Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время резинокордные конструкции, представляющие собой изделия из композиционных материалов, нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Они используются в устройствах для шумовиброизоляции машин и механизмов и снижения динамических нагрузок при ударных воздействиях, сеисмозащиты зданий и сооружений атомных электростанций, нефте- и газопроводов. Упругие элементы на базе резинокорд-ных оболочек (РКО) применяются для подрессоривания и амортизации автомобильного и рельсового транспорта, в качестве упругих элементов высокоэластичных муфт и амортизирующих конструкций в подземных и подвижных комплексах пусковых установок стратегических ракет. Резинокордные оболочки используются в судостроении в качестве герметизирующих элементов переборочных стаканов, шумовиброизолирующих пневматических амортизаторов и патрубков циркуляционных трасс.
Применение РКО и высокоэластичных муфт для шумовиброизоляции промышленного оборудования, насосных и компрессорных установок, турбин, дизелей и т.д. позволяет:
- повысить плавность работы, понизить шумность и увеличить долговечность
машин и механизмов;
разобщить вал привода и вал насоса, увеличив таким образом срок службы агрегатов;
защитить агрегаты от перегрузок, возникающих при перекосах несущих конструкций, уменьшить уровень вибраций;
производить аварийное перекрытие трубопроводов и нефтепроводов при проведении ремонтно-восстановительных работ;
предотвратить разрушение фундаментных и рамных конструкций от виброактивных механизмов.
Необходимо отметить, что использование РКО, высокоэластичных муфт, рези-нометаллических амортизаторов в различных машинах и агрегатах промышленности прочно вошло в инженерную практику, и сегодня появляется всё больше отраслей промышленности, где успешно внедряются новые конструкции на основе РКО.
При всем многообразии сложных резинокордных конструкций к ним предъявляются следующие основные требования:
обеспечение заданных рабочих характеристик по прочности, жесткости, предельным перемещениям и др.;
длительность эксплуатации (например, срок службы РКО достигает 15-30 лет);
надежность работы в условиях динамических нагрузок;
работоспособность в широком диапазоне температур: от -50 до + 50 С;
бензомаслостойкость, озоностойкость и т.д.
Вопросам проектирования, расчета и испытаний резинокордных конструкций посвящены исследования Бухина Б.Л., Бидермана В.Л., Колоколова Г.А., Пинов-ского М.Л., Ряховского О.А., Лепетова В.А., Юрцева Л.Н., Гуральника В.Е., Ис-
томина С.А., Свечникова И.И., Бидерман Т.В., Соколова Ю.Н., Решетова Д.Н., Зуева Ю.С., Потураева В.Н., Круша И.И. и др.
Расчет и проектирование конструкций из композиционных материалов, какими и являются резинокордные оболочки, чрезвычайно сложен и, при неизбежных упрощениях, часто приводит к достаточно большим погрешностям при прогнозировании технических характеристик вновь разрабатываемых изделий.
Вследствие этого, несмотря на достигнутые успехи в области РКО, актуальной является проблема создания новых сложных резинокордных конструкций с достоверными, заданными рабочими и прогнозными характеристиками на основе современных методов расчетно-экспериментальных исследований.
Решению этой проблемы и посвящена настоящая работа, которая выполнялась, в том числе, в соответствии с государственными научно-техническими программами.
Таким образом, научная проблема, требующая своего разрешения, заключается в разработке математических моделей и универсальных методов расчетно-экспериментальных исследований сложных резинокордных конструкций с целью создания изделий с заданными рабочими и прогнозными характеристиками.
Исходя из актуальности, необходимости теоретико-экспериментальных исследований и практической значимости в работе поставлена следующая цель: разработка научных методов проектирования сложных резинокордных конструкций различного промышленного применения с заданными рабочими и прогнозными характеристиками на основе расчетно-экспериментальных исследований при использовании преимущественно метода конечных элементов (МКЭ), теории сетчатых оболочек и теории моментных оболочек.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд научно-технических задач:
обосновать применение метода конечных элементов как универсального инструмента расчета резинокордных конструкций с учетом нелинейных, реологических и тепловых свойств резины, корда и наполняющего конструкцию газа;
разработать расчетно-экспериментальный метод проектирования конструкций бортовых соединений РКО с учетом релаксационных процессов в резино-кордном материале и технологии обслуживания бортовых соединений в течение заданного срока эксплуатации;
разработать методы расчета и проектирования упругих муфт (высокоэластичных, шинно-пневматических, резинометаллических) с учетом динамических и тепловых процессов;
разработать методы расчета и проектирования резинокордных оболочек амортизаторов с заданными рабочими и прогнозными характеристиками;
разработать расчетно-экспериментальный метод прогнозирования долговечности резинокордных конструкций, в том числе на основе расчета режимов, проведения и результатов ускоренных имитационных испытаний;
разработать методы расчета и проектирования РКО герметизаторов для трубопроводов различного назначения, включая магистральные нефтепроводы;
разработать программы расчета для ЭВМ, реализующие перечисленные выше методики и алгоритмы.
Научная новизна
-
Разработан единый уточненный подход к расчету и проектированию сложных резинокордных конструкций, учитывающий нелинейные упругие, динамические, тепловые и релаксационные физико-механические свойства резин и кордов, упруго-динамические свойства наполняющего РКО газа, на основе МКЭ, теории сетчатых оболочек, теории моментных оболочек.
-
Разработаны новые расчетно-экспериментальные методы проектирования и программы расчета для следующих резинокордных конструкций с заданными характеристиками :
бортовых соединений РКО с учётом релаксационных процессов;
высокоэластичных муфт (ВЭМ) и баллонов шинно-пневматических муфт (ШПМ) с учётом нелинейности физико-механических свойств резин, релаксационных процессов в резинокордном композите и теплового состояния РКО;
резинокордных оболочек пневматических амортизаторов, рукавов, компенсационных вставок различного типа;
РКО тороидального и цилиндрического типов для перекрытия трубопроводов.
3. Теоретически обоснован и разработан расчетно-экспериментальный метод,
позволивший установить основные закономерности изменения характеристик из
делий в процессе длительной эксплуатации и прогнозировать их долговечность на
основе исследований свойств материалов и проведения ускоренных имитацион
ных испытаний РКО.
4. Предложен новый конечный элемент для математического описания упруго-динамических свойств газа, заполняющего РКО, позволивший выявить расчётным путём новые закономерности динамического поведения пневматических амортизаторов с РКО, заключающиеся в скачкообразных изменениях жесткостных характеристик амортизаторов на определённых расчётных частотах внешнего воздействия, что обусловлено волновыми процессами, протекающими в газе.
-
Предложена новая матрица упругости резинокордного композита для расчетов по МКЭ, дающая возможность определить путём расчётного исследования основные закономерности напряжённого состояния бортовых соединений РКО, что позволило построить систему упрощающих гипотез и предложить новые инженерные (прикладные) расчётные модели бортовых соединений.
-
Предложен новый аналитический аппарат для расчётов РКО пневмоаморти-заторов, заключающийся в комбинации методов теории сетчатых оболочек и МКЭ, существенно повышающий эффективность расчётов напряжённого состояния и рабочих характеристик РКО.
-
Предложен способ преобразования глобальной системы уравнений метода конечных элементов для обеспечения кинематических граничных условий на профильных поверхностях контакта резинокордной оболочки и металлоарматуры.
Практическая значимость работы
1. Разработаны новые расчетно-экспериментальные методы проектирования резинокордных оболочек высокоэластичных и шинно-пневматических муфт,
амортизаторов, герметизаторов для трубопроводов, рукавов, компенсационных вставок, бортовых соединений РКО с заданными рабочими и прогнозными характеристиками.
-
Разработаны алгоритмы и программы для ЭВМ, реализующие предложенные в работе расчетно-экспериментальные методы проектирования резинокордных конструкций.
-
Разработана методика ускоренных имитационных испытаний для прогнозирования долговечности резинокордных конструкций.
-
Разработаны инженерные методы проектирования сложных резинокордных конструкций.
Результаты исследований внедрены на ФГУП НЛП «Прогресс» при проектировании и изготовлении широкого ряда резинокордных конструкций (упругие муфты, амортизаторы, герметизаторы и др.), которые в течение ряда лет поставляются в различные отрасли промышленности.
С использованием предложенных методов расчета разработан ряд новых, защищенных патентами резинокордных конструкций, которые в настоящее время широко используются на практике и дают большой экономический эффект. Среди этих конструкций можно отметить:
-
резинокордные оболочки гидрозатворов для перекрытия и прочистки канализационных и водопроводных труб;
-
устройства одноразового и многоразового («Кайман») использования для перекрытия магистральных нефтепроводов при проведении ремонтно-восстановительных работ;
-
высокоэластичные муфты с резинокордными оболочками диафрагменных и других типов;
-
различные усовершенствованные конструкции бортовых соединений РКО и патрубков, не требующие обслуживания в течение всего срока эксплуатации;
-
амортизаторы и оболочки подушечного типа с повышенным сроком эксплуатации,
и многие другие конструкции, большинство из которых запатентовано автором.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается корректным применением положений и методов механики твердого и деформируемого тела, теории упругости, физикохимии полимеров, механики жидкости и газа, теории вероятности и метода конечных элементов, а также многочисленными экспериментальными данными, сопоставленными с расчетом.
Положения, выносимые на защиту
1. Единый уточненный подход к расчету и проектированию сложных резино
кордных конструкций, учитывающий нелинейные упругие, динамические, тепло
вые и релаксационные физико-механические свойства резин и кордов, упруго-
динамические свойства наполняющего РКО газа, на основе МКЭ, теории сетча
тых оболочек, теории моментных оболочек.
2. Математические модели, новые расчетно-экспериментальные методы про
ектирования с учетом динамических, тепловых и релаксационных процессов:
упругих муфт (высокоэластичных, шинно-пневматических, резинометалли-ческих);
резинокордных оболочек амортизаторов, рукавов, компенсационных вставок;
резинокордных оболочек герметизаторов и гидрозатворов для трубопроводов различного назначения, включая магистральные нефтепроводы.
-
Расчетно-экспериментальный метод проектирования и прогнозирования работоспособности конструкции бортовых соединений РКО с учетом релаксационных процессов в резинокордном материале и технологии обслуживания бортовых соединений в течение заданного срока эксплуатации.
-
Математические модели и расчетно-экспериментальные методы, в том числе на основе научного обоснования режимов ускоренных имитационных испытаний, устанавливающие основные закономерности изменения характеристик изделий в процессе длительной эксплуатации и прогнозирования долговечности резинокордных конструкций.
-
Алгоритмы и программы для ЭВМ, реализующие методы расчета сложных резинокордных конструкций на базе МКЭ, и других методов.
-
Инженерные методы расчета и прогнозирования сложных резинокордных конструкций.
-
Новый аналитический аппарат для расчётов РКО пневмоамортизаторов, заключающийся в комбинации методов теории сетчатых оболочек и МКЭ, существенно повышающий эффективность расчётов напряжённого состояния и рабочих характеристик РКО.
8. Новый конечный элемент для математического описания упруго-
динамических свойств газа, заполняющего РКО, а также новая матрица упругости
резинокордного композита для расчетов по МКЭ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции по каучуку и резине IRC 94 (М., 1994 г.), Всесоюзном симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» (М., НИИШП, ЦНИИТЭнефтехим, 1989, 1990, 1991, 1995 гг.), Международной научно-технической конференции «Водоканал. Омск-98» (Омск, Министерство общего и профессионального образования РФ, 1998 г.), на отраслевой научно-технической конференции «Научные основы и пути создания шин и технологии их производства уровня 2000 года» (М., НИИШП, 1988 г.), на III международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1999 г.), на заседаниях Научно-технического Совета ФГУП ЦКБ МТ «Рубин» (г. Санкт-Петербург) по вопросам шумоизоляции в 2007 и 2008 годах, на межкафедральном научном семинаре имени заслуженного деятеля науки профессора Белого В.Д. в Омском государственном техническом университете (Омск, 2009 г.).
Публикации. По тематике исследований опубликовано в общей сложности 80 работ, в том числе: 12 публикаций в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, а также 47 патентов и авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 199 наименований.
Основной текст изложен на 380 страницах машинописного текста, работа содержит 32 таблицы и 155 рисунков.
