Напряжённое состояние комбинированного баллона высокого давления в зоне контакта обшивки и внутренней стеклопластиковой оболочки

Напряжённое состояние комбинированного баллона высокого давления в зоне контакта обшивки и внутренней стеклопластиковой оболочки

С.М. Верещака, канд. техн. наук, доц.; Д.А. Жигилий, асп.

Сумский государственный университет

Решение вопросов надежности и технологичности изготовления баллонов высокого давления, снижение их удельной массы и габаритов по-прежнему остается актуальной задачей [1]. Один из подходов к решению этой задачи - применение комбинированных баллонов. Сочетание относительно жесткой металлической оболочки и оболочки, изготовленной методом намотки высокопрочных волокон (стеклянных, борных, углеродных), пропитанных эпоксидным связующим, позволяет снизить удельную массу комбинированных баллонов по сравнению со стальными баллонами примерно на 50% [2].

При работе комбинированных баллонов из-за существенного различия модулей упругости материала одни слои оболочки, как правило, оказываются перегруженными, другие недогруженными. Кроме того, стеклопластиковые части баллона должны быть покрыты дополнительным защитным слоем из высокопрочного пластика или металла. Указанные причины снижают надежность таких конструкций, увеличивают удельную массу баллонов и усложняют технологию их изготовления. Поэтому при создании конструкций облегченных газовых баллонов особое внимание уделяется выбору их оптимальной геометрической формы, что позволяет в сочетании с применением новых композиционных материалов исключить возможность появления значительных изгибных деформаций стенок баллона и обеспечивает условие их равнопрочности.

В данной работе проводится исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) усовершенствованной конструкции многослойного баллона (рис.1) [2]. Особого внимания заслуживает задача контакта стальной обшивки и внутренней стеклопластиковой оболочки. Предлагаемый вариант конструкции в сочетании с рациональным распределением физико-механических свойств материала отдельных слоёв позволяет создать условия равнопрочной работы стенок баллона по толщине и повышает его эксплуатационные показатели и надежность.

На рис.1 изображено сечение комбинированного баллона в продольном направлении.

Рисунок 1 - Сечение комбинированного баллона в продольном направлении

Комбинированный баллон давления содержит внутреннюю полиэтиленовую оболочку 1, несущую стеклопластиковую оболочку 2, цилиндрическая часть которой выполнена в виде набора тороидальных сегментов 3. В торцевых участках несущей стеклопластиковой оболочки 2 расположены формирующие детали сферических днищ 4. Тороидальные сегменты 3 усилены в местах их стыка шпангоутами 5, выполненными из углепластика. Кроме того, несущая стеклопластиковая оболочка 2 защищена с внутренней стороны полиэтиленовой оболочкой 1, а с наружной - стальной обшивкой 6, которая состоит из круговой цилиндрической оболочки 7 и сферических днищ 8, контактирующих со сферическими днищами 4 несущей стеклопластиковой оболочки 2.

Расчёт НДС проводился на базе программного комплекса ANSYS 8.0. Конечно-элементная модель включает 8-узловые элементы PLANE82, что позволяет получить более точные результаты для смешанных автоматических разбивок и смягчить нерегулярность разбивки без потери точности. При этом 8-узловой элемент имеет хорошо совместимые картины перемещений и, следовательно, подходит для криволинейных границ. Контакт моделируется элементами CONTA172, для моделирования одностороннего контакта между двумя поверхностями с учетом трения скольжения и TARGE169 для моделирования поверхности, в которую происходит внедрение при одностороннем контакте. Для моделирования анизотропии физико-механических характеристик материала баллона были введены локальные системы координат для ортотропных элементов [3]. Общее число элементов модели составило ~13000.

Расчётная модель комбинированного баллона высокого давления представлена на рис. 2 и 3. Задача решается в осесимметричной постановке. В качестве осей симметрии приняты ось вращения и ось симметрии, проходящая через середину длины баллона.

Рисунок 2 - Геометрическая модель комбинированного баллона высокого давления

Р

Рисунок 3 - Конечно-элементная модель комбинированного баллона высокого давления

Для расчёта приняты следующие геометрические размеры
баллона: R=0,16 м - радиус полусферы; r=0,11 м - радиус кривизны тороидального сегмента; R₀=0,05 м - расстояние от оси вращения оболочки до центра кривизны тороидального сегмента; h₁= 0,007 м - толщина стальной обшивки; h₂= 0,02 м - толщина стеклопластиковой оболочки; h₃= 0,025 м - высота шпангоута из стеклопластика; h₄= 0,015 м - высота внешнего стального шпангоута; а₁= 90° -угол охвата полусферы; а₂= 120° -угол охвата гофра; L₁= 0,152 м; L₂= 0,06 м; L₃= 0,3164 м.

Шпангоуты рассматриваются как отдельные кольца, поперечные сечения которых моделируются при помощи криволинейных треугольников. Для снижения напряжений в зоне краевого эффекта при сопряжении стальных сферических днищ с цилиндром дополнительно устанавливается стальной шпангоут. Между стеклопластиковой тороидальной оболочкой и стальной обшивкой предусмотрен зазор 0,0015 м, что позволяет избежать контакта тороидальных сегментов с обшивкой. Система воспринимает внутреннее давление Р= 20 МПа.

Между отдельными сопряжёнными слоями стальной обшивки и внутренней стеклопластиковой оболочки рассматриваемой конструкции выполняются:

а) условия моделируемого контакта. Моделируется односторонний контакт сферической части, при котором раскрытие контактирующих поверхностей происходит при равенстве нулю величины нормального контактного давления. Коэффициент трения между сталью и стеклопластиком принят равным 0,55. В основе решения нелинейной контактной задачи лежит расширенный метод Лагранжа, представляющий собой повторяющиеся серии метода штрафов. Силовые факторы контактного сцепления (давление и сила трения) увеличиваются в процессе итераций таким образом, чтобы заключительное проникновение было меньше допустимой погрешности. По сравнению с методом штрафов расширенный метод Лагранжа имеет лучшую сходимость и менее чувствителен к величине жёсткости контактного слоя;

б) условия идеального контакта. Перемещения точек поверхности контакта (рис. 1) одинаковы.

Задача решается в осесимметричной постановке, так как баллон имеет форму оболочки вращения, кроме того, поперечное сечение баллона симметрично относительно осей OX и OY глобальной системы координат (рис. 2), поэтому в качестве граничных условий рассматриваемой плоской задачи теории упругости можно использовать условия симметрии.

Поскольку задача осесимметричная, то вводятся локальные полярные системы координат с, и в плоскости продольного сечения модели (рис. 2). Радиальная ось локальных координат по направлению совпадает с нормалью к криволинейной границе ортотропного элемента конструкции. Оси X,Y и Z глобальной декартовой системы координат в совокупности образуют правую тройку векторов.

Физико-механические свойства материалов приняты с учётом того, что общивка и подкрепляющее кольцо выполнены из стали, а днище, тороидальная оболочка и шпангоуты - из стеклопластика [4].

Картина деформированного состояния для комбинированных баллонов с различными условиями контакта представлены на рис. 4. На рис. 4 а и 4 б принят масштаб перемещений (М 25:1). Из рис. 4 в масштаб деформаций равен М 1:1, при этом видно, что между стеклопластиковой оболочкой, выполненной в виде набора тороидальных сегментов и стальной обшивкой при действии внутреннего давления, контакт отсутствует.

а) б)

в)

Рисунок 4 - Деформированное состояние комбинированного баллона высокого давления:

а) и б) картины деформаций баллонов с учётом условий идеального и моделируемого контакта соответственно (М 25:1);

в) деформации тороидальной оболочки и обшивки (М 1:1)

Распределение эквивалентных напряжений (III теория прочности) в точках продольного сечения рассматриваемых моделей баллонов высокого давления с учётом условий идеального и моделируемого контакта представлены на рис. 5 а и 5 б соответственно, а на рис. 5 в и 5 г дана эпюра напряжений соответствующих моделей в зоне А.

Как видно из рис. 5, эквивалентные напряжения при введении уточняющих предположений относительно условий контакта привели к существенному снижению величины эквивалентных по III теории прочности напряжений с 513 МПа до 220 МПа. При этом величина максимальных напряжений в зоне А близка к пределу пропорциональности углеродистой стали (ГОСТ 9731-79 [5]). Как видно из рис. 5 а, тороидальная цилиндрическая оболочка работает весьма интенсивно. Она является достаточно жёсткой конструкцией (рис. 4).

а)

б)

в)

Рисунок 5 - Напряжённое состояние комбинированного баллона высокого давления (эквивалентные напряжения по III теории прочности), размерность - Па:

а) общая картина распределения эквивалентных напряжений при условии моделируемого контакта;

б) распределение эквивалентных напряжений в зоне А при условии идеального контакта;

в) распределение эквивалентных напряжений в зоне А при условии моделируемого контакта

Анализ напряжённого состояния баллона с учётом условий контакта по двум предлагаемым моделям контакта позволяет сделать вывод, что внутренняя стеклопластиковая оболочка (модуль упругости стеклопластика на порядок ниже модуля упругости стали) практически передаёт большую часть нагрузки на более жёсткую внешнюю стальную оболочку.

Изготовление внутренней стеклопластиковой оболочки из композиционных материалов с более высокими физико-механическими характеристиками приводит к росту эквивалентных напряжений на поверхности контакта слоёв с различными упругими свойствами.

Путём варьирования углов армирования отдельных слоёв тороидальной оболочки удаётся достичь условий равнопрочной работы материала такой конструкции. Жёсткость составной тороидальной оболочки в радиальном направлении обеспечивается устройством усиливающих шпангоутов в местах стыка сегментов. Указанные шпангоуты практически исключают появление нормальных перемещений вдоль экватора отдельных тороидальных сегментов. Деформативность несущей стеклопластиковой оболочки в продольном направлении устраняется жёсткой вдоль оси баллона стальной защитной оболочкой.

Анализ результатов расчета предлагаемой конструкции комбинированного баллона при моделировании реального контакта показывает существенное влияние контакта на НДС модели (рис 6). Моделирование условий контакта по сравнению с идеальными условиями контакта привело к существенному снижению скачка эквивалентных по III теории прочности напряжений в зоне А.

Рисунок 6 - График контактных давлений между поверхностями моделируемого контакта, размерность - Па

SUMMARY

The analysis of offered combined balloon shows, that the overall performance of the classical form combined balloon can be considerably increased by a replacement of the balloon cylindrical (glass-fiber) part by a gang of toroidal segments, besides conditions of such construction material equal strength working can be achieved by using differ toroidal shell layer's fiber angles. The rigidity of a composite toroidal shell in the radial direction is ensured with the device of strengthening frames in places of segments junctions. The indicated frames practically exclude emerging normal transitions along the equator of separate toroidal segments. An ability to deform the bearing glass-fiber shell in the longitudinal direction is eliminated rigid along the balloon by the steel protective shell.

The analysis of the “one-pass” surface-to surface contact between the composite shell and the steel one shows reducing of the equivalent stress values.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трушин В.М. Газовое оборудование и арматура для газобаллонных автомобилей (на сжатом природном газе). - Л.: Недра, 1990.- 151 с.

2. Патент України 69973А. Комбінований балон тиску / С.М. Верещака, В.А. Хворост, Г.І. Львов. - Опубл. 15.09.2004. Бюл. №9.

3. ANSYS Release 8.0 Documentation. SAS IP, Inc.

4. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1988. - 272с.: ил. (Б-ка расчётчика / Ред кол.: Н. Н. Малинин (пред.) и др.).

5. ГОСТ 9731-79 Баллоны стальные бесшовные большого объёма для газов на Р_у ? 24,5 МПа (250 кгс/см²). Технические условия.