Перспектива создания корпуса из композиционных материалов минимальной массы для работы при действии внешнего давления
Для повышения эффективности работы глубоководного аппарата необходимо иметь корпус минимальной массы. Наиболее перспективным материалом для снижения массы корпуса представляется применение однонаправленного углепластика из углеродных нитей пропитанных полимерным связующим.
Подобный углепластик имеет модуль упругости вдоль направления нитей 14 ÷ 25 ГПа, прочность при сжатии ~ 0,1 ГПа при плотности 1,6 г/см3, что лучше современных титановых сплавов. Особенностью однонаправленного углепластика является относительно низкие модуль упругости и прочность в поперечном направлении по отношению к ориентации нитей. Высокие механические характеристики однонаправленного углепластика могут быть реализованы в конструкции при ориентации нитей углепластика вдоль линий максимальных напряжений, возникающих в оболочке под действием внешних нагрузок. К настоящему времени разработаны методы расчетов [1] и технологии создания замкнутых оболочек вращения, изготавливаемых методом непрерывной автоматизированной намотки и нагружаемых при эксплуатации высоким внутренним давлением.
Эти методы расчета и технологии реализованы в ОАО «ЦНИИСМ» для серийно изготавливаемых корпусов, работающих при действии внутреннего давления в комбинации с другими эксплуатационными нагрузками. Общий вид корпуса с полюсными отверстиями и узлами соединения из композиционных материалов, изготовленный методом автоматизированной намотки, приведен на рис. 1.
Рис. 1 – Корпус из композиционных материалов для эксплуатации под действием внутреннего давления
Для работы под действием сжимающих усилий стенка корпуса кроме прочности должна иметь достаточную изгибную жесткость, обеспечивающую высокую сопротивляемость потере устойчивости. В ОАО «ЦНИИСМ» разработаны методы расчета, проектирования и технологии изготовления сетчатых конструкций из однонаправленных композиционных материалов [2], позволяющие максимально использовать высокие механические характеристики углепластика для корпусов работающих при действии различных комбинаций сжимающих усилий. Сетчатые конструкции представляют собой систему спиральных, кольцевых и продольных ребер из однонаправленного углепластика получаемых методом непрерывной автоматизированной намотки на станках с программным управлением. Ряд подобных конструкций различных размеров спроектирован и серийно изготавливается в ОАО «ЦНИИСМ». На рис. 2 приведен общий сетчатой конструкции из композиционных материалов с металлическим узлом соединения.
При необходимости сетчатая конструкция может иметь наружную обшивку, получаемую также методом автоматизированной намотки однонаправленным материалом или тканью, пропитанной полимерным связующим. На рис. 3 приведена сетчатая конструкция с наружной обшивкой
из композиционных материалов с люками, сетчатым шпангоутом и узлами стыковки
Рис. 3 – Сетчатая конструкция с обшивкой
Для создания глубоководных конструкций представляется возможным объединение технологии изготовления оболочек показанных на рис. 1 и 2 в одну технологию автоматизированной намотки изготовления замкнутой оболочки с наружным сплошным слоем и внутренний слоем в виде сетчатой оболочки. С подобной структурой возможно создание конструкции одновременно обладающей необходимой прочность и жесткостью при минимальной массе. Результаты проработки подобной конструкции приведены в Патенте РФ № 2441798 [3]. Предложенная в патенте конструкция корпуса приведена на рис. 4.
Рис. 4 – Конструкция корпуса из композиционных материалов
Корпус из композиционных материалов внешне представляет собой оболочку вращения, имеющую цилиндрическую часть 1 и торцевые днища 2. Структура оболочки состоит из монолитной части 3 и сетчатой структуры 4. В полюсных отверстиях корпуса расположены металлические фланцы 5, которые опираются на наружную поверхность монолитной оболочки 6. На торце цилиндрической оболочки может быть выполнен шпангоут из композиционного материала 7 для стыковки с соседним агрегатом. Полюсные фланцы могут быть использованы как для крепления крышек, так и для присоединения аналогичных модулей или других агрегатов.
ОАО «ЦНИИСМ» обладает возможностями разработки и автоматизированного изготовления подобных корпусов диаметром 0,1 ÷ 4,0 м, длиной 0,2 ÷ 8,0 м на действие эксплуатационного внешнего давления в несколько сотен атмосфер.
В. А. Барынин, В. В. Васильев, А. Ф. Разин, В. А. Никитюк
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Образцов И. Ф., Васильев В. В., Бунаков В. А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1977. 144 с.
2. Васильев В. В., Барынин В. А., Разин А. Ф., Петроковский С. А., Халиманович В. И. Анизогридные композитные сетчатые конструкции – разработка и приложение к космической технике // Композиты и наноструктуры. 2009. № 3. С. 38-50.
3. Васильев В. В., Разин А. Ф., Никитюк В. А. Корпус для внешнего давления из композиционных материалов // Патент на изобретение РФ № 2441798. Приоритет изобретения 08 октября 2010 г.
#Францев Михаил Эрнстович, 07.02.2013, 07:48По моему мнению, одним из важных вопросов использования подобных конструкций является их эксплуатационное поведение в условиях контакта с водной средой и их характеристики долговечности в подобных условиях. При конструировании необходимо разрабатывать специальный защитный слой, исключающий или минимизирующий контакты конструкции с водой. Учитывая, что сроки жизненного цикла подобных конструкций существенно (на несколько порядков) короче сроков службы морской техники, вопросы поведения подобных конструкций в водной среде требуют дополнительного изучения
-0+
#Mikhail, 07.02.2013, 10:52На вопросы поведения подобных конструкций в водной среде отвечает опыт эксплуатации лодок, катеров и другой водной техники сделанной из углепластика и углеродных нитей пропитанных полимерным связующим.
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 07.02.2013, 11:05Корпуса катеров, лодок и другой водной техники не изготавливаются намоткой. Намотка это принципиально иная технология, чем те, которые применяются для формования корпусов катеров и лодок. К тому же там (на корпусах катеров и лодок) всегда есть декоративный слой, обеспечивающий достаточно эффективную защиту армирующих материалов от воды (в начальный период эксплуатации, по крайней мере). Из угля пока в мире построено немного корпусов (существенно больше надстроек, рубок и мачт, не вступающих в непосредственный постоянный контакт с водной средой) и опыта их эксплуатации пока недостаточно для окончательных выводов.
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 07.02.2013, 12:40Оболочки из карбона плохо работают на сжатие и складываются под нагрузкой. Есть много случая потери устойчивости именно карбоновых сверхлегких конструкций на гоночных лодках.
-0+
#Мореходов Александр, 17.02.2013, 00:26Признаюсь сразу - дилетант. Но чисто интуитивно - непонятно, почему для "повышения эффективности работы глубоководного аппарата необходимо иметь корпус минимальной массы" ? Насколько я знаю эти аппараты принудительно ТОПЯТ балластом, в том числе и твердым? Так зачем корпус минимальной массы?? Для чего делать поплавок и потом топить его пригрузом?
Объясните для неспециалистов.
-0+
#Александр, 20.02.2013, 23:55Присоединяюсь к вопросу, заданному Мореходовым Александром. И ещё хочу спросить, а не прочней ли будут корпуса из аморфных металлов: http://aleksstreltsov12.narod.ru/#003 ? - Я, конечно, понимаю, что это дороже, но углепластик как-то хрупкова-то.
-0+
#SAS, 26.02.2013, 21:24балласт устанавливают либо для создания запаса на модернизацию либо для балансировки. Наиболее тяжелые части ПА это энергоустановка. Она обычно в корме дабы не тащить валопровод через весь корпус. Отсюда конструктивный дифферент.
Меня больше интересует как оформляются "вварные" детали на таком корпусе. Их намоткой тоже можно получить? Или крепить какими то специальными узлами?
