ния барабана.
Экспериментальную отработку препрегов лент из волокнистых
ПКМ на установке УСЛ-2Б проводили на основе углеродного жгута
У КН-5000 и стеклонити ВМС6-7,2х 1x3x5. В качестве материала
матрицы использовали раствор эпоксидного связующего ЭДТ-10П
(ОСТ 3-3178-75): компаунд КД-1 (ТУ-6-05-1380-70) НО массовых
частей, отвердитель ТЭАТ (МРТ 6-09-2865-66) 11 массовых частей
и смесь этилового спирта (ГОСТ 18300-87) с ацетоном (ГОСТ
2603-87).
На свойства однонаправленного углепластика большое влия-
ние оказывают качество исходных волокнистых материалов и па-
раметры технологического процесса изготовления углепластика.
Для ускоренной отработки технологического процесса и оптими-
зации режимов получения намоточного материла с высокими ме-
ханическими характеристиками использовали метод планирования
многофакторного эксперимента.
Свойства однонаправленного углепластика определяли по ре-
зультатам испытаний кольцевых образцов-свидетелей. Широкое
применение таких образцов обусловлено их простой формой, удоб-
ством и быстротой изготовления, возможностью прогнозирования с
достаточной для практики точностью механических характеристик
материала. Схема намотки кольцевых образцов-свидетелей приве-
дена на рис. 5.14, а.
В результате предварительных исследований, производствен-
ного опыта и возможностей технологического оборудования (ус-
тановки УСЛ-2Б) были отобраны девять технологических фак-
торов. После проведения экспертных оценок и ранжирования
факторов было решено малозначимые факторы зафиксировать на
Гпава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 281
постоянных уровнях, наилучших с позиции их влияния на пара-
метры оптимизации.
Рис. 5.14. Схема намотки кольцевых образцов-свидетелей (а) и разъем-
ная цилиндрическая оправка-дорн для намотки и испытания на растяже-
ние кольцевых образцов-свидетелей из однонаправленных КМ (б):
1 - катушка с препрегом; 2 - натяжитель ленты; 3 - лента препрега; 4 - рас-
кладчик; 5 - кольцевой образец-свидетель; 6 - разъемная оправка
Значения стабилизированных технологических факторов
(УКН-5000 + ЭДТ-10П) приведены ниже:
Частота вращения пропиточного ролика а)р0Л, мин’1,..20
Натяжение ленты в сушильной камере qn, Н/лента......15
Скорость намотки кольцевых образцов-свидетелей
Ицам, М/МИН .......................................5,0
Максимальная температура отверждения связующего
Тотв,°С.............................................180
Время отверждения при максимальной температуре /отв, ч .. 3,2
Значения варьируемых технологических факторов (УКН-5000 +
+ ЭДТ-10П) следующие:
Концентрация растворителя в связующем ссас, г/г. 1,1 ±0,1
Температура сушки ленты препрега в камере Тсуш, °C... 100 ± 10
Время сушки ленты препрега в камере / , с..... 185 ± 25
Натяжение ленты при намотке образцов* (?нам,
Н/лента........................................30± 20
Натяжение нитей при намотке кольцевых образцов соответствует
натяжению на уровне 6 % от нагрузки разрыва ленты препрега.
В качестве параметров оптимизации были выбраны следую-
щие: ов км - предел прочности однонаправленного КМ при растя-
282
Часть III. Технологические основы метода намотки
жении, МПа; Екм - модуль упругости однонаправленного КМ при
растяжении, ГПа. Для проведения многофакторного эксперимента
была построена матрица планирования дробного факторного экс-
перимента типа 24-1 с числом опытов 8 по два параллельных опы-
та. Экспериментальное определение механических характеристик
однонаправленного углепластика проводили на кольцевых образ-
цах-свидетелях диаметром 150 мм, шириной 20 мм и толщиной
1,2... 1,7 мм.
Кольцевые образцы-свидетели наматывали на разъемную ци-
линдрическую оправку-дорн (рис. 5.14, б) на станке СНП-3 с про-
граммным управлением и проходили термическую обработку в
электропечи СНО-7.6.9 с поддержанием температуры на заданном
уровне с точностью ±5 °C.
Испытание кольцевых образцов-свидетелей на растяжение
осуществляли с помощью жестких полудисков (см. рис. 5.14, б) на
разрывной машине FP-100 (Германия). Скорость перемещения за-
хватов машины при растяжении кольцевых образцов-свидетелей
составляла 15 м/мин.
Результаты испытаний углепластиковых кольцевых образцов-
свидетелей представлены в табл. 5.1, а зависимость напряжения от
относительной деформации при растяжении кольцевых образцов
из однонаправленного углепластика приведена на рис. 5.15.
Таблица 5.1
Характеристики однонаправленных КМ из лент препрегов
Характеристика Волокнистый наполнитель + ЭДТ-10П
Жгут УКН-5000 Лента из нитей ВМ-1 РВМН-9-1260-80П*
Плотность материала, кг/м3 1580 1980 2020
Массовое содержание волок- на в ПКМ, % 76 78 81
Предел прочности при растя- жении, МПа 1460 ±40 1620 ±30 1750 ± 35
Модуль упругости при растя- жении, ГПа 110,8 ± 1,6 57 ± 1,8 55 ± 1,7
Относительная деформация при растяжении, % 1,32 2,53 2,78
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 283
Окончание табл. 5.1
Характеристика Волокнистый наполнитель + ЭДТ-10П
Жгут УКН-5000 Лента из нитей ВМ-1 РВМН-9-1260-80П*
Удельный модуль упругости, 103 кДж/кг Количество кольцевых образ- цов, шт. * Препрег изготовлен ВНИИС 516-74. 70,2 8 :пв (нпо «< 28,8 10 Зтеклопласти 27,4 8 к») по ТУ 6-11-15-
Рис. 5.15. Зависимость на-
пряжения от относительной
деформации оКм = /(еКм)
при растяжении кольцевых
образцов-свидетелей из од-
нонаправленного углеплас-
тика (У КН-5000 + ЭДТ-10)
Кроме того, без проведения многофакторного эксперимента в
соответствии с режимами, рекомендованными для получения од-
нонаправленных стеклопластиков из стеклонитей ВМ-1 и связую-
щего ЭДТ-10 на установке УСЛ-2Б, был изготовлен препрег, соб-
ранный из десяти отдельных стеклонитей ВМС6-7,2х1хЗх5-80П.
5.3. Станки для открытой и для орбитальной намотки
композитных конструкций
5.3.1. Намоточные станки токарного типа
Конструктивное исполнение намоточных станков весьма раз-
лично, что связано прежде всего с разнообразием форм и размеров
наматываемых оболочек и типов применяемых волокнистых на-
полнителей. Конструкция намоточных станков также определяется
непрерывным или дискретным характером процесса формования
изделия.
284
Часть III. Технологические основы метода намотки
Значительное число типов намоточных станков обусловлено
особенностями конструктивного исполнения пропиточно-натяж-
ного тракта станка, обеспечивающего размещение, формование и
подачу на оправку армирующего волокна для намотки с примене-
нием как сухого, так и мокрого способов намотки.
Намоточные станки существенно различаются по кинематике
относительных движений (перемещения, вращения) технологиче-
ской оправки станка и элементов его пропиточно-натяжного трак-
та, включая и вариации их взаимного пространственного поло-
жения; по типу привода силовых исполнительных элементов ки-
нематической схемы станка; по степени автоматизации и типу
применяемой системы программного управления работой станка;
по степени универсальности, т. е. пригодности для намотки изде-
лий различных форм, для реализации комбинированных схем ар-
мирования, а также для использования различных типов арми-
рующих наполнителей (волокнистые, тканые и пленочные).
Кроме намоточного станка в технологический комплекс изго-
товления изделий методом намотки входят участки подготовки
намоточных материалов; изготовления и подготовки технологиче-
ских оправок, комплектующих; удаления оправок из готового из-
делия; термической обработки компонентов КМ (бобин, шпулей,
связующих) и намотанной оболочки изделия; механосборочных и
слесарно-монтажных работ по доводке изделий; контрольно-испы-
тательные стенды.
В каждом конкретном случае состав применяемых на этих уча-
стках оборудования и оснастки, а также межоперационных подъ-
емно-транспортных средств различен. Организационное построе-
ние работы комплекса учитывает характер производства (единич-
ное, серийное, массовое) и степень автоматизации управления
технологическим и производственным процессами.
По назначению различают станки тканой намотки широкими
полотнищами и станки нитяной намотки узкими лентами.
Станки тканой намотки широкими полотнищами применя-
ют, как правило, для изготовления коротких цилиндрических обо-
лочек (труб) большого диаметра, например цилиндрических отсе-
ков ТПК. Наиболее простой метод формования цилиндрических
оболочек - прямая (радиальная, или окружная) намотка рулонного
тканого наполнителя, пропитанного реактопластом, на вращаю-
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 285
щуюся оправку (рис. 5.16). При этом угол укладки основы ткани
по отношению к оси изделия равен 90°.
Рис. 5.16. Трехвалковая схе-
ма намотки тканью цилинд-
рической трубы:
I - прикаточный вал; 2 - оп-
равка; 3 - приводные опорные
валы-ролики; 4 - рулоны рас-
кроенной ткани; 5 - тормозные
устройства для натяжения тка-
ни при намотке; 6 - сматывае-
мые слои ткани; 7 - укладка
слоев ткани на оправке
В простейшем случае длина намотанной оболочки соответ-
ствует ширине рулонного наполнителя. Для получения методом
прямой намотки труб, длина которых превышает ширину рулонного
наполнителя, одновременно ведется намотка с нескольких рулонов
параллельно с небольшой нахлесткой по краям (5...50 мм). Чтобы
нивелировать утолщения в местах нахлестки, оправке придается
небольшое возвратно-поступательное движение на расстояние,
превышающее размер нахлестки.
Как правило, методом прямой намотки формуют трубы посто-
янной толщины, но можно изготовлять трубы и со специальными
утолщениями, прекращая подачу наполнителя на оправку с неко-
торых рулонов. Намотку труб можно вести с применением как су-
хого, так и мокрого способов. В качестве армирующего наполни-
теля обычно используют стеклоткани.
Композитные оболочки, изготовляемые методом прямой на-
мотки, - это силовые конструкции длиной 20 м и диаметром 3 м и
более. Структура тканого армирующего наполнителя и технологи-
ческие воздействия на него в процессе намотки не позволяют реа-
лизовать в готовых конструкциях прочность стеклопластика более
600 МПа, что ограничивает возможности применения этого метода
для получения высокопрочных и небольших по массе оболочек.
Вместе с тем трубы, изготовленные методом прямой намотки, от-
личаются хорошей герметичностью и высокими технологическими
и экономическими показателями.
По своим схемам процессы намотки тканью заметно отлича-
ются от процессов намотки узкой лентой или нитями. Намотка
286
Часть III. Технологические основы метода намотки
тканью заключается в обматывании вращающейся оправки слоя-
ми пропитанной ткани с одновременным уплотнением уложен-
ных слоев. Возможны различные схемы намотки тканью. Наи-
более распространена трехвалковая схема (см. рис. 5.16). Намот-
ку на оправки, длина которых превышает ширину рулона ткани,
проводят с использованием нескольких рулонов, предварительно
раскроенных по ширине, обеспечивающей их укладку встык или
в нахлестку по длине оправки. Перед намоткой рулоны с тканью
регулируют по длине. Оправка 2 укладывается на два приводных
вала-ролика 3, на один из валков подается ткань с рулонов 4.
При вращении валов-роликов оправка под действием сил трения
также начинает вращаться и на нее наматываются слои ткани,
уплотняемые сверху прикаточным валом /. Процесс намотки
продолжается до достижения заданной толщины наматываемой
трубы. Как правило, оправка нагревается для обеспечения ка-
чественной намотки.
По конструктивному исполнению и кинематике движения
исполнительных органов станки нитяной намотки узкими лен-
тами подразделяют на намоточные станки открытой (станки
токарного типа) и орбитальной (станки торового или кабельного
типа) намотки.
Главная особенность станков открытой намотки - непрерыв-
но вращающаяся оправка и неограниченный запас намоточного
материала, подаваемого на оправку с подвижного или неподвиж-
ного (стационарного) шпулярника. При изготовлении композит-
ных изделий на станках токарного типа с вращающейся техноло-
гической оправкой широко применяют как мокрый, так и сухой
способ намотки.
В станках открытой намотки главное движение по координате
(р (см. рис. 3.30, а) получает оправка, а движение подачи по коор-
динатам X и Y - раскладчик нити или ленты, установленный на
суппорте (каретке) намоточного станка. Для обеспечения точности
укладки нитей на оправку по углу намотки и по шагу намотки
вдоль оси изделия, а также равномерного натяжения нитей или
ленты необходимо выполнять следующие условия:
• расстояние от точки схода ленты с раскладчика до точки ка-
сания лентой поверхности оправки должно быть минимальным и
по возможности постоянным;
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 287
• плоскость наматываемой ленты должна быть касательной
плоскостью к поверхности оболочки, т. е. при укладке ленты на
поверхность оправки требуется исключить ее жгутование.
Эти условия по точности укладки нитей на поверхность оп-
равки выполняют путем радиального перемещения раскладчика
ленты у торцов оправки и одновременного поворота раскладчика
вокруг собственной оси, предотвращающего скручивание наматы-
ваемой ленты. Указанные условия можно обеспечить, если в ки-
нематику станка ввести еще две независимые координаты: Z - по
углу рыскания и 0 - по углу крена (см. рис. 3.30, а).
Ввиду сложности траектории спиральной намотки и высоких
требований, предъявляемых к качеству композитных оболочек
корпусов двигателей и баллонов высокого давления, намоточные
станки имеют автоматизированную систему ЧПУ по всем пяти
координатам.
Первоначально были созданы простейшие двухкоординатные
станки для поперечной и частично для спиральной намотки корот-
ких цилиндрических труб или баллонов давления на базе токарно-
винторезных станков типа 162 или 16К20. Их недостаток - малые
габариты наматываемых изделий, небольшой шаг намотки, или
раскладки, и низкая скорость перемещения суппорта с раскладчи-
ком ленты вдоль оси композитной оболочки.
В настоящее время в России существуют специализированные
промышленные трех-, пяти- или даже семикоординатные намо-
точные станки с ЧПУ серий КУ-421М, СНП-2, НК-9ПУ, НК-0,8-4
(подробнее об этом см. в разд. 7.5). Эти станки предназначены для
изготовления из КМ методом спирально-поперечной намотки ци-
линдрических баллонов и труб, крупногабаритных корпусов дви-
гателей, отсеков ракет и цистерн под агрессивные жидкости. Та-
кие станки обеспечивают точность укладки лент по углам намот-
ки АР = ±(1,5°...2,0°), по шагу намотки Д/ = ±(0,5...1,5) мм и
создают натяжение ленты 120...5000 Н.
С увеличением диаметра формуемых изделий значение кон-
тактного давления сжатия (рсж = снтЛл / R) уменьшается, что сни-
жает прочность наматываемого КМ и качество внешней поверхно-
сти корпуса двигателя или отсека. Тогда требуемое контактное
давление создается прикаточными роликами, что приводит к по-
288
Часть III. Технологические основы метода намотки
вышению объемного содержания волокон и к снижению пористо-
сти волокнистого ПКМ. Применение прикаточных роликов увели-
чивает прочность стеклопластиковых стенок на 10...20 %, а орга-
нопластиковых стенок на 5...8 %.
В настоящее время Савеловский машиностроительный завод
(СМ3) выпускает серию намоточных станков НК0,8-4, НК 1,6-8 и
НК2,5-12. Эти станки предназначены для изготовления крупнога-
баритных оболочек изделий из ПКМ методами спиральной и спи-
рально-окружной намотки на вращающуюся оправку, а также ме-
тодом выкладки.
Станки имеют управление по семи независимым координатам,
из них пять координат используют при спиральной намотке и
три - при поперечной намотке и выкладке. Наибольший диаметр
изготовляемых изделий составляет 800, 1600 и 2500 мм, соответ-
ствующая длина оправки с цапфами - 4,8 и 12 м.
На таких станках можно выполнять намотку выпуклых изде-
лий различных геометрических форм типа отсеков, корпусов, ем-
костей по геодезическим линиям и другим кривым. Армирование
материала возможно под углами 0°...90° к оси изделия. Ширина
ленты для спиральной намотки должна составлять 50 мм, для по-
перечной намотки - до 500 мм, для выкладки - до 100 мм.
Среди зарубежных намоточных станков токарного типа,
предназначенных для изготовления крупногабаритных изделий, в
России наиболее известны станки фирмы Bayer (Германия) (см.
разд. 7.5).
Совершенствование намоточных станков для серийного и
крупносерийного производства композитных баллонов цилиндри-
ческой формы идет по пути создания многошпиндельных станков
портального типа, которые оснащены современными компьютер-
ными системами. Схема одного из станков, выпускаемых фирмой
Division plastrex (Франция), приведена на рис. 5.17, а. а общий вид
станка фирмы EnTec’s (Франция) - на рис. 5.17, б.
Сосуды давления сферической или изотензоидной (сфероид-
ной) формы можно изготовлять методом намотки на станках то-
карного типа, поэтому серийно станки для сферических сосудов не
выпускают. Однако многозонную намотку (число зон 10...20 и
более) сферических баллонов целесообразно проводить на специ-
альных сферонамоточных станках.
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 289
4
/// /// /// /// /// /// /// /// /// /// /// /// ///
б
Рис. 5.17. Намоточные станки:
а - портального типа фирмы Division plastrex (1 - оправка; 2 - вертикальная
каретка с раскладчиком ленты (координата X); 3 - подвижная задняя опора; 4 -
верхний порт; 5 - компьютерная система управления и контроля технологиче-
скими параметрами; 6 - шпиндель, осуществляющий вращение оправки); б -
двухшпиндсльный станок фирмы EnTec’s для одновременной спиральной и
поперечной намотки композитных баллонов цилиндрической формы
Один из таких станков - трехкоординатный сферонамоточный
станок СфН-6 (рис. 5.18), созданный в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Станок предназначен для многозонной намотки композитных или
пленочных сферических или изотензоидных оболочек диаметром
до 400 мм.
290
Часть III. Технологические основы метода намотки
Рис. 5.18. Схема трехкоординатного сферонамоточного станка СфН-6:
1 - шпулярник с пропиточно-натяжным трактом; 2 - привод полярного враще-
ния оправки; 3 - корпус (стойка) станка; 4 - электропитание двигателя посто-
янного тока; 5 - сферическая оправка с частично намотанным шаровым поясом
(зоной); 6 - вращающиеся сектора с укрепленной на них оправкой; 7 - опора
для крепления скалки сферической оправки; 8 - электромеханический привод
станка; 9 - прядь волокон (лента); иоп - частота вращения оправки; пп - частота
вращения оправки вокруг оси полярного отверстия; со3 - зональный угол поворота
оси оправки (дискретное изменение зонального угла оц); инам - скорость намотки;
гл - ширина наматываемой ленты
Перед началом намотки оправку на станке СфН-6 закрепляют
в опорных узлах на секторах в расчетном положении, которое со-
ответствует первой зоне намотки. Синхронное вращение правого и
левого секторов обеспечивается разрезными шестернями (безлюф-
товая передача). Главное движение станка осуществляется элек-
тромеханическим приводом, а частота вращения поп регулируется
сменными шестернями, расположенными в передней бабке - стой-
ке станка. Частота вращения оправки вокруг оси полярного отвер-
стия пп задается управляемым двигателем постоянного тока с пла-
нетарным редуктором.
Намотка одной зоны осуществляется за один полный (360°)
оборот оправки вокруг своей оси, поэтому наматывается один
двойной слой нитей. Частоту вращения оправки вокруг оси поляр-
ного отверстия и передаточное число редуктора подбирают так,
чтобы за один оборот главного движения оправка сместилась на
расстояние, равное ширине наматываемой ленты на экваторе сфе-
рической оболочки или меньшее этой ширины.
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 291
Перестановку (перемещение 0)3) оправки на зональный угол
(см. рис. 5.18) для намотки следующей зоны проводят вручную по
угловым рискам, нанесенным на секторах. Положение оси оправки
относительно оси главного движения может изменяться в диапа-
зоне значений угла (первая полярная зона) 0°...84° (намотка по
экватору). Частота вращения оправки изменяется в пределах поп =
= 2...25 мин ’.
В станках продольно-поперечной намотки (рис. 5.19) серии
ССППН (см. разд. 7.5) существует дополнительное устройство -
вертлюг, который охватывает оправку, вращается синхронно с
ней и одновременно поступательно перемещается вдоль ее оси
поочередно от одного торца цилиндрической оболочки изделия к
другому.
Рис. 5.19. Схема продольно-поперечной
намотки труб на вращающуюся оправку
сухим способом:
1 - оправка; 2 - бобины с лентами препрега
для продольного слоя; 3 - композитная обо-
лочка с продольно-поперечной схемой арми-
рования; 4 - катушка с лентой препрега для
поперечного слоя; 5 - планшайба-вертлюг;
S - перемещение суппорта станка
По периметру вертлюга размещаются бобины с лентами пре-
прега из армирующих нитей, предназначенных для укладки их в
продольном направлении цилиндрической трубы. Ширину и число
лент подбирают таким образом, чтобы «чулком» закрыть сразу
всю цилиндрическую поверхность оправки. При этом катушки с
препрегом для поперечного слоя размещают на суппорте станка,
движущемся синхронно с вертлюгом параллельно оси оправки.
Для изготовления методом непрерывной намотки стеклопла-
стиковых труб бесконечной длины и корпусов снарядов были соз-
даны станки косослойной продольно-поперечной намотки (КППН)
(рис. 5.20). В отличие станков продольно-поперечной намотки, где
толщина стенки оболочки создается в результате возвратно-
поступательных движений суппорта вдоль оси оболочки, в станках
КППН за один проход наматывается вся расчетная толщина стенки
трубы.
292
Часть III. Технологические основы метода намотки
Рис. 5.20. Схема КППН (а) и принципиальная схема КППН цилиндри-
ческих труб (б):
I - оправка; 2 - катушка для нитей; 3 - вертлюг для поперечной намотки жгутов
лент; 4 - ванна; 5 - жгут поперечного слоя намотки трубы; 6 - нити продольного
слоя трубы; S - перемещение суппорта станка
Намоточные станки КППН снабжены электропечами для быст-
рого отверждения связующего, а также оправками, которые кроме
устройства вращения имеют устройства для перемещения изготов-
ляемой и частично отвержденной трубы вдоль ее оси. Станки
КППН также оснащены специальными устройствами - вертлюгами,
вращающимися с большой скоростью вокруг продольных жгутов
ленты и осуществляющими поперечную обмотку жгутов этой ленты
нитями. При этом продольные жгуты ленты укладываются в
поперечном направлении трубы, а поперечные жгуты ленты - вдоль
оси трубы.
Сущность процесса КППН заключается в том, что слой про-
дольно-поперечной намотки формируется не по всей длине оправ-
ки, а в пределах ширины технологической ленты, укладываемой на
оправку в поперечном направлении с малой осевой подачей.
Вследствие того что намотку такой ленты на оправку проводят
с шагом, значительно меньшим ее ширины, суммарная нахлестка с
каждым витком увеличивается, а лента укладывается с наклоном к
образующей цилиндра (косослойно). Толщину слоя оболочки
определяют как произведение исходной толщины ленты и числа
оборотов оправки, сделанных на ширине наматываемой ленты.
При этом продольные нити (жгуты, пряди) ленты представляют
собой несущую арматуру для окружных рабочих напряжений, а
перпендикулярные нити в ленте (наружная обмотка) - несущую
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 293
арматуру для осевых напряжений в оболочке трубопровода. Про-
дольные жгуты ленты пропитывают жидким связующим непосред-
ственно в процессе намотки ленты на оправку по мокрому спосо-
бу, а сухие поперечные жгуты ленты - непосредственно на оправ-
ке за счет избытка жидкого связующего в продольных жгутах
ленты кольцевого армирования.
Станки КППН широко используют для непрерывного изготов-
ления длинномерных напорных труб малого и среднего диаметров,
а также коротких цилиндрических оболочек (корпусов снарядов) и
конических изделий с углом конусности не более 20°.
5.3.2. Намоточные станки орбитальной намотки
Станки орбитальной намотки подразделяют на станки кабель-
ного и тороидального типов.
На станках кабельного типа (рис. 5.21) главное движение
(вращение) получает намоточная головка, имеющая большой запас
намоточного материала и вращающаяся вокруг поперечного сече-
ния оправки диаметром Don, а движение подачи (медленное пере-
мещение вдоль оси изделия) - технологическая оправка, на кото-
рую и наматывается КМ.
Рис. 5.21. Схема орбитальной
намотки на станках кабель-
ного типа:
1 - оправка; 2 - планшайба на-
моточной головки; 3 - бобина с
лентой препрега или нитью 1 2 3
По этому принципу созданы станки СМ3 серии НЛ 0,5-6 и
НЛ 0,5-10, предназначенные для изготовления методом намотки
длинномерных деталей из КМ (лонжеронов, лопастей несущего и
хвостового винтов вертолетов и др.).
Особенность конструкции станка НЛ 0,5-6 (рис. 5.22) - воз-
можность намотки ленты препрега как на неподвижную, так и на
294
Часть HL Технологические основы метода намотки
вращающуюся оправку. Наибольший диаметр описанной вокруг
изделия окружности составляет 500 мм, максимальная длина изде-
лий - 6,5 и 10,0 м, наибольшая ширина наматываемой ленты - 10 и
20 мм, число одновременно работающих раскладчиков - соответ-
ственно 4 и 3 шт.
Рис. 5.22. Общий вид четырехкоординатного станка модели НЛ 0,5-6
Главная особенность орбитальной намотки на станках торои-
дального типа (рис. 5.23) - вращающаяся вокруг поперечного се-
чения оправки намоточная головка с раскладчиком ленты и огра-
ниченным запасом намоточного материала. Следовательно, в
станках тороидального типа главное движение (вращение по коор-
динате ан.г) получает намоточная головка, а движение подачи
(медленное вращение в одну или в другую сторону по координате
Фоп) - тороидальная оправка.
Рис. 5.23. Схема орбитальной на-
мотки тороидальных конструкций
на станках тороидального типа:
1 - оправка криволинейного трубо-
провода; 2 - наматываемая лента
препрега; 3 - намоточная головка; 4 -
разъем намоточной головки; 5 - орби-
тальный раскладчик ленты; 6 - верт-
люг намоточной головки; 7 - катушка
с намоточным материалом; 8 - торои-
дальная оправка; фн, - угол поворота
намоточной головки (вертлюга); 0Л -
угол поворота ленты
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 295
Если наматываются криволинейные патрубки и трубы или не-
замкнутые в кольцо торы, то оправка осуществляет возвратно-
поступательное перемещение по координатам и Утр на прямо-
линейных и изогнутых участках трубопровода.
Для спирально-поперечной намотки прямо- и криволинейных
трубопроводов был спроектирован (НИИТМ, г. Москва) и изго-
товлен (ЗТС, г. Коломна) четырехкоординатный станок СНП-3 с
системой программного управления. Продолжительное время ста-
нок СНП-3 (рис. 5.24) эксплуатировался в МГТУ им. Н.Э. Баума-
на. Станок оснащен неразъемной орбитальной головкой и предна-
значен прежде всего для получения криволинейных трубопрово-
дов, изогнутых в одной плоскости сухим способом намотки.
Диаметр трубопроводов - 270...300 мм, максимальные размеры в
плане - 800x1250 мм.
Для управления СНП-3 была использована серийная система
программного управления СЦП-5, информация в которую посту-
пает с перфоленты. Все перемещения рабочих органов станка
осуществляются по расчетной программе, набитой на перфоленте.
Станок имеет раздельные приводы, которые управляют движением
по четырем координатам (рис. 5.24, а): продольное перемещение
стола с установленной на нем оправкой (координата Л); попереч-
ное перемещение каретки с намоточной головкой (координата У);
вращение планшайбы с катушками ленты препрега вокруг оправки
(координата сх); поворот вертлюга с планшайбой вокруг верти-
кальной оси на угол ±360° (координата ф).
Первый в России специальный торонамоточный станок для
изготовления композитных баллонов методом спиральной намот-
ки был разработан НИАТ в 1965 г. К сожалению, создание станка
было приостановлено на стадии изготовления рабочей документа-
ции. В связи с этим для намотки композитных тороидальных кон-
струкций (оболочек баллонов, коробчатых шпангоутов) в МГТУ
им. Н.Э. Баумана был спроектирован и изготовлен малогабарит-
ный торонамоточный станок СНТ-2А (рис. 5.25, а) с системой
управления траекторией намотки (укладки нитей) от червячно-
кулачкового механизма (ЧКМ). Станок предназначен для попереч-
ной, спиральной или продольно-поперечной намотки сухим спо-
собом композитных конструкций тороидальной формы кругового,
эллиптического или прямоугольного сечения.
296
Часть III. Технологические основы метода намотки
Рис. 5.24. Схема (а) и общий вид (б) станка СНП-3 для намотки криволи-
нейных труб, изогнутых в одной плоскости:
1 - траверса; 2 - каретка; 3 - намоточная головка; 4 - оправка; 5 - опора для
крепления оправки; 6 - стол; 7 - станина; 8 - планшайба
Основные составные части СНТ-2 А: орбитальная намоточная
головка, укрепленная на вертикальной стойке в роликовых опорах;
стол с размещенными на нем устройствами для крепления и пере-
мещения тороидальной оправки; электромеханический привод,
обеспечивающий согласованное движение намоточной головки и
тороидальной оправки; тянущая цепь со специальными башмака-
ми; корпус.
Намоточная головка станка вращается с постоянной угловой
скоростью, ее центр совпадает с центром меридионального сече-
ния тороидальной оправки (рис. 5.25, 6). Головка выполнена в ви-
де разъемного силового зубчатого кольца с направляющими вы-
ступами для установки шпуль. Наматываемый материал в виде
волокнистой ленты или ленты из полимерной пленки размещают в
разъемной вращающейся на силовом кольце шпуле диаметром
360 мм, шириной 22 мм и высотой 14 мм.
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 297
б
Рис. 5.25. Общий вид (а) и схема (б) торонамоточного станка СНТ-2А с
кольцевой шпулей (показан процесс намотки нитей на тороидальную
оправку):
/ - стол; 2 - ведущая звездочка тянущей цепи; 3 - тянущая цепь; 4 - опорный
ролик; 5 - эластичная бесконечная лента; 6 - вертикальная разъемная стойка;
7 - разъемная шестерня намоточной головки; 8 - разъемная кольцевая шпуля;
9- лента препрега; 10 - намотанный слой КМ; 11 - пружина каретки; 12 - ве-
домая звездочка; 13 - подвижная каретка; 14 - тороидальная оправка
298
Часть III. Технологические основы метода намотки
Кроме того, на силовом кольце крепятся фрикционное устрой-
ство для торможения шпули, съемник нитей (ленты) и система на-
правляющих роликов, измеритель натяжения нитей индикаторного
типа и ролик - раскладчик наполнителя. Частота вращения намо-
точной головки фиксируется с помощью электромеханического
счетчика типа СБ 1М/50.
Оправка на столе станка СНТ-2 А вращается с постоянной или
переменной угловой скоростью в горизонтальной плоскости с по-
мощью тянущей цепи, снабженной башмаками, которые охваты-
вают оправку в области большого диаметра тора. Между башма-
ками и оправкой пропускается бесконечная резиновая лента, кото-
рая частично предохраняет наматываемую ленту препрега от
повреждений и придает плавность движения оправке.
К недостаткам намоточных головок с центральной кольцевой
шпулей относятся частые остановы станка для намотки новой лен-
ты препрега в кольцевую шпулю и сложность съема ленты препре-
га с кольцевой шпули при намотке ее на тороидальную оправку.
Заполнение кольцевой шпули намоточным материалом приводит к
остановке процесса намотки композитной тороидальной оболочки,
возрастанию времени изготовления баллона, а также к снижению
прочности волокнистого наполнителя, особенно хрупких, напри-
мер, углеродных волокон, в результате дополнительной перемотки
их с заготовки на шпулю.
Следует также отметить, что тороидальные оболочки не име-
ют так называемых полярных отверстий, в которые обычно вма-
тываются фланцы и закрепляется ось-скалка, передающая враще-
ние оправке, например, цилиндрической или сферической формы.
Вращение тороидальной оправке может быть передано только
через ее наружную поверхность (см. рис. 5.25, а), на которую
наматывается КМ. За счет многократного контакта наматываемого
материала оболочки с элементами привода вращения оправки, на-
пример с роликами или цепью (см. рис. 5.25, 6), происходит час-
тичное повреждение волокон наполнителя, неизбежно снижающее
прочностные свойства материала композитной тороидальной обо-
лочки.
Если малый диаметр (экватор) тора достигает 150...200 мм,
то намоточную головку (планшайбу) целесообразно оснащать
быстросъемными катушками, если же он менее 100 мм, то намо-
точную головку следует проектировать с центральной кольцевой
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 299
шпулей. Для уменьшения количества остановов станка в процес-
се намотки тороидальной оболочки необходимо в кольцевой
шпуле или в катушках разместить столько намоточного материа-
ла, чтобы его хватило для формирования, как минимум, одного
слоя оболочки.
5.4. Технологические оправки для намотки композитных
конструкций ракет и средств поражения
5.4.1. Общая характеристика оправок
Технологические оправки - одни из основных элементов тех-
нологического оснащения процесса формообразования композит-
ных изделий методом намотки. Внешняя форма и размеры оправки
с заданной точностью должны соответствовать форме и размерам
внутренней поверхности изделия и не изменяться под действием
силовых и температурных нагрузок при намотке и отверждении
композитной конструкции. Кроме того, для сохранения устойчи-
вости формы оправки должны также обладать достаточной проч-
ностью. При этом оправки должны быть технологичными, т. е.
должны обеспечивать минимум затрат труда и времени на их изго-
товление и извлечение из готового изделия, иметь возможно мень-
шую массу, быть дешевыми и обеспечивать заданное количество
циклов их использования в технологическом процессе.
В качестве технологических оправок также могут применяться
и конструкционные элементы изделий, не удаляемые из намотан-
ной конструкции, а остающиеся в ней как части изделия. Такими
конструкционными элементами могут быть тонкостенные оболоч-
ки (лейнеры), выполненные из металлов, термопластов или резин,
на поверхность которых наматывается КМ. Однако намотка на уп-
ругие и маложесткие оправки может вызвать потерю устойчивости
оболочки и потребовать принятия некоторых технологических мер:
введения послойной намотки оболочки и отверждения КМ или
придания этим оправкам во время намотки достаточной жестко-
сти путем надувания их газом, засыпки песком или заполнения
жидкостью.
Назначение оправок. Технологические оправки служат для
намотки композитных оболочек и формообразования внутренней
поверхности изделий. На оправках устанавливают и закрепляют
300
Часть III. Технологические основы метода намотки
закладные элементы изделий (фланцы, штуцера, фитинги), а также
на них наматывают защитные и герметизирующие слои (оболочки).
Технологические оправки подвергают термической обработке с це-
лью полимеризации связующего намотанного изделия; на оправках
производится механическая обработка посадочных мест, узлов сты-
ков, соединений уже в отвержденном композитном изделии.
Технические требования к оправкам. Оправки должны обес-
печивать получение заданных размеров и формы изделия с требуе-
мой точностью; обладать необходимой технологической жестко-
стью во время формообразования композитного изделия; иметь
твердую и гладкую поверхность; выдерживать механические на-
грузки, возникающие при намотке, и температуру полимеризации
связующего; легко удаляться из готового изделия; иметь малую
массу и минимальную стоимость изготовления.
По применению технологические оправки подразделяют на
одно- и многоразовые оправки. В зависимости от использования
технологические оправки бывают удаляемыми, частично удаляе-
мыми и неудаляемыми*.
По конструктивному исполнению различают следующие виды
технологических оправок:
• цельные (цилиндрические или конические оправки, выпол-
ненные из металлов и целиком удаляемые из изделий);
• разборные (изготовляют из металлов, реже применяют на-
дувные резиновые или комбинированные оправки);
• разрушаемые выполняют из песчано-полимерных материа-
лов, реже из гипса, смеси водорастворимых эвтектических солей,
парафина, легкоплавких металлов или алюминиевых сплавов, по-
следние вытравляются химическим путем из композитного изде-
лия после его термической обработки.
Анализ используемых одноразовых оправок показывает, что
трудоемкость их изготовления и удаления из готового изделия
сравнима с трудоемкостью изготовления самих композитных обо-
лочек сосудов давления или значительно превышает ее. Один из
путей снижения себестоимости композитных оболочек сосудов
(баллонов, корпусов, трубопроводов) - применение многоразовых
цельных или разборных стальных оправок.
* В качестве неудаляемых частей технологических оправок могут ис-
пользоваться штуцера, фланцы или оболочки (лейнеры) из металлов и
термопластов, являющиеся элементами конструкции изделий.
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 301
5.4.2. Многоразовые цельные и разборные и надувные оправки
Оправки для намотки цилиндрических труб. Гладкая оп-
равка состоит из цельнотянутой или свальцованной и сваренной
стальной трубы, которая с помощью торцевых крышек закрепля-
ется на оси-скалке (рис. 5.26).
Если толщина стенки композитной оболочки достаточно боль-
шая, то удаление оправки из оболочки осуществляется с помощью
кабестана - устройства для вытягивания цельной металлической
оправки из трубы. При этом стенка композитной оболочки ис-
пытывает действие напряжения сжатия, в стенке возможно воз-
никновение дефекта типа гофра.
Рис. 5.26. Схема гладкой стальной оправки с флан-
цами изделия:
1 - опорные крышки; 2 - винтовые зажимы; 3 - ось-скалка;
4 - стальная оправка-труба; 5 - фланец трубопровода
Для коротких композитных оболочек цилиндрические оправки
могут иметь небольшую конусность (1:100... 1:500), их поверх-
ность перед намоткой покрывается фторопластовой пленкой тол-
щиной 20...40 мкм. Такие оправки обладают хорошим качеством
поверхности, не трудоемки в изготовлении, многократно исполь-
зуются и удобны при намотке коротких композитных труб.
Разрезная оправка (рис. 5.27) предназначена для намотки тон-
костенных цилиндрических оболочек трубопроводов относительно
небольших диаметров. Она состоит из стальной трубы /, разрезан-
302 Часть 111. Технологические основы метода намотки
ной вдоль образующей цилиндра. По краям разреза закреплены
уголки зажимного устройства 5. Съемная пластина 6 шириной
6...8 мм устанавливается в разрез трубы, фиксируется в заданном
положении штифтами 3 и стягивается винтовыми зажимами 7.
В собранном положении рабочая поверхность оправки обрабаты-
вается на токарном (шлифовальном) станке. Шероховатость по-
верхности составляет 0,63... 1,25 мкм. Диаметр оправки Ооп вы-
полняется в размер, равный ±0,05 мм.
Ось-скалка 4 служит для закрепления оправки на намоточном
станке. Соосность оси-скалки и поверхности оправки не лимити-
руется. После изготовления композитной оболочки трубопровода
винтовые зажимы оправки освобождаются и съемная пластина
удаляется. Края разреза стальной трубы стягиваются винтовыми
зажимами, между оправкой и намотанным трубопроводом образу-
ется зазор шириной 1,5...2,0 мм, после чего оправка удаляется из
готового изделия. Фланцы 2 изделия фиксируются в заданном по-
ложении тремя винтами (см. рис. 5.27, Б).
Рис. 5.27. Схема разрезной цилиндрической оправки:
1 - стальная труба; 2 - фланец трубопровода; 3 - штифт; 4 - ось-скалка; 5 - за-
жимное устройство; 6 - съемная пластина; 7 - винтовые зажимы
Разборная оправка с клином предназначена для намотки ци-
линдрических участков трубопровода малых диаметров. Такая оп-
равка (рис. 5.28) включает в себя цельнотянутую стальную трубу
Гпава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 303
толщиной 5 мм, разрезанную на две части по образующей ци-
линдра, и два клина с конусностью 1:13, которые вставляются и
сдвигаются относительно друг друга вдоль оси оправки. В собран-
ном положении рабочая поверхность оправки обрабатывается на
токарном (шлифовальном) станке. Шероховатость поверхности
составляет 0,63 мкм. Диаметр оправки Don выполняется в размер,
равный ±0,05 мм.
Цилиндрические элементы 4 оправки и клинья 5 фиксируют-
ся двумя торцевыми крышками 3, которые установлены по краям
оправки. Клинья через сухари 6 стягиваются двумя болтами 7
вдоль образующей цилиндра и скрепляются с крышками осью 1.
Втулка 8 служит для установки и закрепления оправки на намо-
точном станке. После изготовления трубопровода ось оправки
снимается, клинья разжимаются болтами 2 и удаляются, затем из
трубы вынимаются два разрезных цилиндрических элемента
оправки.
Рис. 5.28. Схема (а) и поперечное
сечение (б) разборной оправки с
клином:
/ - ось оправки; 2,7 - разжимной и стя-
гивающий болты; 3 - крышка; 4 - ци-
линдрический элемент оправки; 5 - клин;
6 - сухарь; 8 - втулка
б
304
Часть III. Технологические основы метода намотки
Разборная оправка с клином представляет собой усовершенст-
вованный вид разрезной оправки. Главный недостаток такой
оправки - сложность конструкции и большая масса оправки.
К достоинствам оправки можно отнести простоту сборки и раз-
борки, возможность многоразового использования при изготовле-
нии труб небольших диаметров, обеспечение хорошего качества
внутренней поверхности композитного трубопровода.
Сборно-складная цилиндрическая оправка (рис. 5.29) предназна-
чена для намотки цилиндрических участков трубопроводов боль-
ших диаметров. Эта оправка состоит из стальной трубы толщиной
7 мм, разрезанной вдоль образующей цилиндра на четыре части -
четыре лепестка 8. Сначала собирается конструкция, которая будет
находиться внутри оправки: на винт 4 насаживаются колодки 6, 7, к
которым крепятся по два пальца 3. К лепесткам оправки изнутри
приварены уши 10, на которых винтами 5 крепятся пальцы.
Собранные лепестки с помощью винта 4 и колодок раздвигают до
диаметра оправки Ооп.
По краям оправки устанавливают опорные крышки /, кото-
рые фиксируются тягами 9. Далее устанавливают фланцы 14
трубопровода (см. рис. 5.29, А) и крепят их болтами 13 к опо-
рам 12, которые закреплены на оправке с помощью конических
штифтов 2. Опоры можно перемещать вдоль оси оправки, а
следовательно, и наматывать трубопроводы заданной длины Агр.
Две центральные оси-втулки 11, предназначенные для крепления
оправки на намоточном станке, устанавливают в последнюю
очередь.
Удаление оправки из готового композитного трубопровода
проводят в следующей последовательности: сначала вращают тяги
и освобождают опорные крышки, затем вращают винт и с по-
мощью колодок складывают узкие и широкие лепестки оправки
(рис. 5.29, б), после чего вся оправка выводится из трубопровода.
Достоинства сборно-складной цилиндрической оправки -
возможность многократного использования без ее полной раз-
борки. Недостатки - сложность конструкции и образование де-
фектов (следов) вдоль трубопровода в местах стыка лепестков
оправки.
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 305
Рис. 5.29. Схемы сборно-складной цилиндрической оправки (а) и скла-
дывания лепестков (б):
/ - опорная крышка; 2 - конический штифт; 3 - пальцы; 4, 5 - винты; 6, 7 - колод-
ки; 8 - лепесток; 9 - тяга; 10 - уши; 11 - ось-втулка; 12 - опора; 13 - болт; 14 - фла-
нец трубопровода
Разборная надувная многоразовая оправка (рис. 5.30) предна-
значена для спирально-поперечной намотки комбинированных
труб, состоящих из тонкостенного лейнера (металл, полимер),
двух фланцев и силовой композитной оболочки.
В оправку входят герметичный резиновый кожух, втулки и
прижимы для фиксации лейнера. Герметичный резиновый кожух
приклеивается внутренней стороной к двум стальным кольцам,
которые приварены к металлической трубке. Перфорированная
трубка имеет небольшие отверстия для подачи воздуха.
Сборка оправки осуществляется следующим образом: на один
конец оси кожуха 5 надевается до упора втулка 3 и прижимается
306 Часть III. Технологические основы метода намотки
гайкой. На кожух устанавливается металлический лейнер 9 с
фланцем 10 трубопровода и фиксируется прижимами. С другого
конца оси кожуха вставляется до упора втулка 7 и также прижима-
ется гайкой. Конец оси кожуха закрывается герметичной заглуш-
кой 8. На свободном конце оси устанавливается запорный клапан
/, через который от насоса под давлением подается воздух во
внутреннюю полость кожуха. Разборка оправки осуществляется в
порядке, обратном сборке.
Рис. 5.30. Схема разборной надувной многоразовой оправки для изготов-
ления труб из комбинированных материалов:
/ - запорный клапан; 2 - гайки; 3, 7 - втулки; 4 - прижимы; 5 - кожух; 6 - болт;
8 - заглушка; 9 - лейнер; 10 - фланец трубопровода
Таким образом, данная оправка позволяет обеспечить дейст-
вие равномерного разжимного давления внутри лейнера и придает
ему необходимую жесткость. При термической обработке КМ дав-
ление внутри кожуха поднимается на 0,1...0,2 МПа, что положи-
тельно влияет на формирование силовой оболочки и напряженное
состояние конструкции трубы в целом.
В качестве материала кожуха должна использоваться резина
на основе кремнийорганических каучуков, обладающая высокой
термостойкостью, вплоть до 250 °C. Однако срок эксплуатации
оправки ограничен сроком эксплуатации резинового кожуха, что
делает такую оправку более подходящей для использования в мел-
косерийном производстве.
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 307
Надувная многоразовая оправка (рис. 5.31) служит для формо-
образования из КМ методом намотки или выкладки (закатывания)
толстостенных цилиндрических стержней небольшого диаметра и
ограниченной длины. Оправка состоит из втулки 2, к которой при-
варены трубка 5 с отверстиями для подачи воздуха и заглушка 6.
Сверху на трубку 5 надевается толстая резиновая трубка 4 с уп-
лотнительными кольцами 3.
Рис. 5.31. Схема надувной многоразовой оправки для изготовле-
ния композитных стержней:
/ - крышка; 2 - втулка; 3 - уплотнительное кольцо; 4 - резиновая
трубка; 5 - трубка; 6 - заглушка
После наформовки КМ на стержень оправку помещают в раз-
борную по образующей цилиндра пресс-форму, крышку 1 снимают
и через штуцер во внутреннюю полость оправки подается воздух
под давлением до 0,6 МПа. Далее проводят термическую обработку
изделия в печи. При этом резиновая трубка обеспечивает необходи-
мое равномерное поджатие по всей поверхности контакта компо-
зитного стержня с профилем металлической пресс-формы.
Разборная оправка для намотки цилиндрических баллонов (рис.
5.32) изготовляется из металла в виде совместно собранных
подогнанных секторов, закрепленных по торцам. Разборная оправка
делится на три части, соответствующие профилированным днищам
и цилиндрической части оболочки; каждая из этих частей разрезана
по образующей на 13 секторов, один из которых является плоским.
Разборные части 1 оправки, формирующие днище оболочки,
устанавливают на посадочных местах вала, после размещения сек-
торов цилиндрической части 2 вся оправка закрепляется гайками 4.
Для разборки оправки достаточно удалить вал и плоские секторы в
каждой части, после чего остальные секторы могут быть свободно
извлечены из отверстия оболочки через ее полярные отверстия.
Возможны и другие конструкции разборных оправок.
308
Часть III. Технологические основы метода намотки
Рис. 5.32. Схема разборной оправки для намотки цилиндрических
баллонов:
1 - разборные части оправки, формирующие днище оболочки; 2 - цилиндриче-
ская часть оправки; 3 - вал; 4 - гайки крепления оправки на валу; 5 - гайки для
сборки частей днища
Многоразовые оправки для намотки криволинейных пат-
рубков и труб. На рис. 5.33 показаны криволинейная оправка-
дорн, предназначенная для получения методом орбитальной на-
мотки или выкладки толстостенных композитных патрубков и уст-
ройство - криволинейный кабестан - для вытягивания оправки из
готового изделия.
Рис. 5.33. Криволинейная оправка-
дорн и устройство для вытягива-
ния оправки из готового изделия
(криволинейный кабестан)
Криволинейный кабестан прост в исполнении и не связан не-
посредственно с оборудованием для изготовления криволинейных
труб. Сама оправка, представляющая собой сектор тороидальной
поверхности, легко устанавливается на торонамоточном станке,
например на станке СНП-3.
Гпава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 309
Разборная металлическая оправка для намотки криволинейных
патрубков (рис. 5.34, а) состоит из двух криволинейных алюминие-
вых вставок-секторов, разрезанных по радиусу окружности и со-
единенных между собой через фиксирующие втулки стяжными
шпильками. Оправка хорошо подходит для серийного производства.
Конструкция оправки несложная и обеспечивает необходимую тех-
нологическую жесткость изделия. Трудоемкость удаления такой
оправки из готового изделия (композитной трубы) невысокая. Од-
нако изготовление секторов, разрезанных по кривой линии, пред-
ставляет собой достаточно трудоемкий и сложный процесс.
Многоразовую оправку, собранную из профилированных дис-
ков по меридианам тороидальной поверхности, применяют, если
намотку композитной оболочки осуществляют на тонкостенный
криволинейный лейнер (металл, полимер) (рис. 5.34, б). Оправка
состоит из криволинейной металлической оси 3, выполненной в
виде специально изготовленной стальной цепи, и набора сегмен-
тов - плоских дисков 5, обеспечивающих технологическую жест-
кость конструкции оправки. Набор втулок /, 2 и 4 служит для
крепления оправки на намоточном станке, фиксации лейнера 6 и
фланцев трубопровода.
Если намотка композитной оболочки проводится сразу на
криволинейную оправку, то формообразующая поверхность сег-
ментов должна точно повторять внутреннюю поверхность криво-
линейного трубопровода. Перед намоткой композитной оболочки
поверхность оправки (сегментов) покрывается антиадгезионным
составом и обматывается тонким слоем фторопластовой пленки.
Оправка обеспечивает необходимую технологическую жест-
кость изделия, но использование сегментов, точно повторяющих
внутреннюю поверхность изделия, требует их дополнительной и
совместной обработки, вследствие чего трудоемкость получения
такой оправки возрастает.
Оправка, собранная из вставок-сегментов, которые разреза-
ны по широтам тороидальной поверхности (рис. 5.34, в), состоит
из пяти вставок-сегментов, в сборе образующих изогнутую трубу,
повторяющую внутреннюю поверхность изделия, жесткой метал-
лической оси 1. фиксирующих втулок 2 и гаек, стягивающих
вставки-сегменты по диаметру и длине. Боковые торцы каждой
вставки-сегмента 4 имеют угловые скосы для обеспечения
свободного удаления их из трубопровода.
310
Часть III. Технологические основы метода намотки
Достоинства такой оправки - простота конструкции, надеж-
ность работы, низкая трудоемкость изготовления. После извлече-
ния оправки не требуется сложной и трудоемкой очистки внутрен-
ней поверхности трубопровода. Конструкторское решение, ис-
пользуемое в создании этой оправки, позволяет получать ряд
оправок такого типа с разными диаметрами трубопроводов и уг-
лами изгиба, что существенно влияет на мобильность всего произ-
водственного процесса намотки композитных труб.
Рис. 5.34 (начало). Схемы оправок:
а - разборная металлическая оправка для намотки криволинейных патрубков (7, 6-
криволинейные вставки-сектора; 2 - прижимы для фланцев трубы; 3 - фиксирующие
втулки; 4, 7 - стяжные шпильки; 5 - гайки); б - многоразовая разборная оправка,
собранная из профилированных дисков по меридианам тороидальной поверхности
(7, 2, 4 - втулки; 3 - металлическая ось; 5 - плоский диск; 6- металлический лей-
нер); в - многоразовая разборная оправка, собранная из вставок-сегментов, кото-
рые разрезаны по широтам тороидальной поверхности (7- металлическая
ось; 2 - фиксирующая втулка; 3 - прижим; 4 - вставка-сегмент)
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 311
820
г
Рис. 5.34 (окончание). Схемы оправок:
г - многоразовая сборно-разборная оправка
Многоразовая сборно-разборная оправка предназначена для
намотки криволинейных трубопроводов, состоящих из двух
прямолинейных и одного изогнутого участков. Оправка (рис. 5.34, г)
представляет собой комбинацию разрезной цилиндрической (см.
рис. 5.27) и многоразовой разборной (см. рис. 5.34, в) оправки.
Прямолинейные участки изготовляют и собирают так же, как
и сборно-разборную цилиндрическую оправку, за исключением
мест соединения с изогнутым участком. В этих местах устанавли-
вают дополнительный набор фланцев с бобышками для фиксации
вкладышей, оформляющих изогнутый участок оправки.
Сборка такой оправки осуществляется в следующем порядке.
Тяги, проходящие через пустотелую ось-скалку, вкручиваются в
бобышки, стягивая изогнутый участок, который включает в себя
вкладыши, с прямолинейными участками оправки. С помощью
набора фланцев и вкладышей оправка фиксируется в размер.
После изготовления трубопровода тяги извлекаются из бобы-
шек, винтовые зажимы на прямолинейных участках оправки осво-
бождаются и съемные пластины удаляются. Края разреза прямо-
312 Часть III. Технологические основы метода намотки
линейных участков трубопровода стягиваются, между оправкой и
намотанным трубопроводом образуется зазор, после чего оправка
по частям удаляется из готового изделия.
Конструкция многоразовой сборно-разборной оправки позво-
ляет получать методом намотки криволинейные трубопроводы
различной длины, при этом достигается хорошее качество внут-
ренней поверхности изделия.
5.4,3. Одноразовые разрушаемые оправки
В случаях, когда контур изделия замкнут или близок к такому,
не возможно применение многоразовых цельных или разборных
оправок. В связи с этим для намотки изделий используют однора-
зовые, как правило, комбинированные оправки. Действительно,
намотка композитных сферических, тороидальных (реже - цилинд-
рических) оболочек баллонов давления, а также криволинейных
трубопроводов с двумя и более изгибами может проводиться толь-
ко на одноразовые оправки с разрушаемой частью, оформляющей
внутреннюю поверхность изделия.
Оправки с разрушаемой частью, оформляющей внутрен-
нюю поверхность изделия. Под разрушаемыми оправками пони-
мают оправки, которые используются только один раз и после из-
готовления изделия полностью удаляются из него путем механи-
ческого разрушения (разбивания), вымывания горячей водой
(паром) или с помощью химического вытравливания щелочами
металлических, чаще всего алюминиевых, оформляющих внутрен-
ние поверхности изделий частей оправок.
Конструктивное исполнение одноразовых оправок может быть
различным. Существенным в них является то, что материал основ-
ных формообразующих элементов легко разрушается и полностью
извлекается из оправки. При этом конструкция оправки может
быть полностью или частично разрушаемой, в последнем случае ее
каркас выполняется из металла (стали), а оформляющая часть - из
легко разрушаемых материалов (гипса, парафина, легко раствори-
мых водой смесей солей или песчано-полимерных смесей). Как
правило, металлический каркас является разборным и использует-
ся в оправках многократно.
На рис. 5.35, а приведена вымываемая водой сферическая оп-
равка, изготовленная литьем из эвтектической смеси солей (NaOH +
Гпава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 313
+ КаОН). Такая оправка является частично разрушаемой (раствори-
мой в воде), так как в оформляющую внутреннюю поверхность оп-
равки входят элементы наматываемого изделия: два штуцера с
большими фланцами и металлическая скалка для крепления оправки
на намоточном станке. Солевые оправки выдерживают высокую тем-
пературу полимеризации связующего (200 °C и более) и легко уда-
ляются из изделия путем растворения и вымывания солевой смеси
горячей водой.
в
Рис. 5.35. Одноразовая вымываемая водой солевая сферическая (£)оп =
= 354 мм) (а) и песчано-полимерная тороидальная (£>оп = 400 мм и £)сеч =
= 80 мм) (б) оправки, пресс-формы для их изготовления (в)
На рис. 5.35, б показана собранная из двух половинок торои-
дальная оправка с двумя оформляющими втулками под установку
штуцеров. Прессованные элементы оправки изготовлены на основе
песка и легкорастворимого полимерного связующего.
Рассмотрим пример получения удаляемых песчано-полимер-
ных оправок тороидальной формы (см. рис. 5.35, б, в). Для этого
314
Часть 111. Технологические основы метода намотки
отработан процесс изготовления смеси, состоящей из водного рас-
твора поливинилового спирта (ПВС) и песка. На 1 массовую часть
ПВС марки «Совиол» берут 7 массовых частей воды и 56 массо-
вых частей однородного песка. Смесь размешивается до равно-
мерного состояния и появления мелких пузырьков воздуха во всей
массе. Такая смесь обладает достаточной текучестью и легко за-
полняет замкнутый объем тороидальной или другой пресс-формы
при воздействии на смесь короткими и сильными ударами в месте
подачи ее в пресс-форму.
Последовательность термической обработки смеси в алюми-
ниевой пресс-форме: нагрев до 110 °C и выдержка в течение 1 ч;
нагрев до 135 °C и выдержка в течение 3 ч; охлаждение в печи до
50 °C и удаление оправки из пресс-формы. Изготовленные оправки
являются жесткими, достаточно прочными при сжатии (ссж <
< 75 МПа), обладают малой усадкой, твердой и гладкой поверхно-
стью, безопасны при изготовлении, имеют низкую стоимость.
Намотка слоев тороидальной оболочки (рис. 5.36) проводится
на технологическую оправку, которая должна быть удалена после
изготовления тороидального сосуда. Каждая новая конструкция
сосуда требует создания своей оправки, отражающей конфигура-
цию и особенности изготовления сосуда.
Тороидальная оправка состоит из двух половинок 1, 10, к одну
из которых впрессована втулка 5 с уплотнительным кольцом 8.
Эти детали, а также штуцер 4 - элементы заправочного узла
тороидального сосуда. Штуцер размещается во внутренней полос-
ти оправки и фиксируется в требуемом положении с помощью раз-
жимной цанги 6 и установочного винта 9. Конус 7 служит для
определения места расположения штуцера, раздвигания нитей и
вытаскивания штуцера из оправки после окончания процесса
намотки.
В собранном виде песчано-полимерная тороидальная оправка
обматывается технологической лентой 2 шириной 20 мм и толщи-
ной 40 мкм из растворимой поливинилспиртовой пленки марки
ПВС-Э с целью прочного скрепления верхней и нижней половинок
оправки между собой и предохранения внутренней поверхности
оболочки от повреждений в процессе вымывания песка. Прочность
ленты при растяжении составляет 40 МПа. Намотка 3 ленты на
оправку осуществляется в поперечном направлении на торонамо-
точном станке СНТ-2А.
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 315
Рис. 5.36. Схема удаляемой песчано-полимерной тороидальной оправки
с расположенным внутри нее штуцером и цанговым замком:
/, 10 - верхняя и нижняя половинки тороидальной оправки; 2 - технологиче-
ская лента (ПВС-лента); 3 - схема укладки ПВС-ленты на оправку; 4 - штуцер;
5 - втулка; 6 - разжимная цанга; 7 - раздвигающий конус; 8 - уплотнительное
кольцо; 9 - установочный винт
Удаление песчано-полимерной оправки и технологической лен-
ты из готового изделия происходит под действием горячей воды
(50...60 °C). В течение 30...40 мин оправка распадается на мелкие
части и песок вымывается через штуцер наружу. В это же время рас-
творяется и вымывается водой растворимая лента из пленки ПВС-Э.
На рис. 5.37 приведена схема сборной песчано-полимерной
цилиндрической оправки для изготовления методом намотки
замкнутых емкостей больших размеров. Песчано-полимерные оп-
равки широко применяют для намотки композитных оболочек ци-
линдрических сосудов давления и корпусов двигателей. Такие оп-
равки являются эффективными, технологичными и относительно
недорогими в изготовлении.
Оправку набирают из отдельных профилированных песчаных
элементов (см. рис. 5.37), которые устанавливают на опорные ста-
каны со шлицами, скрепленными с осью-скалкой, передающей
вращение оправки в процессе намотки изделия.
После установки оправки на намоточный станок неточности
сборки и дефекты песчаных элементов оправки устраняют путем
механической обработки и шпаклевки дефектных мест. Перед на-
моткой на поверхность оправки наносят антиадгезионное покры-
тие, например из тонкой фторопластовой пленки. Разрушение и
удаление песчано-полимерной оправки из готового изделия вы-
316
Часть III. Технологические основы метода намотки
полняют на специальных стендах, чаще всего находящихся в вер-
тикальном положении, с использованием горячего пара или горя-
чей воды либо механических вибраций.
Рис. 5.37. Схема сборной песчано-полимерной цилиндрической оправки:
1 - ось-скалка; 2 - опорные стаканы со шлицами; 3,5- профилированные днища;
4 - цилиндрический элемент
Комбинированная оправка с разрушаемым изогнутым
участком. Для изготовления криволинейных трубопроводов не-
больших диаметров хорошо подходит комбинированная оправка,
состоящая из разрезной цилиндрической оправки (см. рис. 5.27),
оправки с косым разрезом (рис. 5.38, а) и одноразовой песчано-
полимерной оправки (рис. 5.35, б) с частично разрушаемым изо-
гнутым участком.
Такую конструкцию оправки применяют в опытном или мел-
косерийном производстве. Конструкция очень технологична, так
как с ее помощью можно получать криволинейные трубопроводы
различных диаметров и размеров, а составные части оправки не
требуют трудоемкого изготовления. При необходимости сборно-
разборный прямолинейный участок оправки также может быть
изготовлен из песчано-полимерного материала.
Комбинированная оправка трубопровода с тремя участками.
На рис. 5.38, б приведена схема комбинированной оправки с раз-
резным цилиндрическим и частично разрушаемым изогнутым уча-
стком. Изогнутый участок оправки состоит из сварного каркаса, на
Глава 5. Метод намотки в производстве конструкций из КМ 317
Рис. 5.38. Схемы оправок:
а - комбинированная оправка с разрушаемым изогнутым участком для намотки
криволинейного трубопровода (/, 6 - оси 1 и 2; 2, 10 - гайки 1 и 2; 3, 9 - втулки
1 и 2; 4, 8 - планки 1 и 2; 5 - формовочная смесь; 7 - вкладыш; 11 - винт; 12 -
фланец; 13 - фиксатор); б - комбинированная оправка с разрезным цилиндри-
ческим и частично разрушаемым изогнутым участком для намотки трубопрово-
да (/ - разрезная цилиндрическая оправка; 2 - место стыка цилиндрического и
изогнутого участков оправки; 3 - сварной каркас изогнутого участка оправки;
4 - стальной трос, навитый на каркас; 5 - слой из фторопластовой пленки; 6 -
съемная пластина; 7 - винтовые зажимы; 8 - фланец трубопровода; 9 - ось-
скалка; 10 - крепление крышек к оси; 11 - гипс)
318
Часть III. Технологические основы метода намотки
который наматывают стальной трос диаметром 6...8 мм. Каркас с
тросом устанавливают в тороидальную форму (можно деревян-
ную) и заливают раствором гипса. Возможные раковины и трещи-
ны на внешней поверхности гипсовой оболочки ремонтируют, а
места ремонта зачищают и доводят до требуемых размеров и ше-
роховатости поверхности.
Оправку применяют для получения трубопроводов больших
диаметров и в тех случаях, когда необходима высокая (более
300 °C) температура термической обработки намотанного изделия.
Отдельно подготовленные цилиндрические участки (разрезная оп-
равка) и изогнутый участок комбинированной оправки собирают
вместе, устанавливают ось-скалку и на поверхность оправки нано-
сят антиадгезионное покрытие из фторопластовой пленки толщиной
0,15 мм.
Извлечение оправки из готового изделия выполняют пооче-
редно по участкам. Цилиндрические участки оправки удаляют так
же, как и металлическую разрезную оправку, изогнутый участок -
путем размотки троса, который разрушает гипсовую оболочку
(скорлупу) и освобождает каркас оправки. После этого каркас вы-
нимают из трубопровода.
Достоинства таких оправок - работоспособность при высоких
температурах, малая трудоемкость изготовления, небольшой рас-
ход разрушаемого материала и возможность механического удале-
ния оправки без применения жидких растворителей.
Глава 6
КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ НАМОТКИ
КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАКЕТ
И СРЕДСТВ ПОРАЖЕНИЯ
6.1. Кинематика орбитальной намотки комбинированных
тороидальных оболочек общего вида
При изготовлении композитных оболочек из однонаправлен-
ных волокнистых ПКМ методом намотки необходимо записать
кинематические уравнения движения по отдельным координатам и
рассчитать траекторно-угловые параметры, определяющие пере-
мещения исполнительных органов станка. В дальнейшем они слу-
Гпава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 319
жат основой для разработки управляющих программ намоточных
станков с ЧПУ.
Следует также определить и технические параметры намотки:
число витков ленты в одном слое, общее число спиральных и по-
перечных слоев в композитной оболочке, нормальную ширину и
толщину наматываемой ленты, число нитей или жгутов в ленте,
линейную плотность ленты или массу единицы длины наматывае-
мой ленты.
6.1.1. Уравнение кривой намотки тороидальных оболочек
В общем случае намотки замкнутых в кольцо тороидальных
конструкций оправка вращается медленно при поперечной намот-
ке тороидальных оболочек (катушек, сердечников, кольцевых ко-
робчатых шпангоутов, пневматических шин) или быстро при спи-
ральной намотке тороидальных оболочек сосудов давления.
Все тороидальные оболочки сосудов давления, криволиней-
ных труб, а также кольцевые коробчатые или двутавровые шпан-
гоуты характеризуются общностью геометрической формы по-
верхности, наматываются по закрытой (орбитальной) кинематиче-
ской схеме на станках тороидального типа, где главное движение
(вращение) совершает орбитальная намоточная головка, а не тех-
нологическая оправка.
Одновременно изменяя скорость вращения тороидальной оп-
равки по координате сроп и частоту вращения намоточной головки
по координате оснл (см. рис. 2.7), можно получить заданную траек-
торию укладки нитей на поверхности оправки.
С технологической точки зрения задачу определения кинема-
тических уравнений (зависимостей) и траекторно-угловых пара-
метров орбитальной намотки композитных тороидальных оболо-
чек целесообразно решать в криволинейной ортогональной систе-
ме координат фа = /(ос), связь которой с цилиндрической системой
координату = /(г) описывается уравнением (3.40).
Если раскладчик ленты орбитальной головки движется непо-
средственно по поверхности тороидальной оправки, то уравнение
кривой намотки находят из дифференциальных соотношений, ко-
торые согласно обозначениям на рис. 6.1 имеют вид
dty = l/(rtgP,.)6fc; ds = -^1 + (у')2 dr\ у' =dy/dr = —ctgoc. (6.1)
320
Часть III. Технологические основы метода намотки
Рис. 6.1. Траекторно-угловые параметры и
схема намотки витков ленты на поверхности
тороидальной оболочки
Интегрируя первое уравнение (6.1), записываем уравнение
кривой намотки для тороидальных оболочек в цилиндрической
системе координат
г
ф(г) = f (tgP/r)71 + (/)2 dr. (6.2)
'•='()
Текущий радиус вращения г оболочки в (6.2) может быть вы-
ражен через угловую координату а с помощью уравнения (3.40),
записанного в виде
2 2
г0 -с
С 0^(7--------------
r0(X + cos2p0)
r(r2 -с2)
Хг2 + r0 cosРоу]г2 -rf sin2 Ро
(6.3)
откуда методом последовательных приближений находят г = га =
= г(а).
Дифференцируя (6.3) по переменной а и учитывая (6.1), полу-
чаем выражения для дифференциалов t/r(X = Jr(oc) и dya = dy(a)
комбинированной тороидальной оболочки общего вида:
dra = -г0/(Х,7^,a)sina6/a; dya = r0/(X, ^,a)cosac/a. (6.4)
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 321
В (6.4) функционал /(X, га, а) записывается как
/(Х,га,а) =
Xr(t2+cosP07 ra2-sin2P0
2Х+ C0Sii° ч V ra2-sin2pOy cosa
(6-5)
где г(Х - приведенный радиус вращения тороидальной оболочки,
= г(х /г0. Если слой металла отсутствует (X = 0), то (6.5) соответ-
ствует уравнению (3.78), полученному ранее для равнонапряжен-
ных композитных тороидальных оболочек.
Выполнив подстановку (6.4) и (6.5) в (6.2), получим уравнение
кривой намотки на тороидальной поверхности в координатах ф и ос:
а а
Фа= (р(А,га,а) = J(l/r(a))tgP(a)/(A,ra,a)t/a = |ф;(Х,га,а)^/а,
о о
(6.6)
где углы намотки |3(Х = (3(ос) находят из уравнения геодезических
линий (3.24) для тороидальной оболочки и из выражения (6.3).
Очевидно, что функция ф(Х=ф(а) является нелинейной. Од-
нако если оправка и раскладчик ленты вращаются с постоянными
угловыми скоростями (фа = const и а = const), то подынтегральная
функция б/ф/<7а = ф'х(Х,г^,а) = vnc =const будет также иметь по-
стоянное значение, а угол поворота оправки <ра будет пропорцио-
нален углу поворота намоточной головки а:
Ф,,.с(а) = <Ра(^Л>а)а = Vn.ca- (6-7)
Далее вращение оправки и раскладчика ленты с постоянными
угловыми скоростями будем называть опорным, а кривую намотки
тороидальной оболочки - пропорциональной или кривой постоян-
ных скоростей (ПС-кривой) с коэффициентом пропорционально-
сти vnc.
За один полный оборот раскладчика ленты по координате a
оправка повернется по координате <ра (см. рис. 6.1) на угол
322
Часть III. Технологические основы метода намотки
а=л
Фнам = Ф(Н, М = 2 J <р;(Х, Га, а)da - 2nvn с, (6.8)
а=0
который равен угловому шагу намотки одного витка нитей на по-
верхности тороидальной оправки. Таким же будет значение угла
намотки Ф = Фнам = Ф(ц, X) и при вращении оправки и раскладчи-
ка ленты с постоянными угловыми скоростями, если выбрать ко-
эффициент пропорциональности
упс=Ф(ц, Х)/(2л) = Фнам/(2л). (6.9)
Для выбранной схемы армирования угол поворота оправки (ра
по координате а будет отличаться от пропорциональной (опорной)
намотки (рис. 6.2) на угол (приращение) поворота оправки
АФ«=Фп.с-Фа = Ч,ра-фа, (6.10)
или с учетом (6.6)—(6.10) на дополнительный угол поворота оправ-
ки Дфа по координате а имеет вид
А Ф(Ц,
Афа =———-а-
2л
а
J Ф„(А.,^,а)</а
а=0
Фнам
2л
а Г
I 1-т^-фа(*Л,а)
J (р
а=01_ нам
da.
(6.11)
Выражение (6.11) может быть использовано для создания сис-
темы программного управления торонамоточным станком в слу-
чае, когда раскладчик ленты орбитальной головки движется
вплотную по поверхности тороидальной оправки.
Рис. 6.2. Зависимость угла по-
ворота (ра оправки от коорди-
наты а:
1 - намотка по кривой постоян-
ных скоростей фп с; 2 - намотка
по геодезической кривой ср1Д
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 323
Фактически раскладчик ленты орбитальной головки движется
на некотором расстоянии от наматываемой поверхности. При этом
угловые координаты точки схода ленты с раскладчика (p;v)
будут опережать угловые координаты точки касания лентами по-
верхности оправки Л/(а, (ра) на некоторый угол (р?у (а) (рис. 6.3). В
общем случае длина отрезка касательной MN переменна и зависит
от угла намотки ра тороидальной оболочки и формы поперечного
сечения оправки.
Чтобы определить закон движения оправки и раскладчика лен-
ты как функцию угла а, запишем уравнение кривой намотки в па-
раметрическом виде (рис. 6.3, б):
=racos<p„; Ум=уа, zM=rasin<pa. (6.12)
Аналогичную систему уравнений запишем и для кривой, опи-
сываемой раскладчиком ленты на поверхности воображаемого то-
ра радиусом сечения RN и радиусом вращения rv =с +/? v cosa v
(рис. 6.3, а)\
xN=rNcos<pN; yN=RNsinaN; zN = rNsin(f>N. (6.13)
Рис. 6.3. К определению закона движения тороидальной оправки относи-
тельно вращающего раскладчика ленты:
а - меридиональное сечение; б - вид в плане; 1 - орбита раскладчика ленты; 2 -
траектория раскладчика ленты на круговом торе радиусом RN\ 3 - кривая на-
мотки нитей на поверхности тороидальной оболочки; 4 - оболочка; N - точка
схода ленты с раскладчика ленты; М - точка касания лентой поверхности
оправки
324 Часть III. Технологические основы метода намотки
Уравнение касательной к кривой намотки в точке М, прохо-
дящей через точку N, определится системой параметрических
уравнений:
xN ~хм +udx/da; yN = ум +udylda; zN =zM +udz!da, (6.14)
где и * 0 - некоторая величина на этой прямой. Направляющие
коэффициенты из системы уравнений (6.14) в соответствии с (6.12)
и (6.13) будут иметь следующий вид:
dx!da = cos(pa -ra sin(pad<pa Ida; dy Ida = y'a;
dzl da = r^ sincpa +ra cos(pa6/(pa Ida. (6.15)
Подставив правые части соотношений (6.12), (6.13) и (6.15) в
(6.14), получим следующую систему уравнений:
Гд, cos(рд, = ra cos (pa + cosФа - ra sin Фа J(pa /do^u’,
7?iVsinaw = уа+у'аи; (6.16)
rN sin Ф^ = ra sin Фа + (r„ sin Фа + ra созфа <7фа/da.)u.
В системе уравнений (6.16) необходимо определить две не-
известные функции сх\ и ф/v, связанные с положением раскладчи-
ка ленты и зависящие от угла а. Остальные функции
ra ’ ra ’ Л* ’ Лс ’ Фа и Фа ’ относящиеся к тороидальной оболочке,
были найдены выше (см. (6.4)-(6.6)).
Для упрощения расчетов примем в (6.16) угол (ра = 0, тогда za =
= 0. В этом случае дополнительный угол поворота оправки (р^(ос)
будет определяться не от нулевого меридиана (начало намотки), а
от текущего меридиана, включающего в себя точку М(а, (ра) на кри-
вой намотки. Тогда система уравнений (6.16) примет вид
r„cos(p„=ra+r>;
/?NsinaAf =у'аи; (6.17)
Гд,8П1фд. = Га(<7фа/<7а)и.
Сначала запишем зависимость между углами aN и а, для чего
в (6.17) исключим функцию ф/v и величину и. Подставим в первое
и третье уравнения (6.17) значение и из второго уравнения, полу-
ченный результат возведем в квадрат и сложим:
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 325
(с + /?д, cosq^y)2
Rn2 sin2a v
( \2 ( , \
Фа га Га
Га— + — +------
I у'а) Wc Vin<M
(6.18)
Методом последовательных приближений из (6.18) определим
значение сх\ =/(а). Подстановка этого значения в одно из уравне-
ний (6.17) позволяет найти зависимость фдг = /(а) и записать закон
движения оправки относительно раскладчика ленты:
Ф011(а) = Фа+Ф„(а).
(6.19)
Знакопеременную составляющую, или дополнительный угол
поворота Дфа оправки (6.11) относительно ее опорного вращения
фп.с (6.7), можно выразить следующим образом:
Аф„ = ——а
2 л
а=л
J (p;(A,Fa,a)Ja - <р„(а) + Фл,(О), (6.20)
а=()
где фд^(О) - угловое положение раскладчика ленты в начале намот-
ки при a = 0 и фа = 0.
В случае геодезической намотки тороидальных оболочек кру-
гового сечения (см. рис. 4.1) или криволинейных трубопроводов
нормаль к поверхности тора и нормаль к кривой намотки в точке
М совпадают с радиусом вращения раскладчика ленты (см. рис.
6.3) и функция = f (а) определяется в явном виде. Кроме того,
для тороидальных оболочек кругового сечения можно записать
следующие соотношения:
= a + 0 = a + arccos(7?/7?N);
rN (a) = aR + Rn (cos a + 0);
ra = /?(a + cosa); r^=-/?sina; (6.21)
ya = 7? sin a; y'a = 7? cos a;
ф' =tgpa/(a+cosa).
Подставив полученные значения переменных из (6.21) в сис-
тему уравнений (6.17) и решив ее относительно искомой функции
Ф^(а), найдем
326
Часть III. Технологические основы метода намотки
^Sin<pt,+ (6.22)
tg₽a ^81Пф„
Числовые решения уравнений (6.6) и (6.22), определяющих
функции (ра и (Ptv(oc) для тороидальной оболочки кругового сече-
ния, приведены на рис. 6.4.
Рис. 6.4. Изменение кинемати-
ческих зависимостей намотки
композитной тороидальной обо-
лочки кругового сечения с па-
раметрами ц = 0,6; Ро = 24°20';
Фгд=61,5°; ф/v = 2°55'; R / RN =
= 0,866:
/ - фа; 2 - фп с = (Ф / (2я))а;
3-фоп(а); 4-фд,(а)
Расчеты выполнены для тороидальной оболочки с геометриче-
ским параметром а = 4,0 (ц = 0,6) при начальном угле намотки р0 =
= Popt = 24°20' и при угловом положении 0 = arccos (7? / = 30°
раскладчика ленты по отношению к точке М на оправке в начале
намотки.
Кривая (pon(ct) построена без учета постоянной составляющей
(р^(0) = 2°55', определяемой при а = 0 по более простой формуле:
фдД0) = 2агс8т
tgpo7
rn2-r2
2(aR + RN cos0)
(6.23)
6.1.2. Траекторно-угловые параметры орбитальной намотки
тороидальных оболочек
Как уже было отмечено, изготовление композитных оболочек
методом намотки производится нитями, предварительно пропи-
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 327
танными полимерным связующим и собранными в прядь или лен-
ту. Пусть намотка тороидальной оболочки осуществляется лентой
препрега шириной Л, (см. рис. 6.1). Запишем условие плотной (без
зазоров между лентами) укладки нитей по всей поверхности то-
роидальной оболочки:
Чр.ц = ztn / cos Р > 2лг; /крп( = tn / cos Р, (6.24)
где z - число витков ленты, или частота вращения раскладчика
ленты, обеспечивающая намотку одного слоя оболочки; /крщ -
кроющая ширина наматываемой ленты.
При постоянной ширине ленты число витков z будет зависеть
от произведения rcosP, максимум значения которого может дос-
тигаться при любом значении г. В случае геодезической намотки,
определяемой формулой rsin[3 = const, максимум значения rcosP
достигается на большом экваторе тора при г = г0- Следовательно,
число витков в слое согласно (6.24) составит
Z0=Zmax =2ЛГ0СО8Р0//л = 2я/фл0; Фл0 = Фл (°) ='крщ/го> (6-25)
где Ро - угол намотки; Гл - нормальная ширина ленты; <рл(0) - уг-
ловая кроющая ширина ленты на большом экваторе тора.
За один оборот раскладчика ленты вокруг сечения вращающей-
ся тороидальной оправки начало и конец витка ленты смещаются
относительно друг друга на угловой шаг намотки Ф(ц, А,) (см.
рис. 6.1), определяемый для заданной схемы армирования из (6.1):
^=(l/r)tg₽J 1 + (/)2 Jr. (6.26)
Подставляя в (6.26) значение tgP из уравнения геодезических
линий г sinP = го sinPo, получаем
. _ г J 1 + (К)2 dT _ _ _
O(g,X) = 2sinp0 J —=====; у = dyldr, (6.27)
г=ц ry] г -sin Ро
где значение производной у'г берется из (3.43).
Если слой металла отсутствует (k = 0, р0 = popt), то угловой шаг
намотки будет соответствовать значениям Ф(ц) для равнонапря-
328
Часть III. Технологические основы метода намотки
женных тороидальных оболочек. Подставив в (6.26) значение у'г
из (3.65) и значение tg[3,. из (3.24) и проинтегрировав, запишем
Ф(ц) = 41ёР0^^£2£п(л/2;1-цМ); к2 = 2, (6.28)
71-Ц2 2(1-с )
где П(л/2; 1-ц2; к) - эллиптический интеграл третьего рода; к -
модуль эллиптического интеграла. Если к = Хкру1, а р0 = 0 (круговые
торы, поперечная намотка), то угловой шаг намотки Ф(ц, Хкруг) = 0.
Как правило, после завершения одного полного оборота оп-
равки (одного цикла намотки) лента не возвращается в точку нача-
ла намотки. Однако такое совпадение возможно, если угловой шаг
намотки Ф(ц, X) укладывается целое число раз в одном повороте
оправки на угол (роп = 360°.
Например, если Ф*(ц, X) = 360°, 180°, 120°, 90°, 72° и т. д., то
соответственно через т = 1, 2, 3, 4, 5 и т. д. оборотов раскладчика
ленты система оправка - намоточная головка, закончив цикл на-
мотки, возвратится в исходную точку. Чтобы продолжить намотку
слоя, необходимо оправку довернуть на угловую ширину ленты
фл(0) и начать следующий цикл намотки. При этом угловой шаг
намотки изменится на величину 8Ф(|Ы, X) = сря(О)/ т.
Поскольку расчетные значения Ф = Ф(ц, X) почти всегда отли-
чаются от перечисленных выше кратных значений Ф*(ц, X), то в
одном обороте оправки будет укладываться [2л / Ф] целых угло-
вых шагов намотки и остаток углового шага
ДФ(ц, X) = 2л - [2л/Ф]Ф(ц, X). (6.29)
Если значение ДФ(ц, X) кратно угловому шагу намотки Ф(ц, X),
то через число оборотов оправки zon = Ф(ц, X) / ДФ(ц, X) расклад-
чик ленты намоточной головки вернется в исходную точку, сделав
за это время число оборотов zH.r = 2лДФ(ц, X) вокруг поперечного
сечения оправки. После этого, сместив оправку на угловую шири-
ну фл(0), можно начинать новый цикл намотки.
В общем случае кратность рассматриваемых углов не выпол-
няется. Тогда для получения плотной (без зазоров) укладки нитей
Глава 6, Кинематические параметры намотки конструкций 329
по всей поверхности тороидальной оболочки необходимо и доста-
точно, чтобы угловая ширина наматываемой ленты фл(0) была
наибольшим общим делителем (НОД) угловых шагов Ф(ц, X) и
ДФ(ц, X), т. е. чтобы в угловом шаге намотки и остатке углового
шага укладывалось целое число угловой ширины ленты:
<рл(0) - НОД[Ф, АФ] = tn /(r0 cospo). (6.30)
Следовательно, для полностью закрытого одного слоя оболоч-
ки тороидальная оправка и намоточная головка должны будут сде-
лать число оборотов zOI1 = Ф(|Ы, X) / фл(0) и zHA = 2л / срл(О) соответ-
ственно. При этом величины zon и z11T будут связаны между собой
следующими соотношениями:
- 271 - 271 . „ _ ф(н,М7 ф(н,
Z"' <р,(0) Л-Ф(И,М........ ф,(0) 2л
Если расчетные значения Ф(ц, X) и ДФ(ц, X) не имеют НОД
либо угловая ширина ленты фл(0) на большом экваторе тора слиш-
ком мала или велика, то необходимо выбрать угловой шаг Ф(ц, X)
таким образом, чтобы новые значения Ф1(ц, X) и ДФ1(ц, X) имели
НОД, равный допустимой ширине ленты. Любые изменения угло-
вого шага от расчетного углового шага намотки Ф(ц, X) неизбежно
приведут к изменению углов намотки 0(г). Если угловой шаг из-
менится в пределах 5Ф = ± фл(0), то значения угла намотки будут
отличаться от расчетных значений на пренебрежимо малую вели-
чину 8Р(г).
6,1,3, Программирование намотки композитных
тороидальных оболочек на станке СНТ-2 А
Рассмотренная выше кинематика орбитальной намотки компо-
зитных тороидальных оболочек общего вида была реализована на
торонамоточном станке СНТ-2 А с системой управления траекто-
рией намотки (укладки нитей) от ЧКМ.
Кинематическая схема станка (рис. 6.5, а) обеспечивает пере-
менное (расчетное) угловое движение (вращение) тороидальной
оправки 4 по угловой координате фа при постоянной скорости
вращения орбитальной намоточной головки или раскладчика лен-
330
Часть III. Технологические основы метода намотки
ты по координате ос. Намоточная головка 6 и механизм поворота
оправки получают движение от общего привода с электродвигате-
лем 8 или от рукоятки 10. Вращение с распределительного вала 9
передается венцу зубчатого колеса 5 намоточной головки и под-
вижному в осевом направлении червяку 14. а через редуктор И -
плоскому кулачку 12. Ведущая звездочка 1 получает движение от
вала червячного колеса 15 через две гитары сменных шестерен (А.
В и С, D) и винтовые шестерни 17. Для изменения направления
вращения оправки служит реверс 16.
Траектория намотки тороидальных оболочек на станке
СНТ-2А задается от жесткого программоносителя - плоского ку-
лачка, с помощью которого осуществляется дополнительный по-
ворот оправки на угол Дсра, определяемый по (6.11).
Кинематическая схема ЧКМ торонамоточного станка
(рис. 6.5, б) выполнена таким образом, что вращение плоского ку-
лачка, червячного и зубчатого колес намоточной головки происхо-
дит с одинаковой частотой вращения: пн г = п = пч к. В результа-
те при повороте плоского кулачка на угол ос радиус кулачка Ra кул
изменяется на величину Д/?акул = /?Окул “ ^акул- С помощью рычага-
водила 13 изменение радиуса кулачка Д/?акул передается плаваю-
щему червяку, который, перемещаясь вдоль шлицевого вала 18.
увеличивает или уменьшает угол поворота червячного колеса на
величину Дфч.к-
Следовательно, угловое приращение для червячного колеса по
координате ос составит
ДЯакул 2тг
Афч.к(а) = ^ = ^-17А<Ра, (6-32)
**Ч.К Л*)
где 7?ч.к - радиус червячного колеса; Дсра - дополнительный угол
поворота оправки относительно ее опорного вращения; Ф(ц, X) -
угловой шаг намотки, определяемый по (6.8).
В связи с тем что червячное колесо вращается в 2тг/Ф(|Ы, X)
раз быстрее оправки, приращение радиуса кулачка будет во столь-
ко же раз большим:
2тг
А^акул — ^Окул — ^акул — ^ч.к 77(6.33)
Л)
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 331
б
Рис. 6.5. Кинематические схемы торонамоточного станка СНТ-2А (а)
и его ЧКМ (б):
I - ведущая звездочка; 2 - тянущая цепь; 3 - башмаки; 4 - тороидальная оправ-
ка; 5 - зубчатое колесо намоточной головки; 6 - намоточная головка; 7 - опор-
ный составной ролик; 8 - электродвигатель; 9 - распределительный вал; 10 -
рукоятка; 11 - редуктор; 12 - плоский кулачок; 13 - рычаг-водило; 14 - червяк;
15 - червячное колесо; 16 - реверс; 17 - винтовые шестерни; 18 - шлицевый
вал; А-D - гитара сменных шестерен
Это уменьшает влияние неточности изготовления кулачка на точ-
ность укладки нитей при их намотке на оправку.
Если известны уравнение кривой намотки ср(Х,7^,ос) и угло-
вой шаг намотки Ф(ц, X), то с использованием равенств (6.32),
(6.33) и (6.10) можно записать уравнение профиля кулачка:
332
Часть 111. Технологические основы метода намотки
а
R = R — R Г 1 —
7Уакул 7Уакул 7Уч.к J 1
О
2л
Ф(Ц, X)
(p;(X,ra,a) det. (6.34)
Уравнение (6.34) позволяет построить профиль кулачка, если
кривая укладки нитей на тороидальной поверхности задана, а рас-
кладчик ленты в процессе намотки перемещается вплотную по оп-
равке.
Однако раскладчик ленты почти всегда движется на некото-
ром расстоянии от поверхности оправки, поэтому для построения
профиля кулачка необходимо в (6.32) и (6.33) подставить значение
Дсра из (6.18) и (6.23), тогда
а
о
^акул (^0 ^Окул
2л , . _
1---------ф„ (А,г,,а)
da-
(6.35)
Профили кулачков, рассчитанные по (6.34) и (6.35) для геоде-
зической намотки композитных тороидальных оболочек, приведе-
ны на рис. 6.6.
270° 315°
90°
Рис. 6.6. Профили кулачков для геоде-
зической намотки композитных торои-
дальных оболочек при ц = 0,6 (а - 4,0) и
Ро = 24°20':
1,2- кулачки с параметрами /?()кул = 60 мм,
R4 к = 48 мм, R / Rn = 0,866 и /?Окуя = 48 мм,
R4 к = 48 мм, R / Rn= 1,0 соответственно
Таким образом, обеспечение расчетных углов намотки осуще-
ствляется путем использования двух гитар сменных шестерен и
ЧКМ, создающего ускоренное или замедленное вращение оправки
в требуемый момент времени. Станок СНТ-2 А обеспечивает ук-
ладку нитей под углами намотки Р(Х с точностью ±(2,0°...2,5°), а по
угловому шагу в пределах 1,0... 1,5 мм.
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 333
Экспериментальную проверку точности намотки нитей по
расчетным углам намотки проводят на контрольной тороидальной
оправке (7? = 40 мм, а = 4). Для этого на специально подготовлен-
ную поверхность песчано-полимерной тороидальной оправки на-
носят координатную сеть линий в меридиональном (с шагом Дос =
= 5°) и широтном (с шагом Дер = 15°) направлениях. На такую оп-
равку на торонамоточном станке СНТ-2А наматывают 15-18 вит-
ков нитей (СВМ, линейная плотность 58 мг/м) с натяжением 15 Н
по равновесной (4.3) и геодезической (3.24) кривым под углами Ра
к меридиану тора.
Далее на каждой координате ос в диапазоне значений 0 < ос < л
измеряют угловую координату витка ср(ос) и по уравнению (4.9),
записанному для тороидальной оболочки кругового сечения, вы-
числяют фактический угол намотки Ра. Для этого интеграл урав-
нения (4.9) заменяют суммой приращений угла фа в виде
k tgP-
Фа, = S / u_ ' \ А(Х- = + <6’36)
/=o(a + cosa)/
где Дос, = Дос = const - приращение координаты ос,; Р, = Р/(ос) - угол
намотки на координате ос,; Дсра/ - приращение угла поворота оп-
равки за время поворота раскладчика ленты на угол Дос.
Согласно (6.36) экспериментальные углы намотки определяют
из выражения
Р; (ос) = arctg
Фа/~Фа/-1
Да
(tz + cosa,)
(6.37)
Такую операцию повторяют для каждого витка нити, резуль-
таты измерений статистически обрабатывают, находят среднее
экспериментальное значение угла намотки Рэкс и коэффициент
вариации угла намотки. Значения экспериментальных (Рэкс) и
расчетных (Ра = Ррас) углов намотки исследуемых кривых (рис. 6.7)
приведены в табл. 6.1. Для геодезической кривой (Ро = 24°20')
максимальное отклонение ДР углов намотки не превышает ±2,6°
при коэффициенте вариации = 8,9°.
334
Часть III. Технологические основы метода намотки
Рис. 6.7. Зависимость расчетных и экс-
периментальных углов намотки от коор-
динаты а:
1 - намотка по геодезической кривой с на-
чальным углом ро = 24°20'; 2 - намотка по
равновесной кривой с начальным углом р0 =
= 36°42'; д, о - экспериментальные данные
В случае намотки по равновесной кривой (Ро = 36°42') наблю-
дается соскальзывание нити в диапазоне значений углов 75° < ос <
< 150°, что соответствует расчетному значению коэффициента
трения f = 0,17...0,21.
Таблица 6.1
Значения расчетных и экспериментальных углов намотки
тороидальных оболочек, град
(X Кривая
геодезическая равновесная
Ррас Рэкс sp Др Ррас Рже 5р др
0 24,32 22,88 1,76 7,69 -1,45 36,7 32,13 1,32 6,73 -4,57
15 24,49 23,0 1,77 7,70 -1,49 36,65 32,20 1,16 4,05 -4,45
30 24,99 23,83 2,08 8,40 -1,16 36,5 32,27 0,88 2,73 -3,73
45 25,85 26,18 2,21 8,44 0,33 36,43 32,73 1,07 3,27 -3,70
60 27,09 29,45 1,16 3,94 1,55 36,05 33,39 0 1,8 -2,66
75 28,76 28,95 1,26 4,35 0,19 35,7 34,37 1,94 5,6 -1,33
90 30,83 31,04 1,24 3,99 0,16 35,26 34,40 1,74 5,03 -0,86
105 33,41 33,64 1,74 5,17 0,23 34,8 34,80 0,78 2,27 0
120 36,20 37,01 1,88 5,08 0,81 34,3 36,23 0,64 1,74 1,93
135 38,95 40,07 1,56 3,89 1,20 33,9 36,67 0,66 1,71 2,77
150 41,28 42,12 1,39 3,30 0,84 33,55 35,88 1,22 3,4 2,33
165 42,82 43,98 0,98 2,23 1,16 33,3 35,55 1,52 4,28 2,25
180 43,35 45,70 1,98 4,36 2,36 33,2 35,01 1,60 4,39 1,81
195 42,82 42,90 1,48 3,45 0,08 33,3 36,60 1,26 3,38 3,30
210 41,28 39,18 2,68 6,84 -2,10 33,55 35,80 0,98 2,68 2,25
225 38,95 42,90 2,09 5,72 -2,45 33,9 35,30 1,64 4,57 2,0
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 335
Окончание табл. 6.1
(X Кривая
геодезическая равновесная
Ррас Рэкс sp др Ррае Рэкс SP Др
240 36,20 33,57 1,45 4,32 -2,63 34,3 34,00 1,36 3,77 -0,30
255 33,41 32,75 1,61 4,92 -0,66 34,8 33,67 2,16 6,4 -1,13
270 30,88 30,06 1,88 6,25 -0,82 35,26 32,30 0,91 2,91 -2,91
285 28,76 27,14 1,94 7,15 -1,62 35,7 32,06 2,04 6,46 -3,64
300 27,09 28,04 1,43 5,10 0,95 36,05 31,30 1,24 4,00 -4,75
315 25,85 24,31 1,95 8,02 -1,54 36,43 31,50 2,14 6,97 -4,93
330 24,99 26,69 0,97 3,63 1,70 36,5 32,50 1,09 3,30 -4,00
345 24,49 26,03 2,31 8,87 1,64 36,65 32,80 1,00 3,05 -3,85
360 24,32 26,49 2,38 8,98 2,17 36,70 32,13 1,32 6,73 -4,57
При этом наибольшего отклонения углы намотки достигают в
области большого экватора (ДР < -4,93°) и в области малого эква-
тора (Др < +3,3°) тора вследствие того, что при намотке нитей по
равновесной кривой с натяжением они соскальзывают с оправки и
стремятся к положению геодезической линии на поверхности тора.
6.2. Кинематические параметры намотки
цилиндрических и конических оболочек
6.2.1. Кинематические параметры намотки
цилиндрических оболочек
Намотку цилиндрических оболочек осуществляют за счет
вращения оправки и возвратно-поступательного движения суппор-
та станка вдоль оси оболочки с раскладчиком наматываемой лен-
ты. Чтобы сечение трубы (условный проходной диаметр) остава-
лось всюду постоянным (dy = const), реверс (разворот) наматывае-
мой ленты при ее обратном движении осуществляют на концах
цилиндрической оболочки (рис. 6.8, а) по ЛРО.
В зоне реверса раскладчика с наматываемой лентой на обратное
движение происходит плавное и быстрое изменение углов намотки
оболочки от расчетного значения угла Рц до предельного значения
336 Часть III. Технологические основы метода намотки
Р - Р(у) = л / 2. Для определения текущего значения угла Р вдоль
оси оболочки, длины реверса /рев (зоны реверса) и угла поворота оп-
равки фрев в зоне реверса запишем (см. рис. 6.8, а) дифференциаль-
ное соотношение
^<P(j) = t^y}dy!Rn. (6.38)
Рис. 6.8. Кинематика спиральной намотки с реверсом ленты на
концах цилиндрической оболочки (а) и схема к определению
геодезической кривизны кривой на развертывающейся поверх-
ности (б):
фоп - угол вращения оправки (главное движение); у - линейное переме-
щение суппорта (движение подачи); Р - текущий угол намотки
Поскольку регулярная часть длиной /ц цилиндрической обо-
лочки наматывается с постоянным углом Pu = const, то из (6.38)
находим полный угол поворота оправки на этом участке:
Фц = /ц tgPu /Лц. На концах оболочки на длине /рсв намотка осуще-
ствляется по ЛРО, поэтому для определения искомых величин вы-
разим их значения через коэффициент трения /, равный тангенсу
угла 0 геодезического отклонения:
^ = KraIKn = RnIRr!l, (6.39)
где Кп, ХгД; 7?„, 7?гд - нормальная и геодезическая кривизна и радиу-
сы нормальной и геодезической кривизны кривой. Нормальную
кривизну определим по уравнению Эйлера (4.29), из которого с
учетом (6.39) найдем радиус геодезической кривизны цилиндриче-
ской оболочки для ЛРО (К\ = О, К2 = 1 / /?и):
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 337
/?1Л tg0 =/?ц/sin2 р. (6.40)
Для развертывающихся поверхностей радиус геодезической
кривизны кривой Rx д запишем из его определения (рис. 6.8, б):
RVJl = ds I бф = dy /(б/р cos Р), (6.41)
где t/р - изменение угла намотки на дуге ds = dy/cosfi, б/р =
~ ?2 “Pi-
Подставив значения из (6.40) и (6.41) в (6.39), получим
(б-42)
tgOsin Р
Интегрируя (6.42), найдем зависимость, описывающую изме-
нение угла намотки Р на длине реверса ленты:
-А=-4—<6-43)
sinp sinpu Ru
Для определения полной длины реверса ленты примем
у = / , а Р = л/2 и подставим их значения в (6.43):
, __ Ru 1 ~ sin3u 7?u 1 - sinfiit
рсв tgO sinpu f sinpu
(6.44)
Подставляя (6.42) в (6.38) и интегрируя полученное уравнение,
найдем текущий угол поворота оправки при движении раскладчи-
ка ленты по ЛРО в одну сторону вдоль оси оболочки:
<РЛРО = А(1П 2> - 1П /2))- (6-45)
tgO
При полном реверсе ленты от угла Р = Рц до Р = л / 2 оправка
согласно (6.45) повернется на угол
1 . sinPu
Фрев=—К1П1------
tg0 1—cosP
(6.46)
и после
(6-47)
полный
338 Часть III. Технологические основы метода намотки
Определим связь угла поворота оправки сррев(у) в зоне ревер-
са и линейного перемещения суппорта станка вдоль оси по коор-
динате у. Значение sin|3(у) из (6.43) подставим в (6.38)
интегрирования получим
ФревСУ) =
( \
1 +COS0H
160 I tge Г1 tgef
^sinpu /?ц ^sinpu J
Примем у - /рев, подставим (6.44) в (6.47) и найдем
угол поворота оправки при полном реверсе ленты (6.46).
6.2.2. Классификация схем открытой намотки
Если конструктором задана схема армирования композитной
оболочки, то схема может быть реализована на намоточных стан-
ках открытой (см. рис. 2.5) или орбитальной (см. рис. 2.7) намотки
различными кинематическими способами. Классификация техно-
логически реализуемых схем открытой намотки на станках токар-
ного типа приведена в табл. 6.2, а кинематическое исполнение рас-
смотрено далее.
Следует отметить, что некоторые тороидальные конструкции
(см. табл. 6.2) могут быть выполнены не только орбитальным, но
и открытым методом намотки на станках токарного типа. При
этом трубопроводы со слабоизогнутой осью (см. рис. 2.13, в) воз-
духозаборники самолетов, криволинейные патрубки и отводы с
изгибом не более 30°...45°, а также тороидальные тройники могут
наматываться на станках токарного типа мокрым и сухим спосо-
бами намотки.
В табл. 6.3 приведены основные варианты технологически
реализуемых схем намотки цилиндрических оболочек из однона-
правленных КМ.
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 339
Таблица 6.2
Классификация технологически реализуемых
схем открытой намотки
Группа изделий Условное обозначение и наименование схемы открытой намотки
Цилиндри- ческие оболочки и стержни кругового сечения Тела вращения ПН «Винт» - поперечная (поперечно-винтовая) СН «Спираль» - спиральная СПНр «Трубопровод» - спирально-поперечная (раздельная) СПНс «Корпус» - спирально-поперечная (совмещенная) ППН «Отсек» - продольно-поперечная КППН «Труба» - косослойная продольно-поперечная СН «Тетра» - спиральная СПН «Тетра-2» - спирально-поперечная
Конические и комбини- рованные оболочки СКН «Конус» - спирально-коническая ЗКН «Раструб» - зонально-коническая СКН «Вампир» -спирально-коническая СПН «Сильфон» - спирально-поперечная ПН «Кровля» - поперечная
Цилиндри- ческие оболочки с днищами СН «Кокон» - спиральная СПН «Корпус» - спирально-поперечная ЗСПН «Корпус-2» - зональная спирально-поперечная Пл ПН «План» - планарно-поперечная ППН «Меридиан» - продольно-поперечная
Сферические оболочки и диски Панели, призмы, стержни некругового сечения ПлН «Изотензоид» - планарная (плоскостная) ЗПлН «Сфера» - зонально-планарная ССфН «Шар» - спирально-сферическая ТСфН «Шина» - тороидально-сферическая намотка шин ТСфН «Шпангоут» - тороидально-сферическая намотка шпангоутов ХНД «Диск» - хордовая намотка дисков Гранные тела СН «Лопасть» - спиральная (см. рис. 2.13, б) СПН «Призма» - спирально-поперечная ППН «Панель» - продольно-поперечная ППН «Балка» - продольно-поперечная ЗПН «Лонжерон» - зонально-поперечная СВН «Кессон» - спирально-веерная
340
Часть 111. Технологические основы метода намотки
Окончание табл. 6.2
Группа изделий Условное обозначение и наименование схемы открытой намотки
Оболочки с изогнутой и перекрест- ной осями Тороидальные тела (не тела вращения) СПН «Отвод» - спирально-поперечная СПН «Колено» - спирально-поперечная СПН «Тройник» -спирально-поперечная
Таблица 6.3
Варианты технологически реализуемых схем намотки
цилиндрических оболочек из однонаправленных КМ
Условное обозначение Схема Примечание
ПН «Винт» <р(и) —
-X-
“ЧТ
СН «Спираль» ^рев Д>ев ф(«) —
. /Ж
П" -х
СПНр «Трубо- провод» ^нам Д>ев ф(«) Поперечные и спираль- ные слои наматываются отдельно с одного суп- порта
LI 1 VVV г ,Лр
Апо т* ф С к 1
СПНс «Корпус» у ^поп т ~ ф(л) Поперечные и спираль- ные слои наматываются одновременно с двух суппортов
1 Лч Дд1
е((
Гпава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 341
Окончание табл. 6.3
Условное
обозначение
Схема
Примечание
ППН «Отсек»
Вертлюг 7 катушек про-
дольных лент вращает-
ся вместе с оправкой.
Возможна двусторон-
няя намотка, поэтому
используют два суппор-
та кольцевой намотки:
активный и неактивный
КППН «Труба»
7 - катушка для нитей;
2 - вертлюг для укладки
осевых нитей; 3 - ванна
для пропитки кольцевых
жгутов
СПН «Тетра-2»
7 - штырь; 2 - жгут; Ф -
угловой шаг намотки;
/поп - шаг поперечной
намотки, /поп = (1/2)
6.2.3. Кинематические параметры намотки конических оболочек
Конические оболочки в сочетании с цилиндрическими приме-
няют в качестве корпусов двигателей сложной формы, раструбов
сопловых блоков, законцовок цилиндрических трубопроводов, ре-
же в соответствии с условиями компоновки конические оболочки с
342 Часть 111. Технологические основы метода намотки
днищами могут быть использованы как сосуды (баллоны) высоко-
го давления.
Кинематические параметры намотки усеченных кониче-
ских оболочек. Согласно обозначениям, принятым на рис. 6.9, а,
запишем основные дифференциальные соотношения и текущие
значения переменных параметров для конических оболочек:
dy = dr/tgy; ds = б7г / sin у; dl = dr/(sin ycosP,.);
dcp = (tg / r)ds = (tg / (r sin y))dr; (6.48)
J2 = (^u-'')/tgY; 5 = (/?„-r)/sinY,
где ds, dl - элементы образующей и длины нити; Р = Р,- - теку-
щий угол намотки; 5 - длина образующей конической оболочки.
Рис. 6.9. Геометрия и система координат конической оболочки (а) и
стеклопластиковая коническая оболочка (б):
1 - нить
б
Вследствие того, что коническая поверхность может быть раз-
вернута на плоскости, для геодезической намотки имеем
sinpf =(/?u/r)sinPu.
Когда нить касается полярного отверстия радиусом г = гп,
геометрические размеры находят из рассмотрения прямоугольного
треугольника, образованного нитью и образующей на развертке
конической поверхности:
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 343
У„ =si,cosY; 5П =/?u(l-sinP„)/sinY;
/п =/?u(cosPu)/sinv; <рп = (тг / 2 - рц )/sin у,
(6.49)
где /п, 5П, фп - длина нити, длина образующей и угол поворота
оправки от цилиндрической поверхности до точки касания нитью
полярного отверстия на конической поверхности.
Если намотку конической оболочки проводят по ЛРО, то, за-
меняя в (6.42) радиус 7?ц величиной г и учитывая (6.48), для кони-
ческой оболочки получают дифференциальное и проинтегриро-
ванное уравнения:
dr tgY cosP г tgY
— ----------— up; In — =
r tg0sin1 2Pr Ra tg0
Теперь текущие длина sr образующей и высота уг конической
оболочки после подстановки в (6.48) интегралов (6.50) будут свя-
заны с текущим углом Р, зависимостью
1
(6.50)
Уг 1
sr = —— = —— 1 - exp
cosy sinyl
tgY
tgO^sinPu
1
sin Р
(6.51)
При г = гп и Р,. = л / 2 длина образующей
у R
sn=——^— =—— 1-exp
cosy sinyl
tgY
tgO^sinPu
(6.52)
1
Если угол конуса у 0, а коническая поверхность стремится к
цилиндрической, то после раскрытия неопределенности 0/0 в
(6.52) длина 5П будет равна длине реверса ленты /рев (6.44) на ци-
линдрической поверхности.
Для определения угла поворота конической оправки при намот-
ке нитей по ЛРО подставим в уравнение для иф (см. (6.48)) значение
dr / г (6.50) и, проинтегрировав полученное выражение, найдем
1 ( В В А
Флро(г) = —--- Intg^-lntg^
tgOcosy^ 2 2 )
(6.53)
344
Часть III. Технологические основы метода намотки
Из (6.53) следует, что при достижении радиуса полярного от-
верстия г = гп полный угол поворота оправки составит
Флро “
tgOcosy 1- cosPu
(6.54)
В табл. 6.4 представлены основные варианты технологически
реализуемых схем намотки конических оболочек из однонаправ-
ленных КМ.
Очевидно, что при намотке криволинейных патрубков
(табл. 6.5) и отводов с углом изгиба 30°...90°, а также тороидаль-
ных тройников (см. табл. 6.2) движение раскладчика ленты будет
осуществляться по пространственной траектории, для реализации
которой потребуются сложные перемещения исполнительных ор-
ганов станка.
Таблица 6.4
Варианты технологически реализуемых схем намотки
конических оболочек из однонаправленных КМ
Условное
обозначение
Схема
Примечание
СКН
«Конус»
ЗКН
«Раструб»
Однозонная намотка:
r„ / Rn = sin р„;
Рп = 90°; г„ = - /„tgy;
Л„б = К,R,(cos|3, J (r cosp,)
Многозонная намотка:
//?„ = sinPH,;
— Яц — l.у tg у.
P3,=90°;
число зон: 2^4;
Z, 0 - углы поворота лен-
ты
Гпава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 345
Окончание табл. 6.4
Условное обозначение Схема Примечание
СКН «Вампир» с а$я Р1 , Р2 2 // /, 1<« Г <1 1 \ Рц2 Тф(и) <Е sin₽U2 =^2/^2; sinp, = гп1/Яц|; sinp2 =^2/^1; Рп1=₽п2=90°; ₽2^₽ц1^₽.
СПН «Сильфон» ЕПЗ 51= Z 0 L2L Рц <Р(л) 1 rnsinPn = 7?ц sin Зц; z;sinP, =/?usinPu; ^/?uAucosPu 06 f'COsP,
ПН «Кровля» Ci " ^нам | " 1 s: 1 1е ^нам еТ 1 <р(и) Намотка узкими ткаными лентами: tg Y — /доп ’ h = h t /1 нам л л ' *нам’ _ ^j/ji 06 'нам COSY
Таблица 6.5
Варианты технологически реализуемых схем открытой намотки
тороидальных оболочек
Условное обозначение Схема Примечание
CH «Патрубок» /У# /ф^ 1 iiiwSL г Z —а(и) <р<45°; rsinPTop = const
346
Часть 111. Технологические основы метода намотки
Окончание табл. 6.5
Условное
обозначение
Схема
Примечание
СПН
«Отвод»
СПН
«Колено»
СПН
«Тройник»
с = (2...4)Д;%=±/ф;
У = ±(с + /ф); ср < 90°;
rsinPTop = const; ос(и) -
главное движение;
X, Y - движение пода-
чи^ - угол поворота
ленты; 7 - груз
± ос(я) - качание и
вращение;
Рц=55°; ф < 90°;
с = (2...4)Яц;
*2 = ±2Яц;
%, =±(/ф +с + Яц) = у;
I - плоскость
6.3. Кинематика намотки композитных
цилиндрических оболочек с днищами
Рассмотрим наиболее распространенную в настоящее время
форму сосуда давления - цилиндр с днищами, который примени-
тельно к цилиндрическим баллонам высокого давления называется
овалоидом, а применительно к цилиндрическим корпусам двига-
телей - коконом.
Силовые оболочки цилиндрических сосудов давления, изго-
товленные методом намотки из однонаправленных КМ, представ-
ляют собой комбинацию спиральных и окружных слоев. Спираль-
ные слои, наматываемые под небольшими углами ±РЦ к оси изде-
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 347
лия, выходят на торцевую поверхность оправки и формируют
днище баллона давления. Окружные слои дополнительно усили-
вают цилиндрический участок оболочки в поперечном направле-
нии под углом Рок = 90°.
Для определения траекторно-угловых параметров намотки
рассмотрим схему укладки пряди нитей или ленты препрега ши-
риной Г на поверхность вращающейся оправки цилиндрического
баллона. За один двойной ход раскладчика ленты, или за один
цикл намотки, на оправку будет уложен один полный виток
нитей, или одна полная спираль (рис. 6.10). При этом начало и
конец витка нитей совпадут только в том случае, если за один
цикл намотки оправка повернется на целое число оборотов гцикл.
Во всех остальных случаях, когда гцикл не является целым числом,
начало и конец витка будут отстоять друг от друга на угловой
шаг намотки ДФ.
Для обеспечения плотной (без зазоров) укладки наматываемых
лент необходимо, чтобы угловой шаг (см. рис. 6.10) был кратен
углу 2л (360°), т. е. одному полному повороту оправки. Кратными
будут те углы, для которых отношение 2л / ДФ выражено целыми
числами (1, 2 и т. д.). Этим числам соответствуют значения угло-
вого шага намотки ДФ* = 360°, 180°, 120°, 90°, 72°, 60°, 45° и т. д.
Наиболее просто кратность углового шага намотки ДФ за один
двойной ход раскладчика ленты достигается путем доворота оп-
равки на фланцах оболочки на угол <рф.
Рис. 6.10. Схема намотки витка нитей или ленты на цилиндрической обо-
лочке с днищами:
1 - фланец; 2 - начало витка; 3 - лента; 4 - оправка; 5 - конец витка
348 Часть III. Технологические основы метода намотки
Кроме того, после каждого цикла намотки, или укладки одно-
го витка ленты на оправку, ее следует довернуть еще на угловую
ширину ленты фл. При этом лента должна укладываться целое
число раз в угловом шаге намотки ДФ* на поверхности цилиндри-
ческой оболочки.
За один цикл намотки (ход раскладчика ленты в одну и в дру-
гую сторону) лента дважды пересекает любую широту оболочки.
После числа 7Уциклр = 2л / фл циклов намотки (двойной ход расклад-
чика) будет получено два полных спиральных слоя, уложенных от-
носительно друг друга под углами ±Р в каждой точке поверхности.
Таким образом, в любом поперечном сечении оболочки после на-
мотки одного двойного слоя находятся 2(2л / фл) спиральных витков
ленты. При этом оправка, выполнив число zon оборотов, вернется в
исходную точку со смещением на угловую ширину ленты фл.
Для уже установленных геометрических параметров компо-
зитной оболочки сосуда давления определение траекторно-угловых
параметров намотки проводят в следующей последовательности.
1. Определение угла намотки на цилиндрическом участке обо-
лочки из (3.24):
Рц = arcsin(rn /7?ц) = arcsinT;, (6.55)
где - относительный радиус полярного отверстия, гп = гп / R .
2. Расчет угла поворота оправки при укладке ленты на цилин-
дрический участок оболочки за один цикл намотки (см. рис. 6.10)
Фц = 2фц = 2(/ll//?11)tgPll, (6.56)
где /ц - длина цилиндрического участка оболочки.
3. Нахождение угла поворота оправки на цилиндрическом
участке (6.45) с учетом (6.43) в случае разнополярных отверстий
(корпус двигателя), когда dn2 > dn}:
2(1 /R Г Рп2 [ЗЯ
Фц = 2Флро= R Ц , R Intg^l-lntg^ . (6.57)
l/sinPul — l/sinpH22 2
Для оболочек с разнополярными отверстиями углы намотки на
цилиндрическом участке оболочки со стороны каждого днища не-
одинаковы. Поэтому намотку цилиндрического участка проводят
не по геодезической линии, а по ЛРО. При этом угол намотки
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 349
нитей вдоль образующей непрерывно изменяется: от значения РЦ],
соответствующего диаметру б/П1 полярного отверстия, до значения
Рц2 при диаметре полярного отверстия dn2- Расчетный коэффициент
трения tgO -f согласно (6.43) определяют по выражению
tge = yL
1____________1
sinpul sinpu2>
(6.58)
ДОП ’
Например, если отношение /Ц/(2ЛЦ) = 3, а углы Puj = 20° и
Pu2 = 30°, то из (6.58) имеем tgO = 0,154, что соответствует прак-
тически допустимому значению коэффициента трения в условиях
производства.
4. Определение угла поворота Фдн оправки при намотке ленты
(см. рис. 6.10) на каждом днище из уравнения
Флн = 2Флн = 2 J 1 + (у'У dr, (6.59)
,min
где Рг - текущий угол намотки на днище баллона, определяемый
по (3.24); у'г - производная, характеризующая форму меридиана
днища (см. (3.139)):
_ dy _ -г3
dr
^COS Рц ' 6 7
(6.60)
5. Нахождение на основании (6.56) или (6.57) и (6.59) расчет-
ного угла поворота оправки за один цикл намотки, или за один
двойной ход раскладчика ленты, в одну и в другую сторону по
формуле
Ф =Ф +2Ф . (6.61)
ЦИКЛ Ц ДН yv.vi;
6. Вычисление расчетного углового шага намотки, или углово-
го смещения конца витка ленты от начала его намотки, на фикси-
рованной широте:
Дф = Ф
рас цикл
ф
цикл
2л
2 л,
(6.62)
350
Часть III. Технологические основы метода намотки
где [фцикл/(2л)] = 0,1,2 - целое число оборотов оправки в одном
цикле намотки.
7. Определение угла поворота оправки на каждом фланце обо-
лочки за один цикл намотки:
Фф = (АФ* - АФрас)/2, (6.63)
где ДФ* - принятый угловой шаг намотки, равный ближайшему
кратному углу. Рекомендуется в качестве углового шага выбирать
ДФ* > 60°, т. е. 60°, 72°, 90°, 120° и 180°. Если ДФ* > 180°, то оп-
равку следует довернуть до ближайшего дополнительного угла:
240°, 270°, 288°, 300° и 360°.
7. Расчет смещения последующей спирали (витка ленты) по
отношению к ранее уложенной на угловую ширину ленты:
Фл = 'крЩ /\ = 'лЖ cosp„), (6.64)
где /крщ и /л — кроющая и нормальная ширины ленты. Допустимую
ширину наматываемой ленты Гл < ГДОп в (6.64) определяют по (5.16),
если намотку осуществляют мокрым способом, или по (5.17), если
намотку выполняют сухим способом.
8. Определение фактических углов поворота оправки за один
цикл намотки сложением частных значений углов поворота, полу-
ченных по (6.61), (6.63) и (6.64):
ФфакТ=Фц+2ФД|1+2фф+фл. (6.65)
9. Расчет числа циклов намотки (двойных ходов) в одном
двойном спиральном слое, которое фиксируется счетчиком станка:
^циклр = 2л/фл = 2лЛисо8рц//л. (6.66)
10. Вычисление из (6.65) числа оборотов оправки за один цикл
намотки zon = Ффакт / (2тг), нахождение с учетом (6.66) полного
числа оборотов оправки, необходимого для намотки одного двой-
ного спирального слоя:
= Zon ^цикл|3 = Ффакл / Фл • <6'67)
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 351
11. Определение из (6.67) времени намотки одного двойного
спирального слоя: = z^lпроп, где проп - частота вращения
оправки при намотке спирального слоя композитной оболочки
баллона.
12. Нахождение допустимой частоты вращения оправки с уче-
том максимальной скорости намотки wmax^
«роп = "max sinpu/(2лЯц).
(6.68)
Полученную частоту вращения оправки Ироп округляют до
ближайшего значения, взятого из паспорта на намоточный станок.
Если угол намотки (Зц = 90° (поперечная намотка), то иоп =
= и^ /(2л7?ц).
В табл. 6.6 приведены основные варианты технологически ре-
ализуемых схем намотки цилиндрических оболочек с днищами из
однонаправленных КМ.
Таблица 6.6
Варианты технологически реализуемых схем намотки
цилиндрических оболочек с днищами из однонаправленных КМ
352
Часть III. Технологические основы метода намотки
Окончание табл. 6.6
Условное обозначение Схема Примечание
/ / < R • /дн — Au’ sinp1(, = rui /Rui; число
Ч5 -
ЗСПН «Корпус-2» <р(и) зон: 2-4; (р(и) - главное движе- ние; X У-движения подачи; Z, 0 - углы по- ворота ленты
%е у ill
ПлПН «План» , £ ^кор <р(и) tg у — <7п//КОр, Рок-90° Намотка планарная и поперечная
ТЛ W
Е
^3 | >jj| Zzzx
ППН «Мери- диан» <p(n) г„ >0; /,(Н > 0,6Яц; ₽„род=0°; Рок =90° Намотка продольная и окружная (поперечная)
.........
1 L L L ..
гф
6.4. Определение технологических параметров
зональной намотки сферических оболочек
Как было отмечено ранее (см. разд. 3.7), в сферической обо-
лочке намотанный КМ должен быть распределен равномерно по
меридиану оболочки. В связи с этим наиболее рационально нама-
тываемые слои (зоны) располагать на одинаковом угловом рас-
стоянии друг от друга вдоль меридиана сферы, при этом число
витков нитей в каждом из слоев композитной оболочки будет пе-
ременным.
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 353
Для определения числа зон примем, что в каждом слое на эк-
ваторе сферической оболочки выполняется условие плотной на-
мотки (укладки) витков ленты друг к другу. При полном обороте
оправки вокруг полярной оси на угол срп = 2тг наматываются два
слоя ленты под углами ±рз/ толщиной А0/ = 2ЛЛ на экваторе, где Лл -
толщина наматываемой ленты. Тогда суммарная толщина всех
слоев композитной сферической оболочки на экваторе (см. (3.166))
составит
А-3
^КМО “ = Рраз^^вКМ’ (6.69)
/=)
где к3 - число зон; свКм - предел прочности однонаправленного
КМ при растяжении.
Однако толщина слоя зональной намотки на экваторе оболоч-
ки может отличаться от значения Л0/ = 2ЛЛ. В общем случае эта
толщина зависит от ширины Гл и толщины Лл наматываемой ленты,
а также от числа витков z3 ленты в зоне:
Число витков в зоне может быть произвольным, а толщину
ленты выбирают равной 0,15...0,25 мм.
В распространенных в РКТ сферических баллонах объемом
20...60 л на давление разрушениярраз = 62...72 МПа толщина ком-
позитной стенки в области экватора составляет ЛКмо = 6...9 мм.
Поскольку при плотной намотке образуются два слоя толщиной
2ЛЛ = 0,30...0,50 мм, общее число зон может быть равно к3 =
-Лкмо/(2ЛЯ)= 12...24.
Определим зональные углы намотки композитной оболочки из
условия, что они равномерно распределены вдоль координаты а.
Зональный угол первой (полярной) зоны (см. табл. 6.7) найдем из
равенства
cosa31 = гп/ R, (6.71)
откуда осз1 = arccos(rn//?) = л/2 - Рз0.
354 Часть III. Технологические основы метода намотки
Поскольку за один оборот оправки вокруг полярной оси на
угол 2тг на оболочку будут намотаны два полных слоя нитей в
каждой зоне, число зон в композитной оболочке составит
AKM0/(2/zJ = ^+A^, (6.72)
где Лл - толщина наматываемой ленты, одинаковая для всех зон;
к3 - целое число зон; Д£3 - значение остатка от деления, которое
присоединяется к первой зоне и дополняется до единицы, при
этом полный угол поворота оправки вокруг оси в первой зоне
составит Зтг или 4тс.
Разделив угол a3i на целое число зон Л3, найдем межзональ-
ный угловой шаг, или равномерный угловой сдвиг между зонами:
Дос3 = осз1 / к.^ аз2 = осз1 - Даз и т. д. Теоретически и практически
можно получить и нулевую зону, в которой нити наматываются
(укладываются) вдоль меридиана под углом намотки Рз0 = 0° (осз0 =
= 90°) или которая не наматывается совсем.
Определим число наматываемых витков ленты в зоне. Оче-
видно, что намотка (укладка) лент на экваторе сферической обо-
лочки может быть плотной, внахлест или вразрядку. При плотной
укладке лент друг к другу число витков в зоне однозначно вычис-
ляется как
z3 =2л/Ф3 =2лЯ/гкрщ = 2ntfsina3//,,, (6.73)
где Ф3 - угловой шаг намотки в фиксированной зоне, Ф3 = 2тг/г3;
/крщ - кроющая ширина наматываемой ленты, Гкр1Ц =tn/sinoc3.
Обычно нормальную ширину ленты выбирают равной Гл ~ 0,057?.
Подстановка (6.73) в (6.70) позволяет получить равенство hGi =
= 2hn. Если в зоне выбрано число витков меньшее, чем число, оп-
ределенное по (6.73), то ленты на экваторе оболочки укладывают-
ся с зазорами и начальная толщина слоя А0/ <2ЛЛ. Если выбрано
большее число витков, то намотка лент производится внахлест и
начальная толщина слоя на экваторе оболочки Л0/. > 2ЛЛ.
При известной или заданной толщине Лл и ширине Гл ленты
число т нитей или ровингов в ленте определяют по формуле
^=f«=nTj(PM (6.74)
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 355
где Гн - линейная плотность сухой нити без связующего, Ги =
= /вРв’ /в - площадь сечения волокон в нити или ровинге; рв -
плотность волокна; Ов - объемное содержание волокон в однона-
правленном КМ.
В общем случае число витков в зоне может быть рассчитано
или задано, например, по результатам экспериментальных иссле-
дований.
Основные варианты технологически реализуемых схем намот-
ки сферических оболочек и дисков приведены в табл. 6.7.
Таблица 6.7
Технологически реализуемые схемы намотки
сферических оболочек, сфероидов и дисков
Условное обозначение Схема Примечание
ПлН «Изотен- зоид» си.—Н Л Однозонная намотка: /п = 0,67?; ап = л/2- -arctg(4T/(2/?,KB)); sin Рэкв — / ^ЭКВ ’ 7 - ось полярного отвер-
ф(”) /п 1Мнам 3 0 стия; 2 - лента; 3 - эква- тор; ф(м) - главное движение; г/нам ~ скорость намотки ленты; б/шт - диаметр штуцера
ЗПлН «Сфера» _ / /L= 7 а = 1 Зч g I ^нам Геодезическая многозон- ная намотка: sinP„ =е/„/(2Лсф); ип =w/z„; 7 - экватор; 2 - ось по- лярного отверстия; z3/ - число витков в зоне; к - число зон
356
Часть III. Технологические основы метода намотки
Продолжение табл. 6.7
Условное обозначение Схема Примечание
ССфН «Шар» / 1 1///Л / — 1 lll/ZZA [ 1 Непрерывная намотка всей оболочки: 81пРа = та/Лсф; 0<ос3 <осп; п = const; п3 = /(ос); «11 =/(«/2а); za - текущее число вит- ков на широте а; 1 - ось полярного отверстия; 2 - широта а; 3 - экватор; ф(м) - главное движение; ^нам ~ скорость намотки
А У~ 3 <р(и) f «нам
ТСфН «Шина» Ро^ м*Е Геодезическая однозон- ная намотка: rosinPo = const; Рс=90°; Х = ±В; Y = +(rQ-c); Афст 0 Намотка осуществляется по борту ступицы; X, У-движения подачи
Г в
Дфст -X С\ (Г\( п\
Г- Г
ТСфН «Шпан- гоут» mi Ер Геодезическая однозон- ная намотка: гл sin Рс = const; Рл=90°; Х = ±В; Y = ±(c-rn); Л<рст>0 Намотка осуществляется по борту ступицы
и 77 Дфст Г\ (Г\( n'i
л в
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 357
Окончание табл. 6.7
Условное
обозначение
Схема
Примечание
ХНД «Диск»
Непрерывная намотка
/-й зоны диска:
г0-Лц; р = рц,.;
^usinpu/=rnZ;
Рп, =90°; Х = ±В-,
у = ±(Лц-гп/);
1 - нить; 2 - меридиан;
3 - цилиндр;4 - хорда
Намотка производится
по цилиндру и стенке
диска
Рассмотрим результаты экспериментальных исследований
сферических баллонов, проведенных в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Стеклопластиковые баллоны были изготовлены методом зональ-
ной намотки на сферонамоточном станке СфН-6 (см. рис. 5.19).
В табл. 6.8 приведены значения зональных углов и числа вит-
ков ленты в каждой зоне для сферических баллонов внутренним
диаметром 354 мм, объемом 23,2 л, толщиной стенки 7,5 мм
на экваторе оболочки. Суммарная масса баллонов Л/б = (11,0 ±
± 0,2) кг, из которой масса резинового герметика и штуцеров со-
ставляет 2,5 кг.
Массу композитной сферической оболочки определяют
по формуле
Л/кФм=^Л/вит, (6.75)
где - суммарное число витков намотки во всех зонах, z^ =
к
= ~ масса одного витка ленты, Л/вит = 27г/?ср/лЛлркм;
/=1
Rcp - средний радиус композитной оболочки, Rcp = R + /zKM0 / 2;
ркм - плотность КМ.
На рис. 6.11 приведены зависимости толщин слоев стеклопла-
стиковой сферической оболочки от угловой координаты.
358
Часть III. Технологические основы метода намотки
Таблица 6.8
Значения зональных углов и расчетного числа витков лент
в каждой зоне для сферических баллонов
(волокно ВМ-1 + ЭДТ-10)
Но- мер зоны Зональный угол,град Число вит- ков в зоне, шт. Фактическое число витков ленты по зонам
ШБС-7 ШБС-8 ШБС-9 ШБС-10 ШБС-11
1 82,2 200+100 303 307 310 308 325
2 77,5 120 117 120 125 120 112
3 72,8 95 95 85 93 96 106
4 68,0 90 95 95 90 94 104
5 63,4 87 85 87 82 87 100
6 58,6 83 75 95 82 85 85
7 53,8 79 71 71 78 77 90
8 49,1 74 75 80 73 73 68
9 44,5 68 68 76 62 70 60
10 39,7 62 68 68 62 71 65
11 35,0 55 52 53 55 55 53
12 30,3 48 50 48 50 53 47
13 25,6 41 41 45 48 45 47
14 20,8 34 34 37 31 34 33
15 16,1 26 26 27 26 26 28
16 11,4 20 23 26 25 26 0
Значения массы баллонов и давления разрушения в зависимо-
сти от типа ленты приведены ниже:
ШБС-7 ШБС-8 ШБС-9 ШБС-10 ШБС-1
Масса баллонов, кг .... 11,2 10,9 11,4 11,2 11,6
Давление /?раз, МПа 63,5 62,0 65,0 64,0 65,5
Частота вращения оправки в направлении главного движения
(см. табл. 6.7) составит
« = 271/гср/мнам-
(6.76)
Глава 6. Кинематические параметры намотки конструкций 359
hb мм
Рис. 6.11. Зависимости толщин намотанных слоев ht от угловой
координаты а по 16 зонам намотки сферической оболочки
Частота вращения оправки вокруг оси полярного отверстия
при намотке /-й зоны композитной оболочки
n„, =n/z.1;.. (6.77)
Суммарную длину всех витков ленты в к зонах композитной
оболочки определяют по формуле
Авит1=2л(/? + Лкмо/2)Ь3,.. (6.78)
/=1
Разделив суммарную длину наматываемой ленты (6.79) на ско-
рость намотки wliaM, рассчитаем основное (машинное) время намот-
ки всех зон, мин:
Тнам2 = <1 = ЛвитЕ/инам = М* • 106/(МнамГл), (6.79)
где Т:} = С^дРкм ” линейная плотность наматываемой ленты, мг/м.
Шесть сферических баллонов были нагружены внутренним
давлением жидкости и доведены до разрушения. Баллоны разру-
шились при давлении 62...66 МПа, при этом ПКС стеклопласти-
ковых баллонов составил = P^3VqQ! = 131,9 кДж/кг.
360 Часть III. Технологические основы метода намотки
Глава 7
ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
НАМОТКИ КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
7.1. Технология изготовления методом намотки
композитных коробчатых и двутавровых шпангоутов
7.1.1. Коробчатые шпангоуты, изготовленные методом
спиральной и продольно-поперечной намотки
Уменьшение массы трехслойных цилиндрических стыкуемых
стекло- и углепластиковых оболочек сухих отсеков ЛА или ТПК
(рис. 7.1), повышение их конструктивно-массового совершенства,
а также экономических показателей, снижение трудоемкости и
цикла изготовления возможны при создании пустотелых коробча-
тых шпангоутов прямоугольного или другого, например двутавро-
вого, профиля сечения шпангоута.
В корпусах ТПК масса сплошных подкрепляющих кольцевых
шпангоутов I (см. рис. 7.1), изготовленных методом послойной
намотки стеклоткани, которая пропитана эпоксидным связующим,
составляет 30...40 % массы корпуса, хотя объем, занимаемый ими,
не превышает 10 % объема материала всего изделия. Кроме того,
вследствие значительных припусков на размеры сплошных стек-
лотканых шпангоутов при их механической обработке в отходы
уходит до 40...45 % затраченного материала. Использование тка-
ных наполнителей для получения шпангоутов ограничивает воз-
можность управления анизотропией свойств материала стенок
шпангоутов.
Рис. 7.1. Схема ТПК:
1 - цельнонамотанныс стеклотканые
шпангоуты; 2 - легкий пенопласто-
вый заполнитель; 3,4- стеклотканые
намотанные внешняя и внутренняя
обечайки; Dmin / Dmax = 0,8...0,9
Коробчатые шпангоуты, выполненные методом продольно-по-
перечной или спирально-поперечной намотки из высокомодуль-
Гпава 7. Типовые технологические процессы намотки
361
ных и высокопрочных однонаправленных КМ, эффективно вос-
принимают напряжения сжатия и изгиба, а также отрывные и ска-
лывающие напряжения, которые опасны для шпангоутов, изготов-
ленных намоткой из тканевых ПКМ.
Однако возникает ряд трудностей, связанных с созданием спе-
циального высокопроизводительного шпангоутонамоточного стан-
ка, с формированием профиля сечения самого шпангоута, с опреде-
лением траекторных и режимных параметров намотки, а также со
способами установки отдельно изготовленных шпангоутов на внут-
реннюю обечайку 4 (см. рис. 7.1) ТПК.
Сравнительная оценка эффективности работы сплошных и ко-
робчатых шпангоутов прямоугольного сечения проводится по на-
пряжениям изгиба, которые являются более опасными при нагру-
жении шпангоутов сосредоточенными (локальными) силами. Что-
бы силовая оболочка шпангоута воспринимала различные виды
нагрузок, она должна быть изготовлена методом спиральной на-
мотки или скомбинирована из спиральных, продольных и попе-
речных слоев нитей.
Коробчатые шпангоуты прямоугольного сечения состоят из
кольцевого (продольного) 5 и поперечного (спирального) 6 слоев,
внутренней неудаляемой оправки 7 и закладных элементов 2 в ви-
де бобышек, втулок, фитингов, выполненных из металлов или
стеклотекстолита (рис. 7.2).
В качестве оправок наибольший интерес представляют
сплошные, легкие сферопластиковые неудаляемые или пустотелые
коробчатые оправки, склеенные из двух кольцевых стеклотканых
швеллеров с установленными в них закладными элементами. Воз-
можно применение и комбинированных оправок.
Рассмотрим спиральную намотку стенок кольцевого коробча-
того шпангоута на оправку прямоугольного сечения (рис. 7.3).
Очевидно, что на плоские поверхности оправки (стенки) виток ни-
тей, наматываемый с натяжением под углами р0 и [Зя к меридиану
шпангоута, может быть уложен только по прямой линии. На
внешней цилиндрической поверхности (полке) намотка проводит-
ся по винтовой линии. Внутренней цилиндрической поверхности
нить или лента вообще не будет касаться, образуя линейчатую ги-
перболическую выпуклую поверхность.
362
Часть III. Технологические основы метода намотки
Рис. 7.2. Коробчатые шпангоуты прямоугольного сечения, изготовлен-
ные методом намотки из однонаправленных КМ:
а - конструктивно-силовая схема; б - геометрические размеры сечения; 1 -
внешние нагрузки; 2 - закладные элементы; 3 - внутренние силовые факторы;
4 - силовая оболочка; 5 - кольцевые (продольные) слои; 6 - поперечные (спи-
ральные) слои; 7 - внутренняя неудаляемая оправка
Рис. 7.3. Схема спиральной намотки кольцевого коробчатого шпангоута:
а - к определению углов намотки (укладки) нитей; б - форма внутренней по-
верхности шпангоута; в - движение раскладчика 1 ленты вокруг поперечного
сечения шпангоута
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки 363
Форма внутренней поверхности шпангоута (полки) описыва-
ется уравнением однополюсного гиперболоида вращения
г--у1 tg2|\ -(1/4)52п tgX (7.1)
где Вшп - ширина шпангоута; Рл - угол намотки на внутренней по-
верхности шпангоута, определяемый по уравнению геодезических
линий, Рл = arcsin(rosinPo/rn).
Максимальный отход нитей от внутренней поверхности шпан-
гоута составляет
о
2 В
11111
(7.2)
Например, для отношения Dn/ Вшп =10 и угла намотки Рл = 35° 16'
относительный отход равен Д/г = Д/г / 2?шп = 1,25 %.
Расчетный угловой шаг намотки витка нитей определяют как
сумму углов поворота оправки по участкам профиля сечения (см.
рис. 7.3):
Ф,ш.=Фо + 2фС1Н+Фя =
= 2
D D
T^-tgPo+Pn-Po+arcsin -j^-tgpn
(7.3)
где фо, фл и 2фстн - углы поворота при намотке внешней и внутрен-
ней поверхностей шпангоута и двух его стенок; ц - геометриче-
ский параметр шпангоута, ц = £>л / £>0.
Остаток углового шага при спиральной намотке шпангоута до
его полного поворота на 360° рассчитывают (см. (6.29)) по формуле
ДФ|11П = 2л-[2л/Фшп]Фшп, (7.4)
где [2л/Ф|11П] - целое число. Для застильной или плотной без за-
зоров намотки по внешней поверхности шпангоута лентой препре-
га шириной t„, как и ранее (см. (6.30)), находим НОД угловых ша-
гов Фшп и ДФШЛ:
НОД(Ф,„Л, ДФШП) = Фл0 = tn /(r0 cosP0).
(7.5)
364
Часть III. Технологические основы метода намотки
Связь между углами поворота оправки (7.3) и угловым поло-
жением раскладчика ленты при намотке полок и стенок шпангоута
(см. рис. 7.3) описывается выражениями:
астн = arcsin (Ншп / (2RN)) + arccos(S„In / (2RN));
(7.6)
^пол ^стн’
где - радиус вращения раскладчика ленты. Для шпангоута
квадратного сечения имеем Вшп = /7ШП, астп = апол = п / 2, RN >
>В /у/2 .
Опорное вращение оправки и раскладчика ленты с учетом
(6.7) и (7.3) находится по формуле
Фп.с = уп.са = аФ™/(24 (7.7)
где vn.c - коэффициент пропорциональности при намотке по кри-
вой постоянных скоростей, vn с = Фшп / (2тг) (см. (6.9)).
Тогда дополнительный угол поворота оправки Д(ра по
координате ос каждой грани шпангоута относительно его опорного
вращения (7.7) определяется как разность
дФа = Фп.с - Фа = ^псастн(апол)-Фа, (7.8)
которая выбирается системой управления станка, например путем
изменения профиля кулачка ЧКМ (см. рис. 6.6) на торонамоточ-
ном станке СНТ-2А. Поскольку при намотке коробчатого шпанго-
ута коэффициент трения между наматываемой нитью и его пло-
скими стенками f —> 0, то приращение профиля кулачка (см.
(6.33)) при переходе от одной грани шпангоута к другой
2тг
ДЛкул = R0 - % ДФа (7.9)
может изменяться по любому закону.
Экспериментальные коробчатые шпангоуты, изготовленные
методом спиральной намотки (Рс = 35° 16' при r = c,BQl Вшп = 0,74),
имели измененный профиль сечения (скругленный, эллипсоид-
ный), который получается таким в результате отхода ленты от
внутренней цилиндрической поверхности и слабого натяжения
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки 365
нитей при их укладке на плоские боковые стенки шпангоута.
Особенно заметным становится изменение профиля при наборе
больших толщин стенок и полок шпангоута.
Сравнение эффективности применения сплошных и коробча-
тых шпангоутов (см. рис. 7.2) по относительным жесткостям
= (Е//р)спл1-ЯоЯо
(EJ/M)Kop (£У/р)кор i-ЯоЁо
позволяет достичь снижения массы коробчатых шпангоутов на
40...50 % при HQ = Hq/H^ = 0,70...0,75 и Во = В0/Вшп =
= 0,75...0,80. В (7.10) (EJ/M\nn и (EJ/Л/)кор - моменты инер-
ции и модули упругости материалов в окружном направлении
для сплошного и коробчатого шпангоутов; р - плотность мате-
риала.
Экспериментальные исследования показывают, что изменен-
ный профиль сечения, «рыхлость» боковых стенок и их чрезмер-
ные относительные толщины (Ь / Вшп ~ h / НШП = 0,12. ..0,15) за-
метно уменьшают ожидаемый эффект применения коробчатых
шпангоутов, изготовленных только методом спиральной намотки.
Повысить несущую способность коробчатых шпангоутов прямо-
угольного сечения и избавиться от указанных недостатков можно
путем создания двухслойных стенок с продольно-поперечной или
продольно-спиральной схемой армирования.
Такой профиль шпангоута можно получить раздельной намот-
кой. Сначала на станках токарного типа наматывается продольный
(кольцевой) слой-каркас (см. рис. 7.4), на который потом орби-
тальной намоткой укладывается поперечный (спиральный) слой.
Строго выдержанные режимы изготовления, возможность получе-
ния точной геометрии каркаса и малая толщина поперечной на-
мотки, не искажающая профиль сечения, увеличивают несущую
способность коробчатых шпангоутов.
Для сравнения были изготовлены три партии стеклопластико-
вых коробчатых шпангоутов: 1) шпангоуты, полученные продоль-
но-поперечной намоткой; 2) то же, но с внутренней полостью, за-
полненной сферопластиком; 3) стеклотканые сплошные кольцевые
шпангоуты. Основные характеристики шпангоутов приведены в
табл. 7.1.
366
Часть III. Технологические основы метода намотки
Таблица 7.1
Характеристики стеклопластиковых коробчатых шпангоутов
Характеристика Оправка шпангоута
Пустотелая Сферопластиковая
Вариант 1 Вариант 2
Количество шпангоутов, шт. Диаметр шпангоутов Do, мм Площадь поперечного сечения, мм Толщина слоя, мм: продольного /?пол / hclH поперечного /?пол = hclil Угол намотки, град: продольной поперечной Масса, кг: стеклопластиковой оболочки шпангоута А/об оправки Моп закладных элементов Mi 3n шпангоута Л/Ш11 Сила разрушения Рраз, кН Относительная прочность Рра, / Mun, кН/кг Относительная жесткость (ЕЛ М(- 1О’10, кН-м2/кг 4 400 35x35 2,5/2,5 2,0 0 90 0,92 0,20 0,12 1,24 13,2 10,6 1,17 4 400 35x35 2,5/2,5 2,0 0 90 0,92 0,50 0,12 1,54 17,5 11,4 1,29 5 400 35x35 2,5/0,0 2,0 0 90 0,45 0,60 0,09 1,15 15,8 13,7 1,60
В качестве исходного материала для шпангоутов с продольно-
поперечной намоткой использовали стеклоровинг РВМН-10-1260-
80 и эпоксидное связующее ЭДТ-10, а для сплошных кольцевых
шпангоутов - стеклоткань Т-25ВМ и связующее ЭДТ-10. Макси-
мальный диаметр шпангоутов Do = 400 мм, площадь сечения
35 х 35 мм, а площадь сечения внутренней поверхности коробча-
того шпангоута 26 х 26 мм.
В варианте 2 (см. табл. 7.1) во второй партии шпангоутов одно-
направленные кольцевые стенки удалены, поскольку плохо воспри-
нимают напряжения сжатия. Последовательность намотки слоев
коробчатого шпангоута приведена на рис. 7.4. Внутренняя неуда-
ляемая оправка выполнена из сферопластика плотностью 450 кг/м3
на основе стеклянных микросфер МСО-А9 и эпоксидного связую-
щего ЭДТ-10.
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки
367
Рис. 7.4. Раздельная продольно-поперечная намотка шпан-
гоутов:
а - намотка продольных слоев - каркаса шпангоута; 6 - установка
закладных элементов; в - намотка поперечных слоев - тороидаль-
ной оболочки; г - выполнение отверстий и дальнейшая термиче-
ская обработка; 1 - технологическая оснастка; 2 - внутренняя
неудаляемая оправка; 3 - закладной фитинг
Экспериментальные исследования кольцевой жесткости мо-
дельных шпангоутов прямоугольного сечения проводили на раз-
рывной машине по двухточечной схеме нагружения (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Схема нагружения и
диаграмма изменения верти-
кального диаметра коробча-
тых шпангоутов с продольно-
поперечной намоткой:
1,2 - для сферопластикового
заполнителя; 3 - пустотелый
368
Часть III. Технологические основы метода намотки
Кольцевые шпангоуты нагружали сосредоточенной силой с
шагом АР = 1000 Н и замеряли перемещения по вертикальному и
горизонтальному диаметрам индикаторами часового типа. После
этого кольцевые шпангоуты доводили до разрушения, которое
происходит на границах раздела закладных элементов при дейст-
вии максимальных нормальных напряжений сжатия.
При сравнительных испытаниях сплошные кольцевые шпанго-
уты (Вшп х Яшп = 35 х 35 мм) из стеклоткани Т-25ВМ (3 шт.) имели
относительную жесткость (Е//Л/)спл = (1,3... 1,4) • 10 10 кН-м2/кг,
что соответствует промежуточному значению этой характеристики
для трех партий испытанных коробчатых шпангоутов.
Таким образом, принципиально новая конструкция тонкостен-
ного коробчатого шпангоута позволила уменьшить его массу на
10... 15 % по сравнению с массой сплошного кольцевого шпангоута
из стеклоткани. При этом существует резерв для дальнейшего
уменьшения массы на 40...45 % за счет применения высокомо-
дульных однонаправленных КМ (например, углепластиков).
Новое конструкторско-технологическое решение дает возмож-
ность в 2-3 раза сократить цикл изготовления кольцевых проме-
жуточных шпангоутов в составе ТПК и увеличить коэффициент
использования наматываемого материала с 40...45 % до 95...96 %.
7.1.2. Двутавровые шпангоуты, полученные деформированием
внешней намотанной тороидальной оболочки (переформовкой)
Современные JIA представляют собой тонкостенные конст-
рукции, эксплуатируемые в условиях знакопеременных, распреде-
ленных и локальных нагрузок. Рациональной является конструк-
ция, состоящая из тонкой обшивки, которая образует аэроди-
намический контур изделия, и часто установленых деталей ППСН
(шпангоутов, нервюр, лонжеронов, стрингеров). Эти детали повы-
шают конструктивную жесткость и прочность корпуса, обеспе-
чивают надежное крепление различных функциональных узлов и
агрегатов при монтаже изделия.
Детали ППСН - это профили открытого типа с различной
конфигурацией поперечного сечения. В настоящее время с целью
снижения массы их стали изготовлять из ПКМ. Наиболее сложная
и малоизученная конструкция ППСН - кольцевые двутавровые
шпангоуты (рис. 7.6).
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки
369
Рис. 7.6. Последовательность изготовления кольцевого двутав-
рового шпангоута:
а - кольцевая намотка каркаса; б - орбитальная намотка тороидаль-
ной оболочки-заготовки; в - переформовка внешней оболочки шпан-
гоута по профилю каркаса; / - каркас; 2 - разборная цилиндрическая
оправка; 3 - заготовка; 4 - вспомогательный технологический эле-
мент; 5 - вспомогательное металлическое кольцо
Для улучшения механических характеристик конструкция
шпангоута должна включать в себя внутренние продольно ориен-
тированные слои из ПКМ, образующие каркас заданной формы, и
внешнюю оболочку из поперечных (спиральных) слоев однона-
правленного КМ, плотно прилегающую к каркасу по всей его бо-
ковой поверхности.
Существующие способы получения кольцевых шпангоутов из
однонаправленных КМ не обеспечивают требуемую форму про-
филя поперечного сечения с хорошими механическими характери-
стиками. В связи с этим был разработан способ формообразования
шпангоутов открытого профиля из волокнистых ПКМ путем пе-
реформовки намотанной внешней тороидальной оболочки по внут-
реннему контуру изделия.
Суть способа заключается в преобразовании формы исходной
оболочки-заготовки, полученной методом намотки по траектори-
ям, которые обеспечивают равновесие нитей, в требуемую конеч-
ную форму изделия с заданными углами намотки путем приложе-
ния в установленной последовательности комплекса силовых и
температурных нагрузок. При этом геометрические параметры
оболочки-заготовки определяются исходя из требований обеспе-
чения заданной геометрии изделия и схемы его армирования.
Очевидно, что спирально-поперечную намотку шпангоутов
нитями или лентой можно осуществлять с положительной кривиз-
370
Часть III. Технологические основы метода намотки
ной меридионального сечения. Поскольку сечение профилирован-
ной детали имеет участки с отрицательной кривизной поверхно-
сти, в разрабатываемый способ необходимо ввести операцию по
преобразованию выпуклой формы намотанных слоев спиральной
•или поперечной ориентации, формирующих внешнюю оболочку
изделия, в вогнутые поверхности шпангоута.
Разработанный способ состоит из следующей последователь-
ности операций.
1. Из высокопрочного однонаправленного КМ изготовляют
продольно армированный ([32 = 71 / 2) каркас 1 (см. рис. 7.6, а)
изделия с двутавровым поперечным сечением. Для кольцевых
шпангоутов такой каркас может быть получен методом намотки на
разборную цилиндрическую оправку 2 с формой кольцевого паза,
соответствующей профилю детали.
2. Каркас обматывают под некоторым углом к осевой линии
(0<Р1 <71/2) слоями армирующего наполнителя с использовани-
ем вспомогательных технологических элементов 4 (см. рис. 7.6, б)
оправки. Такие элементы, размещенные на строго определенном
расстоянии от каркаса изделия, образуют оправку с положитель-
ной кривизной меридионального сечения. Периметр этого сечения
должен быть равен периметру поперечного сечения каркаса изде-
лия. В качестве технологических элементов можно применять ме-
таллические кольца 5, устанавливаемые по бокам каркаса. Угол
намотки каркаса (Pi = Рсп) должен быть таким, чтобы после профи-
лирования полученной оболочки армирующие волокна в ней при-
няли требуемую ориентацию.
3. Вспомогательные технологические элементы извлекают из
намотанной оболочки, внешнюю оболочку в еще неотвержденном
состоянии переформовывают по каркасу изделия путем приложе-
ния к ней внешних механических воздействий (см. рис. 7.6, в).
Окончательную полимеризацию изделия осуществляют по режиму
отверждения волокнистого ПКМ (например, стеклопластика) при
воздействии внешнего давления.
Один из ответственных и малоизученных этапов изготовления
профилированных деталей ППСН методом деформирования намо-
танного полуфабриката - этап формирования внешней оболочки
детали.
Периметр поперечного сечения внешней наматываемой заготов-
ки должен быть равен периметру поперечного сечения каркаса дву-
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки 371
таврового шпангоута. Угол спиральной намотки и толщину оболоч-
ки находят из условия прочности детали ППСН, а конечная форма и
остальные геометрические параметры оболочки определяются фор-
мой и размерами каркаса шпангоута. Начальная (исходная) фор-
ма тороидальной оболочки-заготовки выбирается из технологичес-
ких возможностей ее намотки на торонамоточном станке.
Переформовка намотанной тороидальной оболочки-заготовки
по профилю каркаса шпангоута, образованного комбинацией чере-
дующихся участков плоских и цилиндрических колец, сопряжена со
значительным изменением исходных радиусов кривизны оболочки
как по абсолютному значению, так и по знаку. Это вызывает су-
щественное изменение углов намотки оболочки в готовой детали.
Чтобы определить углы намотки исходной оболочки-заготовки,
зная расположение наполнителя в готовом изделии, необходимо
установить взаимосвязь между углами намотки волокон во внешней
оболочке до и после ее деформирования.
Перечислим условия, при которых возможна переформовка
намотанной тороидальной оболочки-заготовки (рис. 7.7) в плоское
или цилиндрическое кольцо.
1. Периметр поперечного сечения оболочки в процессе ее
формоизменения постоянен: /?обб7ссоб = 7?текб7остек = 7?дб7осд = dsa.
2. Деформирование оболочки осуществляется симметрично
относительно любых ее произвольно взятых меридиональных
плоскостей (б/фоб = б/фтек = <^ФД), а угловой шаг намотки при этом
не меняется (Фоб = Фгек = Фд).
3. Нить считается нерастяжимой, и длина ее витка в процессе
деформирования оболочки постоянна: /об = /тек = /д.
4. Диаметр осевой линии оболочки до, в процессе и после ее
деформирования не изменяется: гсоб = г,.тек = гсд = с.
5. Объем материала оболочки в процессе деформирования по-
стоянен: Коб = Ггск = Кд.
6. Толщина оболочки до, в процессе и после ее деформирова-
ния не является постоянной: Л Ф hv Ф hn.
оо тек д
7. В процессе формования значения углов ориентации напол-
нителя в оболочке-заготовке и в готовой детали изменяются, т. е.
Роб * Рд-
372
Часть III. Технологические основы метода намотки
б в
Рис. 7.7. Формирование из гибкой сетчатой круговой тороидальной обо-
лочки (а) плоского (б) и цилиндрического (в) колец
В приведенных выше условиях: R - радиус кривизны оболоч-
ки по меридиану; ос - угловая координата произвольной точки обо-
лочки по меридиану, (р - то же, но по параллели; индексами «об»
обозначены величины, относящиеся к исходной оболочке, «тек» -
к текущему состоянию оболочки в процессе деформирования, и
«д» - к конечному состоянию, т. е. к готовой детали (шпангоуту).
При деформировании намотанной оболочки точка Лоб, лежа-
щая на расстоянии гоб от оси вращения (см. рис. 7.7), примет в про-
странстве некоторое другое положение Ал на расстоянии гд от этой
же оси вращения, образуя новый угол [Зд ориентации нити относи-
тельно меридиана. Тогда для исходной оболочки и готовой детали
на основании (4.9) запишем
ГОб^Ф
R;[da
Отсюда с учетом Ro6dao6 - R^da^ - dsa получим
1ёЗоб/гоб = 1ёРд/гд-
(7.11)
Глава 7, Типовые технологические процессы намотки 373
Формула (7.11) позволяет определить угол намотки армирую-
щей нити в исходной оболочке тела вращения при условии, что
известны угол Рд, радиусы гоб и гд вращения оболочки и детали.
Поскольку двутавровый шпангоут состоит из плоских и ци-
линдрических колец, рассмотрим случай формования из кругового
тора, полученного методом намотки, плоского кольца. Геометри-
ческие размеры оболочки и отформованного из него кольца приве-
дены на рис. 7.7, б. Как было отмечено ранее, диаметр осевой ли-
нии при намотке тороидальной оболочки-заготовки в процессе и
после формования плоской детали из полуфабриката не изменяет-
ся. В связи с этим тор и кольцо имеют одинаковый диаметр осевой
линии: Dc = 2сОб. Если радиус меридионального сечения тора равен
радиусу /?об, то расстояние от произвольно взятой точки 4об до оси
вращения на поверхности тора определяется как
гоб = c + /?o6cosa; c = aRo6. (7.12)
В процессе получения из тора плоского кольца точка Лоб обо-
лочки примет положение точки АЛ детали. Как следует из
рис. 7.7, б, расстояние от этой точки до оси вращения кольца
можно определить по формуле
ГЛ = С + R^it/2- а) = Ro6(a + л/2 - а), (7.13)
где а - геометрический параметр тора.
После переформовки тороидальной оболочки-заготовки в
плоское кольцо волокна наполнителя займут положение геодези-
ческих линий на плоскости, т. е. прямых линий. Задавая угол на-
мотки кольца из уравнения геодезических линий (3.24), например
угол Pt. при радиусе вращения гс = с, получаем
Рд = arcsin(rc sinPc/гд). (7.14)
Подставив значения гоб, гд и Рд из (7.12)—(7.14) в (7.11), найдем
тангенс угла намотки исходной тороидальной оболочки-заготовки:
„ . ч я + cosa 6/sinp_
= -7—--------/ 2 2 2 • (7-15)
a + Tt/2 a,](a + л/2-a)2-a2sin2Pc
При этом переменную толщину исходной тороидальной оболочки-
заготовки и отформованного из нее плоского кольца опреде-
374 Часть III. Технологические основы метода намотки
ляют из условия непрерывности намотки (3.10): Лдгчсо8[Зд =
= /?crccosPc = const. Подставив в (3.10) значение гд (7.13) и значе-
ние Рд (7.14), получим формулу для расчета толщины стенки плос-
кого кольца:
Ц°0 = *. , °C°f' , 2 (716)
y](a + Tt/2-a)2 - a2 sin2 Рс
где hc - толщина оболочки по осевой линии. Для Рс = 35° 16', а = 8
и hc = 1 мм из (7.16) находим, что толщина стенки кольца будет
изменяться от Лд(ос = 0) = 0,78 мм до Лд(ос = л) = 1,46 мм.
Возможность намотки круговой тороидальной оболочки по
негеодезической кривой (7.15) определяется углом геодезического
отклонения (4.36), для нахождения которого производная
<7Роб(ос)/б7ос определяется по (7.15). При [3( = 35°16' и а = 8 из
(4.36) следует, что tgGo6max = /тах = 0,072; 6обтах = 4,2°, и это
вполне допустимо.
Уравнение кривой намотки для круговой тороидальной обо-
лочки запишем с учетом (4.34) и (7.15):
о tf + COSOC
67SinPr. 67SinPr.
= arccos-------- - arccos-------—.
a + Tt/2 а + п/2-a
(7.17)
Для Pc = 35° 16' и a = 8 из (7.17) находим угловой шаг намотки
Фоб = 2фОб(а = я) = 34°.
Параметры оболочки не изменились, расстояние от произ-
вольно выбранной точки Лоб до оси вращения тора описывается
уравнением (7.12), а расстояние от точки Лд цилиндрического
кольца (см. рис.7.7, в) до оси его вращения равно гд = с = aR. За-
пишем выражение для тангенса угла намотки тороидальной обо-
лочки (7.11):
tgpo6(a) = -(a + cosa)tgp<„ (7.18)
а
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки
375
Угол геодезического отклонения 0об определяют по уравнению
(4.36), в котором для производной б7Роб(ос) / da (7.18) получено сле-
дующее выражение:
= -Ж cos2 роб (а) р£„ (7.19)
аа а
Для параметров (3, = 35° 16' и а = 8 из (4.36) и (7.19) находим,
что tg^Gmax = /max =0,18; 6o6max = 10,3°, т. е. намотать такую
оболочку можно.
Подставив (7.18) в (4.34), получим уравнение кривой намотки
для круговой тороидальной оболочки, деформируемой в плоское
кольцо:
<po6(a) = atgp4./a. (7.20)
Уравнение (7.20) описывает намотку по кривой постоянных
скоростей (4.20). При Pt = 35° 16' и а - 8 из (7.20) можно рассчи-
тать угловой шаг намотки Фоб = 2(роб(ос = л) = 31,8°.
7.1.3. Технология изготовления композитных двутавровых
шпангоутов
При деформировании внешней намотанной тороидальной обо-
лочки по периметру каркаса двутаврового шпангоута целесо-
образно использовать такие исходные оболочки, которые бы мак-
симально соответствовали форме окончательно получаемого изде-
лия. Это приводит к минимальным изменениям углов намотки
наполнителя, позволяет стабилизировать структуру и строение ма-
териала исходной оболочки, хотя их и можно целенаправленно
изменять в процессе формования изделия. Такими оболочками яв-
ляются тороиды, полученные из комбинации цилиндрических и
тороидальных поверхностей, причем в них могут быть как дефор-
мируемые, так и недеформируемые в дальнейшем участки поверх-
ности.
В простейшем случае (рис. 7.8), когда центр сечения торои-
дальной оболочки принадлежит прямой АА', 5ШП = НШП, Лпол = 6СТН и
периметр Н[11П + Вшп - 6СТН = лЛ, отношение толщины стенки (пол-
ки) к ширине (высоте) сечения шпангоута составит
ЛСТН/5ШП =2-л/2. (7.21)
376 Часть III. Технологические основы метода намотки
Рассмотрим углы намотки тороидальной оболочки по отдель-
ным ее участкам с учетом геометрии получаемого профиля (7.21).
Рис. 7.8. Поперечное сечение оболочки с торои-
дальной деформируемой частью и получаемого
из нее внешнего слоя двутаврового шпангоута:
1 - положение раскладчика ленты
1. На внешней части полки (см. рис. 7.7, в) двутаврового
шпангоута (участок О'А) значение искомого угла (Зоб равно значе-
нию угла Рд, получаемому из расчета детали на прочность.
2. На участках АВ и DE угол (Зоб определяют по (7.15), а на
участке BD - по (7.18). Значения углов ос, соответствующие этим
участкам, будут
= Я11)П =л/2-1;
аВо = 2Лс,н/5Ш11=4-л;
(7.22)
V-DE = =7Г-3.
3. На участке ЕО' углы намотки Роб определяют таким же
образом, как и на соответствующем участке О'Е оболочки.
4. Угловой шаг намотки внешней оболочки ФОб рассчитывают
как сумму углов (р„ получаемых при геодезической укладке нитей
(7.14) по каркасу двутаврового шпангоута (см. рис. 7.8):
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки УП
Фоб = 2Ф11111 =2[ф(О'Л) + ф(ЛЛ') + ф(Л'О/) + Ф1_2 +Ф3_4], (7.23)
где ф| 2, Фз 4 - углы поворота шпангоута при укладке нитей на
полках 1-2 и 3-4.
5. Опорное вращение оправки и раскладчика ленты при на-
мотке внешней оболочки находят по (7.11), а угол поворота оправ-
ки на каждом участке оболочки (7.22) - по (7.14) с учетом (7.23):
ДФа= -^ОС.-ФЛОС),
2 71
(7.24)
где ф/(ос) определяют по уравнениям (7.17) и (7.20).
6. Длину витков нитей, уложенных по геодезическим линиям
(7.14) на стенки (полки) двутаврового шпангоута, согласно обо-
значениям на рис. 7.8 определяют по формуле
Л„„ =2/,,,,, = 2[/(О'Л) + /(ЛЛ') + /(Л'О') + /,_2+/3_4]. (7-25)
Длина витка нитей, намотанных на тороидальную оболочку,
составит
Т'об.ши Лип Л + Л + юр
В В 11 da
+ + ----—------, (7.26)
cosP() cosPn о cosPo6(a)
где /0, /л и /об 1ор - длины нитей на внешней и внутренней пол-
ке шпангоута, а также на круговой тороидальной оболочке. Углы
намотки Роб(а) по участкам оболочки определяют по (7.15) и
(7.18).
7. Угол намотки в наиболее опасной точке сечения находят из
прочностных расчетов, например Р0б(ос) = Рг при г = гс. По (7.21)-
(7.25) определяют траекторно-угловые параметры внешней обо-
лочки шпангоута. При этом обязательно должны быть выдержаны
параметры Фоб, £об.|1Ш, Рс на тороидальной оболочке-заготовке и на
внешней оболочке шпангоута, отформованной по контуру внут-
реннего каркаса.
Результаты расчета шпангоутов на прочность сдвига при
двухточечной схеме их нагружения для геометрических разме-
ров конструкции гл/го = 0,75...0,90, 5ШП = 30...100 мм, Дшп =
378
Часть III. Технологические основы метода намотки
= 400...2000 мм позволяют получить значения углов намотки то-
роидальной оболочки при г = гс в диапазоне [36 = 4°... 16°.
Сравнительные экспериментальные исследования по проверке
достоверности разработанных математических моделей проводят
на кольцевых шпангоутах: двутавровых, изготовленных методом
деформирования намотанной тороидальной оболочки-заготовки, и
коробчатых, полученных методом раздельной намотки продоль-
ных и поперечных слоев ленты.
Шпангоуты изготовляют в одинаковых условиях и испытыва-
ют на растяжение по двухточечной схеме нагружения. В процессе
троекратного нагружения до 10 кН измеряют вертикальный и го-
ризонтальный диаметры шпангоутов, после чего испытуемые мо-
дели доводят до разрушения. Характеристики составных элемен-
тов шпангоутов приведены ниже:
Коробчатый Двутавровый Сплошной
Диаметр осевой линии шпангоутов £>ср, мм ... 400 400 400
Площадь поперечного сечения ^шп X Н|1Ш, ММ Толщина, мм: ...32x32 32x32 32x32
стенок и полок каркаса h — И ''ПОД '*СТН ... 5,0 5,0 —
внешней оболочки /гпол = /гстн Угол намотки оболочки и каркаса, град: ... 2,0 2,0 —
спиральной рсп ... 10 10 0
продольной рпрод ... 90 90 90
Масса шпангоута А/шп, кг ... 1,80 1,63 2,57
Сила разрушения Рраз, кН ... 23,8 26,5 41,0
Прогиб диаметра мм Относительная прочность ... 10,55 9,15 —
-Рраз / А</шпэ КН/КГ ... 13,2 16,3 15,9
Жесткость конструкции EJ • КГ10, кН-м2 ... 2,74 3,13 2,18
Относительная жесткость (EJ/Mmn) Ю10, кН-м2/кг ... 1,52 1,92 0,85
Каркас изделий выполнен из стеклоровинга РВМН-10, не-
удаляемая оправка - из стеклянных микросфер МСО-А9, внеш-
Глава 7, Типовые технологические процессы намотки 379
ние оболочки и сплошные шпангоуты намотаны из стеклоленты
ЛЭС-20х0,1. В качестве связующего для волокнистого наполнителя
выбран компаунд ЭДТ-10П, а для микросфер - смола ЭД-20 с от-
вердителем ПЭПА. В местах приложения нагрузки в каркасе короб-
чатого шпангоута размещены текстолитовые закладные элементы.
Различие экспериментальных и расчетных значений механи-
ческих характеристик шпангоутов по жесткости и прочности со-
ставляет 10 и 15 % соответственно.
Относительная жесткость двутавровых шпангоутов превы-
шает относительную жесткость коробчатых шпангоутов на 29 %,
а жесткость сплошных шпангоутов - на 125 %. При этом проч-
ность этих шпангоутов, также отнесенная к массе детали, оказа-
лась на 20 % выше, чем прочность коробчатых шпангоутов, и на
8 % выше, чем прочность цельнонамотанных шпангоутов из
стеклоткани.
В заключение следует отметить, что снижение массы трех-
слойных оболочек путем применения профильных шпангоутов из
КМ позволяет успешно решать важные технологические, техниче-
ские и эксплуатационные задач.
С учетом проведенных теоретических и экспериментальных
исследований, а также технологических возможностей производ-
ства были разработаны конструкции, опытный технологический
процесс и соответствующая оснастка для изготовления сплошных
тканых (торцевых) и профильных коробчатых и двутавровых
шпангоутов (рис. 7.9), предназначенных для подкрепления мо-
дельных трехслойных стеклопластиковых оболочек. Геометриче-
ские размеры модельных трехслойных оболочек и профильных
шпангоутов следующие, мм: £об = 800; £)об = 440; DBH = 362; 5ШП =
= 32; Нши = 32; /сск = 267 (/сск - длина секции).
Внутренний продольный каркас обоих шпангоутов изготовляют
из стеклоровинга РВМН-10-1260-80 (ТУ 6-48-70-91), пропитанного
связующим ЭДТ-10П (ОСТ 3-4759-80). Внешнюю оболочку нама-
тывают тканой лентой Т-10-80 (ГОСТ 19170-73), пропитанной
эпоксидным лаком ЭП-5122 (ОСТ 3-4246-79). Неудаляемую оправ-
ку коробчатого шпангоута выполняют из сферопластика плотно-
стью 450...500 кг/м3.
Для получения шпангоутов была спроектирована специальная
оснастка, в комплект которой вошли оправки для намотки каркаса
и внешней оболочки, пресс-формы для деформирования и прессо-
380
Часть III. Технологические основы метода намотки
вания внешней оболочки изделия и
нителя из сферопластика.
изготовления оправки-запол-
Рис. 7.9. Продольное сечение трехслойной оболочки (а) и
фрагмент оболочки с двутавровым шпангоутом (5):
1, 2, 4 - сплошной, коробчатый и двутавровый шпангоуты; 3 -
заполнитель из пенопласта ППУ-308; 5, 7 - внешняя и внутренняя
обечайки; 6 - утолщения
Последовательность выполнения коробчатого шпангоута не
меняли (см. рис. 7.4), а для изготовления двутаврового шпангоута
в процесс (см. рис. 7.6) были внесены коррективы (рис. 7.10).
Последовательность изготовления двутавровых шпангоутов
состоит из следующих операций:
1) намотка каркаса шпангоута из однонаправленного КМ и его
полная полимеризация (см. рис. 7.10, а)\
2) намотка вспомогательной оболочки и ее неполная полиме-
ризация (см. рис. 7.10, 5);
3) разрезание вспомогательной оболочки по внешнему и внут-
реннему экваторам и извлечение из полости оправки (см.
рис. 7.10, в);
4) сборка оправки - каркаса шпангоута и двух половин вспо-
могательной оболочки (см. рис. 7.10, г);
5) намотка слоев внешней силовой оболочки на собранную
оправку-каркас (см. рис. 7.10, д).
6) деформирование вспомогательной оболочки, предваритель-
но нагретой до температуры размягчения материала, и прессова-
ние двутаврового шпангоута в размер (см. рис. 7.10, е).
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки
381
Рис. 7.10. Последовательность изготовления двутаврового шпангоута:
а - намотка каркаса шпангоута из однонаправленного КМ и его полная поли-
меризация; б - намотка вспомогательной оболочки и ее неполная полимериза-
ция; в - разрезание вспомогательной оболочки по внешнему и внутреннему
экваторам и извлечение из полости оправки; г - сборка оправки - каркаса
шпангоута и двух половин вспомогательной оболочки; д - намотка слоев
внешней силовой оболочки на собранную оправку-каркас; е - деформирование
вспомогательной оболочки, предварительно нагретой до температуры размяг-
чения материала, и прессование шпангоута в размер
Работоспособность профильных шпангоутов в составе под-
крепленной конструкции проверяют на модельных трехслойных
оболочках. Для получения сравнительных характеристик испыты-
вают оболочки с подкрепляющими двутавровыми, коробчатыми и
сплошными шпангоутами.
Модельные трехслойные оболочки изготовляют по штатной
технологии (рис. 7.11):
382
Часть III. Технологические основы метода намотки
1) намотка внутренней стенки оболочки (стеклоткань Т-10-80 +
связующее ЭП-5122);
2) намотка заготовок для сплошных шпангоутов (Т-10-80 +
ЭП-5122);
3) термическая обработка заготовки;
4) токарная обработка заготовки сплошных шпангоутов в раз-
мер;
5) напыление пенопласта ППУ-308Н;
6) термическая обработка заготовки;
7) токарная обработка пенопласта по внешним диаметрам
шпангоутов;
8) намотка внешней оболочки (Т-10-80 + ЭП-5122);
Рис. 7.11. Схема изготовления модельных трех-
слойных оболочек с подкрепляющими сплошными
(а) и профильными (5) шпангоутами:
1, 2, 4, 5, 7, 8, 10 - последовательность изготовления
оболочки (операции 3, 6 и 9 не показаны)
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки
383
9) термическая обработка заготовки;
10) токарная обработка торцов трехслойной оболочки.
При изготовлении модельных оболочек с профильными шпан-
гоутами операции 2, 3 и 4 не выполняют. Вместо этого проводят
подмотку утолщений 6 (см. рис. 7.9, б), сборку предварительно
полученных профильных шпангоутов, их подгонку, установку и
приклеивание к внутренней обечайке оболочки.
Готовые оболочки испытывают на радиальную жесткость и
прочность при действии двух равных диаметрально расположен-
ных и сосредоточенных сил, последовательно прикладываемых к
каждому шпангоуту. Механические характеристики стеклопласти-
ковых модельных трехслойных оболочек приведены ниже:
Коробчатый Двутавровый Сплошной
Масса оболочки на один шпангоут Л/об, кг 6,5 6,3 6,7
Сила разрушения Рраз, действующая на один шпангоут, кН 41 44 81
Относительная прочность /’раз / А/Об, КН/КГ 6,5 7,5 12,0
Жесткость конструкции ЕЛ 1(Г10, кН-м2 16,5 21 13,5
Относительная жесткость (ЕЛ Мшп)- 10 |0, кН-м2/кг 2,7 3,4 2,2
После троекратной нагрузки (разгрузки) и записи изменений
диаметров оболочки разрушаются. Радиальная нагрузка в процессе
проведения испытаний составляет 16 кН для торцевых шпангоутов
и 20 кН для центральных шпангоутов.
Проведенные испытания показали, что профильные шпанго-
уты увеличивают относительную жесткость подкрепляемых мо-
дельных трехслойных оболочек на 40...50 % и одновременно
уменьшают их массу на 15...20 % по сравнению с массой оболочек
со сплошными шпангоутами, получаемыми послойной тканой на-
моткой. При этом значения прочностных характеристик оболочек
с тонкостенными шпангоутами оказались заметно ниже, чем зна-
чения прочностных характеристик оболочек со сплошными шпан-
гоутами. Причина снижения прочности - слабое взаимодействие
профильных шпангоутов с обечайками трехслойной оболочки, со-
бранной без клеевого слоя между внутренней и внешней оболоч-
384
Часть III. Технологические основы метода намотки
ками конструкции, и с посадочными поверхностями шпангоутов.
Устранение этого недостатка может существенно увеличить проч-
ность подкрепленных оболочек.
Применение профильных шпангоутов уменьшает время изго-
товления трехслойных оболочек ТПК больших размеров и позво-
ляет разгрузить крупногабаритное намоточное оборудование, ис-
пользуемое по штатной технологии для намотки заготовок кольце-
вых сплошных шпангоутов прямоугольного сечения, и габаритные
станки для механической обработки тканых шпангоутов в задан-
ные размеры, а также значительно сократить количество материа-
ла, идущего на изготовление профильных шпангоутов, по сравне-
нию с количеством материала, применяемого для получения
шпангоутов сплошного прямоугольного сечения.
7.2. Технология изготовления торовых баков
из комбинированных материалов
7.2.1. Конструктивно-технологические особенности
изготовления торового бака
Вопросы проектирования и конструирования торовых баков из
комбинированных материалов (комбинированных торовых баков)
изложены в разд. 3.2 и 3.4.
Разработка новых образцов техники связана с большими за-
тратами труда, времени и материальных средств. Именно этап
экспериментальной отработки является самым продолжительным,
дорогостоящим и важным при создании любого изделия. В связи с
этим отработку основных элементов конструкции и проверку но-
вых технологических решений целесообразно проводить на моделях
или опытных образцах для получения предварительных оценок ка-
чества изделия, а также своевременного выявления и устранения
ошибок в постановке задачи, конструктивном решении, технологии
изготовления, в выборе экспериментального оборудования и т. д.
С целью проверки работоспособности комбинированного то-
рового бака были проведены исследования по возможному сни-
жению его массы по сравнению с массой его металлического
аналога. Штатная масса металлического штампосварного бака
ЛА объемом Ибак = 60 л составляет МСуак > 17,5 кг, а давление раз-
рушения - ^раз > 9,6 МПа. Материал силовой оболочки бака - вы-
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки 385
сокопрочная сталь 08Х15Н5Д2Т (см. табл. 3.1). Требовалось
уменьшить массу бака до 9,2 кг при повышении давления разру-
шения до 10,0... 10,5 МПа.
Металлическая оболочка комбинированного бака показана на
рис. 7.12. По методике, описанной в разд. 3.4, были проведены рас-
четы параметров конструкции бака, а также параметров технологи-
ческого процесса. Результаты этих расчетов представлены ниже:
Цельнометал- лический бак Металлоугле- пластиковый бак
Диаметр, мм:
максимальный £)об 600 602
сечения (внешний) dCC4 270 270
минимальный Dn 60 43
Внутренний объем оболочки Коб, дм3.... Толщина слоя, мм: 57,5 59
металла hMCiQ / hMC]n 2,5/5,0 1,0/1,0
углепластика ЛКМо / /?кмл — 0,785/7,85
Ширина наматываемой ленты tn, мм Число, шт.: 2,3
витков в слое гвит — 820
слоев zCII — 4,0
Скорость намотки инам, м/мин — 4,0
Время намотки /|1ам, мин Масса, кг: — 655
металла Л/ме, 17,2 7,0
углепластика Л7КМ — 2,1
бака Л/бак 17,5 9,4
Давление разрушения /?ра}, МПа 9,5 9,8; 10,6
ПКС ^бак =РраЛб/Л/бак> кДж/кг 32 64; 68
Технический эффект 1ГКОМ / 1ГМСТ 1,0 2,0; 2,12
Примечание. Давление рра, для цельнометаллического бака получено по ре-
зультатам контрольно-выборочных испытаний, а для металлоуглепластикового
бака - по результатам экспериментальных исследований.
Внутренняя штампосварная оболочка (см. рис. 7.12) в ком-
бинированном баке, выполненная из нагартованной стали
12Х18Н10Т, имеет постоянную толщину стенки Лмет = 1 мм. На
торонамоточном станке СНТ-20У на эту оболочку, как на оправку,
в поперечном направлении был намотан (см. рис. 3.16) расчетный
слой однонаправленного углепластика (УКН-300 + ЭДТ-10) тол-
щиной /?кмо = 0,785 мм на большом экваторе тора. При этом толщи-
386
Часть III. Технологические основы метода намотки
на слоя на малом экваторе составила ЛКмл = 7,85 мм. Масса слоя
КМ Л/км = 2,0 кг, суммарная масса комбинированного бака со
штуцерами и салфетками усиления около штуцеров - 9,4 кг.
а
Рис. 7.12. Металлическая оболочка комбинированного торового бака (а)
(£)об = 600 мм; dce4 = 270 мм; ц = 0,1) и конструктивное оформление вва-
ренных штуцеров цельнометаллического бака (б)
Поскольку торонамоточный станок СНТ-20У предназначен
для изготовления тороидальных электротехнических катушек, для
намотки слоя углепластика на тороидальную оболочку таких раз-
меров (см. рис. 7.12) необходимо было провести некоторую дора-
ботку конструкции станка. Были изменены габаритные размеры
установочного стола и увеличена длина кронштейнов, на которых
крепятся ведущие и опорные ролики станка (рис. 7.13). Конфигу-
рация ведущих и опорных роликов станка была изменена в соот-
ветствии с формой сечения устанавливаемой на них тороидальной
оболочки с учетом размеров выступающих штуцеров.
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки
387
Коробки скоростей и подач станка СНТ-20У обеспечивают
вращение системы челнок - шпуля, бесступенчатое регулирование
шага намотки и реверс вращения тороидальной оправки. Шпуля
несет на себе определенное количество ленты препрега, а челнок
со съемным устройством наматывает его на оправку. Для создания
необходимого натяжения при намотке предусмотрено регулируе-
мое торможение шпули.
Рис. 7.13. Схема дорабо-
танного стола и ведущего
ролика станка СНТ-20У:
1 - шестерня; 2 - опорный
подшипник; 3 - кронштейн
стола; 4 - вал; 5 - резиновая
лента; 6 - изделие (торовый
бак); 7 - ролики
В общем виде технологический процесс изготовления и
испытания экспериментального комбинированного бака включает
в себя следующие основные операции.
1. Обезжиривание и шпаклевка наружной поверхности метал-
лической оболочки (рис. 7.14, а) с целью ликвидации участков с
отрицательной кривизной, образующихся вследствие коробления
(поводки) составных элементов металлической тороидальной обо-
лочки при ее сборке и сварке.
2. Установка и закрепление в двух опорных и в ведущем роли-
ках станка СНТ-20У подготовленной к намотке металлической
оболочки. При этом на выступающие концы штуцеров надевают
фторопластовые защитные колпачки конической формы. Чтобы
избежать повреждения намотанного на оправку слоя препрега,
между роликами и слоем намотки прокладывают эластичную
резиновую ленту толщиной 0,5...0,7 мм (рис. 7.14, 6).
3. Намотка углепластиковой оболочки (рис. 7.14, в). Снача-
ла проводят регулировку скорости вращения тороидальной оп-
равки и системы челнок - шпуля станка с таким расчетом, чтобы
388
Часть III. Технологические основы метода намотки
Рис. 7.14. Последовательность изготовления комбинированного торового
бака на станке СНТ-20У:
а - шпаклевка и установка бака; б, в - поперечная намотка первого и второго
слоев препрега; г - уплотнение углепластика термоусадочной стеклолентой;
д - уплотнение намотанного материала в области центрального отверстия ба-
ка; /- композитная оболочка; 2 - уплотнительная манжета; 3 - коническая
втулка; 4 - стержень; 5 - гайка
шаг намотки составлял 2,3 мм на один оборот челнока. Далее
последовательно наматывают четыре слоя препрега на оболочку-
оправку в соответствии со схемой армирования оболочки. С целью
усиления оболочки комбинированного бака в зоне сварного шва и
в теневых зонах намотки штуцеров необходимо между слоями
Гпава 7. Типовые технологические процессы намотки 389
препрега уложить салфетки из углеграфитовой ткани. Общее чис-
ло салфеток должно быть таким, чтобы их суммарная толщина не
превышала 2,5 мм. Затем требуется дополнительно от ручного
привода намотать примерно 20 витков препрега в месте установки
штуцеров.
4. Покрытие всей внешней поверхности намотанной углеплас-
тиковой оболочки слоем тонкой фторопластовой пленки (опера-
цию выполняют вручную). Для уплотнения структуры намотан-
ного материала изделие обматывают одним слоем ткани термоуса-
дочной стеклоленты шириной 16 мм, укладывая ее с натяжением и
половинным нахлестом по максимальному диаметру торового бака
(рис. 7.14, г). Уплотнение намотанного материала в области цент-
рального отверстия (рис. 7.14, д) проводят путем навинчивания
гайки 5 на стержень 4.
5. Установка намотанного торового бака в сушильный шкаф -
печь СНОС-10.13.10-11. На поверхности бака размещают и закреп-
ляют термопару, включают вентиляцию и нагревательные элементы
печи. Полимеризацию проводят по режиму: нагрев до температуры
160 °C в течение 1 ч; выдержка при 160 °C - 2 ч; повышение темпе-
ратуры до 180 °C и выдержка 1,5 ч; охлаждение в печи. Через 2 ч
пребывания бака в печи необходимо подтянуть гайки на централь-
ном технологическом стержне и штуцерах (см. рис. 7.14, д).
7.2.2. Численный анализ и результаты испытаний
торового бака
Численный анализ напряженно-деформированного состояния
оболочки комбинированного торового бака проводят с использова-
нием метода конечных элементов. Поскольку оболочка имеет пере-
менную толщину стенки с переменными жесткостными характери-
стиками и аналитические решения для таких оболочек отсутствуют,
уровень моментных напряжений в меридиональном и окружном
направлениях оценивают численным методом. Задача определения
внутренних сил, напряжений и деформаций комбинированных то-
ровых баков статически определима, поэтому в качестве основной
расчетной зависимости использована формула (3.3).
Для расчета применяют простейший конечный осесимметрич-
ный элемент и гипотезу прямых нормалей. Компоненты матрицы
390
Часть III. Технологические основы метода намотки
жесткости элемента сводят к конечным алгебраическим выражени-
ям. В каждом узле элемент имеет три степени свободы: два пе-
ремещения и поворот сечения. Толщина и жесткостные характе-
ристики оболочки в пределах каждого элемента усреднены.
Расчеты проводят для комбинированной оболочки с геометри-
ческими размерами: /?об = 135 мм, с = 165 мм, г0 - 300 мм, гПОл =
= 30 мм, Лмет = 1,0 мм, Лкмо = 0,785 мм, /?кмл - 7,85 мм при давле-
нии разрушения рраз = 9,8 МПа.
Механические характеристики материалов:
• однонаправленного углепластика: ЕКМ1 = 105 ГПа; ЕКМ2 =
= 8,0 ГПа; оКМ1 = 800 МПа; оКМ2 = 20 МПа; v21 = 0,092; v12 =
= 0,21, где окм и Екм - реализуемые предел прочности и модуль
упругости углепластика;
• нагартованной стали 12Х18Н10Т: Еме1 = 186 ГПа; ов =
= 740 МПа; о0,2 = пт = 480 МПа; vMC1 = 0,27.
Механические характеристики стали определяют на образцах
(10 шт.), вырезанных из отштампованных тороидальных оболочек
толщиной 1,0 мм. Образцы имеют форму лопаточки и подвергают-
ся растяжению. Нелинейная часть диаграммы образцов описана
показательной функцией в координатах интенсивность напряже-
ния - интенсивность деформации oz = /4e", константы которой
равны А = 880 МПа, п = 0,147.
На рис. 7.15 приведены зависимости давления от эксперимен-
тальных и расчетных значений приращений диаметров О)](£)об) и
иь(<7сеч) комбинированной тороидальной оболочки.
При нагружении внутренним давлением поперечное сечение
комбинированной тороидальной оболочки искажается. Прираще-
ния поперечного сечения в двух перпендикулярных направлениях
измеряют датчиками перемещения в соответствии со схемой, по-
казанной на рис. 7.15.
Хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значе-
ний приращений наблюдается вплоть до возникновения пластиче-
ских деформаций в металлической оболочке. При давлении рраз >
> 8 МПа (пластическое течение) увеличение деформации в окруж-
ном направлении опережает увеличение деформации в меридио-
Глава 7, Типовые технологические процессы намотки
391
нальном направлении, т. е. на заключительной стадии нагружения
радиус большего диаметра тороидальной оболочки возрастает зна-
чительно быстрее радиуса поперечного сечения.
р, МПа
О 0,4 0,8 1,2 С0рММ
Рис. 7.15. Зависимость давления от экспериментальных и расчетных
значений приращений диаметров комбинированной тороидальной
оболочки:
1 - для о)]; 2 - для о)2;-расчетные значения; о, л - экспериментальные значения
Характер разрушения торового бака (рис. 7.16) после нагру-
жения его внутренним давлением жидкости подтверждают резуль-
таты проведенных расчетов.
Действительно, на большом диаметре происходит разрушение
металлической оболочки при действии окружных напряжений и
наблюдается сильное растрескивание однонаправленного углепла-
стика перпендикулярно к направлению укладки волокон по всей
392 Часть III. Технологические основы метода намотки
окружности тора. Также возникают разрушения на большом эква-
торе тора вследствие разрушения металлической оболочки в зоне
сварного шва, а также в результате резкого разрыва волокон угле-
пластика при действии меридиональных напряжений.
Рис. 7.16. Характер разрушения
комбинированного торового ба-
ка (рРаз= 10,6 МПа) после на-
гружения его внутренним давле-
нием жидкости
Испытания, проведенные на опытных комбинированных то-
роидальных оболочках (баках), показали, что при сохранении экс-
плуатационных характеристик масса экспериментальных комби-
нированных оболочек и баков в целом снижена на 46 % по срав-
нению с массой их металлических аналогов, незначительно
(в 1,1 раза) возросло давление разрушения, в 2,12 раза увеличился
пкс (и;ак = ^а/об/л/6ак).
Таким образом, результаты анализа и опытов хорошо согла-
суются. Из анализа следует, что давление разрушения можно по-
высить путем укладки окружного слоя углепластика в области
большого экватора тора или его спиральным армированием с пе-
ременным углом намотки.
7.3. Технология изготовления композитных
тороидальных сосудов давления методом намотки
7.3.1. Конструкция тороидального сосуда давления
из композиционных материалов
В настоящее время как в отечественной, так и в зарубежной
технической литературе существует крайне мало сведений о кон-
струкции и технологии изготовления методом орбитальной намот-
ки тороидальных сосудов давления из КМ.
Глава 7, Типовые технологические процессы намотки 393
Процесс создания таких тороидальных сосудов включает в се-
бя выбор материала силовой и герметизирующей оболочек; разра-
ботку конструкции сосуда; расчет конструктивно-технологических
и траекторно-угловых параметров намотки; вопросы, связанные с
конструктивным оформлением, местом установки и способом кре-
пления узла штуцера в стенке оболочки.
С технологической точки зрения наиболее удобно и целесо-
образно распологать заправочные штуцеры на вершине торои-
дальной оболочки (рис. 7.17), хотя принципиальных затруднений
для их установки и в любом другом месте тороидальной оболоч-
ки нет.
На рис. 7.17 представлена схема тороидального сосуда давле-
ния, состоящая из силовой 7 и герметизирующей 2 оболочек, вы-
полненных намоткой, и одного или двух заправочных узлов
(поз. 3-7). Герметизирующая полимерно-пленочная оболочка с
двух сторон защищена вспомогательными слоями 8 и 9. В местах
установки штуцеров силовая стеклопластиковая оболочка усилена
двумя ткаными салфетками 10 и поперечной подмоткой /7 из не-
скольких витков (18-20 шт.) наматываемой ленты препрега.
Заправочный узел состоит из пяти деталей. Опорная втулка 3
имеет канавку под уплотнительное кольцо 7. С помощью
штуцера 5, шайбы 4 и гайки 6 производится сжатие и уплотнение
пакета из слоев, образующих стенку сосуда. Для обеспечения
плотного прилегания слоев намотки к поверхностям металличе-
ских деталей последние изготовляют точно такой же формы, как
и форма поверхности участка оболочки, на которой эти детали
устанавливают.
Для сохранения прочности силовой (композитной) оболочки
в местах установки штуцеров их заделку в стенку оболочки осу-
ществляют без перерезания нитей. Поэтому композитную обо-
лочку наматывают при утопленных внутрь оправки штуцерах,
которые после окончания намотки вытаскивают (прокалывают)
наружу через оболочку и собирают с другими элементами узла
штуцера.
Обычно отверстия в многослойных композитных конструкциях
получают на отвержденных изделиях путем сверления или фрезеро-
вания, что приводит к перерезанию нитей, растрескиванию связую-
щего и расслоению КМ по стенке отверстия (кромочный эффект).
При этом теоретический коэффициент концентрации напряжений
394
Часть III. Технологические основы метода намотки
А^теор при растяжении стенки изделия в месте просверленных отвер-
стий составляет три-четыре единицы. Это означает, что допустимые
напряжения в композитных конструкциях должны быть в ЛГтеОр раз
меньше предела прочности материала при растяжении овкм и тео-
ретически составлять к = овКМ / А7тсор, что реализуется на практи-
ке лишь для сравнительно больших радиусов просверленных отвер-
стий (> 25 мм).
Рис. 7.17. Схема тороидального сосуда давления, изготовленного из КМ
методом намотки:
1,2- силовая и герметизирующая оболочки; 3 - опорная втулка; 4 - шайба; 5 -
штуцер; 6 - гайка; 7 - уплотнительное кольцо; 8, 9 - защитный и разделитель-
ный слои; 10 - тканые салфетки; 11 - поперечная подмотка из нескольких
витков наматываемой ленты препрега
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки 395
Для меньших радиусов просверленных отверстий допустимые
значения напряжений по результатам опытов получаются больше
теоретического значения и могут быть определены из зависимости
Пдоп = Ив км I f(ql г) (рис. 7.18, кривая 7), в которой коэффициент
интенсивности напряжений f (а / г) находят опытным путем при
одноосном растяжении плоских пластин с углами укладки волокон
0° и 90° или 0° и ±45°.
Рис. 7.18. Зависимость коэффициента интенсивности напряжений f(a/ г)
от относительного размера а / г области интенсивного высвобождения
энергии:
1 - для просверленных отверстий; 2 - для проколотых отверстий; □ - испытание
кольцевых образцов; о - экспериментальные точки
При этом коэффициент интенсивности напряжений зависит
от радиуса просверленного отверстия г и параметра а =
= 0,75... 1,25 мм - характерного размера области с интенсивным
высвобождением энергии около отверстия (см. рис. 7.18). Значе-
ние а = 0,75 мм целесообразно применять для г < 1,25 мм, а =
= 1,0 мм - для диапазона значений 1,25 < г < 7,5 мм и а = 1,25 мм -
для г > 7,5 мм.
Один из способов получения отверстий - формование их мето-
дом прокалывания заостренным стержнем-индентором в еще неот-
вержденной конструкции. При этом в месте формирующегося от-
верстия нити сдвигаются от своего исходного положения, изгиба-
ются и растягиваются. Несмотря на то что регулярная структура
материала нарушается, силовое поле армирующих волокон не пре-
рывается, а стенка отверстия вследствие повышенного содержания
396 Часть III. Технологические основы метода намотки
волокон уплотняется. При этом коэффициент интенсивности на-
пряжений в месте проколотых отверстий существенно снижается
(см. рис. 7.18, кривая 2).
Кроме того, для намотанных стеклопластиковых оболочек пре-
дельные значения диаметров отверстий, получаемых методом про-
калывания без разрушения нитей, в зависимости от степени натяже-
ния нитей при намотке, находятся в пределах б/огв = 18...20 мм, что
соответствует области практических размеров диаметров заклепок,
винтов, болтов, которые используются при механических соедине-
ниях композитных деталей.
Таким образом, учитывая теоретический коэффициент концен-
трации напряжений А?теор и результаты расчетов влияния проколо-
тых отверстий на интенсивность напряжений в стенке композитной
оболочки, диаметры опорной втулки и прижимной шайбы запра-
вочного узла (см. рис. 7.17) были приняты равными: <7Н1 = 2,5<7ИП =
= 0,2б/сеч, где б/шт = 16 мм - диаметр штуцера; б/сеч = 80 мм - диаметр
поперечного сечения тороидальной оболочки.
7.3.2. Герметизирующие тороидальные оболочки
из намотанных полимерных пленок
Сосуды давления, намотанные из однонаправленных КМ, в
том числе и тороидальные, обладают низкой герметичностью, по-
этому в таких конструкциях необходим внутренний герметизи-
рующий слой. Герметизирующие оболочки из полиэтилена или
резин не работоспособны при низких (-70...-60 °C) и повышен-
ных (120 °C) температурах.
Перспективно использовать для герметизирующих оболочек
жесткие полимерные пленки (полиимид, лавсан), которые хорошо
работают при низких (-100 °C), криогенных (-253 °C) и повышен-
ных (150 °C) температурах и могут воспринимать часть нагрузки
(см. табл. 2.2), испытываемой сосудом при действии внутреннего
давления. Основные физико-механические характеристики рас-
сматриваемых пленок приведены ниже:
Лавсановая ПЭТФ
ТУ 6-05-1099-76
Толщина, мкм .....................3...300
Плотность, кг/м3 .................1404
Полиимидная
ПМФ-352
ТУ 6-05-051-76
25...125
1420
Гпава 7. Типовые технологические процессы намотки
397
Предел прочности при
растяжении, МПа ... 120...175 90...120
Модуль упругости при растяжении,
ГПа ...2,9...3,8 2,8...3,0
Деформация разрушения, % ...40...50 20...25
Термостойкость, °C ... 150 400
Морозостойкость, °C ...-100 -253
Усадка, % ...3,0 0,5
Примечание. Полиимидная пленка имеет с двух сторон фторопласто-
вое покрытие толщиной 6...8 мкм.
Хотя значения деформаций разрушения полиимидных и лав-
сановых пленок при одноосном растяжении велики, их упругие
деформации, при которых напряжения достигают 0,75овкм, со-
ставляют всего 2,5...3,0 %. Такие значения упругой деформации
близки к предельным значениям деформации разрушения ориен-
тированных стеклопластиков и органопластиков.
Химически стойкие лавсановые пленки имеют малую газо-
проницаемость, сравнительно низкую стоимость и выпускаются в
больших объемах. Однако при нагреве полиэтилентерефталата
(ПЭТФ) происходит его кристаллизация с экзотермическим пиком
при температуре 158 °C. В связи с этим при двухосном растяжении
максимальные значения деформаций уменьшаются во много раз и
наблюдается даже квазихрупкое разрушение оболочек.
Полиимидные пленки (ПМФ-352) надежно работают как при
повышенных (до 250 °C), так и при криогенных (до -253 °C) тем-
пературах. При этом их прочность при температуре 150 °C дос-
таточно высока и составляет 57...60 МПа, при температуре жид-
кого азота (-196 °C) прочность увеличивается до 300 МПа. Поли-
имидные пленки сохраняют свою гибкость и эластичность вплоть
до температуры жидкого гелия (-269 °C). Они радиационно стой-
кие, инертные, однако их стоимость во много раз больше стоимо-
сти лавсановых пленок. Выпускаются полиимидные пленки не-
большими партиями.
Приведенные выше характеристики пленок соответствуют
требованиям, предъявляемым к герметизирующим оболочкам со-
судов давления и трубопроводов из КМ. Пленки могут быть реко-
мендованы и для изготовления силовых оболочек малонагружен-
ных тороидальных и сферических сосудов давления, прямо- и кри-
398 Часть III. Технологические основы метода намотки
волинейных внутри- и внебаковых трубопроводов топливных сис-
тем двигателей ЛА, работающих на криогенном топливе.
Очевидно, что из жестких полимерных пленок сложно полу-
чить герметизирующую оболочку двойной кривизны, например,
раздувом либо путем склеивания или сварки предварительно вы-
резанных из пленки лепестков или заготовок. В связи с этим более
рационально изготовлять полимерные пленочные оболочки мето-
дом непрерывной намотки узких лент на оправку с использовани-
ем технологического оборудования и оснастки, которые применя-
ют для намотки силовых оболочек сосудов давления и трубопро-
водов из однонаправленных КМ.
Минимально необходимое натяжение ленты, обеспечивающее
ее плотное прилегание к оправке при намотке, находят из уравне-
ний (4.44) и (4.47), которые после преобразований имеют вид
*7нт ^пл'Л
\'i / 2 1 ( л I 2 • 2
2 г! f L т sin а
— I - J 1 +-----------------------т
тл о 711^0 V (tf + cosoc)
Jot dx -1
(7.27)
где £пл - модуль упругости пленки при растяжении; тл - угловая
ширина ленты, тл = /л /dce4 = 0,25; /л = 20 мм - ширина нама-
тываемой ленты. Из (7.27) были получены минимально необходи-
мые значения натяжений для лавсановой (Лл = 60 мкм) и поли-
имидной (Лл = 45 мкм) лент, соответственно равные 8,25 и 5,40 Н.
7.3.3. Особенности намотки и результаты испытаний
композитных оболочек тороидальных сосудов
Все испытуемые композитные оболочки тороидальных сосу-
дов должны иметь одинаковое поперечное сечение (40 мм) и быть
изготовленными методом спиральной намотки однонаправленной
стеклоленты шириной 5,0...5,2 мм. Натяжение ленты должно
составлять 60...80 Н/лента, скорость намотки - 4,5 м/мин.
В процессе намотки тороидальных оболочек с геометрически-
ми параметрами а = 3, 4 и 5 по равновесным кривым и кривым по-
стоянных скоростей наблюдается соскальзывание ленты с поверх-
ности оправки в диапазоне значений углов 60°...120°. Соскальзы-
вание ленты особенно заметно у оболочек с параметром а = 3 и
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки 399
практически отсутствует у оболочек с параметром а = 5. Харак-
теристики таких тороидальных сосудов кругового сечения и ре-
зультаты их испытаний в зависимости от схемы армирования при-
ведены ниже:
Равновесная Геодезическая По кривой посто- янных скоростей
Параметр оболочки а ..4 4 3 4 5
Внутренний объем Гоб, дм3 Масса, кг: стеклопластиковой оболочки .5,1 5,1 3,8 5,1 6,8
..0,76 0,65 0,45 0,64 1,17
сосуда давления Л/с д Давление, МПа: .. 1,08 0,97 0,72 0,98 1,62
расчетное ррас ..33,8 32,4 32,1 26,3 39,2
разрушения рра1 Реализация предела прочности ..21,8 20,4 13,6 16,3 25,0
КМ, % ПКС, кДж/кг: ..65 62 59 62 64
оболочки .. 147 160 115 130 145
тороидального сосуда .. 103 108 72 85 105
Изготовленные намоткой тороидальные сосуды давления под-
вергают гидравлическим испытаниям и тензометрированию сило-
вой стеклопластиковой оболочки. Сравнение расчетного давления
и давления разрушения испытуемых тороидальных сосудов позво-
ляет определить реализацию предела прочности однонаправленно-
го стеклопластика (овкм = 1620 МПа), полученного на кольцевых
образцах, в конструкции оболочки.
Реализация прочности нитей в композитной оболочке состав-
ляет 60...65 %, что с учетом неравнонапряженности нитей в кру-
говых торах (см. разд. 4.1) можно считать весьма неплохим ре-
зультатом. Это косвенно характеризует специфику намотки ком-
позитных тороидальных оболочек на торонамоточном станке
СНТ-2 А, стабильность и отработанность технологического про-
цесса изготовления тороидальных баллонов.
Дополнительно при испытаниях определяют характер измене-
ния под действием внутреннего давления формы кругового сече-
ния тороидальной оболочки, намотанной по геодезической кривой
равнонапряженных торов (рис. 7.19), а также относительные де-
400 Часть III. Технологические основы метода намотки
формации при нагрузке (разгрузке) тороидальной оболочки, намо-
танной по кривой постоянных скоростей (рис. 7.20).
Рис. 7.19. Характер измене-
ния формы кругового сече-
ния R(l / R тороидальной
оболочки (а = 4), намотан-
ной по геодезической кри-
вой равнонапряженных то-
ров при давлении 14,0 МПа:
1,2 - для формы сечения равно-
напряженной и круговой оболо-
чек без нагружения их внутрен-
ним давлением; 3 - эксперимен-
тальная кривая
Из рис. 7.19 следует, что конфигурация меридионального се-
чения под действием внутреннего давления стремится не к ок-
ружности большего радиуса, а к образующей равнонапряженной
тороидальной оболочки с аналогичными геометрическими пара-
метрами.
Зависимость внутреннего давления от относительных дефор-
маций в меридиональном направлении вдоль витка нитей показы-
вает хорошее соответствие теоретических и расчетных значений
(см. рис. 7.20). В окружном направлении различия теоретических и
расчетных значений слишком значительны и могут быть объясне-
ны лишь сильным влиянием растрескивания связующего на пока-
зания тензодатчиков при разгрузке оболочки.
Экспериментальные зависимости относительных деформаций
вдоль витка нитей еКм (рис. 7.21) при давлении 14 МПа (0,6 рраз) от
координаты ос показывают, что разность максимального и мини-
мального значений невелика. Это позволяет достаточно полно ис-
пользовать прочность однонаправленного КМ в конструкции то-
роидальной оболочки.
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки
401
р, МПа
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 £Ь % 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 е2, %
в
Рис. 7.20. Зависимости внутреннего давления от относительных дефор-
маций в меридиональном (а) и окружном (б) направлениях вдоль витка
нитей (в) при нагрузке (разгрузке) тороидальной оболочки (а = 5) внут-
ренним давлением (стеклопластиковая оболочка намотана по кривой
постоянных скоростей):
1-9 - кривые, построенные по показаниям тензодатчиков 1-9
Рис. 7.21. Зависимость относительных деформаций еКм вдоль витка ни-
тей от координаты а при давлении 14 МПа:
1 - равнонапряженная оболочка; 2, 3 - круговые оболочки соответственно
с равновесной и с геодезической схемами армирования
402
Часть III. Технологические основы метода намотки
Согласно ранее полученным аналитическим зависимостям (см.
гл. 4) наиболее слабое место тороидальных оболочек кругового
сечения из однонаправленных КМ - наружная стенка в области
большого диаметра тора (см. рис. 7.21), где при испытаниях и про-
исходит разрушение под действием меридиональных и окружных
напряжений в результате разрыва волокон наполнителя. При этом
максимальное значение относительных деформаций в оболочке
составляет 2,1 ...2,3 %.
7.3.4, Баллоны тороидальной формы для дыхательных аппаратов
Потребность мирового рынка в (3...9)-литровых баллонах для
дыхательных аппаратов, работающих на сжатом воздухе, состав-
ляет не менее 350 тыс. шт./г. По эргономическим характеристикам
(подъем по лестницам, перемещение ползком, прохождение лю-
ков, водных стоков, разбор завалов) дыхательные аппараты с бал-
лонами тороидальной формы имеют значительные преимущества
по сравнению с дыхательными аппаратами с цилиндрическими
баллонами.
Однако процесс изготовления композитных баллонов методом
спиральной намотки с применением одноразовых песчано-поли-
мерных оправок очень трудоемок, а изготовление комбинирован-
ных баллонов - весьма дорогостоящий процесс.
Для организации серийного производства недорогих стекло-
пластиковых баллонов в качестве герметизирующей оболочки
можно использовать полиэтиленовый лейнер толщиной 2...3 мм.
Кроме того, можно отказаться от метода спиральной намотки то-
роидальных оболочек и перейти к раздельной продольно-попереч-
ной намотке.
В этом случае на намоточном станке токарного типа изготов-
ляют элементы продольного слоя. После отверждения связующего
и сборки продольного слоя с полиэтиленовой (резиновой) оболоч-
кой на торонамоточном станке наматывают поперечный слой.
В собранном виде продольный слой вместе с герметизирую-
щей оболочкой представляет собой неудаляемую оправку, которая
поступает на торонамоточный станок для радиальной намотки по-
перечного слоя тороидальной оболочки. При этом применение по-
лиэтиленового лейнера повышает реализацию предела прочности
КМ, а использование раздельной намотки существенно уменьшает
цикл изготовления композитных баллонов в условиях серийного
производства.
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки 403
Преимущества раздельной продольно-поперечной намотки
композитной оболочки следующие:
• отсутствие необходимости применения одноразовых удаляе-
мых тороидальных оправок;
• широкий фронт работ по изготовлению методом намотки
композитных тороидальных оболочек;
• уменьшение операционного времени орбитальной намотки
на торонамоточном станке в 2 раза;
• упрощение конструкции торонамоточного станка и кинема-
тики привода движения тороидальной оправки;
• возможность применения для поперечной намотки любого
(см. разд. 7.5) торонамоточного станка без его существенной дора-
ботки;
• увеличение числа баллонов, изготовляемых намоткой за одну
рабочую смену на одной единице оборудования.
7.4. Методика совместного проектирования конструкции
и технологии изготовления методом намотки
композитных тороидальных оболочек
Теоретические исследования и аналитические зависимости,
полученные ранее, позволяют разработать единую методику со-
вместного проектирования конструкции и технологии изготовле-
ния методом орбитальной намотки тороидальных оболочек сосу-
дов давления из композиционных и комбинированных материалов.
Методика представляет собой основу для проектирования и конст-
руирования тороидальных сосудов, разработки технологических
процессов и оснастки для их изготовления.
Разработка такой методики позволит повысить качество про-
цесса изготовления изделия и избежать значительных потерь проч-
ности конструкции композитной оболочки путем выбора рацио-
нальных траекторно-угловых и технологических параметров орби-
тальной намотки этой оболочки. Обычно такого рода нестыковки
проявляют себя на стадии испытания опытных образцов изделий,
что приводит к мучительной и долгой доработке и согласованию
конструкции, а также технологии изготовления изделия в целом.
Основополагающий принцип построения методики совмест-
ного проектирования конструкции и технологии изготовления
тороидальных оболочек сосудов давления - принцип взаимного
404
Часть III. Технологические основы метода намотки
учета возможных технологических решений при проектных рас-
четах конструкции изделия и возможных конструкторских изме-
нений и доработок при траекторных и иных технологических
расчетах.
Таким образом, при конструкторских расчетах определяют
параметры, имеющие непосредственное отношение к конструк-
торским и технологическим задачам. В свою очередь, методики
технологического расчета связаны с методиками конструкторского
расчета и позволяют корректировать полученные значения базо-
вых параметров композитных тороидальных оболочек.
Структурная схема такой методики, приведенная на рис. 7.22,
состоит из трех блоков.
Блок анализа и выбора 1. На основе анализа технического
задания (ТЗ) выбирают конструктивно-силовую схему сосуда,
форму меридионального сечения и схему армирования силовой
оболочки. Формируют исходные данные, включающие в себя зна-
чения рабочего давления и давления разрушения, внутреннего
объема оболочки, максимального диаметра тора, количество и ме-
сто расположения штуцеров и способ их заделки в стенку оболоч-
ки. Проверяют возможность создания тороидальной оболочки со-
суда в заданных габаритах по соотношению Коб/г03< 1,618 (см.
рис. 3.14) при ц = гл /г0 =0.
Проводят анализ ограничений по герметичности, рабочей
температуре, массам силовой и герметизирующей оболочек и то-
роидальной оболочки сосуда в целом. Выбирают материалы ком-
позитной оболочки, материалы и метод изготовления герметизи-
рующей оболочки. Оценивают возможности получения компо-
зитной оболочки заданной массы по третьему соотношению
(3.96). При необходимости назначают новые материалы.
Расчетный блок 2. Этот блок состоит из двух частей (2 и 2а),
или уровней, и включает в себя конструкторские и технологиче-
ские расчеты.
1. Нахождение методом итераций по (3.42), (3.43) и (3.52) ба-
зовых конструктивно-технологических параметров композитной
оболочки: геометрических параметров тора ц = гл/г0 (заданы)
ис2=с2/г02, начального угла намотки Ро и параметра Х =
= (амеЛет) / (акмЛкмо) на большом экваторе тора.
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки
405
|2 Совместное определение базовых параметров силовой оболочки из КМ
* Определение базовых конструктивно-технологических параметров: ц, Х,с1 2, 0О. Определение траекторно-угловых параметров: фа =/(Уа» Ра> а)> Ф((р;, ц,с2, Ро,Х), ДФ(Ф, цД), (рл=НОД(Ф, ДФ), /л(Фл0), AZ(G, ц, X)
к
- Да 1 Нет |-| Выбор ширины ленты Zpac </доп|
Расчет функции связи системы координат: r£ = /(ц, с2, 0О, X, а)
Да}
|2а Взаимосвязанный расчет параметров конструкции и орбитальной намотки тороидальной оболочки
с Увкм/Ркм ( 1
\Р? •аз Расчет конструктивных характеристик силовой и герметизирующей оболочек: Зтеор(а)’ гтеор(а)’ ^КМ с.о, i.o’ ^КМ’ ^мст’ Hj6’ ^с.д’ ^об Определение режимных и кинематических параметров: сткр, Мнам’^сл, ZH Г (Ф, фло), ^оп (2н,г-ф). Фоп=/(Фа- Ф> а). Фс у ~-/(фоП’ Ф’ а)
3
Рис. 7.22. Структурная схема методики совместного проекти-
рования конструкции и технологии изготовления методом на-
мотки композитных тороидальных оболочек:
1 - блок анализа и выбора; 2 и 2а - расчетные блоки; 3 - блок про-
ектирования технологии
406
Часть III. Технологические основы метода намотки
По (3.40) и (3.43) рассчитывают функцию перехода 7; =
= /(ц, с\Р0,Х, а) из цилиндрической системы координат в кри-
волинейную, производную у'а = и записывают
уравнение меридиана тороидальной оболочки. Исходные данные
ТЗ, значения параметров ц, с2, Ро и X, найденные зависимости
и у'а - основа для проведения технологических расчетов.
2. Определение углов намотки 0а = и траектории
укладки нитей на поверхности тора сра = f (у'а, Ра, 7^, а) в кри-
волинейной системе координат. По (6.27)-(6.29) рассчитывают
угловой шаг намотки Ф((р^,ц,с2,Р0,Х) и остаток углового шага
намотки ДФ(Ф, ц, X); угловую (фл = НОД (Ф, ДФ)) и нормальную
(^л(Фло) = ^рас) ширину ленты на большом диаметре тора. Полу-
ченную расчетным путем ширину ленты /рас сравнивают с допус-
тимой шириной ленты /доп, которую вычисляют по разности длин
крайних и средних витков нитей, образующейся в одном наматы-
ваемом витке ленты (см. разд. 6.1).
В предварительных расчетах для торов с параметром ц -
= 0,2...0,8 можно соответственно принять допустимую угловую
ширину ленты (рдоп = 0,08...0,12. Если /рас > /Д011, то объем или диа-
метр оболочки в исходных данных изменяют на величину ±ДИоб
или ±ДО и совместные расчеты базовых конструктивно-техно-
логических параметров композитной тороидальной оболочки по-
вторяют.
3. Взаимосвязанные расчеты геометрических и конструктив-
но-массовых характеристик силовой оболочки и кинематических
параметров орбитальной намотки, если найденные значения пара-
метров ц, с2, Ро, X, Ф, ДФ, (ря0 и /рас обеспечивают необходимый
уровень качества структуры материала слоя КМ.
По (3.40) и (3.41) находят координаты теоретического контура
меридионального сечения оболочки угсор(ос) и г1Сор(сх), а по
(3.55)-(3.60) - толщины ее слоев ЛКм(сх), Лкмо, Лмст. Определяют
массу слоев и комбинированной оболочки в целом: Л/км, Л/мст,
Л/Ком- Уточняют внутренний объем оболочки Еоб. Если масса и
объем оболочки не соответствуют ТЗ, то расчеты вновь повторяют
при измененных значениях исходных данных.
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки
407
4. Определение режимных и кинематических параметров ор-
битальной намотки с использованием значений координат сечения
Леор(сс) и гТСОр(а), а также толщин Лкм (ос), Лкмо, Лмет. Вычисляют
необходимое значение натяжения наматываемой ленты днт, кото-
рое сравнивают с критическим или допустимым значением натя-
жения <?Л0П, при намотке ленты на тонкостенную металлическую
оболочку.
По (6.31) находят число витков ленты или число оборотов на-
моточной головки 2нг(Ф,20П) иоправки 20П(Ф, (рл0) в одном слое
намотки, а по отношению zCJ1 = Лкмо / Лл (Лл - толщина ленты) -
общее число слоев намотки. Выбирают скорость намотки wHaM и
определяют частоту вращения раскладчика ленты лнг(мнам,7?) и
тороидальной оправки и0П(инл.,Ф), полное время намотки компо-
зитной оболочки Тты = /(инам, /я, hn, Л/км).
5. Определение закона движения оправки относительно вра-
щающегося раскладчика ленты (см. (6.19)) (роп = /(ф«, ф^у, ос); угла
поворота оправки (см. (6.20)) ф^у = f(RN, о^, ос) относительно кри-
вой намотки (6.6) Фа =/(га,Ра,ос), а также функции системы
управления, или суммарного доворота оправки, (6.11) фсу(ос) =
- f (Ф, ф^ , ос) относительно ее опорного вращения (6.7) фп С(Ф, ос).
Блок проектирования технологии 3. Полученные выше рас-
четные данные служат для конструирования тороидальной оболоч-
ки сосуда давления и разработки технологии его изготовления из
КМ. Сначала создают теоретический чертеж комбинированной
(композитной) оболочки, включающий в себя теоретический контур
по срединной поверхности оболочки, схему армирования по слоям
и число слоев, переменную толщину композитной оболочки.
Определяют переменную толщину герметизирующей оболоч-
ки, если она изготовлена из полимерных пленок методом попереч-
ной намотки широкими лентами, вычисляют координаты сечения
оправки или вытяжного штампа и рисуют их теоретический кон-
тур в соответствии с табличными координатами сечения. По этим
данным разрабатывают конструкцию и рабочие чертежи торои-
дального сосуда давления, а также чертежно-конструкторскую до-
кументацию на технологическую оправку и пресс-форму для ее
изготовления, на вытяжной штамп и приспособление для сборки и
сварки внутренней металлической оболочки.
408
Часть III. Технологические основы метода намотки
Рис. 7.23. Структурная схема расчетного модуля «Проектирование кон-
струкции и технологии намотки тороидальных оболочек из однонаправ-
ленных КМ»:
|l ll - модули вывода графической информации, требующей корректировки;
| | - подпрограммный модуль
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки
409
Разрабатывают технологические процессы изготовления мето-
дом орбитальной намотки силовой и герметизирующей оболочек
тороидальных сосудов или криволинейных трубопроводов и соз-
дают программы систем управления исполнительными органами
торонамоточных станков. Параллельно осуществляется разработка
технологического процесса изготовления ленты препрега на уста-
новке УСЛ-2Б, обеспечивающей получение из непрерывных ни-
тей, жгутов или ровингов намоточного материала в виде ленты
расчетной ширины.
Таким образом, разработанная и изложенная выше методика
совместного проектирования конструкции и технологии изготов-
ления методом намотки композитных тороидальных оболочек яв-
ляется основой для разработки чертежа конструкции тороидально-
го баллона, а также чертежно-конструкторской документации на
удаляемую тороидальную оправку или вытяжной штамп для полу-
чения металлической оболочки. Структурная схема расчетного
модуля приведена на рис. 7.23. При этом траекторно-угловые за-
висимости служат основой для проектирования торонамоточных
станков, необходимых для орбитальной намотки композитных то-
роидальных баллонов, кольцевых коробчатых шпангоутов, изо-
гнутых патрубков и криволинейных труб.
7.5. Типовое технологическое оснащение процессов намотки
конструкций ракет и средств поражения
7.5.1. Технические характеристики намоточных станков
Станки спирально-поперечной намотки. Промышленные
станки серий КУ, СНП и РПН (табл. 7.2) предназначены для из-
готовления из однонаправленных КМ крупногабаритных оболо-
чек корпусов двигателей и отсеков ЛА методом спирально-попе-
речной намотки.
Пятикоординатные намоточные станки НК-9ПУ, НК-10ПУ и
НК-11 ПУ с системой программного управления служат для изго-
товления из однонаправленных КМ крупногабаритных изделий
типа отсеков, корпусов, лопастей винтов вертолетов и сосудов
давления диаметром 1600 и 2500 мм, длиной 4000 и 10 000 мм со-
ответственно. Станки НК-10ПУ и НК-11ПУ обеспечивают укладку
ленты под углом 5°...90° к оси оправки со скоростью 30 м/мин.
410
Часть III. Технологические основы метода намотки
Таблица 7.2
Технические характеристики отечественных станков
для спиральной и поперечной намотки крупногабаритных изделий
Характеристика КУ- 421М КУ- 463-03 КУ- 479-03 КУ- 499-03 РПН- 600-03 СНП-5
Диаметр наматываемого изделия, мм:
минимальный 300 120 120 25 50 —
максимальный 2500 2800 2800 2500 650 3700
Максимальная длина изделия, мм 10 000 11 000 12 000 6500 6300 15 000
Угол намотки, град 10...90 8...90 8...90 8...90 10...90 10...90
Точность геодезической укладки,град ±3,0 ±2,0 ±1,0 ±3,0 ±1,5 --
Число управляемых ко- ординат, шт. 5 5 6 3 4 6
Частота вращения оп- 3,3... 16,6... 66,6 3,3... 16,6... -
равки, мин 1 Ширина, мм: ...16,6 ...33,3 .. .66,6 ...33,3
наматываемой ленты 100 150 50... 80... 40... 100...
(максимальная) ...300 ...300 120 ...150
рулонного материала 900 500 900 - 450 -
Максимальное натяже- 2000... 1800... 120... 120... 360... 5500...
ние ленты, Н Сила прикатки, Н: ...3000 ...5000 ...3500 ...2500 ...1600 ...6500
ленты 500 4000 5000 2000 500 —
рулонного материала 2000 5000 8000 - 1500
Скорость перемещения каретки, м/мин:
продольного 12,0 24 24 — 30 24
поперечного 3,6 3,6 3,6 1,5 3,6 -
Максимальная масса оправки с изделием, кг 30 000 14 000 14 000 5000 2000 65 000
Максимальная потреб- ляемая мощность, кВт 43,06 91,45 105,0 32,0 26,46 -
Габаритные размеры, мм:
длина 22 550 23 210 6615 10 700 7500 27 100
ширина 7800 8474 8680 5100 3000 14 380
высота 3300 3450 3575 3335 2100 3640
Масса станка без элек- трооборудования, кг 76 000 50 000 83 750 36 000 12 000 93 000
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки 411
Передняя и задняя бабки станка НК-9ПУ имеют по два шпин-
деля для намотки деталей малого и большого диаметров на вра-
щающейся оправке. Изделие получают методом намотки ленты
препрега из стекло-, органо- и углепластиков сухим способом на
оправку с укладкой ленты под углом 10°...90° к оси оправки. Тех-
нические характеристики станка НК-9ПУ приведены ниже:
Диаметр наматываемого изделия, мм:
на малом шпинделе....................................50...200
на большом шпинделе..................................200...500
Длина наматываемого изделия, мм ........................400...2000
Расстояние между передней и задней бабками станка, мм ..2000...3750
Высота от уровня пола до оси шпинделя, мм...............1050
Угол намотки стеклоленты к образующей оправке, град.....10...90
Масса, кг:
оправки с намотанным изделием (максимальная) ........500
станка ..............................................3500
Частота вращения, мин !:
малого шпинделя......................................5... 100
большого шпинделя ...................................2...40
поворотного устройства ..............................1,0.. .25,0
Максимальный ход, мм:
каретки .............................................2500
салазок..............................................430
Скорость перемещения, м/мин:
каретки .............................................0,1...24,0
салазок..............................................0,2...24,0
Ширина однонаправленной ленты, мм.......................5...25
Сила, Н:
натяжения ленты (регулируемая) ......................50...500
прикатки ролика......................................50...350
Температура поверхности нагревательных роликов, °C .....60... 150
Суммарная мощность электродвигателей, кВт ..............10
Габаритные размеры станка с пультом управления, мм:
длина ...............................................6420
ширина ..............................................4050
высота...............................................1690
В России также используют станки спирально-поперечной на-
мотки фирмы Bayer (Германия), технические характеристики ко-
торых следующие:
412
Часть III. Технологические основы метода намотки
WG-250 WG-550
Максимальный диаметр наматываемого
изделия, мм ............................ 2500 5500
Максимальная длина изделия, мм.......... 7500 18 000
Угол намотки, град......................12...90 12...90
Точность геодезической укладки, град....±1,5 ±1,5
Число управляемых координат, шт.........3 3
Системы:
подачи Гидравлическая
программирования Следящая
Скорость намотки, м/мин 0...48 0...45
Максимальная ширина наматываемой
ленты, мм 300 320
Максимальное натяжение ленты, Н 2000 2400
Суммарная мощность, кВт 35 65
Габаритные размеры, мм:
длина 16 000 26 000
ширина 7000 8200
высота 1500 4000
Масса, кг:
станка 10 000 18 000
оправки с изделием (максимальная) 7000 14 000
Специализированные станки спирально-поперечной намотки
РПН-600-03 (см. табл. 7.2) и РПН-380 предназначены для изготов-
ления стеклопластиковых труб и цилиндрических баллонов сухим
или мокрым способом.
Двухкоординатный станок модели РПН-380 (табл. 7.3) - это
станок с механическим управлением, у которого программа намот-
ки осуществляется с помощью взаимозаменяемых частей (цепей,
звездочек, шестерен) приводного механизма станка в соответствии
с геометрическими параметрами наматываемых изделий. Для каж-
дого вида намотки (спиральная, поперечная) станок имеет отдель-
ную приводную цепную ветвь, которая включается с помощью ру-
коятки переключения.
Предприятие АО «Производство намоточного оборудования»
(Россия) выпускает компактные специализированные двухкоорди-
натные станки СН-10С. Станки предназначены для поперечной
намотки катушек прямоугольного и круглого сечений лентой или
электрическим проводом, а также могут быть использованы для
спиральной намотки цилиндрических баллонов или коротких ци-
Глава 7, Типовые технологические процессы намотки 413
линдрических труб. Технические характеристики намоточного
станка СН-10С-1200 приведены ниже:
Максимальный диаметр каркаса (оправки), мм ......До 1000
Максимальная ширина (длина) раскладки, мм .......1200 (2000)
Шаг раскладки за один оборот оправки, мм.........0,5...500 (1500)
Регулируемая частота вращения двигателя, мин-1...0...75
Механизм привода раскладчика ленты ..............Шаговый
двигатель
Тормоз........................................... Электродинами-
ческий
Счетчик витков...................................Электронный
(1...106 шт.)
Номинальная потребляемая мощность, кВт ..........4,5
Габаритные размеры станка, мм:
длина ...........................................2800 (3400)
ширина .......................................1500
высота........................................1500
Масса, кг:
станка, не более ................................900 (1200)
оправки с обмоткой (максимальная).............1500
Станки продольно-поперечной намотки ССППН и Т250М
(см. табл. 7.3) предназначены для изготовления высокопрочных
труб, работающих преимущественно при действии внутреннего
давления жидкостей и газов.
Таблица 7.3
Технические характеристики станков спиральной,
поперечной и продольно-поперечной намотки
Характеристика РПН-380, Т400 ССППН, Т250М СНП-2 СНП-4М, КУ-319 КУ-320 КУ-421
Размеры изделия, мм: максимальный диаметр максимальная длина Угол намотки, град Точность укладки, мм 380 3500 10...90 1,5 1000 4000 30...90 700 200 12...90 2,0 2000 6300 10...90 2,0 2500 7000 10...90 2,0 2500 9000 10...90 2,0
414
Часть III. Технологические основы метода намотки
Окончание табл. 7.3
Характеристика РПН-380, Т400 ССППН, Т250М СНП-2 СНП-4М, КУ-319 КУ-320 КУ-421
Максимальная ско- рость перемещения каретки, м/мин 160 — 12 12 12 12
Число управляемых координат, шт. 2 2 5 5 5 5
Максимальная шири- на ленты, мм 200 200 15 80 80 120
Максимальная сила натяжения ленты, Н Габаритные размеры, мм: 600 2000 300 2000 1200 300
длина 5600 8100 5000 16 000 16 000 22 300
ширина 6930 4450 2000 6000 9000 7500
высота Масса, кг: 1950 2200 1900 3500 3500 3500
станка 2200 10 000 13 000 55 000 66 000 77 000
оправки с издели- ем (максимальная) 800 3000 1000 16 000 8000 23 000
Композитную оболочку трубы изготовляют путем одновремен-
ной укладки продольного слоя с большого числа катушек, установ-
ленных на вертлюге, и намотки поперечного слоя поочередно с двух
раскладчиков, движущихся параллельно оси оправки (рис. 7.24). При
этом оправка и вертлюг вращаются синхронно, также согласованно
перемещаются вдоль оси изделия раскладчики ленты продольного и
поперечного слоев. Координация вращений и осевых перемещений
достигается путем использования кинематических передач (винто-
вых, шестеренных и цепных). Такие станки характеризуются относи-
тельной простотой и сравнительно высокой производительностью,
так как одновременно наматывается большой объем КМ.
Торонамоточные станки. Станок СНТ-20У применяют в
электрохимической промышленности для поперечной намотки
высоких тороидальных сердечников лабораторных трансформа-
торов. Однако он не может обеспечить спиральную намотку то-
роидальных оболочек ввиду отсутствия механизма быстрого и
плавного вращения оправки. Этот станок работает по схеме чел-
нок - шпуля. Шпуля, несущая запас провода (нить, ленту), вра-
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки 415
щается свободно, а челнок - с помощью зубчатой передачи при-
нудительно с постоянной угловой скоростью. Вращение оправке
передается одним ведущим и двумя опорными роликами. Диа-
метр шпули равен 410 мм, площадь полезного сечения шпули -
105 мм2. Характер регулирования частоты вращения челнока бес-
ступенчатый, частота вращения составляет 11...270 мин-1. Шаг
раскладки ленты изменяется в пределах 0...15 мм. Высота нама-
тываемого сечения - 120 мм, максимальный наружный диаметр
наматываемой тороидальной оболочки - 200 мм. Габаритные
размеры станка, мм: длина - 860; ширина - 1030; высота - 1530.
Установленная мощность - 1,9 кВт.
Рис 7.24. Схема станка продольно-поперечной намотки цилиндрических
изделий:
1 - силовой привод; 2 - цепная передача; 3 - вал; 4 - направляющая каретки
раскладчика; 5 - цепная передача для вращения вертлюга; 6 - каретка расклад-
чика; 7 - раскладчик ленты продольного слоя в виде тороидального кольца; 8 -
задняя стойка; 9 - ролик поперечного раскладчика; 10 - вертлюг (с катушками);
11, 12 - катушки с лентами продольного и поперечного слоев; 13 - оправка;
14 - передняя стойка станка
В настоящее время выпускают станки СНТ-3.ОС, СНТ-3.0И,
СНТ-3.0Р (рис. 7.25) для поперечной намотки крупногабаритных
тороидальных катушек, технические характеристики которых
близки к характеристикам станка СНТ-20У. Эти станки могут быть
использованы для намотки в поперечном направлении композит-
ных оболочек тороидальных сосудов давления, коробчатых и дву-
тавровых шпангоутов. Технические характеристики станка
СНТ-3.0И приведены ниже:
416 Часть III. Технологические основы метода намотки
Размеры шпули:
диаметр, мм..........................500
внутренний диаметр, мм...............58
площадь полезного сечения, мм^ ......500
Частота вращения, мин1:
челнока (намоточной головки)............0... 100
двигателя (регулируемая).............0...75
Ширина наматываемой ленты, мм .........До 25
Шаг раскладки за один оборот оправки, мм.... 0... 15
Диаметр тора после намотки, мм:
максимальный ........................500
минимальный..........................75
Масса, кг:
станка, не более ....................150
оправки с обмоткой (максимальная) ...50
Механизм привода раскладчика ..........Шаговый двигатель
Тормоз.................................Механический
Счетчик оборотов.......................Многопрограммный,
электронный, ревер-
сивный с памятью
1... 10 000 витков
Номинальная потребляемая мощность, кВт ... 0,6
Габаритные размеры, мм:
длина ..............................1100
ширина .............................. 610
высота...............................1000
Рис. 7.25. Намоточная головка (а) и схема намоточного челнока и шпу-
ли (б) торонамоточного станка СНТ-3.0Р:
/ - челнок; 2 - ролик-раскладчик; 3 - запас провода, нитей или ленты; 4 - шпуля
Торонамоточный станок СНТ-2А предназначен для поперечной,
спиральной или продольно-поперечной намотки сухим способом
Гчава 7. Типовые технологические процессы намотки 417
композитных конструкций тороидальной формы с круговым (см.
рис. 5.36) или любым другим, например прямоугольным, сечением.
Технические характеристики станка СНТ-2А представлены ниже:
Диаметр тора (оправки), мм:
максимальный ..............................До 500
поперечного сечения.....................До 120
Частота вращения, мин ’:
намоточной головки.........................12...36
оправки на один оборот намоточной
головки ................................(1/180... 1/3) пп
Система управления вращением оправки
(гитары шестерен, ЧКМ).....................Механическая
Номинальная потребляемая мощность, кВт ....1,2
Габаритные размеры станка, мм:
длина ..................................1200
ширина .................................800
высота..................................1000
Масса станка, кг, не более.................100
Станок обеспечивает намотку нитей по расчетным углам на-
мотки за счет использования двух гитар сменных шестерен и
ЧКМ, создающего ускоренное или замедленное вращение оправки
в требуемый момент времени. Точность укладки нитей по углу
намотки Р(Х составляет 2,0°...2,5°, а по угловому шагу намотки -
1,0... 1,5 мм.
К станкам орбитальной намотки относят и станки с верти-
кальной осью вращения цилиндрической оправки (рис. 7.26). Ниж-
ним концом (цапфой) оправка крепится на столе намоточного
станка по вертикальной отметке на высоте стола. Такие станки ис-
пользуют для предотвращения прогиба длинных оправок при их
горизонтальной установке, а также для экономии производствен-
ных площадей.
Оправке придается вращательное движение вокруг оси. Ста-
нок снабжен двумя, а иногда и большим числом раскладчиков.
Поперечный раскладчик ленты совершает возвратно-поступа-
тельные движения с малой скоростью для осуществления радиаль-
ной намотки, вращающийся раскладчик совершает круговые (пла-
нетарные) движения под заданным углом Р к вертикальной оси
вращения оправки, так, что за один его оборот на наматываемой
поверхности укладывается один плоский виток. При намотке еле-
418
Часть III. Технологические основы метода намотки
дующего витка оправка поворачивается на угол, соответствующий
ширине пряди (ленты) одного витка, благодаря чему второй виток
укладывается рядом с первым.
Рис. 7.26. Схема намоточного станка с вертикальной осью вращения ци-
линдрической оправки:
1 - оправка; 2 - шпуля с предварительно пропитанным жгутом; 3 - вращаю-
щийся раскладчик ленты; 4 - стойка раскладчика ленты; 5 - поворотный при-
вод раскладчика ленты; 6 - ролик раскладчика ленты; 7 - привод вращения
оправки; 8 - поперечный раскладчик ленты; 9 - ролик кольцевого раскладчика;
10 - стойка поперечного раскладчика; 11 - катушка с предварительно пропи-
танной лентой
Так наматывается каждый слой, а число слоев определяется
расчетной толщиной стенки. Управление перемещением раскладчи-
ков лент и оправкой осуществляется с помощью систем ЧПУ, ис-
пользующих перфоленту или управляющую мини-ЭВМ, хотя число
управляемых координат при этом сокращается до одного-двух. Рас-
сматриваемые станки характеризуются более высокой производи-
тельностью, поскольку намотка происходит по упрощенной схеме.
7.5.2. Типовое технологическое оборудование
для изготовления композитных конструкций
Агрегат рециркуляционного подогрева АРП-8 (АРП-5), или
аэродинамическая печь (рис. 7.27), служит для сушки клеев и от-
верждения связующих, используемых при изготовлении конструк-
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки 419
ций из волокнистых ПКМ. Агрегат обеспечивает нагрев до темпе-
ратуры 200 °C с точностью не более ±5 °C и до температуры 300 °C
с точностью, не превышающей ±10 °C в любой точке изделия.
8
7
6
Рис. 7.27. Схема АРП-8:
1 - сальниковый асбестовый уплотнитель; 2 - роторный вентиляционный на-
греватель; 3 - рабочая камера; 4 - блок выброса летучих веществ; 5 - тепло-
изоляция; 6 - стапель; 7 - опора подшипника; 8 - электродвигатель; 9 - гидро-
привод; 10, 12 - правая и левая двери; 11 - замок с пневмоприводом
Нагрев в рабочей камере 3 происходит в результате преобра-
зования механической энергии высокоскоростной воздушной
струи в тепловую энергию. Рабочая камера состоит из унифициро-
ванных модулей. При работе роторного вентиляционного нагрева-
420
Часть III. Технологические основы метода намотки
теля 2 воздух циркулирует по схеме канал - рабочая камера - вен-
тилятор - канал.
Открывание и закрывание дверей 10 и 12 осуществляется гид-
роприводами 9, установленными на агрегате. Поджим и закрыва-
ние дверей производится с помощью замка 11с пневмоприводом.
Двери по периметру окантованы сальниковым асбестовым уплот-
нителем /, предотвращающим поступление воздуха из атмосферы
производственного помещения.
Для работы АРП-8 в заданном режиме используется система
программного управления «СПУРТ-5», смонтированная в шкафу.
Эта система обеспечивает ручное и автоматическое управление
двигателем роторного вентиляционного нагревателя 2, изменение
и запись температуры в рабочей камере 3, управление приводом
дверей, блоком выброса летучих веществ 4. приводом вентилей.
Автоклав. Наиболее универсальное оборудование для отвер-
ждения изделий из КМ - автоклав (рис. 7.28) типа АЭ-1,2-4 или
АЭ-4,5-26 (Россия). Технические характеристики автоклава: внут-
ренний диаметр - 1200...4500 мм; длина - 4,0...26,0 м, рабочее
давление - до 1,6 МПа; рабочая температура - до 380 °C. Техниче-
ские характеристики автоклава фирмы «Шольц» (Германия) типа
А-25.576 или А-25.584 следующие: внутренний диаметр -
800...4500 мм, длина - 1,0...26,0 м, рабочее давление - 3,0 МПа,
рабочая температура - 380.. .450 °C.
1 - азотная станция; 2 - ресивер с азотом; 3 - вентилятор системы теплообмена;
4 - теплоизолированный силовой корпус; 5 - электронагреватель; 6 - вакуум-
ный мешок; 7 - формуемое изделие; 8 - водяной теплообменник; 9 - крышка
загрузочного люка; 10 - рельсовый путь; 11 - вакуумная система
Гпава 7, Типовые технологические процессы намотки
421
Автоклав представляет собой установленный на опорах гори-
зонтальный цилиндрический сосуд с приваренным эллипсоидным
днищем (задним) и поворотной крышкой (дверью). Внутри авто-
клава на опорной тележке установлены трубчатый холодильник и
электрический нагреватель. В качестве нагревательного элемента
применяют нихромовую ленту. Охлаждение установки водяное.
Вакуумирование производится вакуумным насосом.
В автоклав входят системы подачи рабочего тела в камеру на-
грева до требуемой температуры, регулирования рабочего давле-
ния, вакуумная система, аварийная система для сброса давления,
автоматизированная система для записи параметров работы авто-
клава, а также противопожарная система.
Наличие теплоизоляции корпуса автоклава позволяет в про-
цессе работы избежать его нагрева, обеспечить необходимый за-
пас прочности стенок и нормативную температуру производст-
венных помещений. Подъем температуры в автоклаве происхо-
дит после откачки воздуха и заполнения его рабочим телом.
Охлаждение автоклава осуществляется путем принудительного
теплообмена рабочего тела и водяного теплообменника. Темпе-
ратуру в заданных точках отверждаемого изделия измеряют с
помощью хромель-копелевых термопар. Для равномерной подачи
давления на стенку композитного изделия используют эластич-
ные диафрагмы (вакуумные мешки), герметично закрывающие
формуемое изделие на оправке и соединенные с вакуумной сис-
темой автоклава.
Машина для получения тканых препрегов. Пропитку ру-
лонных тканей проводят на машине МТП-3 шахтного типа
(рис. 7.29). Ткань 2 шириной до 1,5 м подается с барабана 3,
проходит через ванну 8 с раствором связующего, а затем попадает
через отжимные ролики 9 в вертикальную сушильную камеру 10.
Максимальная скорость пропитываемой ткани достигает 60 м/ч;
требуемая скорость определяется опытным путем в зависимости
от типа ткани. Натяжение ткани регулируется фрикционами.
Трехступенчатая сушка пропитанной раствором связующего
ткани осуществляется в трех зонах нагрева сушильной камеры го-
рячим воздухом температурой, °C: t\ - 40, /2 = 60 и = 90.
Подсушенная ткань наматывается на приемный барабан 5 с
механизмом намотки через разделительную полиэтиленовую
пленку, подаваемую с барабана 4.
422
Часть III. Технологические основы метода намотки
Рис. 7.29. Схема осуществления процесса
пропитки тканей на машине МТП-3:
/ - вал механизма пропитки ткани; 2 - ткань;
3 - подающий барабан с механизмом сматы-
вания рулонной ткани; 4 - барабан с раздели-
тельной полиэтиленовой пленкой; 5 - прием-
ный барабан с механизмом намотки тканого
препрега; 6 - пропитанная и подсушенная
ткань (тканый препрег); 7,11- направляющие
ролики; 8 - ванна с раствором связующего
(например, с бакелитовым лаком ЛБС-1); 9 -
отжимные ролики; 10 - вертикальная сушиль-
ная камера с тремя зонами нагрева
Установки для получения ленты препрегов. Однонаправ-
ленные ленты препрега шириной до 120 мм (см. табл. 7.2 и 7.3)
получают со скоростью до 12 м/мин на высокопроизводительной
установке, схема которой показана на рис. 7.30.
Нити наполнителя со шпулей поступают на распределитель-
ный барабан (гребенку) 2, формируются в ленту, которая подсу-
шивается нагревателем 5 и далее подается на пропитку в ванну 16
с раствором связующего. После пропитки и отжима излишков свя-
зующего лента попадает в сушильную печь 10, где удаляется рас-
творитель и происходит частичная полимеризация связующего.
Затем лента препрега калибруется по толщине, покрывается раз-
делительной пленкой и поступает на приемную катушку.
Наиболее важные этапы получения ленты препрега: предва-
рительное вакуумирование наполнителя нити, образующего пре-
прег, его сушка и пропитка в вакуумной камере. Цель вакуумиро-
вания и предварительной сушки нитей заключается в удалении
газовых включений и влаги из микротрещин и межволоконного
пространства в нитях наполнителя для свободного проникания в
них связующего.
Глава 7. Типовые технологические процессы намотки
423
3 4 5 6 7 8 9 10 11
17 16 15 14
Рис. 7.30. Схема установки для получения ленты стеклопрепрега:
/ - шпулярник со шпулями; 2 - распределительный барабан; 3 - вакуумный насос;
4 - вакуумная камера; 5, //, 17 - нагреватели; 6 - компенсатор уровня связующего;
7 - вакуумный затвор; 8 - отжимное устройство; 9 - фильтр; 10 - сушильная печь;
12 - бобина с разделительной пленкой; 13 - рулон с готовым препрегом; 14 - ка-
либрующее устройство; 15 - ресивер; 16 - ванна с раствором связующего
Четырехкоординатный выкладочный станок ВКЛ-2-8 с
ЧПУ. Станок ВКЛ-2-8 предназначен для изготовления методом
автоматизированной многослойной выкладки лент из КМ с арми-
рованием волокон под разными углами. На станке можно изготов-
лять детали типа перекрестно-армированных тонколистовых об-
шивок, плоские панели и элементы конструкций одинарной кри-
визны с углом подъема кривой до 5°. Станок оснащен вакуумным
столом для крепления формообразующих оправок. Технические
характеристики станка ВКЛ-2-8 с ЧПУ приведены ниже:
Число независимых координат, шт...................4
Максимальные размеры получаемого изделия, мм .....8000 х 2000
Высота стола от уровня пола, мм ..................800
Угол укладки ленты к оси стола, град..............0...90
Портал - каретка:
максимальный ход, мм .............................8000 х 2000
скорость перемещения, м/мин ...................0,2... 10,5
Укладочная головка:
максимальный вертикальный ход, мм..............300
максимальный угол поворота, град...............350
скорость поворота, м/мин.......................0,5...7,0
Максимальный угол поворота ножа, град ............±60
424
Часть III. Технологические основы метода намотки
Максимальный диаметр катушки для ленты, мм .........500
Укладываемая лента:
ширина, мм .......................................100
натяжение ........................................Регулируемое
Сила прикатки (регулируемая), Н ....................До 1000
Суммарная мощность электродвигателей, кВт ..........12
Габаритные размеры, мм:
длина ...........................................15 000
ширина ...........................................5150
высота............................................3500
Масса станка, кг ...................................30 000
Особенности конструкции станка следующие:
• конструкция укладочной головки позволяет выполнять про-
цесс укладки без холостых ходов головки;
• конструкция разрезного устройства дает возможность отре-
зать композитные ленты, не прерывая процесса укладки.
В заключение приведем ориентировочную стоимость обору-
дования, предназначенного для изготовления композитных кон-
струкций методом намотки и выкладки:
• автоклав средних размеров - 0,8 млн долл.;
• станок для намотки и выкладки лент - 2,0 млн долл.;
• машина для автоматизированной выкладки лент - 1,5 млн
долл.;
• водоструйный резак для раскроя препрега - 0,4 млн долл.;
• установка для ультразвукового контроля изделия - 0,4 млн
долл.
Производство углеродных волокон в США после 2000 г. еже-
годно увеличивалось на 30...40 % в год при снижении цен с
300...500 до 40...50 долл./кг, в то время как спрос на углеродные
волокна удовлетворялся только на 50 %. Мировое производст-
во волокон с 2005 по 2010 г. возросло с 20 820 до 37 720 т в год.
В настоящее время стоимость углеродного волокна AS4 (США) со-
ставляет 60 долл./кг, а волокна УКН-5000 (Россия) - 2100 руб./кг.
Стоимость низкомодульных углеродных волокон на основе ПАН-
волокон (Ев = 210 ГПа) составляет примерно 66 долл./кг, на ос-
нове пековых волокон - 44 долл./кг. Стоимость высокомодуль-
ных углеродных волокон (Ев = 350...450 ГПа) на основе ПАН-
волокон составляет 166 долл./кг, на основе ГТЦ-волокон - около
600 долл./кг. Стоимость сверхвысокопрочных углеродных воло-
кон - более 1000 долл./кг.
Вопросы для самоконтроля
Вопросы к главе 1
1. Сформулируйте определение и назовите признаки класса
КМ, отличающие их от других классов материалов.
2. Объясните принцип синергизма и сравните разные схемы
структурной организации КМ на основе волокнистых наполни-
телей.
3. Сравните характеристики стеклянных, арамидных и углерод-
ных волокон по физико-механическим и стоимостным показателям.
4. Покажите перспективы применения углеродных волокон
в конструкциях ракет и средств поражения, изготовляемых на-
моткой.
5. Каким критериям должны соответствовать матрицы для во-
локнистых ПКМ? Какие типы связующих используют при намотке
изделий и почему?
6. Укажите на недостатки изделий, выполненных из волокни-
стых ПКМ. Какие конструкторско-технологические решения
являются наиболее важными для их преодоления?
7. Почему удельная прочность волокнистых ПКМ является оп-
ределяющим параметром при проектировании корпусов двигателей,
баллонов давления и трубопроводов, изготовляемых намоткой?
8. Почему кольцевые образцы наиболее часто используют для
определения удельной прочности и модуля упругости волокнистых
ПКМ, применяемых для намотки конструкций?
Вопросы к главе 2
1. Перечислите основные технологические признаки методов
формообразования конструкций из однонаправленных КМ пултру-
зией, намоткой и контактным формованием. Какой из этих мето-
дов целесообразно использовать при изготовлении изделий из во-
локнистых ПКМ?
2. Сформулируйте определение метода намотки и его техноло-
гические возможности как процесса изготовления композитных
конструкций.
3. Какие типовые композитные конструкции РКТ, средств по-
ражения и элементов трубопроводов можно получать открытой и
орбитальной намоткой?
426
Вопросы для самоконтроля
4. Укажите типы законцовок композитных конструкций бал-
лонов и трубопроводов, получаемых намоткой.
5. Нарисуйте эскизы штифто-болтового, штифто-петлевого
и фланцепетлевого соединений композитных трубчатых конст-
рукций.
6. Приведите примеры разъемных и неразъемных соединений,
применяемых при сборке ракет, средств поражения и элементов
трубопроводов.
Вопросы к главе 3
1. Какие требования к КМ и условиям намотки необходимо
выполнить, чтобы спроектировать равнонапряженную оболочку
сосуда давления?
2. Докажите, что все намотанные равнонапряженные оболоч-
ки, работающие под действием внутреннего давления жидкости
или газа, будут иметь минимально возможную массу, определяе-
мую по формуле A/KMmin = 3^разИобркм /овКМ.
3. Перечислите параметры проектирования равнонапряженных
тороидальных оболочек из комбинированных материалов, объяс-
ните их физический смысл и границы применимости.
4. Докажите, что массы комбинированной цилиндрической
оболочки и тороидальной оболочки кругового сечения, имеющих
одинаковый объем и давление разрушения, равны.
5. Докажите, что толщина равнонапряженной цилиндрической
оболочки, изготовленной методом намотки по любым схемам ар-
мирования, постоянна и равна /гоб = 3Рраз/г/(2ст вКм)’
6. Объясните, почему толщина оболочки в окрестности поляр-
ного отверстия днища композитного цилиндрического баллона,
неограниченно возрастает, а в реальной конструкции нет. Как раз-
решить это противоречие?
7. Разработайте последовательность определения конструк-
тивных параметров комбинированных оболочек цилиндрических
баллонов, если заданы объем сосуда давления Исд, давление раз-
рушения /?раз и радиус цилиндрической части 7?ц.
8. Почему сферические оболочки изготовляют методом много-
зонной намотки? Как влияют толщина и ширина наматываемой
Вопросы для самоконтроля
427
ленты на реализацию предела прочности однонаправленного КМ в
конструкции сферической оболочки сосудов давления?
Вопросы к главе 4
1. Почему тороидальные оболочки кругового сечения, изго-
товленные намоткой нитей, не могут быть равнонапряженными?
2. Какие конструктивно-технологические критерии положены
в основу выбора рациональных схем армирования тороидальных
оболочек кругового сечения и изогнутых участков криволинейных
трубопроводов?
3. Перечислите существующие принципиальные конструктив-
но-технологические ограничения, связанные с намоткой торои-
дальных композитных оболочек и криволинейных трубопроводов.
4. По какому принципу выбирают ширину наматываемой лен-
ты для изготовления тороидальных оболочек кругового сечения и
криволинейных трубопроводов?
5. Сформулируйте условие, при котором тороидальная обо-
лочка с продольно-поперечной схемой армирования будет работо-
способной. Какое влияние на несущую способность такой оболоч-
ки оказывает ширина ленты, наматываемой в продольном направ-
лении?
6. Какие сложности возникают при реализации расчетных уг-
лов намотки в переходной зоне изогнутого и прямолинейного уча-
стков трубопровода? Укажите пути их устранения.
7. Объясните, какое влияние на несущую способность кри-
волинейного трубопровода, изготовленного методом спиральной
намотки, оказывает продольно-поперечное усиление его изогну-
того участка.
Вопросы к главе 5
1. Чем по аппаратурному исполнению и технологической реа-
лизации отличаются друг от друга мокрый и сухой способы на-
мотки? При изготовлении каких изделий целесообразно применять
эти способы?
2. Какие термомеханические воздействия на волокнистый на-
полнитель увеличивают скорость его пропитки полимерными свя-
зующими?
428
Вопросы для самоконтроля
3. Укажите способы регулирования вязкости связующих. На-
зовите марки и объясните принципы работы вискозиметров, при-
меняемых для экспресс-анализа вязкости связующих.
4. В чем заключаются оригинальность и конструктивное ис-
полнение установки барабанного типа УСЛ-2Б для получения лент
препрегов?
5. Объясните принципиальные различия намотки композит-
ных конструкций на станках открытого типа и станках орбиталь-
ной намотки.
6. Чем по технологии намотки и конструктивному исполне-
нию отличается торонамоточный станок СНТ-2 А от станков для
намотки тороидальных катушек и сердечников?
7. Покажите целесообразность применения цельных и разбор-
ных металлических оправок по сравнению с использованием пес-
чано-полимерных оправок. Приведите примеры конструкторско-
технологических решений одноразовых и многоразовых оправок.
Вопросы к главе 6
1. В чем заключается различие между угловыми шагами вит-
ков нитей, вычисленными по опорной (пропорциональной) и по
теоретической кривым намотки тороидальной оболочки сосуда
давления?
2. Объясните, как, зная угловой шаг витка нитей и остаток уг-
лового шага, следует выбирать ширину наматываемой ленты, что-
бы обеспечить плотную (без зазоров) укладку лент на поверхности
тороидальной оправки.
3. Дайте определение понятия «линия равногеодезического
отклонения», используемому в случае намотки нитей по негеоде-
зической кривой. Приведите примеры намотки композитных кон-
струкций по ЛРО.
4. Чем отличается намотка конических оболочек по спираль-
ной кривой от ПН «Кровля»? Укажите композитные конструкции,
где применяются эти схемы намотки.
5. Почему спиральную намотку цилиндрического участка ком-
позитной оболочки корпуса двигателя осуществляют по ЛРО?
6. Запишите последовательность определения конструктивных
и траекторно-угловых параметров спирально-поперечной намотки
композитных оболочек цилиндрических баллонов.
Вопросы для самоконтроля
429
7. Укажите кинематическое различие между спирально-сфери-
ческой и многозонной намоткой сферических оболочек. Обоснуй-
те необходимость и возможность применения этих схем намотки.
Вопросы к главе 7
1. Перечислите конструктивно-технологические преимущест-
ва замены сплошных тканых шпангоутов ТПК пустотелыми ко-
робчатыми шпангоутами, изготовляемыми намоткой нитей.
2. Разработайте варианты маршрутных технологических про-
цессов изготовления двутавровых шпангоутов ТПК методами на-
мотки нитей и переформовки намотанного полуфабриката в гото-
вое изделие.
3. Какие конструкторские и технологические решения приме-
няют для обеспечения герметичности корпусов двигателей, балло-
нов давления, элементов трубопроводов и средств поражения и как
эти решения связаны с характеристиками рабочего тела?
4. Обоснуйте возможность и укажите способ внеполярного за-
крепления штуцера заправочного узла в стенку намотанной торои-
дальной композитной оболочки.
5. В каких изделиях ракетно-космической и авиационной тех-
ники целесообразно применять прямо- и криволинейные трубо-
проводы из намотанных полиимидных пленок и почему?
6. Покажите взаимосвязь конструкторских и технологических
задач при разработке единой методики совместного проектирова-
ния композитных тороидальных конструкций.
7. Обоснуйте применение трех-, четырех- и пятикоординатных
намоточных станков для изготовления композитных конструкций.
ЛИТЕРАТУРА
Алфутов Н.А., Зиновьев П.А., Попов Б.Г. Расчет многослойных пла-
стин и оболочек из композиционных материалов. М.: Машиностроение,
1984. 264 с.
Андреевская Г.Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики.
М.: Наука, 1966.370 с.
Белов Г.В., Ерохин Б.Т., Киреев В.П. Композиционные материалы в
двигателях летательных аппаратов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана,
1998. 344 с.
Волокнистые композиционные материалы / Пер. с англ. Г.С. Пете-
линой, И.Л. Светлова. М.: Мир, 1967. 284 с.
Елпатьевский А.Н., Васильев В.В. Прочность цилиндрических
оболочек из армированных материалов. М.: Машиностроение, 1972. 168 с.
Комков М.А., Буланов И.М. Определение конструктивно-техничес-
ких параметров оболочек, намотанных из композиционных материалов.
М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1992. 84 с.
Комков М.А. Определение конструктивных и технологических пара-
метров намотки композитных баллонов торовой формы. М.: Изд-во
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 24 с.
Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев, В.В. Про-
тасов, В.В. Болотин и др.; Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнополь-
ского. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые мате-
риалы. М.: Химия, 1974. 376 с.
Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструк-
ций. М.: Машиностроение, 1985. 344 с.
Мелешко А.И., Половников А.С. Углерод, углеродные волокна, угле-
родные композиты. М.: САЙНС-ПРЕСС, 2007. 192 с.
Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное
армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М.:
Машиностроение, 1977. 145 с.
Основы вакуумной техники / А.И. Пипко, В.Я. Плисковский, Б.Н. Ко-
ролев и др. М.: Энергоиздат, 1981.432 с.
Основы проектирования и изготовления конструкций летательных
аппаратов из композиционных материалов / В.В. Васильев, А.А. Добря-
ков, А.А. Дудченко и др. М.: Изд-во МАИ, 1985. 218 с.
Пластики конструкционного назначения (реактопласты) / Под ред.
Е.Б. Тростянской. М.: Химия, 1974. 304 с.
Проектирование и технология выполнения клеевых соединений /
М.А. Комков, В.А. Тарасов, В.А. Моисеев и др. М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2003. 82 с.
Литература
431
Прочность пластмасс / Я. Немец, С.В. Серенсен, В.С. Стреляев и
др.; Под ред. С.В. Серенсена. М.: Машиностроение, 1970. 335 с.
Смыслов В.И., Цыплаков О.Г. Технологические основы и опыт соз-
дания элементов ракет из композиционных материалов. М.: НТЦ
«Информтехника», 1993. 260 с.
Современные композиционные материалы / Под ред. Л. Браутмана,
Р. Крока. М.: Мир, 1970. 627 с.
Современные технологии авиастроения / А.Г. Братухин, Ю.Л. Ива-
нов, Б.М. Марьин и др.; Под ред. А.Г. Братухина, Ю.Л. Иванова. М.:
Машиностроение, 1999. 832 с.
Сосуды давления из композиционных материалов в конструкциях
летательных аппаратов / И.М. Буланов, В.И. Смыслов, М.А. Комков и др.
М.: ЦНИИинформации, 1985. 308 с.
Справочник по композиционным материалам: В 2 кн. / Под ред.
Дж. Любина; Пер. с англ. А.Б. Геллера, М.М. Гамильтона. М.:
Машиностроение, 1988. Кн. 1.448 с. Кн. 2. 584 с.
Технология сборки и испытаний космических аппаратов / И.Т. Бе-
ляков, И.А. Зернов, Е.Г. Антонов и др. М.: Машиностроение, 1990. 352 с.
Chahg L.-W., Yau S.-S., Chou T.-W. Notched strength of woven fabric
composites with molded-in holes // Composites. 1987. N 18 (3) P. 233-241.
Cook J., Chambers J. Toroidal pressure vessels for breathing apparatus:
Paris, 19 International Conference SAMPE Europe, april 1998. P. 125-132.
ТЕХНОЛОГИИ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО
МАШИНОСТРОЕНИЯ
Учебное издание
Комков Михаил Андреевич
Тарасов Владимир Алексеевич
Технология намотки композитных конструкций
ракет и средств поражения
Редактор А. С. Водчиц
Корректор Е.В. Авалова
Технический редактор Э.А. Кулакова
Художник Н.Г. Столярова
Компьютерная верстка И.А. Марковой
Компьютерная графика В.А. Филатовой, Ю.Д. Горелышева
Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Санитарно-эпидемиологическое заключение
№ 77.99.60.953.Д.003961.04.08 от 22.04.2008 г.
Подписано в печать 14.03.2011. Формат 60x90 1/16.
Усл. печ. л. 27,0. Тираж 500 экз. Заказ 220
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.
http://www.press.bmstu.ru
E-mail: prcss@bmstu.ru
Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.
Тел.: 8-499-263-62-01
978-5-7038-3391-9
9
785703
833919