Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В настоящее время в мире широко применяют современные металлокомпозитные баллоны высокого давления (МКБВД), обладающие уникальными характеристиками по сравнению с металлическими баллонами давления [1, 2]. Экспериментальные исследования таких баллонов свидетельствуют о нелинейном деформировании конструкции [3], которое необходимо учитывать в рамках этапа проектирования для обеспечения надежности и безопасности в эксплуатации баллонов.
В данной работе представлены результаты расчета на прочность спроектированного МКБВД, состоящего из 18-зонной углепластиковой силовой оболочки, намотанной на лейнер из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Расчет был выполнен в программном комплексе MSC PATRAN/NASTRAN с учетом физической нелинейности изотропного материала.
МКБВД имеет две плоскости симметрии, поэтому рассмотрим ¼ части баллона. Общий вид конечно-элементной (КЭ) модели представлен на рис. 1. Для моделирования КЭ-модели используем следующие допущения.
Для закрепления КЭ-модели используем условия симметрии баллона и фиксацию узла фланца вдоль оси баллона. Нагрузку задаем в виде расчетного давления, приложенного к внутренней поверхности баллона.
Для валидации принятых допущений был проведен расчет цилиндрической части МКБВД из работы [3]. Результаты удовлетворительным образом согласуются с экспериментальными данными.
Поверочный расчет на прочность проведен в программном комплексе MSC PATRAN/NASTRAN. Поскольку данный программный продукт позволяет учитывать физическую нелинейность только изотропного материала лейнера, необходимо дать оценку влияния нелинейных свойств ортотропного материала силовой оболочки. Для этих целей был проведен расчет напряженно-деформированного состояния в баллоне давления по безмоментной теории оболочек вращения с использованием эндохронной теории пластичности, учитывающей нелинейность как изотропного, так и ортотропного материала [4, 5]. Анализ полученных данных показал, что влияние нелинейности силовой оболочки из углепластика несущественно и допускается ее не учитывать.
На рис. 2 приведены результаты расчета максимальных напряжений вдоль волокон для некоторых зон силовой оболочки баллона давления. На приведенном рисунке видно, что напряжения, возникающие в силовой оболочке, приводят к обширному разрушению волокон. В связи с этим было принято решение добавить дополнительные двойные спиральные слои толщиной 0,3 мм в 1, 3 и 6-ю зону. Данное улучшение позволило снизить напряжения до допустимых значений, за исключением области фланцевого соединения для 1-й и 2-й зоны, в которой происходит резкое увеличение напряжений, связанное со скачкообразным изменением толщины, а также краевым эффектом. В реальной конструкции изменение толщины силовой оболочки имеет более плавный характер, что способствует снижению напряжений. Для уменьшения концентрации напряжений, связанной с краевым эффектом, в область фланцевого соединения необходимо добавить адгезионный слой из резины [6]. Из вышесказанного следует, что при нагружении МКБВД расчетным давлением волокна силовой оболочки не разрушаются.
С учетом предложенных улучшений касательные напряжения в силовой оболочке не превышают предела прочности при сдвиге, поэтому они не приведены в данной работе. Результаты расчета напряжений поперек укладки волокон представлены на рис. 3. Из рисунка видно, что матрица силовой оболочки полностью разрушается, после чего всю нагрузку воспринимают волокна. Аналогичное поведение наблюдается и в реальной конструкции.
В данной работе был проведен расчет на прочность металлокомпозитного баллона высокого давления в программном комплексе MSC PATRAN/NASTRAN с использованием нелинейного решателя SOL400, позволяющем учитывать нелинейные свойства изотропного материала в составе композитного пакета. Анализ полученных данных показал, что необходимо добавить дополнительные двойные спиральные слои в некоторые зоны баллона, а также адгезионный слой из резины в область фланцевого соединения.
