автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Колебания сильфонных компенсаторов трубопроводных систем двигателей летательных аппаратов

уфимсмш росу дарст винный авиационный

технический университет

Д.1Я с.тужеоного но.ПмИжання

^ ООС025 О

НА II 1'ЛВЛХ РУКОПИСИ КАРЛСЕВ Сергей Викторович

КОЛЕБАНИЯ СИЛЬФОННЫХ КОМПЕНСАТОРОВ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.07.05 «Тепловые двигатели летательных аппаратов»

А В Т О 1' К Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент ИТБАЕВ В. К.

Официальные оппоненты: засл. деятель науки и техники

РФ, доктор технических наук, профессор БЕЛОУСОВ А. И., кандидат технических наук, ст. научн. сотр. ЛУКИН Б. Ю.

Ведущее предприятие: Конструкторское бюро Химавтома-тнкн (г. Воронеж).

Защита диссертации состоится » 199^-г.

в____час. на заседании диссертационного совета К 063.17.04

при Уфимском государственном авиационном техническом университете. Ваш отзы.в в 2-х экз., заверенный печатью организации, просим направить по адресу: 450025, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «____»_______.___199_г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А. М. Смыслов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Надежная работа любой механической системы, в том число и двигателя летательного аппарата (ДЛА), зависит от надежности сос-тавляющм его элементов. К наиболее нагруженным системам ДЛА принадлежат трубопроводные коммуникации, подверженные в эксплуатации воздействию широкого спектра статических и динамических нагрузок высокого уровня.

Традиционные способы повышения работоспособности трубопроводов в ряде случаев не дают необходимого реаультата и заставляют обращаться к принципиально новым конструкторским решениям, одним из которых является обеспечение свободы перемещения коммуникации за счет использования гибких гставок, в качестве которых часто используются сильфснные компенсаторы. Их применение позволяет производить монтаж трубопроводов при значительных отклонениях от соосности посадочных мест, сохранить герметичность системы при перемещениях соединяемых агрегатов, предотвратить разрушение трубопроводов от температурного расширения, облегчить доступ к стыкуемым поверхностям, обеспечивая модульность конструкции.

Гибкость компенсатора обеспечивается применением гофрированной металлической оболочки (сильфона), которая в силу конструктивных особенностей, обладает малой осевой и изгибной жесткостью. Однако, это замечательное свойство имеет и побочный эффект. Из-за малой жесткости, гофрированная.оболочка обладает низкими частотами' собственных колебаний, которые лежат в диапазоне частот, возбуждаемых работающим двигателем. Очевидно, что существует вероятность возникновения резонансных колебаний компенсаторов, способных разрушить гофрированную оболочку. Однако, наличие резонанса не всегда приводит к образованию усталостной трещины и выходу компенсатора' из строя. Для этого в гофрированной оболочке должен вознигауть та-

кой уровень напряжений, который выше предела выносливости материала, из которого изготовлена оболочка. Поэтому, определение величин напряжений в компенсаторе при резонансных колебаниях является важной задачей.

Применяемые в настоящее Бремя методы расчетов компенсаторов на колебания носят приближенный характер. Они основаны на замене гофрированной оболочки различного рода моделями - однородным прямолинейны/ стержнем, условно ортотропкой цилиндрической оболочкой, системой кольцевых пластин и т.д. Такой подход дает возможность определить собственные частоты, амплитуды колебаний, но не позволяет ответить на вопрос о величине напряжений в оболочке компенсатора. Кроме того, -решение задачи расчета амплитуд колебаний компенсатора при резонансе предполагает знание величины энергии, которую способна рассеять его гофрированная оболочка. Эта проблема ка сегодняшний день не решена, а связанные с нею работа крайне малочисленны и посвящены ее частным аспектам.

С учетом изложенного, в настоящей диссертации была поставлена и решена задача создания метода расчета свободных и вынужденных колебаний компенсаторов на основе теории оболочек, что позволило определить напряжения в гофрированной оболочке при колебаниях, и исследовались демпфирующие свойства гофрированных оболочек компенсаторов.

Актуальность проблемы послужила основанием для ее включения в планы работы ОНИЛ по гибким трубопроводам УАИ (г.Уфа), утвержденные Минвузом и МАП СССР, у АО "Гидравлика" (г.Уфа) и КБ Хю,¡автоматики (г.Воронеж).

Цель работы. Разработка ыетодов расчета свободных и вынужден-■ ных колебаний сияьфош&и компенсаторов ДЛА и исследование демпфирующих свойств гофрированных оболочек компенсаторов.

Основные задачи исследования.

1. Разработать на основе теории оболочек математическую модель процесса свободных колебаний сильфонных компенсаторов ДЛА.

2. Исследовать закономерности рассеяния энергии колебаний гофрированными оболочками компенсаторов.

3. Разработать метод расчета амплитуд вынужденных колебаний и динамических напряжений б гофрированной оболочке компенсатора при кинематическом возбуждении.

4. Исследовать влияние способа заделки гофрированной оболочки в соединительную арматуру на динамические характеристики компенсатора.

Метод исследования: преимущественно теоретический с использованием данных экспериментов о демпфирующих свойствах гофрированных оболочек, с применением численных методов анализа и вычислительной техники.

Научная новизна.

1. На основе теории механических колебаний, метода конечных элементов (МКЭ) и общей теории оболочек разработана математическая модель процесса колебаний тонкостенной', с переменной вдоль меридиана толщиной, цилиндрической гофрированной оболочки компенсатора. Получены разрешающие дифференциальные уравнения первого порядка в частных производных для функций прогибов полугофра как конечного элемента (КЭ). Рассмотрены случаи деформации КЭ, характерные для осесимметричных (продольных) и кососимметричных (поперечных) колебаний. Определено влияние геометрических размероз оболочки и места ее заделки на частоты и формы собственных колебаний компенсатора.

2. Экспериментально изучены закономерности рассеяния энергии колебаний многослойными гофрированными оболочками компенсаторов при продольных и поперечных колебаниях. С использованием гипотез •

о характере рассеяния энергии в материале при сложном напряженном состоянии.и данных экспериментальных исследований,предложена методика расчета логарифмических декрементов колебаний компенсатороз. Спроектирован компенсатор с улучшенными демпфирующими свойствами, ' конструкция которого зацищеца патентом Российской Федерации.

3. Разработан метод расчета амплитуд колебаний и динамических напряжений в оболочке компенсатора при кинематическом возбуждении. Уточнены величины максимальных напряжений и место расположения' наиболее вероятного.разрушения гофрированной оболочки при продольных и поперечник колебаниях.

■ Практическая ценность и "реализация работа. На основе разработанных математичеекой модели процесса свободных колебаний и метода расчета амплитуды вьшувдекных колебаний сильфонного компенсатора при кинематическом возбуждении, ооздана методика определения динамических напряжений, возниказдх в его гофрированной оболочке при продольных и поперечных колебаниях, Методика реализована в виде программы, написанной на языке.Паскаль и предназначенной для использования на персональных компьютерах, совместимых с IBM PC. Программа позволяет получить данные о спектре частот собственник, колебаний, амплитуде вынужденных колебаний, уровне напряжений, долговечности и: месте предполагаемого- разрушения гофрированной оболочки компенсатора. Расчетным путем возможна оценка влияния конструктивных параметров и места заделки гофрированной оболочки на прочность компенсатора.

Методика используется для обоснования прочности и долговечности, уменьшения объема испытаний при проёктко-доводочных работал, а также в качестве элемента САПР "Компенсатор" на УАО "Гвд-рашщв" (г.У»1з).

На бая,«*у.8нпооятсл:

- математическая модель продольных и поперечных колебаний сильфон-ного компенсатора;

- метод расчета амплитуд вынужденных колебаний и динамических напряжений в гофрированной оболочке компенсатора при кинематическом возбуждении;

- результаты исследования демпфирующих свойств гофрированной оболочки и влияния ее конструктивных параметров на уровень динамических напряжений в компенсаторе при колебаниях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсукдались на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых (г.Люберцы, 1936 г.), III Всесоюзной конференции по проблемам двигателестроенкя (г.Москва, 1986 г.), XV конференции по вопросам рассеяния энергии при колебаниях механических систем (г.Каменец-Подольский, 1989 г.) и XXIII Всесоюзном совещании по проблемам прочности двигателей (г.Москва, 1930 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 работ.

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основная часть диссертации изложена на 109 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 11 таблиц и библиографию из 89 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной теш исследования и кратко изложено содержание работы.

В первой главе приведены типовые конструкции сильфояких компенсаторов трубопроводных систем ДЛА и условия их эксплуатации, дан анализ современных методов расчета компенсаторов на колебания и поставлены задачи исследования.

•

Большинство компенсаторов, используемых-в система'', ДЛА в настоящее время, относятся к компенсаторам эксплуатационных перемещений. Как правило, они состоят (рис.1а) из гофрированной оболочки 1 и присоединительной арма'гуры 2. Иногда, оболочка защищается снаружи проволочной оплеткой 3, а изнутри - трубчатым экраном 4. Вопросам колебаний гофрироьанной оболочки (рис.16) посвящено достаточно много работ, как теоретического, так и экспериментального характе- _ ра. Проще всего их мокко систематизировать по видам математических моделей, примененных в исследованиях.

Наиболее простой моделью является одномассовая модель, которая использована в работах JI.E-.Андреевой, А.И.Беседы, Ю.А.Богдановой, Г.Е.Звер-лсова, М.А.Иоффе, Б.Д.ДюзбенСетова,- М.К.ШимырСаева. Она позволяет описать колебания приборного сильфона, один конец которого жестко закреплен, а второй свободен для перемещений. Применительно к компенсаторам, полученные с помощью этой модели результаты представляют интерес в основной с точки зрения .методологии, поскольку такая схема крепления гофрированной оболочки практически не используется в компенсаторах трубопроводных систем ДЛА.

Следующей моделью является аппроксимация сильфона последовательным соединением пружин и масс. Ее использовали при анализе колебаний компенсаторов R.L.Bass и J.L.Holster, C.R.Gerlach.l.E.Sack и В.А.Зиновьев. Модель такого типа позволяет достаточно точно определять частоту и амплитуду колебаний компенсатора,но не дает ответа на вопрос о величине напряжений в гофрированной оболочке.

Еще одной моделью является идеализация гофра оболочки последовательным соединением кольцеБых пластин и жестких цилиндров. Такая модель рассматривалась В.К.Итбаевьгм, Н.С.Кондрааовьш.В.В.Хиль-чевским и В.Г.Дубенцо:.!. Авторы отметили, что ез использование позволило существенно повысить точности расчета частот висзих форм

Сильфонньгй компенсатор и гс^рировалная оболочка X ± J 4

колебаний гофрированной оболочки, а В.В.Хильчевскому и В.Г.Дубенцу определить напряжения в оболочке при колебаниях.Однако результаты, полученные соследними из цитируемых авторов, пригодны для анализа колебаний только приборных сильфоков, гофры которых имеют большую" высоту, вследствие чего возникающие в них напряжения близки к напряжениям в кольцевых пластинках,чего нет е мелкогофрированных оболочках компенсаторов.

Помимо.моделей, основанных на замене компенсатора механической системой с сосредоточенными параметрами, использовались аппроксимации сильфона однородным прямолинейным стерянем или тонкостей-' ной сртотропнсй оболочкой. Такие модели рассматривались В.К.Итбае-вым, А.И.Крюковым, И.М.Глинкшшм, В.И.Фиониным, Н. С.Кондражшым, Л.Д.Рапопортом и З.М.Ясиным. Уравнения колебаний компенсатора, полученные при использовании такого типа моделей, достаточно простые и хорошо исследовании. Они позволяют найти спектр частот собственных колебаний и,' если известны демпфирующие свойства компенсатора, определять амплитуды вынужденных колебаний. Однако, как и е ранее рассмотренных случаях,, не дают возможности получить достоверные сведения об уровнях напряжений в оболочке компенсатора при колебаниях.

Анализ публикаций и потребности практики дали основания сформулировать цель и задачи исследования, упомянутые выше.

Во второй главе разработана математическая модель процесса свободных колебаний смьфоннопо компенсатора, исследовано влияние геометрических размеров гофрированной оболочки и места ее заделки в присоединительную арматуру на частоты и формы собственных колебаний компенсатора, дано сравнение расчетных значений с данными экспериментов.

Гофрнровшша! оболочка компенсатора разбивалась на конечный

элементы, в качестве которых выбирались ее полугофры. При таком выборе КЭ, его границами оказались две узловые, окружности,проходящие по вершине и впадине гофра. Со срединной поверхностью полугофра связывалась ортогоначьная система координат,оси которой-направлялись следующим образом: г - вдоль оси компенсатора, г - в ради-атьном направлении и ¡р - окружном (вдоль параллели) направлении.

Рассматривались дза случая колебаний: продольные, вдоль оси компенсатора, и поперечные, по нормали к оси. Для них КЭ приобретал шесть и восемь степеней свободы соответственно. В первом случае, это осевая и2 и радиачьная иг проекции перемещения и угол г поворота нормали точек узловых окружностей. Во втором случае к ним добавлялась еще окружная иг проекция перемещения.

Для нахождения функций прогибов КЭ рассматривались три группы уравнений линейной теории тонких упругих оболочек:соотношения связи перемещений и деформаций точек срединной поверхности, уравнения равновесия элемента оболочки и уравнения состояния, записанные в форме обобщенного закона Гука с учетом гипотезы Кирхгофа-Лява.

В случае колебаний внешней нагрузкой, приходящейся на единицу площади срединной поверхности полугофра, являются силы инерции. Полагая, что движение оболочки установившееся и происходит по Гармоническому закону с частотой и,проекция рх сил инерции на направление х, записывалась в виде

рх = (Аыэр, . (1)

где их - амплитудное значение проекции перемещения и на направление х в течение цикла колебаний, Э - толщина оболочки, р - плотность материала. Таким образом, функции прогибов КЭ при колебаниях находились из решения кваэистатшеской задачи.

Указанные три группы разрешающих уравнений в частных производных образовали замкнутую систему! Для случая осевой амгатри?! ■

(продольных колебаний), она свелась к системе шести обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка в полных производных,а при кососимметричном кагруженин (поперечных колебаниях) - аналогичной системе еосьии дифференциальных уравнений вида

ау - -

— + АУ = Р. . ' (2)

с1я

Здесь У - вектор неизвестных, А - матрица коэффициентов, Р - вектор-столбец свободных членов. При симметричном нагружении вект'ор неизвестных включал следующие компоненты: осевую и2 и радиальную иг проекции перемещения, угол поворота т, осевое V и радиальное Н усилия и изгибающий момент М, а при кососимметричном нагружении к ним добавились еще окружная проекция перемещения иг и соответствующее ему мембранное, усчлие Н.

Система дифференциальных уравнений (2), дополненная соответ-ствувдиш граничными условиями, решалась члсленю. Путем замены производных функций конечными разностями, она преобразовывалась в систему атгебраических уравнений, которая решалась матричной прогонкой. Внутри КЗ производные заменялись центральными разностями ----—- 1 (3)

. Лп

а на границах задавались соотношениями

-. = - ( . - = - ^

сП>1 2Дп с}чга+1 ЕДп

которые имеют одинаковую с центральными разностями оценку погрешности аппроксимации производной.

Достоверность предложенного алгоритма оценивалась путем решения тестовой задачи. Был выполнен расчет напряженно-деформированного состояния полугофра,нагруженного осевым перемещением, результаты котсрого сравнивались с данными, полученными по методу, изложенному в шлографт Л. Е.Андреевой.Сравнение производилось по кем-

поненгам напряжений. Сходимость наблюдалась во всех точках оболочки, погрешность расчета максимальных напряжений не превысила 3%.

С использованием функций прогибов и соотношений теории тонких оболочек определялись кинетическая и потенциальная энергии КЭ, которые сравнивались с аналогичными соотношениями, записанными через обобщенные координаты полугофра, как элемента системы с сосредоточенными параметрами, откуда находились'матрицы М и С инерционных и квазиупругих коэффициентов. При этом предполагалось, что при кососимметричной деформации полугофра проекции' перемещений точек оболочки вдоль параллели изменяются следующим образом:

иг'ЫгОССЗф, иг^игОСС'Зф, =Сго31П'.р, (5)

а при симметричной деформации они не зависят от координаты 9. Здесь индексом "О" обозначены проекции перемещений точек, принадлежащих меридиану с координатой <р=0.

Уравнения движения компенсатора при колебаниях определялись подстановкой в уравнение Лагракка II рода выражений потенциальной и кинетической энергий гофрированной оболочки. Их матричная запись

(М-о2С)Х=0, (б)

по существу, явилась математическим выражением обобщенной алгебраической проблемы о собственных значениях матрицы СНГ 1С, решение которой выполнялось известным методом вращений.

При разработке математической модели учитывалось, что искомая частота колебаний нужна для расчета сил инерции, деформирующих КЭ, и расчет должен выполняться методом последовательных приближений.

Было выполнено расчетное исследование частот и форм собственных колебаний компенсаторов, часть которого представлена в таблице и изображена на графиках (рис.2).

Полученные результаты сравнивались с данными экспериментов и результатами расчетов по стержневой модели. Наблядалось хорояее со-

Форш колебаний гофрированной оболочки

а)

Рис. 2.

ответствие расчетных и экспериментальных значений частот собственных колебаний, отличие мехду которыми составило < 8 X.

Таблица

Исследование частот собственных колебаний компенсаторов

N Ъу, I форма - I 1 форма

п/п мм £, Гц {■э. Гц ДД ' {, ГЦ £э, Гц дд

Продольные колебания

1 40 393 420 7.7 1179 1250 6.4

2 70 338 363 6.9 1014 1070 5.2

3 • 80 ■ 335 328 2.1 ' 1005 975 3.1

4 100 332 339 2.1 996 1010 1.4

5 • 175 125 126 0.8 375 381 1.6

б 400 за 37 ' 2.7 114 111 2.7

Поперечные колебания

7 40 574 545 5.3 1389 1410 1,9

8 70 590. 552 6.9 1257 1320 4.8

9 90 600 574 4.5 1290 1390 7.2

Отмечена заметная разница в собственных формах продольных колебаний компенсатора, определенных предложенным методом и с помощью стержневой модели. Так, отличие Д форм основного тона колебаний (рис.2а) достигло 15 %. Оказалось, что области, где оно наблюдалось, довольно узкие и расположены п зонах заделки оболочки, а величии» расхождений форм колебаний зависит от параметров оболочки (на рис.2 символом А* обозначена относительная амплитуда колебаний, Iя - относительная длина оболочки).

Аналогичный результат пмзл место и при сравнении форм поперечных колебания, няйденни>: по !.ЖЭ и егео:;:певсй модели. Расхожде-ико Форм колсгбакпД тагстз достигло 15 %, по области, где оно

имело место, оказались гораздо протяженнее по длине компенсатора и к тому же сдвинул/ми от заделки к центру оболочки.

Проведен расчетный эксперимент по оценке влияния места ваделки оболочки компенсатора на частоты собственных колебаний. Отмечено, что изменение места заделки гофрированной оболочки в присоединительную арматуру способно изменить собственную частоту колебаний компенсатора на 10%.

В третьей глава исследованы закономерности рассеяния энергии колебаний гофрированными оболочками компенсаторов, разработан метод расчета амплитуд колебаний и динамических напряжений в оболочке компенсатора при кинематическом возбуждении, приведено сравне- . ние результатов расчетного исследования напряжений с данными экспериментов.

Анализировались два способа учета несовершенной упругости материала при сложном напряженном состоянии: гипотеза В.В.Матвеева об определяющей роли октаздрических касательных напряжений Гокт в формировании энергетических потерь в материале при его циклическом деформировании, математическим, выражением которой служит зависимость '

6(Токт)=Е(ТОКТ- Е— ЦТООКТПОКТ)" - 2п"ЧооктЛ. (?) п

и гипотеза В.В.Хильчевского и В.Г.ДуОенца о зависимости рассеяния анергии в материале от интенсивности деформаций сдвига г и объемной деформации г.. Для установившихся циклических деформаций эта гипотеза имеет вид

6=-^— С1+5СО?1(~)], -— С1+б(г)?2(->3. (8)

1-2Ц £,т г<1+д) Тт

# #

где tz ~ функции,определяющие форму петель гистерезиса, б -среднее напряжение, т - интенсивность касательных напряжений. Получено, что определенные с помощью этих методов декременты колеба-

иий компенсатора, изготовленного из нержавеющей стали типа Х18Н10Т, близки друг к другу. Поэтому, для учета потерь энергии на внутреннее трение в материале при колебаниях компенсаторов предложено использовать способ В.В.Матвеева, как более простой.

Экспериментально исследовано влияние числа слоев оболочки компенсатора на ее декременты колебаний. Установлено, что при продольных колебаниях конструкционное демпфирование проявляет себя подобно позиционному трению, а при поперечных колебаниях имеет амплитудно-зависимый характер. Оказалось, что внутреннее давление в компенсаторе практически не влияет на декременты при продольных колебаниях, а в случае поперечных колебаний его действие оказывается определяющем.

Основываясь на результатах экспериментальных исследований, предложена методика учета рассеяния энергии колебаний гофрированной оболочкой компенсатора. Как в случае продольных, так и поперечных колебаний компенсатора зависимость для вычисления декремен-.' тов имеет вид

а=б0+слот„п, " (9)

где: Л0ти=А/1 - относительная амплитуда колебаний; бо,с,п - коэффициенты; 1 - длина оболочки.

С использованием данных о демпфирующих свойствах гофрированной оболочки разработан метод расчета амплитуд колебаний компенсатора при кинематическом возбуждении. Получено, что смещение точки оболочки, максимально отклоняющейся QT положения равновесия при к-ой форме колебаний, можно определить по формуле 2u2Ae(l-coskir)

Дк=-^ тт • а0)

о , // « \ ( 5« 1 Рк2,я1/ Л + г

V Рк~ ' W

Здесь Ав и а - соответственно амплитуда и частота колебании флаи-

цев компенсатора, р^ - собственная частота колебаний гофрированной оболочки по к-ой форме.

Смещения остальных точек оболочки компенсатора находятся из сравнения формы ее собственных колебаний, наиденной по МКЭ, и амплитуды колебаний, вычисленной по формуле (8). По найденным значениям перемещений, используя соотноиения теории оболочек, восстанавливаются амплитудные значения деформаций и напряжений, возникающих в оболочке компенсатора при колебаниях.

Установлено, что при продольных колебаниях напряжения достигают максимальных значений во втором или третьем.полугофре оболочки, считая от заделки, а при поперечных колебаниях -в четвертом или пятом. Этот результат подтвержден экспериментально совпадением мест разрушения оболочек компенсаторов при усталостных испытаниях с местами, где в расчетах наблюдался максимум эквивалентных напряжений.

Предлагаемый метод расчета компенсаторов На колебания существенно уточняет результаты, получаемые с помощью традиционных способов, согласно которым разрушения оболочки следует ожидать у заделки. На рис.3 представлены эпюры эквивалентных напряжений для наружной поверхности ближайшего к заделке гофра при продольных (рис.За) и поперечных (рис.30) колебаниях. Сплошной линией обозначены напряжения, полученные по МКЭ, штриховой - рассчитанные по стержневой модели; амплитуда колебаний оболочки в обоих случаях принята одинаковой.

На основе результатов расчетного исследования предложено заделывать оболочку компенсатора в присоединительную арматуру по впадине гофра, если максимум напряжений ожидается такте во впадине, и по вершине, если максимальных напряжений следует ожидать в вершине. Это снизит величину максимальных напряжений в компенсато-

ре и увеличит его долговечность.

В четвертой главе представлены выполненные экспериментальные исследования, приведены методики проведения и обработки результатов экспериментов, дано описание применяемого оборудования и испытанных образцов, анализируется точность полученных результатов.

При проведении экспериментальных исследований решались две задачи. Во-первых, доказывалась адекватность разработанных методов расчета сильфонных компенсаторов на колебания действительности и, во-вторых, исследовались демпфирующие свойства многослойных гофрированных оболочек. Основным методом испытаний был метод введения в резонанс, при котором испытываемые образцу компенсаторов устанавливались на электродинамическом вибростенде и подвергались действию гармонической нагрузки заданной величины при инерционном возбуждении. При этом фиксировались частота и амплитуда колебаний гофрированной оболочки и, при необходимости, форма колебаний и уровень возникающих в ней напряжений. Для контроля правильности получаемых результатов, некоторые образцы испытыезлись по методу затухающих колебаний.

Испытывались компенсаторы с условным (внутренним) диаметром рт 32 до 400 мм и числом слоев от 1 до 6. Всего было испытано 30 образцов. Как правило, гофрированные оболочки выбирались из номенклатуры серийно изготавливаемых изделий, 8 оболочек было отформовано в специальных матрицах. Большинство образцов было изготовлено Из нержавеющей ленты типа 12Х18Н10Т, часть из сплава ВТ1-0.

Декременты колебаний компенсаторов определялись по ширине пика резонансной кривой. Контроль получаемых результатов осуществлялся при их сравнении с декрементами колебаний, рассчитанным по величине коэффициента динамического усиления и виброграммам затухающих колебаний.

Анализ погрешностей эксперимента показал приемлимссть средств и методов измерений целям и задачам испытаний.-Максимальная погрешность результатов была зафиксирована при определении декрементов, колебаний и- составила 12 %.

• ' ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ '

1. Разработана математическая модель процесса свободных■колебаний сильфонных компенсаторов ЯЛА, основанная на теории тонких упругих оболочек и методе конечных элементов. Тем самым устранен основной недостаток существующих методик - сильфон компенсатора рассматривается как оболочка. Это позволило, во-первых,- более точно определить частоты и формы колебаний компенсатора', во-вторых, определить напряжения, возникающие в компенсаторе при колебаниях ' и, в-третьих, оценить- диапазон применимости существующих инженерных методов расчета. Путем решения тестовой задачи и соответствием расчетных величин данным эксперимента доказана адекватность разра-

.' ботанной модели. Так, сравнение собственных частот колебаний компенсаторов ,рассчитанных по предложенному алгоритму и измеренных экспериментально, показало, что погрешность расчетов не превышает' 8%.

2. Выполнено расчетное исследование влияния способа заделки оболочки компенсатора в соединительную арматуру на частоты и формы колебаний компенсатора. Получено, что при изменении диаметра заделки оболочки от вершины до впадины гофра частота основного тона колебаний способна уменьшиться на 107.,

3. Исследованы закономерности рассеяния энергии колебаний гофрированными оболочкам» ксмпзисаторов. Получено, что при продольных колебаниях кгастругциеююе ?,>:•• м^ровацие, обусловленное многослойное 1га го£?арог..-яю: сбэгемн, прояял'лет себя подобно позици-

онному трению, а при поперечных колебаниях имеет амплитудно-зависимый характер. Оказалось, что изменение внутреннего давления в компенсаторе практически не влияет на декременты при продольных колебаниях, а в случае поперечных колебаний его действие способно изменить декременты колебаний в несколько раз. Разработана методика определения величины энергии, рассеиваемой гофрированной оболочкой компенсатора при колебаниях. Сравнение расчетных значений декрементов колебаний компенсатора с экспериментальными показало их хорокее совпадение. Погрешность результатов расчета не превысила 20%.

4. Предложен метод расчета амплитуд вынужденных колебаний и напряжений в оболочке компенсатора при кинематическом возбуждении. Расчетом определены эпюры напряжений, возникающих в оболочке компенсатора при колебаниях. Получено, что максимальные напряжения военикэйт в зоне-оболочки, несколько удаленной от узла формы, что существенно уточняет результаты ранее использовавшихся методик, согласно которым разрушение компенсатора следовало ждать у заделки. Отмечено также, что уровень максимальных напряжений в компенсаторе ниже, чем предсказывает стержневая модель. Для некоторых типов оболочек снижение напряжений составляет 20%. Это дает оценку погрешности применяемых в настоящее время приближенных методик расчета напряжений в компенсаторах при колебаниях.

5. Рекомендовано выбирать место заделки оболочки компенсатора и фланцевого соединения в зависимости от места профиля гофра, в котором ожидается максимум напряжений при колебаниях. Если максимум напряжений для оболочки с заданна« профилем гофра ожидается во впадине гсфра, то и заделывать оболочку следует по впадине. Это снизит уровень напряжений в оболочке и увеличит ресурс работы компенсатора.