Методика выполнения домашнего задания

Т.А. Гузева, Г.Е. Нехороших

 

РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРЕМЕТРОВ СОСУДОВ ДАВЛЕНИЯ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Методические указания

к выполнению домашних заданий по дисциплине

«Производство композитных конструкций»

 

Москва 2018 г.

 

 

УДК 678(075.8), 543.271

ББК 30.68

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks . bmstu . ru

по адресу:

Факультет «Специальное машиностроение»

Кафедра «Ракетно-космические композитные конструкции»

 

 

Рекомендовано

Редакционно-издательским советом МГТУ им. Н.Э. Баумана

в качестве учебно-методического пособия

 

Авторы:

Гузева Т.А., Нехороших Г.Е.

       Расчет конструктивно-технологических пареметров сосудов давления из полимерных композиционных материалов: учебно-методическое пособие /Т.А. Гузева, Г.Е. Нехороших. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018.

ISBN

       Рассмотрен комплекс вопросов, связанных с закреплением знаний и приобретением студентами практических навыков по дисциплине «Производство композитных конструкций». Приведены исходные данные для разных вариантов домашнего задания и требования к их оформлению.

       Для студентов 4 курса, обучающихся по программам бакалавриата на кафедре «Ракетно-космические композитные конструкции».

 

 

УДК 678(075.8), 543.271

ББК 30.68

 

 

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

© Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

ISBN

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Цель учебного пособия – ознакомление студентов технических вузов с основными особенностями технологии изготовления изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) методом намотки.

В издании рассмотрен комплекс вопросов, связанных с закреплением знаний и приобретением студентами практических навыков по дисциплине «Производство композитных конструкций». Пособие включает указания к выполнению домашних заданий:

1. «Расчёт конструктивно-технологических параметров криволинейных трубопроводов из полимерных композиционных материалов».

2. «Расчет конструктивно-технологических параметров композитного корпуса».

В ходе выполнения домашних заданий студенты ознакомятся с основными методами расчета конструктивно-технологических параметров изделий из ПКМ, овладеют методами исследования и проектирования,  навыками оценки свойств ПКМ.

Выполнение домашних заданий позволит студентам приобрести профессиональные компетенции в научно-исследовательской, производственной и проектно-технологической деятельности.

 

Расчет конструктивно-технологических параметров криволинейного трубопровода из полимерных композиционных материалов

Цель задания - усвоение практических навыков расчета конструктивно-технологических параметров многослойных криволинейных трубопроводов сложной формы из полимерных композиционных материалов (ПКМ), изготовленных методом намотки.

Исходные данные конструктивных параметров для выполнения домашнего задания приведены в  табл. 1 в соответствии с номером варианта.

    Таблица 1

Исходные данные конструктивных параметров многослойных криволинейных трубопроводов сложной формы, изготовленных методом намотки

Вариант	, МПа	, мм	, град	, мм	, мм	Наполнитель		Композиционный материал
						Марка	, текс, г/км	, МПа	, г/см3
1	12	40	30	350	300	РВМН	2560	1750	2,0
2	15	50	50	400	350	РВМН	640	1750	2,0
3	20	75	60	450	400	РВМН	320	1750	2,0
4	25	100	90	500	500	РВМН	980	1750	2,0
5	10	25	30	300	250	УКН-5000	1280	1100	1,5
6	12	40	50	350	300	УКН-5000	2560	1100	1,5
7	15	50	60	400	350	УКН-5000	640	1100	1,5
8	20	75	70	450	400	УКН-5000	320	1100	1,5
9	25	100	90	500	500	УКН-5000	980	1100	1,5
10	10	25	30	300	250	Армос	1280	1800	1,4
11	12	40	50	350	300	Армос	2560	1800	1,4
12	15	50	60	400	350	Армос	640	1800	1,4
13	20	75	70	450	400	Армос	320	1800	1,4
14	25	100	90	500	500	Армос	980	1800	1,4
15	10	25	35	200	100	РВМН	1280	1750	2,0
16	12	40	45	250	120	УКН-5000	640	1100	1,5
17	15	50	55	300	150	УКН-5000	1280	1100	1,5
18	20	75	65	350	250	Армос	640	1800	1,4
19	25	100	85	400	400	РВМН	320	1750	2,0
20	10	40	25	800	160	УКН-5000	320	1100	1,5
21	12	50	40	600	200	Армос	640	1800	1,4
22	15	60	55	400	240	РВМН	1280	1750	2,0
23	20	70	75	350	280	УКН-5000	640	1100	1,5
24	25	80	90	250	320	Армос	1280	1800	1,4
Примечание:  - разрушающее давление, Мпа;  - радиус сечения, мм;  - угол изгиба, град;  - длина цилиндра, мм;   - радиус изгиба, мм; - линейная плотность текс, г/км; - предел прочности при растяжении, Мпа; - плотность, г/см3.

 

Теоретическая часть

Криволинейные трубопроводы из полимерных композиционных материалов востребованы в изделиях различных назначений. Конструктивно-технологические решения (КТР) их исследованы более 30 лет тому назад с использованием высокопрочных стекловолокон и эпоксидных связующих, герметизирующих эластомерных и термопластичных полимерных материалов и металлических адаптеров, вматываемых в конструкцию стенки.

   Уже тогда было показано, что особенности непрерывной спиральной намотки не позволяют создать равнонапряжённую стенку ПКМ во всех частях криволинейного трубопровода, а, значит, конструкция будет не оптимизирована по массе. Геометрические параметры такой намотки для типовых участков (прямолинейного – цилиндрического и криволинейного – тороидального), представлены на рис. 1.1.

При обычной спиральной намотке трубопровода с криволинейными участками, воспринимающего внутреннее давление, толщина стенки цилиндрических участков оказывается избыточной, что ухудшает массовую характеристику изделия.

При этом величина избыточной массы трубопровода может быть оценена соотношением

 

 

где  – масса равнонапряженной оболочки с аналогичным значением ;  – удельная прочность применяемого однонаправленного КМ.

Величина избыточной массы трубопровода, намотанного по спиральной схеме с постоянным углом  может быть выражена в следующем виде:

 

 

 

где  – масса трубопровода намотанного по спиральной схеме с постоянным углом ;  – геометрический параметр, характеризующий кривизну криволинейного участка.

Следовательно, задача оптимизации структуры композиционного материала в стенке трубопровода может быть решена путем более эффективного использования анизотропных свойств волокнистых армирующих наполнителей в ПКМ. Наиболее рационально для этого провести усиление тороидального участка трубопровода, что позволит полностью реализовать несущую способность материала цилиндрических участков, подняв уровень действующих там напряжений до значений, определяемых пределом прочности композиционного материала.

Кроме простого его утолщения эффективным оказывается изменение схемы армирования и применение высокопрочных и высокомодульных волокон, например, органических и углеродных.

Оценка эффективности усиления трубопровода также может быть осуществлена при сравнении его массы с массой равнонапряженной (оптимальной) оболочки давления из композиционного материала.

 

где  – масса трубопровода с усиленными криволинейными участками.

Рис. 1.1. Кинематическая схема намотки трубопровода сложной формы:

 – центральный угол изгиба тороидального участка,

 – угол намотки,

  – длина цилиндрического участка,

 – длина осевой линии тороидального участка,

 – радиус поперечного сечения трубопровода,

 – текущее значение радиуса точки М на поверхности тороидального участка,

 – геометрический параметр, характеризующий кривизну криволинейного участка  

  – радиус кривизны осевой линии тороидального участка,

 – угловая координата.

   Схема трубопровода с усилением тороидального участка путем дополнительной продольно-поперечной подмотки представлена на рис. 1.2.

Рис.1.2. Схема армирования трубопровода сложной формы из КМ изготовленного методом спиральной намотки с усилением тороидального участка продольно-поперечной укладкой:

 – толщина стенки цилиндрического участка,

 – толщина продольного слоя усиления тороидального участка,

 – толщина кольцевого слоя усиления тороидального участка,

 – текущее значение толщины стенки тороидального участка.

 

Количественно оптимизация массы трубопровода и основных конструктивно-технологических параметров подмоток на его тороидальных участках проводится на основе допущений:

1. Намотка производится с постоянным углом , определяемым условием равнопрочности цилиндрического участка:

2. Соотношения окружных  и осевых  сил для соответствующих участков равны:

а) цилиндрический:

,

б) тороидальный:

.

 

3. Следовательно, толщины цилиндрического, тороидального участков, а также продольного и поперечного слоев усиления ( _, ,  и ) равны:

,

,

, ,

где ,

4. Масса трубопровода находится из следующих зависимостей:

 

,

где l_i – соответственно ,  ( ).

5. Требуемая толщина обмотки трубопровода образуется при намотке за счет плотной укладки ровинга шириной  с линейной плотностью материала:

 

 

6. Необходимая ширина ровинга  может быть найдена из соотношения:

 

7. При этом один проход ровинг перекрывает часть поперечного сечения трубопровода, равную:

 

8. Следовательно, для намотки одного слоя силовой оболочки толщиной  необходимо сделать количество проходов , равное:

 

.

 

 

Методика выполнения домашнего задания

1. Согласовать с преподавателем свой вариант ДЗ (табл.1).

2. Проанализировать конструкторско-технологическое решение (КТР) трубопровода. Используя закон аддитивности, укажите тип связующего в КМ по заданному пределу прочности .

3. Рассчитать толщины цилиндрического, тороидального участков, а также продольного и поперечного слоев усиления ( _, ,  и ).

4. Рассчитать массу трубопровода (  ).

5. Рассчитать количество проходов n, необходимое для намотки одного слоя силовой оболочки.

6. Оценить избыточную массу криволинейного трубопровода, намотанного по чисто спиральной схеме ( ).

7. Оценить эффективность усиления трубопровода ( ).

8. Полученные результаты записать в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Рассчитанные параметры трубопровода

Определяемые параметры	Результат

 

9. Выполнить в масштабе эскиз трубопровода с простановкой расчетных размеров.

10.Записать паспорт конструкции трубопровода.

11. Сделать выводы по работе.

 

1.3. Критерии оценки выполненного ДЗ:

­ от 24 до 30 баллов: домашнее задание выполнено полностью и правильно оформлено, незначительные ошибки студент сам исправляет по замечанию преподавателя;

­ от 18 до 23 баллов: домашнее задание выполнено полностью, оформлено с ошибками, студент понимает основной материал темы, но в усвоении материала имеются пробелы, ошибки студент исправляет с помощью преподавателя;

­ от 0 до 17 баллов: домашнее задание по существу не выполнено, оформлено частично, студент плохо понимает сущность задания, студент не способен исправить ошибки даже с помощью рекомендаций преподавателя.

 

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение угла намотки.

2. Сравните толщины стенки внутри криволинейного участка трубопровода и на внешней его стороне?

3. Как можно определить площадь поперечного сечения жгута?

4. Изобразите схему трубопровода с герметизирующим слоем.

5. Как происходит формирование фланцевой законцовки трубопровода?

6. Дайте определение угла трения жгута о поверхность оправки.

7. Чему равна оптимальная величина натяжения жгута при намотке?

8. Изобразите схему испытания трубопровода на внутреннее давление.

9. Назовите основные элементы оболочки трубопровода?

10. Из чего изготавливают фланец законцовки?

 

 

---

Дата добавления: 2020-11-29; просмотров: 96; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!