ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНОГО КСЕНОНОВОГО БАКА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Полный текст

Введение. Для расчетной оценки прочности, живучести и ресурса ксеноновых баков высокого давления (КБВД), являющихся основными элементами ракетоносителей ракетно-космической отрасли, необходимы данные по характеристикам свойств материалов, используемых при их изготовлении. Для обоснования методов экспериментальных исследований в первую очередь были подробно проанализированы конструктивные и технологические особенности баков. Объект исследования. Конструкция металлокомпозитного ксенонового бака высокого давления представляет собой армированную оболочку вращения, получаемую в процессе непрерывной намотки композитной ленты на тонкостенный металлический сосуд (лейнер) (рис. 1). Металлический лейнер обеспечивает герметичность бака, а композитная оболочка обеспечивает его прочность. Баки работают под воздействием внутреннего избыточного давлением газовой среды. 1 Рис. 1. Конструктивная схема и основные размеры металлокомпозитного бака высокого давления Лейнер представляет собой тонкостенную сварную емкость из титанового сплава, состоящую из двух днищ переменной толщины, фланцев и кольца подкладного. Заготовка днищ изготавливается методом раскатки из листа ВТ1-0 1,5 по ГОСТ 22178-76. Фланцы изготавливаются сборно-сварными, биметаллическими, из титана ВТ1-0 и стали 12Х18Н10Т. Днища между собой (по подкладному кольцу) и с фланцами соединяются электронно-лучевой сваркой по ОСТ 92-1151-81. Композитная силовая оболочка изготавливается спирально-кольцевым методом непрерывной намотки на лейнер пакетов угольных волокон в несколько слоев. Материал волокон - IMS60 или T1000. Связующим является эпоксидная смола. Таким образом, КБВД представляет собой техническую систему, состоящую из двух основных частей: титановой сварной оболочки и силовой композитной оболочки, а также вспомогательных элементов конструкции (фланец и т. д.). Методика экспериментальных и расчетных исследований титановых образцов. Экспериментальные исследования заключались в испытании образцов из титанового сплава на растяжение и на 4-точечный изгиб. Испытания образцов из титанового сплава на растяжение проводились по ГОСТ 1497-84 [1]. Использовались плоские пропорциональные образцы с головкой типа I двух типов: вертикальные образцы, вырезанные из титановой оболочки вдоль проката, и горизонтальные образцы, вырезанные из оболочки поперек проката (рис. 2). Образец из титана Рис. 2. Пропорциональный образец с головкой типа I по ГОСТ 1497-84 для испытаний на статическое растяжение В процессе нагружения проводилась автоматическая запись диаграммы деформирования «нагрузка-перемещение» с визуализацией на экран ПК. Затем производилась обработка результатов испытаний и расчет значений характеристик механических свойств [1]. Разрушающая деформация εf титанового лейнера после проведения испытания образцов на растяжение рассчитывалась по формуле [2] (1) где - значение относительного сужения материала после разрыва, полученное в результате проведенных испытаний на растяжение. Коэффициент деформационного упрочнения металла m определялся по формуле [2] (2) где - модуль упругости титанового сплава; - условный предел текучести, полученный в результате испытания образцов на растяжение; - сопротивление разрыву, определяемое по формуле . (3) Методика экспериментальных и расчетных исследований композитных образцов. Испытания образцов, вырезанных из композитной оболочки, на 4-точечный изгиб проводились в соответствии с ГОСТ 25.604-82 [3-16]. Образцы испытывались на испытательном стенде, представляющем собой две цилиндрические опоры и две оправки Æ10 мм, посредством которых сверху прикладывалась ступенчатая нагрузка по схеме 4-точечного изгиба (рис. 3). Перемещения измерялись с нижней стороны образца, посередине пролета, с помощью электронного преобразователя линейных перемещений марки ЛИР-7М-1. Испытания проводились при нормальной температуре - 20 °С. Испытания проводились на образцах двух типов, вырезанных из двух разных мест композитной оболочки бака. Первый тип образцов вырезался из верхней части композитной оболочки вблизи фланца и характеризовался толщиной стенки в диапазоне 9,8-12,1 мм и углом укладки композитной ленты 30°. Второй тип образцов вырезался из средней части композитной оболочки вблизи экватора бака и характеризовался толщиной стенки в диапазоне 3,1-3,3 мм и углом укладки композитной ленты 12,5°. Размер образцов в соответствии с ГОСТ 25.604-82 [9] составлял 110×5 мм при разной толщине стенки. Образцы размечались на композитной оболочке таким образом, чтобы ленты намотки композита располагались симметрично относительно друг друга по длине образца. Рис. 3. Схема испытания композитного образца на 4-точечный изгиб Методика испытания заключалась в приложении ступенчатой нагрузки на образец и измерении соответствующего ей значения перемещения. По полученным данным, в соответствии с ГОСТ 25.604-82, определялся модуль упругости при поперечном 4-точечном изгибе для каждого типа композитного образца по формуле (4) где DF - приращение нагрузки; l - расстояние между опорами; b и h - ширина и высота образца; Dw - приращение прогиба в середине образца, соответствующее изменению нагрузки на DF. Результаты экспериментальных и расчетных исследований титановых образцов. Результаты испытаний образцов из титанового сплава представлены в табл. 1. Указанные значения характеристик механических свойств в целом соответствуют данным для титанового сплава ВТ1-0 [10]. Значения механических свойств вертикальных образцов, вырезанных из титановой оболочки вдоль проката, полностью соответствуют значениям, указанным в ГОСТ, а значения механических свойств горизонтальных образцов, вырезанных поперек проката, немного ниже. Результаты экспериментальных и расчетных исследований композитных образцов. По результатам испытаний композитных образцов 1 и 2 типа на 4-точечный изгиб получены диаграммы «нагрузка-перемещение» (рис. 4, 5). Значения модуля упругости композитной оболочки бака для образцов первого и второго типа представлены в табл. 2. Заключение. Проведены испытания и определены прочностные механические свойства материалов, из которых изготавливаются металлокомпозитные ксеноновые баки высокого давления. По результатам испытаний на растяжение определено, что предел текучести, предел прочности и относительное сужение титанового сплава в целом соответствуют данным для титанового сплава ВТ1-0 по ГОСТ 22178-76. Разрушающая деформация титанового сплава по расчету равна 1,27 для горизонтальных образцов и 1,08 - для вертикальных образцов, а коэффициент деформационного упрочнения составляет 0,095 для горизонтальных образцов и 0,092 - для вертикальных. Таблица 1 Значения характеристик механических свойств титанового сплава лейнера металлокомпозитного бака № п/п Показатель Средние значения Значения по ГОСТ 22178-76 [5] Горизонтальные образцы Вертикальные образцы 1 Условный предел текучести σ0,2, МПа 335 348 В диапазоне 200-400 2 Временное сопротивление разрушению σb, МПа 506 553 Не менее 345 3 Относительное сужение ψ, % 72 66 Не менее 40 4 Разрушающая деформация εf 1,27 1,08 - 5 Коэффициент деформационного упрочнения m 0,095 0,092 - Таблица 2 Значения модуля упругости образцов из композитной оболочки бака № п/п Тип образца Место вырезки Угол намотки композита Диапазон значений модуля упругости E, МПа Среднее значение модуля упругости E, МПа 1 Тип 1, горизонтальное расположение Вблизи экватора композитной оболочки бака 12,5° 4,69×103-4,83×103 4,75×103 2 Тип 2, горизонтальное расположение В верхней части композитной оболочки, около фланца 30° 9,31×104-9,66×104 9,47×104 Рис. 4. Диаграмма «нагрузка-перемещение» образца из композита, тип 1 Рис. 5. Диаграмма «нагрузка-перемещение» образца из композита, тип 2 По результатам испытаний на 4-точеный изгиб образцов из композита получены диаграммы «нагрузка-перемещение» и определено два значения модуля упругости композита при угле намотки композитной ленты 30° и 12,5° соответственно: Е1 = 4,75×103 МПа; Е2 = 9,47×104 МПа. Полученные результаты модулей упругости в общем соответствуют данным исследований для материала IMS60.

Об авторах

Е. В. Анискович

Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» Красноярского научного СО РАН

Email: plaza1@mail.ru
SPIN-код: radio navigation system, modernization, system-on-chip, software
Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 53

В. И. Середин

Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» Красноярского научного СО РАН

Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 53

Список литературы

Дополнительные файлы