УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ПРИ ГИДРОСТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК
DEVICE FOR DETERMINING MATERIAL PROPERTIES AT HYDROSTATIC LOADING OF THIN-WALL COVERS

Изобретение относится к исследованию механических свойств материала, в частности к определению технологических параметров процессов (усилий, напряжений, деформаций, перемещений).
В промышленности нередко используются работающие под высоким давлением тонкостенные криволинейные оболочки (сосуды и резервуары в нефтяной, газовой, химической промышленности, в тепловой энергетике и т.п.), разрушение которых связано со значительным вредом и при эксплуатации недопустимо. При эксплуатации таких оболочек необходим мониторинг их текущих механических характеристик, зависящих не только от исходных свойств материала, но и от продолжительности и условий последующей эксплуатации, приводящей к старению материала и деградации его свойств. В ряде случаев такой мониторинг обеспечивается периодическими испытаниями самих оболочек или вырезанных из них фрагментов. Наиболее сложно проводить такие испытания на оболочках сферической формы.
Известны устройства для определения свойств материалов при испытании образцов, имеющих форму тонкостенных сферических оболочек, путем гидростатического выдавливания их через отверстие определенной формы, чаще круглое [Писаренко Г.П., Лебедев А.А.. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. - Киев: Наукова думка, 1976, с.237-240]. Перед испытанием оболочка жестко закрепляется по периметру отверстия. В центральной части отверстия напряженно-деформированное состояние оболочки близко к однородному, что позволяет исследовать напряженно-деформированное состояние материала.
Недостатком таких устройств является невозможность обеспечить оптимальное усилие закрепления оболочки. При недостаточной закрепляющей нагрузке происходит вытяжка оболочки из-под прижима, что препятствует ее глубокому деформированию и определению свойств материала во всем диапазоне его прочности. Исключить вытяжку оболочки можно только увеличением удерживающих оболочку сил трения, которые зависят от нормальной силы прижатия и коэффициента трения. Так как у многих материалов коэффициент трения невелик, приходится компенсировать силы трения увеличением нормальной силы прижатия, что в ряде случаев приводит к поперечному пластическому пережатию оболочки, исключающему возможность ее последующего испытания. Чаще всего целью испытания оболочек является определение упругих и пластических свойств материала, т.е. заранее они не известны, поэтому возможность предварительного определения оптимального усилия прижатия в таких случаях отсутствует.
Таким образом, для испытания оболочек требуется устройство с ограниченным усилием прижатия оболочки, исключающем ее поперечную пластическую деформацию, но обеспечивающее силы трения, достаточные для предотвращения вытяжки оболочки из-под прижима. Наиболее близким к предлагаемому является устройство, обеспечивающее увеличение сил трения при ограниченной закрепляющей нагрузке, в котором для исключения вытяжки по периметру оболочки устраивается отогнутый относительно основной поверхности зажимной фланец, а на зажимных поверхностях приспособления создается рельеф в виде плавных зигов [Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов. Справочное пособие в 3-х томах. Под общей ред. А.Т.Туманова. Т.2. Методы исследования механических свойств металлов. - М.: Машиностроение, 1974, с.219-220, рис.67]. Увеличенная поверхность фланца, а также наличие рельефа на зажимных поверхностях дополнительно препятствует вытяжке оболочки из под прижима и позволяет снизить закрепляющую нагрузку. Таким образом, в устройстве обеспечивается определенный запас сил трения при пониженном закрепляющем усилии, что предотвращает вытяжку оболочки при высокой прочности материала и исключает поперечный пластический пережим оболочки при ограниченной прочности материала. Однако данное устройство обладает и существенными недостатками. Его преимущества обеспечиваются лишь в некотором диапазоне прочности материала, за пределами которого возможны как вытяжка оболочки из-под прижима при повышенной прочности материала, так и пластическое пережатие при закреплении оболочек из весьма мягкого материала. Для работы устройства требуется изготовление по периметру оболочки специального фланца, что приемлемо только на специальных образцах и невозможно при вырезании фрагментов из оболочек. Кроме того, такое устройство предопределяет пластическое деформирование фланца оболочки, возможность которого у ряда конструкционных материалов ограничена.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение надежности испытания тонкостенных оболочек при их гидростатическом выдавливании вследствие полного исключения как вытяжки оболочки из под прижима, так и ее пластического пережатия в месте закрепления, для чего обеспечивается автоматическая зависимость закрепляющей нагрузки от прочности материала оболочки.
В данном изобретении предлагается устройство для определения свойств материала на тонкостенных сферических оболочках в виде полых шаровых сегментов, содержащее размещенное в цилиндрическом корпусе основание, имеющее соответствующую внутренней поверхности оболочки опорную сферическую поверхность с отверстием в центре и оправку с ответной опорной сферической поверхностью, имеющую такое же отверстие в центре, перекрываемое оболочкой, размещенной между опорными сферическими поверхностями основания и оправки и герметично замыкающей внутреннюю полость устройства, в которой организована возможность создания нарастающего гидравлического давления на оболочку со стороны основания. Основание выполнено в виде кольцевого подвижного поршня, имеющего возможность осевого перемещения относительно цилиндра и оснащенного фланцем, герметично уплотненным по внешнему периметру, размещенным противоположно опорной сферической поверхности и выходящим во внутреннюю полость устройства.
На чертеже показана конструкция устройства для определения свойств материала на тонкостенных сферических оболочках в виде полых шаровых сегментов.
В состав устройства входят расположенные в корпусе 1 основание 2, имеющее сферическую опорную поверхность с радиусом, равным радиусу внутренней поверхности оболочки, и оправка 3 с ответной опорной сферической поверхностью, радиус которой равен радиусу наружной поверхности оболочки. Основание 2 и оправка 3 имеют в центре совпадающие одинаковые отверстия, которые при испытании герметично перекрываются сферической оболочкой 4, устанавливаемой между основанием 2 и оправкой 3.
Со стороны внутренней поверхности оболочки 4, установленной в устройство, образуется герметичная внутренняя полость, в которой с помощью внешних устройств может создаваться гидростатическое давление.
Устройство отличается тем, что для закрепления оболочки 4 в процессе испытания используется основание 2, которое с этой целью выполнено в виде кольцевого поршня, имеющего возможность осевого перемещения. Рабочим элементом поршня является фланец основания, противоположный его опорной сферической поверхности и выходящий во внутреннюю полость устройства. Для сохранения герметичности внутренней полости устройства по периметру поршня между ним и цилиндром корпуса устанавливается уплотнительное устройство 5.
Работа устройства происходит следующим образом. Перед испытанием оболочка 4 устанавливается на основании 2 и поджимается при помощи оправки 3 с небольшим усилием, достаточным для выборки зазоров между элементами системы. Во внутренней полости основания 2 создается нарастающее гидростатическое давление, под действием которого в оболочке 4 возникают пропорциональные ему напряжения, и производится выдавливание оболочки 4 через отверстие.
Воздействуя на свободный торец поршня-основания 2, гидростатическое давление создает усилие, закрепляющее оболочку 4, которое возрастает, как и напряжение в детали, пропорционально нарастающему гидростатическому давлению. Если прочность оболочки невелика, ее разрушение происходит при небольших давлениях и соответственно малых усилиях закрепления, не способных произвести пластический пережим оболочки 4. При высокой прочности материала для разрушения оболочки 4 требуется высокое гидравлическое давление, но при любом его значении обеспечивается пропорциональная величина закрепляющей нагрузки, предотвращающая вытяжку оболочки 4 из-под прижима.
К преимуществам предложенного устройства относятся простота проведения эксперимента вследствие отсутствия необходимости формоизменения поверхностей оболочки для проведения испытаний, а также полная надежность закрепления оболочки при любых заранее неизвестных свойствах материала за счет создания усилия закрепления, пропорционального прочности материала.