Approximate method for calculating the stability of thin-walled cylindrical shells of medium length filled with bulk material during torsion
Authors: Петров Михаил Васильевич , Кибец Александр Иванович , Михайлов Борис Васильевич , Гоник Екатерина Григорьевна , Иванов Виктор Анатольевич 
Published: December 2022

В работе выполнено опытное исследование устойчивости цилиндрических оболочек, заполненных сыпучим материалом-железным порошком, при кручении и разработана методика оперативного приближенного расчета критического крутящего момента. Опыты показали, что устойчивость оболочек теряется в упругости. Построены линейные зависимости угла поворота поперечных сечений от крутящего момента, кроме оболочек, заполненных сыпучим материалом в начальный момент движения. Здесь получена нелинейная зависимость угла поворота сечений оболочки от крутящего момента за счет действия крутящего момента от сил трения между порошком и внутренней стенкой образца. Зависимость угла поворота от крутящего момента в обоих случаях параллельные, но для заполненных образцов зависимость была смещена на величину крутящего момента от сил трения. Что бы убедиться в правильности утверждения о влиянии силы трения на критический крутящий момент были выполнены опыты с обмазкой внутренней стенки образцов смазочным материалом. В этом случае критический крутящий момент для заполненных сыпучим материалом образцов, совпадал с критическим крутящим моментов для пустых образцов. Для расчета крутящего момента от сил трения использована методика расчёта силы давления сыпучей среды на стенку образца, которая умножалась на коэффициент трения и на радиус срединной поверхности образца. Критический крутящий момент, заполненных железным порошком образцов, определялся суммой критического крутящего момента для пустых образцов, рассчитанных по формуле Вольмира с крутящим моментом от сил трения. Полученные расчетом критические крутящие моменты сравнивались с опытными значениями. Получена удовлетворительная сходимость в пределах 16 %. Методика расчета рекомендована для оперативного расчёта критического крутящего момента, для заполненных сыпучим материалом оболочек, при кручении .

In this work, an experimental study of the stability of cylindrical shells filled with granular material - iron powder, during torsion, was carried out and a method for the operational approximate calculation of the critical torque was developed. Experiments have shown that the stability of shells is lost in elasticity. Linear dependences of the angle of rotation of the cross sections on the torque are constructed, except for shells filled with bulk material at the initial moment of motion. Here, a nonlinear dependence of the angle of rotation of the shell sections on the torque is obtained due to the action of the torque on the friction forces between the powder and the inner wall of the sample. The dependence of the angle of rotation on the torque in both cases is parallel, but for the filled samples, the dependence was shifted by the amount of torque on the friction forces. To verify the correctness of the statement about the effect of friction force on the critical torque, experiments were performed with coating the inner wall of the samples with a lubricant. In this case, the critical torque for samples filled with bulk material coincided with the critical torque for empty samples. To calculate the torque from friction forces, the method for calculating the pressure force of a granular medium on the sample wall was used, which was multiplied by the friction coefficient and the radius of the middle surface of the sample. The critical torque of the samples filled with iron powder was determined by the sum of the critical torque for empty samples calculated according to the Volmir formula with a torque from friction forces. The critical torques obtained by calculation were compared with experimental values. Satisfactory convergence within 16% was obtained. The calculation method is recommended for the operational calculation of the critical torque, for shells filled with bulk material, during torsion