автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Методы расчетной оценки и конструктивно-технологиеские способы повышения несущей способности оболочек из пластмасс в технологических конструкциях сооружений промпредприятий

рте ой

- а №1 «36

На правах рукописи

Астаппаш Владажр ГСижааикгя

МЕТОД» РАСЧЁТНОЙ ОЦЕНКИ И КСКСХРУ1Ш!ШЙ)-ТЕ!С1ЯШП1ЧЕС1<1гЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОБОЛОЧЕК ПЛАСТМАСС 8 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КСНСТРУЩШЯ СООРУШШ1 ПР01ЯРЕЕДКЙШи1

Специальность 05.23.01 -"Строительные конструкции, здания я сооружения"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Екатеринбург - 1996

Работа выполнена ка кафедре "Металлические, деревянные и пластмассовые конструкции" Челябинского государственного технического университета.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ершов Н.П.;

доктор технических наук, про|>ессор Клячин А.З.;

доктор технически наук, профессор Хозин В.Г.

Ведущая организация - ЗАО "Институт Праеетхшзазета" (г. Москва).

Защита диссертации состоится 22 октября 1996 г., в 15 часов, на заседании диссертационного совета Д.063.14.08 при Уральском государственном техническом университете -(УГТУ-УПИ) по адресу: 620002, Екатеринбург, ул.Мира, 19, ауд. С-203

С диссертацией шхно ознакомиться в научно-технической библиотеке Уральского государственного технического университета.

Ваши отзывы па автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, прост; выслать в секретариат ученого совета университета по указанному вшге адресу.

Автореферат разослан £>у. I"6 г.

%

Ученый секретарь

диссертационного совета -—В.Н.Алехин

кандидат технических наук, дадант

/

О б и а а■ харакперисаика р а б о а а

Актуальности веки. В сооружениях промышленных предприятий значительна доля конструкций, на которые воздействуют технологические среды. Примером могут служить химические аппараты, емкости, газоходы, стволы вытяжных труб, сооружения газоочисток и т.д. Основные элементы таких конструкций - тонкостенные цилиндрические оболочки прямые и с изогнутой осью, поперечным сечением до 7 м.

Интенсификация современных производств и широкое применение в технологии химических процессов привели к резкому увеличению агрессивности рабочих сред. Традиционные методы защиты строительных конструкций от их воздействия оказываются неэффективными. Кардинальным путем повышения надежности конструкций , снижения трудоемкости и стоимости антикоррозионных работ, сокращения сроков строительства является переход от железобетонных и листовых металлических конструкций с антикоррозионной защитой к конструкциям, выполненным из полимерных материалов. При сопоставимых показателях хшстсйкости и назначения конструкции из них в 4... 15 раз легче, а срок службы в 3...5 раз больше.

В связи с этим, имеющийся в противокоррозионной технике опыт использования пластмасс как защитных покрытий требуется переосмыслить для применения в несущих конструкциях,, поскольку наряду с хшлстой-костьк» требуется механическая надежность-. Для их обеспечения крупные коррозионно-стойкие изделия из полимерных материалов имеют как празило слоистую структуру стенки с несущим слоем из стеклопластика. Они з большинстве имеют малые серии, иногда единичны. Такой характер изделий определяет их конструктивную форму, взаимосвязанную с ней технология изготовления и возведения. Медду тем, поскольку изделия не массовые, внимание к ним недостаточное. А недостаток внимания на стадии НИР, ОКР и в _ проектной практике неизбежно сказывается больними потерям!. В рассматриваемой области это проявляется в имеющихся случаях отказа конструкций с одной стороны и в завышенной материалоемкости с другой.

На долю материалов в структуре себестоимости конструкций приходится 70.. .80%. Высока и трудое.'.яюстб кх изготовления, связанная с несовершенством конструктивных форм, технологии и оборудования для изготовления. Поэтому важны поиски резервов сникения материалоемкости и совершенствования конструктивно-технологических решений. Параллельно должна решаться задача повышения несущей способности и долговечности конструкций. Все это в конечном итоге направлено на снжепие общих затрат и определяет актуальность темы исследования.

Тема диссертации связана с выполнением государственных научно-технических программ: 0.07В - ШСС СССР'(1977-1990 гг.), 055.00.192 - Госстроя СССР (1980-1985 гг.), проблемы 0.72.01 ГКНТ И АН СССР (1986-1990 гг.) и конкурсного гранта по направлению 1.08 фундаментальных проблем в области архитектуры и строительных наук (1994-1996 гг.).

Цельт работ является выявление закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) и несущей способности оболочковых конструкций из пластмасс и слоистых пластиков, разработка и обоснование методов их оценки и управления ими за счет рациональных конструктивно - технологических решений.

Научная копизпа рабшн заключается:

- в выявленных закономерностях формирования НДС конструкций при нагружениях, сопровождающихся тепловым воздействием;

- в обосновании путей повышения прочности сварных оболочек бип-ластмассовых конструкций;

- в выявленных закономерностях влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на НДС и устойчивость оболочек;

- в выявленных вовысстостях и разработанных методах управления НДС и несущей способностью оболочек за счет регулирования конструкционной и технологической анизотропии стеклопластикового слоя в условиях технологических ограничений.

¡¡ра:5глчеаиш виа.чаяаа?ъ ргбашы состоит:

- в 'создании нормативной базы проектирования и изготовления конструкций;

- в разработке и внедрении конструктивных решений оболочек, способов и устройств их изготовления.

Внедрение результатов. Полученные в работе результаты использованы при решении ряда конкретных задач, имеющих важное народно-хозяйственное значение. Они использованы при составлении:

- БСН 214-82/ШСС СССР (М. ,1984.-139 с.) И ВСН 214-89/ШСС СССР (М., 1992.-156 с.) - Ведомственных строительных норм "Сборник инструкций по защите от коррозии".

- Руководства по проектированию,расчету и методам контроля газоходов и ванн из бипластмасс / ЦБНТИ ММСС СССР, М., 1979.-122 с.

- Временной инструкции по изготовлению вытяжных труб, газоходов и ' других изделий из углестеююпластиков. - М.,1988.-24 с.

На основе изобретений и других разработок создано технологическое оборудование, показавшее свою эффективность и на базе которого создано ряд участков по изготовлению конструкций. Используется созданная нор-

мативная база проектирования и .изготовления конструкций, на основе которой разработаны и осуществлены строительством проекты сооружений промпредприятий, показавшие свою эффективность при работе в высокоагрессивных средах. Исследованиям и разработкам, положенным в основу диссертации, присуэдена Премия Совета Министров СССР по разделу "Разработка научных проблем и внедрение выдающихся достижений науки и техники в области строительства" за 1988 год.

На защиту выносятся:

- результаты исследования НДС, несущей способности оболочек и влияния на них конструктивных и эксплуатационных факторов;

- результаты исследования влияния технологии изготовления конструкций ка механические характеристики материалов, соединений и напряженно - деформированное состояние оболочек;

- результаты исследования прочностных и деформационных свойств материала оболочек и их нормирования;

- методы расчета НДС инструкций при нагруженная, сопровождающихся тепловым воздействием;

- методы управления анизотропией оболочек в условиях технологических ограничений;

- технические решения по методике исследований и реализации предложенных принципов з конструктивном выполнении и технологическом исполнении рассматриваемых конструкций.

/тро5гция работа. Основные положения диссертации были доложены на 2 международных конференциях, на 15 всесоюзных и республиканских семинарах, совещаниях и'конференциях, на 9 региональных и областных научно-технических семинарах и конференциях, на 12 институтских и университетских конференциях.

Диссертация в полном виде заслушана и рекомендована к защите на Ш Всесоюзном семинаре докторантов "Работоспособность деревянных и пластмассовых конструкций" (Воронеж, апрель 1991 г.) и на научных семинарах кафедр "Строительные конструкции" Уральского государственного технического университета и "Металлические, деревянные и пластмассовые конструкции" Челябинского государственного технического университета.

Пубтктши. По теме диссертации автором опубликовано более 100 работ, получено 36 авторских свидетельств СССР, 21 патент- №и5 зарубежных патентов, из них непосредственно в тексте диссертации использовало 64 научных публикации и 49 изобретений.

Сяфутура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, заключения, списка литературы и приложений общим объемом 399 страниц, в число которых входит 283 страницы основного машинописного текста, 164 рисунка, 28 таблиц, список литературы из 398 наименований, 37 страниц приложений.

Содержание р а б о я. и

Во Бвадмиш обоснована актуальность рассматриваемой темы и освещены основные положения, выносимые на защиту.

Вертя глаш посвящена анализу состояния вопроса в области крупногабаритных коррозионно-стойких оболочковых конструкций из пластмасс и постановке задач исследования.

Рассматриваемые конструкции относятся к классу тонкостенных, как правило анизотропных, цилиндрических оболочек коротких и средней длины, а тагехе оболочек двоякой кривизны. Большие габариты конструкций обуславливают применение для них стеклопластиков. .

Сложизшшся в мировой практике опыт создания коррозионно-стойких изделий с использованием стеклопластиков базируется в основном на двух подходах - применении бипластмасс, где защитный химстойкий (х/с) слой выполнен из термопластов, и чисто стеклопластиковых конструкций на хш,¡стойких связующих, где применяется х/с гелькоут-слой с повышенны;,} содержанием связующего . Кроме основных, в структуре стенки обычно есть еще и дополнительные слои, т.е. имеем по сути слоистый пластик.

Появление бинластмасс "термопласт-стеклопластик" связано с работами по повышению прочности и кесткости крупногабаритных листовых конструкций из непластифицированного поливинилхлорида (НПЗХ, винипласта) - первого крупнотоннажного термопласта. Позднее поязились бипласт-массы типа "полиэтилен (полипропилен, пенталласт, фторопласт) - стеклопластик", однако НПВХ продолжает оставаться одним из основных материалов для бипласгыасс в кашей стране и за рубежом.

Инженерные методы оценки работоспособности стеклопластиков в разнообразных условиях эксплуатации разрабатываются на основе фундаментальных исследований В.А.Каргиаа, С.А.Рейтлкнгера, П.А.Ребиндера, Ю.С.Зуева, Э.Бэра, Х.Т.Кортэна, С.Голдфайна. Больиой вклад в этой области внесли И.Я.Клиноз, В.Н.Манин, С.И.Перлин, Р.З.Рахимов, А.А.Шевченко, М.К.Антун, Г.Мегес и др. В результате в 60...70 годы была создана база для определения расчетных физико-механических характеристик стеклопластиков с учетом длительного воздействия механических натру-

зок, повышенных температур и агрессивных сред. Первоначально влияние каждого из факторов учитывалось отдельным коэффициентом.

Расчетная схема тех или иных конструктивных элементов принимается с учетом их конструктивных особенностей и условий нагружения. Степень идеализации во многом определяется используемыми методами расчета. Основным расчетным элементом оболочковых конструкций горизонтального типа является гладкая круговая цилиндрическая оболочка, опертая по краям на отдельно стоящие опоры и усиленная в местах опирания кольцевая! ребрами жесткости (шпангоутами) или диафрагмами.

Возникающие в рассматриваемых конструкциях напряжения от действующих нагрузок, как показали предварительные исследования, составляют 8...15% от нормативного сопротивления материала, что позволяет отнести их к классу малонагруженных. В то же время дальнейшее увеличение напряжений невозможно из-за исчерпания несущей способности по устойчивости и деформациям. Это указывает на недостаточную эффективность использования материала в традиционной конструктивной форме.

Существующие методы повышения кесткости оболочковых конструкций направлены на материал конструкций и 'на 'конструктивную форму. К первой подгруппе относятся методы,, основанные на улучшении механических свойств материала. Ко второй подгруппе - связанные с изменением конструктивной Форш стенки: 'постановка рэбе'р жесткости, неравномерность толшины стенки, изменение формы ее поверхности (гофрирование), прнмз-нение трехслойной структуры с легким заполнителем и т.д.

Теория расчета анизотропных оболочек разрабатывается в трудах С.А.Амбарцумяна, В.З.Власова, А.С.Вольмира, А.Л.Гольденвейзера, Э.й.Григолюка, В.В.Кабанова, Х.М.Муштари, В.В.Новожилова, Л.Донкелла, В.Койтера, С.П.Тимошенко. Применительно к оболочкам из композитных полимерных материалов методы расчета их НДС и устойчивости рассматриваются в работах Н.Х.Арутюняна, В.Л.Ваганова, В.В.Болотина, й.И.Голь-денблата, Н.П.Ершова, А.А.Пльюпина, П.М.Огибалова, Ю.И.Рабстнова, А.Р.Ржаницина, Р. Б. Рикардса, Г.А.Тетерса. На основе этих исследований прикладные методы расчета создамся в ЩШСКе им. В.А.Кучеренко, ВНИ-ИСПВ, МИХМе, а тагасе за рубежом з райках обцестз шшекероз-механнков.

Наибольшее распространение в практике жкенернкх расчетов оболочковых конструкций получила полубезмоментная теория оболочек В.З.Власова. Решение многих задач основано на принципе Вольтерра, когда задача теории наследственной упругости решается в обычной упругой постановке .*. в окончательном результате упругие постоянные заменяются соответствующими временными операторами. При этом построение геометрических и

статических соотношений производится с использованием гипотезы Кирх-гоффа-Лава. Характерным для прикладных методо® расчета оболочковыу конструкций является использование, упрощенных расчетных схем: допущение об абсолютной жесткости опорных частей, пренебрежение их деформацией под действием опорных реакций. Оценка длительной устойчивости выполняется без учета моментноста и неоднородности исходного состояниг по длительным деформационным характеристикам материала. Так же считается, что отношение деформационных характеристик в направлениях главных осей упругой симметрии при эксплуатации не изменяется.

Гофрированные оболочки исследовали И.Бергман, з.Рейснер, К.Стенг, Л.Доннел, Л.Е.Андреева, И.В.Андрианов, Е.Ф.Бурмистров, А.А.дисковский,

A.Е.Закржевский, И.Н.Преобракенокий, В.И.Шалашилин и др. Наибольшее распространение получила модель конструктивно-ортотропной оболочки, t которой применима теория анизотропных сред. Как правило, учитывало« увеличение, изгибной жесткости конструктивного элемента в одном направлении (перпендикулярном распространенна волны гофра), а другое направление, вдоль волны гофра, не интересовало исследователей (гофрированные пластины, подземные,и автодорогхные трубы и т.д.). Либо наоборот, при рассмотрении силь фонов представляла интерес другая характеристик - уменьиение осевой кесткостк элемента. В совокупности г.е koctkoctj гофрированной конструкции практически не исследовалась.

Оболочки с искривленной осью рассматривались К.М.Дубягой, А.Бант-яикым, Т.Карманом, Р.КлзрКом и Э.Рейсснером, Л.Весниным, Э.Л.Аксельра-дом, в.П.Ильиным и др_. Использовалась полубезмоментная теория В.З.Власова. Для решения задачи Применялся метод разложения неизвестной функции в тригонометрический ряд. Однако разработанная методика пригодн; для расчета оболочек только со слабо искривленной осью, так как в не: для геометрических соотношений использовалось допущение о малости радиуса поперечного сечения г.оболочки по сравнений с радиусом кривизш р продольной оси (1 + г/р * 1).

Изучение поведения стеклопластиков при поперечном изгибе выявил: такую отрицательную особенность деформационных свойств, как слабо« сопротивление мекслойным сдвигам . Изучением этого вопроса занималиа Б.в.Зинченко,, А.П.Мищенко, А.А.Меркулов, В.В.Мещеряков, В.П.Николаев.

B.н.Ривкинд, А.В.Розе, Ю.М.Тарнопольский, А.Л.Туник, Ю.М.Хищенко, ■ О.Г.Цыплаков и др. Ими показано, что характеристики межсдойкого сдвиг;

зависят в первую очередь от свойств связующего й его адгезии к стекло-наполнителю, от толщины межслоевых прослоек связующего, от типа стек-лонаполнителя, а следовательно, от., технологических параметров изготов-

ления конструкций из стеклопластиков. С увеличением температуры и при воздействии жидких сред модуль межслойного сдвига уменьшается сильнее модуля нормальной упругости, что приводит к изменению степени анизотропии свойств стеклопластиков. Это указывает на некорректность использования при расчете стекяопластиковых конструкций гипотезы Кирхгсф-фа-Лява, а также исследования деформационных свойств по результата/ испытаний на поперечный изгиб без учета влияния меяслойных сдвигов.

Мелкосерийный характер производства конструкций навязывает применение ручного труда и часто ке оптимальную форму оболочки, в частности отводов, которые получают соединением под углом отрезков труб. Подобно зарубежному опыту, у нас из коррозионно-стойких сначача было начато производство бипластмассовых конструкций. Оно также базировалось на полистовой сборке термопластовсй оболочки и нанесении через переходный слой стеклопластика ручным контактным формованием. Меиду тем в мааи-ностроительных отраслях промышленности развивались и другие методы формования: напыление, намотка, прессование и др.

Гермопластовый защитный сдой оболочек состоит из листов, соединенных сваркой. Первые исследования газовой сварки НПВХ и прочности его соединений связаны с именами немецких ученых и инженеров: А.Хен-нинга, В.Шрадера, К.Крекелера и др. У нас такие исследования проводились в МАТЙ им.К.3.Циолковского, ВНИКСТе, МВТУ км.Н.Э.Баумана, НЙИХШ-МАИе, ВКИИАвтогенмаше, ВНййМонтакспецстро'е и других организациях.

Существенную роль в изучении процесса контактной сварки и формировании представлений о механизме образования соединений сыграли работы наших ученых Н.А.Гришина, С;С.Воэцкого, М. .Гудга.юва, Е.Б.Тростянс-кой, Г.В.Комарова, В.А.Шишкина, К.И.Зайцева, Л.Я.Мацюк и др., зарубежных ученых: В.Шрадера, -В.Тильде, В.Витзеля, В.Кольдитца, В.Тобиаса, Х.Е.Штгйнике, А.Ханемакка и др.

Мееду тем,имеются факты разрушений сварных ПВХ-оболочек бипластмассовых конструкций, которые требуют выявления причин недостаточной прочности и разработки комплекса мероприятий, направленных на ее повышение. Эта задача'двуедина и решается как путем изменения напряженного состояния, так и за счет повышения собственно прочности сварки.

Существенный вклад в решение задачи, связанной с выявлением структурной и текстурной организации стенки оболочек, образованных намоткой стеклорозинга, внесли А.П.Мкнаков и О.Г.Цыплакоз. Рассмотрена намотка коротких оболочек узкими лентами на основе сгеклоровинга и непрерывная спиральная намотка оболочек стеклотканями. 'Однако до-настоящего времени не выявлены и не исследозаны технологически возможные

композиционно-волокнистые системы (КВС) коротких оболочек, создание которых основано на использовании драпировочных свойств широких (О,5...1,2 м) рулонных стеклотканей, которые могут обеспечить более высокую производительность и регулярную структуру армирования.

Вопросам определения механических свойств слоистых композитов посвящены работы Ф.А.Аболиньша , Г.А.Ван-фо-фы, В.В.Болотина и Ю.Н.Но-вичкова , Ю.М.Тарноподьского, А.М.Скундры и др.

Наличие многих.границ раздела в структуре стеклопластика неблагоприятно для его работы в жидких средах, поэтому требуется гарантия герметичности защитного слоя. Для контроля качества конструкций разработаны специальные методы, которые кашш применение главным образом только в спецтехнике из-за своей сложности.

Наши оценочные расчеты показали, что для бшыасгмассовых оболочек в зимнее время, когда даже отсутствуют непосредственные силовые воздействия, температурные напряжения могут достигать предела прочности материалов и их соединении. Таким образом, тепловое воздействие играет существенную роль и требует проведения более детальных исследований пс изучению его влияния.

На основании изложенного сформулированы вгмчи исслздазхигая:

- разработка эффективных методов контроля и экспресс-методов оценки и прогнозирования свойств материала и оболочек;

- разработка методов расчета НДС конструкций при нагружениях, сопровождающихся тепловым воздействием;

- совершенствование методики расчета конструкций на эксплуатационные нагрузки и воздействия;

- анализ влияния конструктивно - технологических и эксплуатационных факторов на НДС и несущую способность оболочек;

- разработка методоз управления анизотропией материалов и оболочек в условиях.технологических ограничений;

- разработка технических решений' 00 конструктивному выполнен!® I технологическому исполнении оболочек, ■обеспечивающих повышение их несущей способности и технологичности:.

- расчетная и экспериментальная оценка' эффективности разработанных технических решений;

- создание нормативной базы по проектированию и изготовлен» конструкций и предпосылок их практического использования.

Вторая глава посвящена формулировке исходных предпосылок и методике проведения исследований.

Жизненный цикл конструкции по характеру действующих нагрузок и степени их управляемости разбит на три фазы: доэксплуатационную, включающую изготовление, хранение, транспортировку и монтаж (стадия строительства) , пусконаладочную.и эксплуатационную. Характерные воздействия первой фазы - технологические, температурные и силовые. В фазе пуско-наладочных работ путем определенных температурных и силовых воздействий можно управлять приработкой конструкции и регулировать ее напряженное состояние. В эксплуатационной фазе нагрузки определяются режимами эксплуатации и вероятностной природой внешних воздействий.

Отправной точкой эксплуатации является выбор материалов х/с и конструкционного слоев. Вопросы их химического сопротивления в настоящей работе не рассматриваются, а по интегральной характеристике принимается, что материал х/с слоя выбран для условий воздействия среды по шкале химстойкости как "стоек", а материал конструкционного слоя - не ниже чем "ограниченно стоек". При этом необходимый запас стойкости конструкционного слоя обеспечивается тем, что приток среды сквозь к/с слой через диффузию незначиг?лен.

Характерные особенности фаз жизненного цикла конструкции предопределяют необходимость рассмотрения предельных состояний для каждой из них. В предэксплуатационный период предельные состояния первой группы определяются разрушением х/с слоя. При отсутствии рабочих нагрузок оно вызвано внутренними напряжениями. .

В фазе эксплуатации, где основными "нагрузками являются внутреннее или внешнее давление и вес содержащегося или скапливающегося продукта, определяющими являются устойчивость и деформации конструкции.

Из анализа путей обеспечения технологичности конструкций и учитывая приобретенный опыт, для успешного применения конструкционных полимеров общие принципы технологии производства конструкций■из них сформулированы следующим образом:

1) при использовании доступной для мелкосерийного производства механизации, за счет преимущественного использования полуфабриката с большой глубиной переработки (листов и стеклоткани), обеспечить производительность, сопоставимую с крупнотоннажным производством изделий из первичного сырья, то-есть наибольший передел сместить в область изготовления полуфабриката;

2) наиболее полное использование технологических свойств исходных полуфабрикатов, перенос их свойств и качеств на конструкцию;

3) обеспечение глубины переработки от полуфабриката до готовых монтажных элементов.

Методика исследований включает в себя информационные, экспериментальные и аналитические методы, известные и специально разработанные.

В качестве методической основы экспериментальных исследований наряду со статистической интерпретацией результатов широко использовалось математическое планирование эксперимента.

Нормальная работа конструкции возможна только при герметичности х/с слоя. Разработанный метод ее контроля заключается в создании между ним и конструкционным слоем электропроводного контура за счет введения в соединяющий слои клей (или грунтовку) токопроводного наполнителя, что делает возможным применение электроискрового способа. Обосновывается рецептура применяемых составов..

При исследовании НДС и несущей способности конструкций необходимо внать прочность и упругие характеристики материала, в разных направлениях и при разных температурах, и коэффициент тепловых деформаций.

Характеристики материала х/с слоя из термопластов ввиду использования полуфабриката - листов довольно стабильны и в большинстве принимались по сертификатам и справочным данным с проведением проверочных испытаний. Прочность сварных соединений оценивалась коэффициентом относительной прочности Ксв=бсв/б0м, где бсв и 60м - средние из результатов испытания швов и основного материала. Проводились также их испытания на ударный изгиб.

Конструкционный слой стеклопластика рассматривается как гомогенный. При определении его эффективных характеристик кроме экспериментальных использованы расчетные методы осреднения.

Для определения модулей нормальной упругости и межсловного сдвига стеклотекстолита его испытания на изгиб выполняли при различных значениях отношений высоты сечения образцов к пролету. Влияние физически активных жидких сред оценивалось насыщением водой.

Выявлены следующие особенности деформирования при нестационарных температурах. При наложении температуры линейные участки диаграммы образуют криволинейную'поверхность (рис. 1). При этом диаграмма деформирования в условиях повышения температуры будет выпуклой, а в условиях снижения - вогнутой. Если повышение нагрузки сопровождалось снижением ■температуры, то в случае разгрузки при конечной температуре остается "замороженная" деформация, снимаемая последующим нагревом.

На свойства, в т.ч. реологические, накладывает отпечаток технология изготовления, поэтому для оценки отдаленных последствий изменения

О Т поьышае тс я до ниоВноО

Рис. 1. Диаграмма деформирования при нестационарной температуре (тепловая деформация исключена)

£ Е, Тс-тори.

§ Е, Р

* Тетери.

Рис 2. Структурная модель полимера (а), и варианты ее подэлементов (б,в;

L

ТТ

<Ь /1,2,3 - циклы,// 3 - после

/; и!________________т\

/' ?[■ выдержки при Тр.

'/! .••/ Область х

// конструкции Оч.

к ^

' Рис. 3.

диаграмма'формирования усилий в защемленном стержне

/ *

г" N • •

С< 4 '

*

" 1

Ьо

Рис

. 4. Эпюры температурных напряжений в бипластмассе

технологии требуется прогнозирование реологических характеристик получаемых материалов и соединений. Длительные испытания проводились на специально разработанных компактных рычажных стендах.

Для экспресс-оценки длительной прочности, то есть констант А и ос в уравнении долговечности (зависимости времени до - разрушения т от уровня постоянных напряжений б)

X = А-ехр(-ой) (1)

использовано испытание при двух постоянных скоростях нагружения и ь>2. В результате получается предел прочности 61 и 62 и исходя из принципа линейного суммирования повреждений

сс=(1ги>2-1п(»>1)/(62-61); А=ехр(об1)/аи1. (2)

Использовали также метод температурно-временной аналогии.

Испытания на ползучесть проводили при изгибе для материала конструкционного слоя - стеклопластика, по которым устанавливались значения длительных модулей упругости Е и сдвига Б.

Основными исходными характеристиками материала являются нормативные сопротивления ¡?н, модули упругости Ен и сдвига 6Н, которые определены по результата« статистической обработки кратковременных испытаний

Влияние температуры к времени действия нагрузки на прочность и деформативность учитывается едиными температурно-временными коэффици-циентами прочности к^ и деформаций п^ .

При исследовании выделены группы конструкций, работающих при осе-симметричных и неосесимметричных воздействиях, разделение связано с назначением расчетных деформационных характеристик, а также с неправомерностью постановки геометрически линейной задачи для конструкций второй группы. В конструкциях первой группы сдвиги оказывают несущественное влияние и расчет выполняется по модулю нормальных деформаций. Для конструкций второй группы неучет сдвигов может привести к значительной ошибке в определении внутренних усилий и деформаций.

В аналитических исследованиях использовалась в основном полубез-момэатная теория, оболочек, а для учета геометрической и физической нелинейности использовали методы последовательного нагружения и продол-кения во времени. При этом в райках принятых допущений учитываются; искажение контура поперечных сечекий оболочки*, анизотропия свойств стеклотекстолита; его ползучесть и слабое сопротивление сдвигам; реальная жесткость и деформация краевых.шпангоутов от опорных реакций; изменение жесткостной анизотропии конструкций при ползучести.

Для контроля отдельных точек использовалось численное решение уравнений полной моментной теории оболочек.

Для оценки длительной устойчивости на первом этапе задача НДС решается в упругой постановке для заданных внешних нагрузок. Затем исследуется методом продолжения во времени процесс деформирования, обусловленный ползучестью материала. Если действующая нагрузка меньше длительной критической, ускорение роста деформации в начальный момент времени отрицательно, и, наоборот, если она больше длительной критической, то ускорение положительно. В последнем случае оценка устойчивости выполняется для момента времени, равного проектируемому сроку эксплуатации конструкции. Критическая нагрузка определяется с использованием мгновенноупругих характеристик материала методом последовательного нагрукения конструкции, исходное состояние которой определено с учетом ползучести на первых этапах расчета. Сравнение ее с действующей на конструкцию нагрузкой дает возможность судить об устойчивости в рассматриваемый момент времени.

Экспериментальные исследования проводились на моделях, фрагментах и натурных конструкциях, с разработкой и изготовлением в необходимых случаях специальных испытательных стендов.

Исследование зон концентрации напряжений проводилось методом фотоупругости на моделях из' эпоксидной смолы.

Для исследования остаточных напряжений использовался слзборазру-шающий метод отверстия, основанный на создании концентратора напряжений и регистрации изменения деформаций возле него розеткой тензодатчи-ков. Для контроля использовался метод освобождения - вырезки зоны с наклеенными датчиками.

Третья глаза посвящена исследованию предэксплуатационной прочности оболочек (прочности на стадии строи-тельс?ва).

Особенности свойств материалов и условий эксплуатации определяют тот факт, что в рабочем режиме повышенная температура рабочей среды снижает опасность разрушения защитного х/с слоя из-за уменьшения его жесткости и появления сжимающих температурных напряжений. В этом смысле фаза предэксплуатационная оказывается для х/с слоя более опасной (как и случаи аварийной остановки или перерывов в эксплуатации конструкции). Поэтому несущая способность оболочек до эксплуатации в первую очередь связана с прочностью их х/с слоев под нагрузками и воздействиями этой фазы, каковыми являются нагрузки монтажные, при складировании, а тагосе тепловое климатическое воздействие.

Любые х/с слои имеют КЛТР выше, чем конструкционные. Поэтому при снижении температуры неизбежно появление в х/с-слое растягивающих напряжений. При термопластовом х/с слое к ним добавляются остаточные сварочные напряжения и при достижении суммарной величины, равной прочности сварного шва, происходит образование трещины, нарушающей герметичность слоя. Таким образом, задача повышения предэксплуатационной прочности сводится к снижению уровня остаточных напряжений, повышению прочности сварных швов и к снижению уровня температурных напряжений, для чего необходимо знать закономерности их формирования.

Для учета памяти на термомеханическое воздействие процесс деформирования полимера, предлагается описать с помощью многоэлементной структурной модели (рис.2а), подэлементы которой снабжены тормозными устройствами, срабатывающими на свою определенную температуру. При повышении температуры тормозные устройства последовательно выключаются, а при снижении температуры, наоборот, включаются, изменяя число работающих подэлеменгов и отражая тем самым изменение жесткости материала.

Предлагаемая модель показала хорошее соответствие с работой материала при нестационарных режимах и учитывает память на воздействие. Однако, в ней для описания подэлементов использованы принципы наследственной теории и все ее вычислительные недостатки распространились и на эту модель. Более приемлема в расчетах модель из подэлементов, показанных на рис.2б, при этом вязкие элементы описываются близкими ь разрывным- функциями, превращая их тоже в температурный тормоз. Точность этой модели сопоставима с предыдущей, а вычисления проще.

Еще более упрощенный вариант структурной модели показан на рис.21 где отсутствуют вязкие элементы, а есть только упругие элементы и температурные тормоза. Этот вариант модели применим в случаях, когда ползучестью можно пренебречь, в частности при исследовании НДС от воздействия низких температур, которые наиболее опасны для х/с слоя.

„При нагреве предварительно нормализованного защемленного пластмассового стержня до некоторой фиксированной температуры Гр (рис.3) ] нем возникают напряжения сжатия, соответствующие недопущенньш температурным деформациям и жесткости материала,

б=-сс-ДГ-Е(Г) , где £(Г)=Е(ГР). (3]

При охлаждении стержня с напряжениями б?р от температуры Гр посл< первого цикла нагрева напряжения составят

т

6=-бтр+а1Е(Г)сЙ- . (4

т

р

Тага™ образом, если после достижения некоторой рабочей температуры Гр осуществляется охлаждение стержня, то постепенно "замораживаются" вынужденно-эластические деформации, возникшие при нагреве стержня. При повышении температуры они постепенно размораживаются, как бы частично компенсируя тепловые деформации стержня. Кривая напряжений при этом не повторяет вида диаграммы первичного нагрева нормализованного стержня, а скорее вдет по кривой первичного охлаждения.

Расчетом по моделям и экспериментально исследованы температурные напряжения в бипластмассовой стенке (их згаоры на рис.4). В результате определены границы соотношения толщин слоев, а также допускаемого времени охлаждения на морозе (при транспортных операциях и перерывах в работе), когда должны быть приняты меры для сохранения теплового режима во избежание разрушения защитного слоя от температурных напряжений.

Исследование влияния технологии сварки термопластов на остаточные напряжения и свойства сварных соединений проводилось на винипласте (ПВХ, НПВХ) экспериментальными методами с целью вскрытия закономерностей и определения направления поиска повышения начальной прочности сварных соединений и оболочек.

Исследование комплексного влияния 11 факторов газовой прутковой сварки позволило выделить главные, к которым относятся: геометрия разделки кромок, положение горелки, расход газа, температура наружного воздуха. Отмечено, что в нормативной литературе указана неоправдано высокая скорость сварки. Установлены значения Ксв и возможность их повышения за счет предподогрева зоны сварки и прикатки шва.

По сварке нагретым инструментом комплексное исследование влияния 5 факторов позволило установить режимы, обеспечивающие практически равнопрочность соединения основному материалу. При этом доказала эффективность таких мероприятий как профилирование нагревателя и термомеханическая обработка шва, в частности его поперечного обжатия при осадке после оплавления кромок.

В сварных листовых заготовках НПВХ наибольшие остаточные напряжения вдоль шва, их величина достигает 6... 10 Ша для прутковой сварки, 8 Ша для контактной с гладким и 5 Ша - с профилированным нагревателем (спустя 18 ч после сварки).

Существующая технология ' изготовления бипластмассовьот оболочек заключается в сборке на оправке листовых заготовок со сваркой наружной разделки кромок, наформовке стеклопластика и подварке внутренней разделки кромок шва. Установлено, что сварные узлы винипластовых оболочек, при существующей технологии изготовления имеют достаточно высокий (до

30% прочности прутковых ивов) уровень остаточных напряжений, что сказывается на эксплуатационных характеристиках бипластмассовых конструкций в целом. Двусторонняя проходка Х-образных швов до наформовки стеклопластика обеспечивает меньший уровень остаточных напряжений.

Более предпочтительна технология изготовления оболочек из укрупненных сваркой ленточных заготовок, при которой последние в процессе термоформования проходят термическую обработку. Уровень остаточных напряжений в прутковых швах при этом снижается до 1,5...2,0 МПа. Укруп-нительную сварку листов в ленточные заготовки в этом способе целесообразно осуществлять контактной сваркой нагретым элементом. Это позволит значительно сократить время изготовления оболочек и повысить прочность ее соединений. Проведенные эксперименты подтверждают, что уровень остаточных напряжений в термообработанных контактных швах тоже невелик.

В четвертой главе рассматривается напряженно-деформированное состояние и устойчивость оболочек в условиях эксплуатации.

В рассматриваемых оболочках конструкционным слоем является стеклопластик на основе стеклотканей - стеклотекстолит. Их предельным состоянием при длительной эксплуатации в условиях совместного действия механических нагрузок, повышенных температур и рабочих сред является потеря устойчивости, либо развитие недопустимо больших деформаций.

Анализируя результаты проведенных испытаний, можно отметить, что ползучесть стеклотекстолита в рассматриваемом диапазоне напряжений обусловлена как податливостью стеклоткани, так и развитием межслойных сдвигов. Окончательные прогибы образцов могут быть представлены в виде

ы = + ь>о + о|у + Иву , (5)

где ь>§ и о|у, «зу - мгновенно-упругие и вязко-упругие составляющие полного прогиба от нормальных и сдвиговых деформаций соответственно.

Исследования показали разный характер влияния температурно-временных факторов на Е и в, что обуславливает изменение жесткостной анизотропии материала при эксплуатации, отражающейся на НДС конструкции.

Представляя полные деформации еп сушой мгновенноупругих в0, вяз-коупругкх еВу и деформаций вследствие старения еСт:

еп = £о + £ву + £ст - С6)

и учитывая, что коэффициент условий работы ш и температурно-временной деформационный коэффициент п^ составляют

Ш = £о/(£о+£ст) ; п. = £о/(£о+Егу) , (?)

получим;

Е - / (пнп^-п,-^) . 0 = / (пнп^-ш-п^) (8)

Экспериментальные исследования позволили получить значения температурных и темперагурно-временных коэффициентов п^ и п^, (график последних дан на рис.5), которые использованы для назначения расчетных деформационных характеристик при проектировании оболочковых конструкций из стеклотекстолита.

Анализ существующих конструктивных форм оболочек и методов их расчета показывает перспективность использования малых параметров гоф-рирования~ цилиндрических оболочек и более точного учета деформированного состояния оболочек с изогнутой осью.

С целью упрощения расчета пологогофрированных оболочек предлагается приближенный метод, основанный на оценке и разделении кесткостей оболочки в окружном и осевом направлениях. В результате такого подхода определяют коэффициенты конструкционной (вызванной гофрировкой) анизотропии кг и кг, соответственно снижения осевой и увеличения окружной ¡кесткостей гофрированной оболочки по сравнению с гладкой. Эти коэффициенты затем используются в определении приведенных механических характеристик эквивалентной гладкой оболочки. Все это позволяет свести расчет пологогофрированных оболочек к существующим методам расчета гладких цилиндрических ортотропных оболочек. Расчетная схема для определения кг и кг представляет из себя гофрированную пластинку на упругом основании, где коэффициент постели определяется геометрическими и механическими.параметрами гофрированной оболочки, при этом его величину формируют кольцевые усилия, ' возникающие при осевой деформации гофра. Правомерность расчетной модели подтверждена точным расчетом опорных точек по моментной теории оболочек и экспериментами на моделях и натурных конструкциях.

Проведенный анализ параметров гофра (высоты и длины 1 волны для радиуса оболочки И) показал, что наиболее рациональными являются профили с геометрией. Ь/1<0,2 и 1ЛМЗД.. .0,2 где снижение осевой жесткости частично компенсируется "подкрепляющим" эффектом, вызванным кольцевыми усилиями. Высота волны такого профиля сопоставима с толщиной стенки и оболочки с ним названы пологогофрированными.

В системах газоочистки и промвентиляции всегда есть учЬст'А, работающие в условиях разрешения.и технологического перепада температур. Эти воздействия приводятся к осесимметричным нагрузкам: внешнему давлению и осевому сжатию (растяжению). Пологое гофрирование стенки обо-

и ч es к t-г

¡si ¡ta ,

но

tío

\

N

ч 425Í

\

с 60°

с

<.e

ti tt

l-i

^ ! г > I, цху

Рис. Б. Температурно-временная зависимость упругих характеристик стеклотекстолита на воздухе

у,

V,

О </

(С BS

с ees ею qv ¿/t

Ркс. 6. Прогибы гофрированных оболочек от веса конденсата

Рис. 7. Прогиба частично гофрированных оболочек

Ркс. 8. Изменение упругих характеристик стеклотекстолита с трансформированной ячейкой ткани:

1 - симметричный перекос на 30°

2 - без искажения ячейки

3 - перекос в одну сторону на 30°

Рис. 9

Структурна организаци;

КВС ОбОЛОЧК]

„точки обеспечивает повьшение как критического давления потери устойчивости', так и компенсирующей способности самой оболочки.

Проведенные исследования показали, что при разрежении внутри оболочки нагрузка потери устойчивости в зависимости от профиля гофра повышается в 8...10 раз по сравнению с гладкостенной оболочкой. При этом возможно гофрирование стенки всей оболочки, либо только части ее длины, в последнем случае предпочтительнее гофрирование средней части. Показано преимущество гофрирования перед оребрением.

Применение гофрированных элементов (полностью или частично гофрированные оболочки, комбинации гладких и гофрированных оболочек на прямолинейном участке) позволяет снизить усилия в элементах конструкций, возникающие при температурных деформациях,за счет понижения общей осевой жесткости трассы. В случае полностью гофрированного участка осевое усилие уменьшатся пропорционально уменьшению осевой жесткости, т.е. в кг раз. При относительной длине гофрированного участка е, усилия снизятся в л раз, для них получены удобные для практики соотношения:

„ - „ « _ к!'(1-П) (п)

При исследовании действия неосесиммзтричных нагрузок, каким для горизонтальной оболочки является ее частичное, заполнение, установлено, что существует область параметров, где прогибы гофрированных оболочек (Ма) меньше, чем гладких (М0), что видно из рис.6. Частичное гофрирование в этом случае более эффективно по краям оболочки (рис.7).

При частичном гофрировании показано формирование^плавного перехо- ■ да по жесткости от гладкой к гофрированной части.

Проведенные экспериментальные исследования на натурных оболочках подтвердили хорошее соответствие предлагаемых методов расчетной оценки НДС и несущей способности по устойчивости гладких и пологогофрирован-ных оболочек при кратковременном и длительном действии осесимметричньк и неосесимметричных нагрузок. В последнем случае показана необходимость учета изменения во времени жесткостной анизотропии материала и оболочки вследствии проявления межслойных сдвигов, особенно в опорных ребрах жесткости.

Криволинейные оболочки (отводы) в системах газоходов сооружений промпредприятий имеют диаметр 0.3...3 м, отношение толщины стенки Ь к радиусу поперечного сечения г составляет ЬУг=1/50...1/100, отношение радиуса кривизны продольной оси к диаметру - р/0=1...3.

При таких параметрах кривизны допущение 1+г/р*1, принятое в известных методиках для составления геометрических соотношений, может вносить значительную погрешность. Кроме того, очевидно требуется увеличить порядок приближения подлежащей определению функции при разложении ее в ряд, для чего были проведены аналитические исследования.

Результаты расчета оболочек p/D=1...3, Ф=90°, h/r=l/100 показали, что в решении достаточно принимать N=5, ' n=3 (N - число-удерживаемых в решении членов разложения неизвестной функции в тригонометрический ряд, п - число приближений по степеням параметра б=г/р). - Применение существующей методики, учитывающей только первые члены в указанных рядах, дает погрешность в опасную сторону от 207. до 15%.

Расчеты по уточненной методике и экспериментальные исследования показали, что у тонкостенных отводов при крутом загибе повышенная компенсирующая способность, которая раньше не принималась в расчет. Установлено также, что у тороидальных оболочек отводов по сравнению с отводами из секторов кроме аэродинамических преимуществ выше компенсирующая способность.

В лятой главе приведено описание и обоснование разработанных конструктивно-технологических решений, направленных на повышение несущей способности оболочек и снижение затрат.

Результаты исследований прочности' сварных соединений в зависимости от их конструкции и технологического исполнения позволили наметить основные пути повышения прочности сварных ПВХ оболочек бипластмассовых конструкций. Они предусматривают максимально возможную замену прутковых сварных швов оболочек на контактные, изменение принятой в существующей технологии последовательности операций сборки и сварки листовых заготовок, снижающее уровень остаточных напряжений, и применение эффективных комбинированных способов повышения прочности соединений.

В основу предлагаемых мероприятий заложено получение крупного объемного изделия целиком из укрупненной сварной заготовки. При этом появляется возможность готовить заготовку простым прямолинейным стыковым швом, применяя более прочную малинную сварку, при формовочном нагреве одновременно снимать остаточные сварочные напряжения, а при формовке получать сложное изделие с уменьшенным количеством сварных швов.

На основании проведенных исследований доказано, что формовка •сварных заготовок вполне возможна с вытяжой шва до 40...100Z (в зависимости от материала и метода сварки).

Разработан ряд технических решений по оборудованию для сварки нагретым инструментом/ которые позволяют повысить прочность соединений

и ее стабильность. Основное отличие контактной сварки листов от хорошо отработанной сварки труб - в незамкнутости контура шва, что вызывает их коробление и изменяющиеся сварочные напряжения. В устройствах обеспечивается качественная сварка листов, при этом реализованы: принудительная или самоочистка нагревателя, в том и^^ле профилированного; устранение вредного влияния на нагрев поверхности листа вылета нагревателя за счет рационального профиля кожуха вытяжной вентиляции от зоны сварки; минимизация технологической паузы при удалении нагревателя за счет исключения реверсирования рабочего хода сварочных столов; совмещение операций срезки грата с осадкой шва за счет регулируемого проскальзывания листов в прижимах; совмещение осадки шва с его поперечным обжатием; термомеханическая обработка шва в цикле сварки.

Для прутковой сварки нагретым газом предложено устройство с замкнутым потоком газа-теплоносителя, снижающим энергозатраты, предподог-ревом гоны сварки и прикаткой шва, что повышает его прочность.

Для снижения уровня температурных напряжений предложены мягкие вставки в защитном слое оболочки под ребрами жесткости, а также локальная теплоизоляция оболочек. В последнем случае в теплоизолированных зонах температура выше и изменяется медленнее при изменении теплового режима. Поэтому здесь быстрее протекают релаксационные, процессы, разгружая всю оболочку.

Для формирования конструкционного стеклопластикового слоя оболочек рассматриваемых конструкций наиболее целесообразна мокрая намотка стеклотканью. Известные технологические режимы рекомендуют усилие натяжения ткани в интервале 10-50% предела ее прочности на разрыв,при этом искривляются уточные нити. Намотка при таких параметрах способствует получению стеклопластика с механическими показателями в кольцевом направлении значительно большими, чем в осевом, что эффективно в конструкциях, работающих при больших внутренних или внешних давлениях.

Анализ напряженно-деформированного и предельных состояний исследуемых конструкций показывает, что газоходы и стволы труб работают в основном при поперечном изгибе, 'и не менее важными для них являются механические свойства в осевом направлении. Эти свойства при прямой намотке формируются нитями утка ткани, искривление которых ведет к существенному снижению прочности всей конструкции. «

Исходным пунктом наших предложений было значительное снижение натяжения ткани (на два порядка), т.е. намотка на мягких режимах, достоинства которых заключаются в том, что они не приводят к 'значительному искривлению уточных нитей, а , следовательно, не снижают механических

свойств стеклопластика в осевом направлении. Кроме того, применяемые в этом случае оправки просты в изготовлении, гораздо менее металлоемки. При этом, за счет комплексного подбора и регулирования всех основных технологических параметров, полученный стеклопластик имеет большую плотность и прочность, а также повышенный процент армирования.

Совместная оптимизация полученных математических моделей зависимости от технологических режимов свойств стеклопластика в направлении основы и утка ткани, позволила определить режимы, не снижающие механические свойства в осевом и кольцевом направлениях конструкции.

Прямоугольная структура ячеек армирующей стеклоткани способна к трансформации (перекосу). При этом кроме изменения направления и плотности армирования возможно простое реверсирование укладки и облегание поверхности двоякой кривизны, в частности гофрированной.

В основу разработанного нами метода намотки ткани с трансформацией ее структуры было положено требование использования только одного пропиточного устройства, простого управления анизотропией материала и простоты оформления торцов оболочки, связанной с реверсированием хода раскладчика, что особо сказывается при намотке коротких оболочек.

В разработанном нами способе короткие стеклотекстолитовые оболочки изготавливают путем периодической косой намотки стеклоткани, пропитываемой связующим, при этом ось рулона ткани остается параллельной оси оправки. Способ и разработанная для его реализации технологическая оснастка позволяют изменять в пределах, обусловленных драпировочными свойствами, структуру ткани в процессе намотки путем ускорения или замедления скорости движения оправки или раскладчика. При этом изменяются в благоприятную' сторону характеристики стеклопластика (рис.8).

Применение при намотке по разработанному методу широкой ленты с ее возвратно-поступательным движением относительно оправки накладывает некоторые технологические отпечатки на профиль сечения стенки вдоль меридиана, проявляющийся в его разнотолщинности, на который налагается изменение угла армирующих нитей ткани (рис.9).

Совместное влияние изменения жесткостной анизотропии материале стенки оболочки и ее толщины вдоль меридиана влечет за собой перераспределение усилий и деформаций под нагрузкой по сравнению с гладкой ор-тотропной оболочкой, подученной прямой намоткой. Показано, что существует область, где получаемые оболочки могут быть менее материалоемки-ми. Основное же преимущество способа-технологическое./Расчетная оценке влияния возможного изменения жесткостной анизотропии в рамках разработанного способа на компоненты напряженно-деформированного состояния

конструкций показала, что в случае относительно коротких оболочек наибольшее влияние оказывает эффект перераспределения материала по длине конструкций, при этом компоненты НДС изменяются в 1,5-2 раза. В случае относительно длинных конструкций более существенным образом сказывается эффект повышения упругих характеристик материала.

В рамках этого способа за счет трансформации ткани из плоскости решается и намотка пологогофрированных оболочек.

Препятствием к широкому применению более предпочтительной по податливости, устойчивости.и гидравлическому сопротивлению тороидальной |£ормы отводов являлось несовершенство существующих технологических решений и.отсутствие соответствующего оборудования. Поэтому разработка новых технологических решений была направлена на устранение использования специальных дорогостоящих оправок на всю длину изделия и на возможность создания непрерывной технологии, основанной на "сухом" или "мокром" методе намотки с армированием стеклолентами в продольном и окружном направлениях, для чего разработано ряд технических решений.

Принцип работы предлагаемых нами устройств для намотки оболочек основан на методе подращивания с использованием коротких секций оправки. При этом реализуется протяжка с поворотом наформованного участка (подращивание сзади) или наформовка в нужном направлении (подращивание спереди). В последнем случае принцип аналогичен переставной опалубке.

Особенностью намотки лент окружного армирования является неравномерная их укладка на криволинейную поверхность оболочки, так как при изгибе оси происходит разное наслоение намативаешх окружных лент, из-за чего на выпуклой части оболочки стенка получается тоньше, а на вогнутой - толще, что снижает качество изделий и ведет к перерасходу материала. В разработанных устройствах для обеспечения равнотолщиннос-ти реализуется перераспределение я деформация продольных лент, деформация и сканирование окружных лент. .'

Для прямых оболочек-показано, что при их диаметре более 1 и мажет быть целесообразным решение стенки в трехслойном варианте с легким заполнителем. Согласно проведенного анализа, к доступным промышленно-освоенным материалам для легкого заполнителя трехслойных оболочек в первую очередь можно отнести пластины пенополистирола и гофрокартон. Для соответствия и увязки с существующей технологией намотки оболочек с использованием стеклоткани, форма их применения наиболее просто реализуется в виде прокладок,- укладываемых между слоями пропитанной связующим ткани непосредственно во время намотки.

Для большинства конструкций типа цилиндрических оболочек требуются сопоставимые характеристики заполнителя в кольцевом и осевом направлениях. В качестве осноеы для разработки конструкции и технологи: изготовления сотового заполнителя, удовлетворяющего этому условию, принято использование высокотехнологичной поперечно-гофрированной ленты с подложкой. Для усиления в направлении поперек гофр требуется разработка специальных решений, чтобы приблизить конструкцию и работ", гофрированного заполнителя к сотовому заполнителю, для чего необходимс получить замкнутую ячейку. Одно из таких решений основано на использовании свеса подложки для образования ребра жесткости поперек гофр т.е. в кольцевом направлении оболочки. Образование кольцевого ребр; происходит за счет отгиба свеса подложки при укладке соседних витко] ленты внахлестку. Другое решение основано на дискретном подкрепленш стенки гофр перемычками, образованными из подложки путем ее локально! просечки с отгибом внутрь гофр.

Совершенствование форм применения заполнителя из пенопласта связано с определением рациональной глубины его переработки, использу: его в виде не до конца вспененных гранул, наклеенных на гибкую подлож ку (ткань). После намотки такого полотнища на оболочку монолитност: слоя заполнителя получают дополнительным вспениванием при термообра ботке оболочки.,

Предложен метод намотки подращиванием, который занимает промежу точное положение между циклическим и непрерывным способом и отличаете от непрерывного меньшим числом раскладчиков при поступательном (непре рывном или шаговом циклическом) продвижении оправки относительно раек ладчика. В этом случае при непрерывном продвижении оправки с одног раскладчика производится, спирально-винтовая намотка с шагом, значи тельно меньшим ширины ленты, так что за счет ее нахлеста за один про ход формируется полная толщина стенки. В случае же циклического пред вижения наматывается участок оболочки и после продвижения оправки стык с ним наматывается следующий учалток. В методе подращивания лент переходит из одного слоя в другой и при действии касательных напряже ний появляется сопротивление срезу слоев, которое на порядок выше, че межслойному сдвигу.

При методе подращивания может быть эффективно решено изготовлени . оболочек с легким заполнителем средних слоев.

Наиболее рациональной разрезкой негабаритной цилиндрической обо дочки на сборочные элементы является ее разрезка на сегменты, что поз Еоляет при транспортировке пакетировать их вкладыванием один в другой

Б основу предлагаемого способа изготовления сегментов с фланцевой отбортОЕКой положены мокрая намотка полотна стекловолокнистого наполнителя на оправку из спаренных сегментных форм, разрезка по стыку форм и загиб фланца на неотверкденяом изделии. Выпуклая поверхность обеспечивает плотное прилегание полотна. Для обеспечения загиба кромки (от-бортовки фланца) после разрезки заготовки должно быть обеспечено ее расслоение, для чего кромка оправки имеет Г-образный шарнирно-поворотный элемент, который при намотке образует вогнутый участок, где слои не уплотняются, ;а после разрезки при повороте Г-образкого элемента загибается и опрессовывается фланец.

На основе разработанного способа создан техпроцесс, проведены лабораторные исследования, изготовлены и испытаны фрагменты конструкций, показавшие повышенные на 25-ЗОХ механические характеристики стеклопластика по сравнению с контактным формованием. При таком изготовлении оболочек расход материалов снижается на 25Х, а трудозатраты - в 8 раз.

В шсаяой глг?,? приводятся сведения о практическом использовании результатов исследований.

При разработке нормативной базы на проектирование использованы полученные данные о свойствах материалов и соединений, а также их тем-пературно-временных зависимостях.

Целесообразны},! видится путь установления не одного, а нескольких уровней гарантии качества конструкций, 'назначаемых исходя из ответственности и условий эксплуатации последних. При этом эксплуатационные факторы были проклассифицированы по степени и характеру воздействия на конструкции. Самый нижний уровень качества целесообразно положить соответствующим достигнутому в настоящее время. Высший - требованиям действующей нормативной'документации на проектирование. Уровень качества конструкций ыокно характеризовать сортами: первым, зторым и третьим. Кагдое производство не реже одного раза в год должно быть аттестовано исходя из оснащенности, технологической дисциплины и свойств конечной продукции. Проектирование по третьему сорту означает повышенную материалоемкость и ограниченную область возможных условий эксплуатации; по-первому - снижение материалоемкости при увеличении трудоемкости изготовления и широкую область возможного применения. В каждом конкретном случае можно выбрать наиболее выгодное реаение. «

Наряду со свойства1.® исходных материалов и полуфабрикатов- на свойства конечной продукции оказывает значительное влияние ; технология их переработки. Поэтому гарантии того или иного уровня Свойств в первую очередь определяются соответствующим набором и уровнем технологи-

ческих операций. На основе обобщения опыта работы подразделений All "Востокхимзащита" и результатов исследований, проведенных в ЧГТУ в последнее время, выделены необходимые и достаточные наборы технологических операций, обеспечивающие три уровня гарантии свойств конструкционного слоя.

В нормативную базу по проектированию вошли также предложенные методы расчета конструкций и унифицированные по результатам исследований рекомендации.

Результаты исследований наши отражение в разработанных рабочих технологических регламентах, а также в ведомственных строительных нормах ВСН 214-82/ШСС СССР и ВСЯ 214-89ДШСС СССР. В этих нормах в инструкции 13 по изготовлению аппаратуры, труб и газоходов из бипластмасс реализованы предложенные нами принципы технологии и контроля качества, а также рекомендованы разработанные технологические режимы. Поскольку для рассматриваемых оболочек определяющими могут быть контатаые нагрузки, разработаны инструкция по расчету на эти нагрузки, а также правила транспортировки, складирования и монтажа.

При разработке оборудования и создании производственных участков по изготовлению и монтажу конструкций использованы разработанные принципа, технические решения и рабочие чертеки.. Среди них:штамповка сварных заготоаок, установки для сварка термопластовых листов и формовки из них оболочек, намоточные установки, технологическая оснастка, в т.ч. ряд конструкций оправок. '

В прадзжшжг дакы определенные в результате исследований нормированные характеристик материалов и соединений, некоторые из документов по вкедреяк-з результатов исследований и некоторые из примеров 'реализации разработок в объектах и технологии.

о с я с в я si е s a s о д к *

1. В сооружениях промпредприяткй ряд конструкций, по функциональным требованиям представляющих из себя в оснозном крупногабаритные цилиндрические ободочки прямые и с изогнутой осью, работают в высокоаг-рессхшных средах. Кардинальный путь повышения их надежности и енккения трудоемкости строительных работ - выполнение из полимерных материалов, при этом на передний план выдвигается обеспечение их химстойкости и механической надежности.' Это предопределяет в большинстве слоистую со стеклопластиком структуру стенки, при изготовлении в условиях мелкосерийного производства - преимущественное использование для -защитного

слоя термопластовых листов, а для конструкционного - стеклотканей. Снижение материалоемкости, повышение надежности этих конструкций и совершенствование технологии их изготовления является актуальной проблемой научной разработки.-

2. Из характера нагрузок, воздействий, степени их управляемости я особенностей проявления свойств материалов, в жизненном цикле конструкции целесообразно выделить доэксплуатационный (стадия строительства), пусконаладочный и эксплуатационный периоды, для них уточнены возможные виды предельных состояний. Несущая/способность конструкции в доэксплуатационный период определяется в основном прочностью защитного хнестойкого слоя, а при эксплуатации - устойчивостью и деформациями конструкции, формируемыми конструкционным слоем стеклопластика. В соответствии с анализом работы конструкций наиболее важными для материала и соединений защитного слоя являются его характеристики при растяжении, а для конструкционного стеклопласт«нового слоя - при изгибе.

3. В результате проведенных исследований определены кратковременные и длительные прочностные и деформационные характеристики материалов и их соединений, применительно к общепринятому з строительстве методу предельных состояний занормированы показатели механических свойств, а также их температурно-временные зависимости с коррекцией для практического использования.

•4. Для учета памяти материала об истории терксмеханического воздействия разработаны модифицированные структурные модели. Установленные закономерности поведения бшлзсгмассових оболочек при тепловом воздействии позволили предложить расчетные модели и усовершенствовать методику расчета оболочек на нестационарные воздействия. Предложен ряд технических и организационных - решений, реализации которых снижает уровень температурных напряжений в конструкциях. К их числу относятся выбор параметров слоев стенка, мягкие вставки под ребрами жесткости, локальная теплоизоляция, ограничения по эксплуатации.

5. Установлено, что причинами доэксплуатацконного разрушения бип-ластмассовых оболочек являются низкая прочность сварных швов термопластового слоя, а также высокий уровень остаточных технологических и температурных напряжений. На основе выполненных исследовании обоснованы пути повышения прочности термопластовых оболочек конструкций, состоящие в переходе к новому конструктивному оформлению и технологическому исполнению соединений листов посредством механизированной контактной и газовой сварки с минимизацией протяженности сварных швов, применением эффективных комбинированных способов повышения их прочное-

ти и обеспечением снижения уровня технологических напряжений. Разработаны конструктивные решения основных устройств для новой технологи! изготовления • термопластовых оболочек бипластмассовых конструкций, реализующие эффекты профилирования нагревателя, термической и термомеханической обработки сварных соединений, что, повышает их прочность.

6. Установлен двухстадийный характер ползучести стеклотекстолит; при поперечном изгибе: сначала - преимущественно межслойная, затем -от нормальных напряжений. Это во многом определяет изменение жесткост-ной анизотропии конструкций при длительном нагружении, отраагающейся п< разному на ее НДС при осесимметричных и неосесимметричных нагрузках Дана методика учета этого явления.

7. Обоснована методика оценки длительной устойчивости по мгновен-ноупругим характеристикам материала, а не по длительным. При этом исходное на момент проверки устойчивости НДС определяется с учетом неоднородности нагружения и ползучести материала. Это позволило при проек •гировании полнее использовать резервы устойчивости конструкции.

8. Обоснована область малых параметров гофрирования цилиндрических оболочек (пологое гофрирование), эффективных для их устойчивост: под разрежением, податливости в осевом направлении при компенсаци тепловых деформаций и снижения общих деформаций при неосесимметричны; нагрузках. Предложена расчетная модель определения коэффициентов коне трукционной анизотропии оболочек с пологим гофрированием, что дае возможность использовать для них аппарат расчета гладких оболочек. •

9. Предложены и реализованы методы технологического регулировани. анизотропии конструкционного слоя оболочки при намотке стеклотканям: за счет изменения искривленности нити и перекоса прямоугольной струк •туры ячеек. В результате обоснованы применение "мягких" режимов намотки и возможность повышения характеристик материала по нужным направле ниям. Разработанный способ намотки с трансформацией структуры ткан позволяет эффективно решать изготовление коротких оболочек, в т.ч." по логогефрированных. •' .

10. Экспериментально-теоретические исследования НДС оболочек ломаной и криволинейной осью (отводов), позволили выявить их повышенну податливость, которая не учитывалась. Предложенные уточнения методик их расчета вскрывают неиспользуемые резервы самокомпенсации тепловы. деформаций трассы,' включающей такие оболочки. Для изготовления боле эффективных тороидальных оболочек предложен ряд технических решений основанных на "сухой" и "мокрой" намотке, позволяющих реализовать пре имущество таких оболочек.

11. Разработан ряд вариантов конструктивно - технологических ре-пений оболочек трехслойной структуры с легким заполнителем, а также азготовления сборных оболочек, отличающихся' технологичностью и низкой материалоемкостью. Разработаны и обоснованы технические решения по изготовлению оболочек методом подращивания, при котором повышается сопротивление стенки межслойному сдвигу.

12. На основе проведенных комплексных исследований создана нормативная база проектирования и изготовления конструкций из слоисты?; пластиков, по которой запроектированы, изготовлены и введены в эксплуатацию значительное количество конструкций сооружений аромпредприятий, показавших свою эффективность при работе в высокоагрессивных средах. Разработанные технические и технологические решения защищены более чем 50-ю авторски,ж свидетельствами и патентами. Исследованиям и разработкам, положенным в основу диссертации, в 1988 г. присуждена Премия Совета Министров СССР.

Основные положения диссертации опубликованы в работах

1. Асташкин В.М. Принципы проектирования и расчета конструкций из бипластмасс типа термопласт-стеклопластик // Реферативная информация о передовом опыте (ШСС СССР). Серия IV.Техника защиты от коррозии. -1974.- të 5(92). - С. 9-12.

2. Асташкин В.М., Иванов С.Г., Мосолов Ю.А. Исследование механических свойств стеклопластиков при кратковременном и длительном действии статических нагрузок //' Реф. инф. о передовом опыте (ШСС СССР). Серия IV. Техника защиты от коррозии. - 1975. - №3(98). - С. 15-17.

3. Астзлкин В.М. Формуемость сварных заготовок из листовых термопластов // Прочность и деформативность древесных и полимерных материалов, соединений элементов и конструкций с их применением: Труды

mcií }¿ ios. - м. : шж, 1974. - с. sa-ios.

4. Асташкин В.М. • Применение бипластмасс взамен металла в промышленности и строитёльстзе // Сварочное производство.-1977.-№9.-С.38-39.

5. Асташкин 8.И., Изакоз С.Г., Кувшинов Н.С. Основы расчета элементов конструкций из бипластмасс типа термопласт-стеклопластик // Известия вузов. Строительство и архитектура. - 1977. - Ш 7. чС. 24-28.

6. Асташкин В.М., Кувшинов Н.С. Инженерный метод определения температурных напряжений в элементах конструкт™ из бипластмасс типа термопласт-стеклопластик //Металлические конструкции: Сб. научных трудов № 193. - Челябинск: ЧПИ, 1977. - С. 23-30.

7. Руководство по проектированию, расчету и методам контроля газоходов и ванн из бипластмасс / Асташкин В.М., Иванов С.Г., Кувшино! Н.С. и др. - и.: ЕБНТИ ШСС СССР, 1979. - 122 С.

8. Кувшинов Н.С., Асташкин В.М. Некоторые особенности расчета цилиндрических и прямоугольных газоходов из бипластмасс на тепловое воз-действие//Изв. вузов. Стр-во и архитектура.- 1980.- № 4.- С. 14-18.

9. Лмхолетов В.В., Овладеев В.М., Асташкин В.М. Определение оптимальных режимов контактной сварки винипласта и органического стекла // Сварочное производство. - 1980. - ^ 10. - С. 28-30.

10. Кувшинов Н.С., Асташкин В.М. Применение поляризационно-оптического метода для исследования температурных напряжений в газохода* из бипластмасс типа винипласт-стеклопластик // Известия вузов. Строительство и архитектура. - 1980. - 15 11. - С. 139-142.11. Асташкин В.М., Иванов С.Г. Механизированное изготовление цилиндрических бипдастмассозых обечаек методом намотки // Монтажные у спец. строительные работы. Серия: Противокоррозионные работы в строительстве. эксп.-инф. ЦБНТИ ШСС СССР. - 1983. - Вып.2. - С. 21-25.

12. Асташкин В.М. Нелинейность материала в работе конструкций из пластмасс при силовом воздействии,// Исследования по строительной механике и строительным конструкциям. - Челябинск: ЧПИ, 1983. - С.71-77.

13. Асташкин В.М., Терещук С.В. Пологогофрирозанкые оболочки иь стеклопластика в системах газоочистки промышленных предприятий // Монтажные и спец.строительные работы. Серия: Противокоррозионные работы г строительстве. Зкспресс-инф. ЦБНТИ ШСС СССР.- 1983, вып.6, С.19-22.

14. Лихолетов В.В., Асташкин В.М. Остаточные напряжения сварных виншластовых оболочек бипластмассовьк гаэоходоз // Облегченные конструкции из древесины, фанеры и пластмасс: Межвузовский сборник трудов. - Л.: ДИСИ, 1984, - С. 82-89.

15. Асташкин В.М., Лихолетов В.В. Формирование остаточных напряжений в пластмассовых элементах конструкций при теплосменах- в условиях стесненной деформации // Известия вузов. Строительство и архитектура. -1985. - и 10. - С. 188-131.

16. Пазущан в.А., Астаякин В.М. Учет деформационных характеристик при проектировании горизонтальных газоходов ив стеклопластика // Монтажные и спец.строит.работы. Серия: Антикоррозионные работы в строительстве. Зкспресс-инф. ЦБНТИ ШСС СССР. - 1985. - ВЫП.6. - С. 22-25.

17. Пазущан В.А., Асташкин В.М. Особенности напряженно-деформированного состояния горизонтальной цилиндрической оболочки ие стеклотекстолита, частично заполненной адкостью и опертой па концам // Ые-

годы расчета конструкций из дерева, фанеры и пластмасс: Межвузозский гем.сб.трудов.' - Л.: ЛИСИ, 1985. - С. 46-51.

18. Асташкин B.Î.Î., Лихолетов В.В. Пути совершенствования технологии изготовления бипластмассовых газоходов систем газоочистки пром. тредприятий и повышения их прочности // Технология и оборудование для зварки и склеивания пластмассовых труб в системах газоснабжения. - Ки-зв: ЙЭС им.Е.О.Патона, 1985. - С. 67-76.

19. Газоходы из пластмасс и характер их работы в системах газоо-шстки промпредприятий / Асташкин В.М., Лихолетов В.В. .Пазущан î.A.,Терещук C.B. // Исследования по строительной механике и строительным конструкциям. - Челябинск: ЧПИ, 1985. - С. 97-105.

20. Асташкин В.М., Пуц И.И. Цилиндрические оболочки из стеклопластика, изготовленные намоткой с перекосом ячеек ее прямоугольной структуры // Мезкотр.н-т.сб. : Техника,экономика,икф..Серия: Конструкции лз композиционных материалов. - М., 1986. - Вып.1. - С. 57-61.

21. Асташкин В.М. Современное состояние технологии и инженерных методов расчета бипластмассовых конструкций//5кспресс-инф.ЦБНТИ f/MCC СССР. Серия: Антикоррозионные работы в стр-ве.- 1987.- К 2.- С. 31-35.

22. Асташкин В.М., Азарова Л.А. Особенности самокомпенсации температурных деформаций в системах тонкостенных пластмассовых трубопроводов с искривленной трассой // Эксп.-инф. Монт. и спец. стр. работы. Серия: Антикоррозионные работы з строительстве.- 1988.-Вып.5.-С.10-19.

23. Асташкин В.М. Применение коррозионно-стойк'лх конструкций и изделий из полимерных материалов в условиях строительства // Моитаяные и специальные строительные работы. Серия: Антикоррозионные работы з строительстве. - М. : ЦБНТИ KSMCC СССР, 1989. - Вып.2. - С. 1-32.

24. Асташкин В.М., Пазущан В.А., Степанов Ю.А. Регулирование напряженного состояния защемленного по концам пластмассового стержня путем локального теплового воздействия.-Деп. в ВКИИНТПИ, 1989,,'510437. -13 с.

25. Асташкин В.М., Пазущан В.А. Рационально-ортотропные оболочеч-ные конструкции из армированных композиционных материалов. - Деп. в ВНЙЙНТЛИ, 1989. - fi 10436. - 9 С.

26. Асташкин В.М. Конструктивно-технологические решения, особенности работы и опыт применения коррозионно-стойких конструкций из слоистых пластиков // Проблемы проектирования конструкций: Сб.кр.ссобщ.IV Ур.семинара. - Миасс: Изд.Ур.отд. АН СССР, 1991. - С.61-65.

27. Асташкин В.М., Пазущан В.А. Обеспечение качества конструкций из слоистых пластиков // Экспресс-инф. ЦБНТИ ММСС СССР. Серия: Антикоррозионные работы в строительстве. - 1991. - № 3. - С. 1-8.

28. Асташкин В.M., Терещук C.B. Методы описания напряженного сос тояния конструкций из слоистых пластиков при осесимметричном перемен ном тепловом воздействии // Исследования по строительным материалам конструкциям и механике: Сб.н.тр. - Челябинск: ЧГТУ, 1991. - С. 21-26

29. Моделирование , реологических свойств полимеров на основ структурной модели среды / Асташкин В.М.,Ершов А.Л., Пазущан В.А., Ca даков О.С. // Известия ВУЗов. Строительство. - 1995, - té 11.- С.48-53

30. Способ контроля диэлектрических материалов: A.c. 347547 СССР МКИ G Oln 27/00 / Асташкин В.М., Маклаков В.Н. - 1972, Бюл. № 24.

31. Способ контроля герметичности полимерных многослойных матери алов в процессе их изготовления: A.c. 840724 СССР: МКИ3 6 01 N 27/02 Асташкин В.М., Кувшинов Н.С. -1981, Бюл. № 23.

32. Пропиточное устройство: A.c. 927537 СССР: МКИ3 В 29 G 7/00 Асташкин В.М., Мельник Н.Й., Кувшинов Н.С. и др. -1982, Бюл. И 18.

33. Способ изготовления коротких стеклопластиковых оболочек устройство для его осуществления: A.c. 1243283 СССР: МКИ4 В 29 С 53/6 / Асташкин В.М., Пуц И.И., Пазущан В.А. и др. -1986, Еюл. M 26.

34. Устройство для непрерывного изготовления криволинейных тру из композиционных материалов: Патент 1478553 РФ: МКИ4 В 29 С 53/70 / Асташкин В.М. -1994, Бюл. № 2.

35. Устройство для контактной сварки термопластов: 'A.c. 152501 СССР: МКИ4 В 29 С 65/18 / Асташкин В.М. -1989, Бюл. të 44:, патент РФ 12.01.93..

36. Трубопровод: A.c. 1643S50 СССР: МКИ5 F 16 L 51/00 / Асташки В.М., Степанов Ю.А., Рыжков А.Ю. -1991,Бюл. U 15: патент РФ с 16.08.9

37. Устройство для контактной стыковой сварки деталей'из термол ластов.: A.c. 1713829 СССР: МКИ5 В 29 С 65/18 / Асташкин В.М. .-1992 Бюл. № 7: патент РФ с 12.01.93.

38. Слоистая цилиндрическая оболочка и способ ее изготовления Патент 1751939 РФ: МКИ5 В 32 В 1/08 / Асташкин В.М., Селиванова Г.И. Ярыгина М.И. -1994, Еюл. № 8.

39. Способ изготовления выпуклых изделий из стеклопластика и уст ройство для его осуществления: Патент 2051037 РФ: МКИ5 В 29 С 43/20 Асташкин В.М., Пазущан В.А., Асташкин М.В. -1995, Бюл. té 36.

40. Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Glasfaserkunst Stoffhullen: Offenlegungsschrift 3929473 Bundesrepublik Deutschland МКИ5 В 29 С 53/42 / Асташкин В.М., Пуц И.И., Пазущан В.А. и др. - За явлено 05.09.89; опубл. 07.03.91.-13 с.