Патент на изобретение №2187747

(54) БАЛЛОН ДАВЛЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

(57) Реферат:

Баллон давления из композиционного материала содержит цельномотанную оболочку. В ее полюсных отверстиях установлены металлические фланцы, каждый из которых имеет хвостовик. Опорная поверхность хвостовика выполнена криволинейно-вогнутой. Ее образующая удовлетворяет условию где – угол между осью фланца и касательной к образующей опорной поверхности хвостовика в точке с радиусом r в радианах; r – радиус точки образующей опорной поверхности (r₀rb); r₀ – радиус полюсного отверстия; b – радиус вершины хвостовика фланца; – угол разворота хвостовика фланца при давлении в радианах; – относительная кольцевая деформация пластика в полюсном отверстии при давлении; _b – угол между осью фланца и касательной к днищу в вершине хвостовика в радианах. Использование изобретения позволит снизить массу баллона давления. 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к баллонам давления, изготовляемым из композиционного материала, и может быть использовано при создании твердотопливных двигателей ракет, в химическом машиностроении, а также в других отраслях промышленности.

Из патентной литературы широко известны конструкции цельномотанных пластиковых баллонов давления из композиционных материалов, содержащих пластиковую оболочку и установленные в полюсных отверстиях металлические фланцы. См., например, а.с. СССР SU 1089344.

Известно техническое решение по патенту РФ 2037735, кл. F 17 C 1/00, 92 г. , выбранное за прототип. Фланец содержит опорный хвостовик, который упирается в пластик силовой оболочки, и узел стыковки, к которому присоединяются другие элементы конструкции, например крышка.

К недостаткам данных баллонов относится повышенный уровень напряженно-деформированного состояния (НДС) пластиковой оболочки в зонах полюсных отверстий от неравномерного контактного давления со стороны хвостовика фланца, что снижает несущую способность баллона. Разрушение баллонов в значительном количестве случаев происходит по пластиковой оболочке в зонах полюсных отверстий. Поэтому при расчетах оболочки этот эффект учитывается введением в расчетные формулы коэффициента концентрации напряжений, составляющего величину 1,1-1,2. Для компенсации снижения несущей способности оболочки наматываются дополнительные слои пластика, что приводит к увеличению толщины пластика на 15-20% и соответствующему увеличению массы баллона.

Основной причиной неравномерности контактного давления между пластиком и хвостовиком фланца является смещение пластика вдоль образующей хвостовика за счет увеличения диаметра полюсного отверстия при нагружении давлением и одновременный поворот хвостовика фланца (вершина хвостовика перемещается от пластика внутрь оболочки), что приводит к несоответствию контактных поверхностей хвостовика фланца и пластика со значительным увеличением контактного давления на краю полюсного отверстия пластика.

Технической задачей является снижение массы баллона давления путем исключения неравномерности контактного давления по границе хвостовик фланца-пластик за счет полного совпадения контактных поверхностей хвостовика фланца и пластика в нагруженном состоянии.

Технический результат достигается тем, что опорная поверхность хвостовика фланца выполнена криволинейно-вогнутой. При этом соответствие контактных поверхностей достигается автоматически при соответствующем выборе профиля контактной поверхности хвостовика фланца в ненагруженном состоянии.

На фиг. 1 представлена известная конструкция баллона давления в зоне расположения фланца. Хвостовик фланца 1 упирается в контактирующий с ним пластик композиционной оболочки 2. Штриховой линией показаны контуры фланца и пластика при нагружении баллона давлением. При этом за счет деформации пластика 2 радиус полюсного отверстия (начальное значение r₀) увеличивается на величину u. В то же время хвостовик фланца 1 разворачивается на угол , при этом вершина хвостовика с радиусом b смещается внутрь баллона. Углы наклона контактных поверхностей хвостовика фланца _фл и пластика _пл, расположенные на одном и том же радиусе r, не совпадают, что приводит к значительной неравномерности контактного давления и преждевременному разрушению конструкции.

Известно, что в равнопрочной оболочке при нагружении давлением относительные деформации () в меридиональном и кольцевом направлениях равны между собой и постоянны по профилю днища (Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В. А. “Оптимальное проектирование оболочек вращения из композиционных материалов”, М., “Машиностроение”, 1977).

Радиальное смещение точки профиля с радиусом r может быть представлено в виде
u = r (1)
Угол между касательной к образующей контактной поверхности хвостовика фланца (начальное значение угла (r)) и осью баллона после разворота хвостовика на угол при нагружении давлением p будет иметь величину
_фл(r) = (r)-
Учитывая, что форма равнопрочного днища оболочки при действии давления подобна начальной (Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. “Оптимальное проектирование оболочек вращения из композиционных материалов”, М. , “Машиностроение”, 1977), угол между образующей контактной поверхности пластика и осью баллона в нагруженном состоянии _пл(r) равен углу той же точки до смещения пластика на величину u
_пл(r) = (r-u).
Условие совпадения контактных поверхностей заключается в равенстве углов образующих контактных поверхностей фланца и пластика в рабочем состоянии
(r-u) = (r)-
Решением данного уравнения с учетом выражения (1) является функция зависимости угла между образующей контактной поверхности пластика и осью баллона в ненагруженном состоянии:

где _b – угол между образующей контактной поверхности пластика и осью баллона в вершине хвостовика фланца.

Учитывая, что деформации пластика малы (<<1), то

Из формулы видно, что угол между образующей контактной поверхности пластика и осью баллона в ненагруженном состоянии увеличивается от полюсного отверстия к вершине хвостовика фланца, то есть начальная контактная поверхность хвостовика является вогнутой.

На фиг.2 представлена конструкция узла с предлагаемым профилем хвостовика фланца 3. При этом видно, что начально совпадающие контактные поверхности хвостовика 3 и пластика 4 также совпадают и при нагружении баллона давлением. Угол в формуле (2) не зависит от величины давления в баллоне, так как угол разворота хвостовика фланца и деформация пластика линейно зависят от давления. Поэтому образующая хвостовика фланца 3, выполненная в соответствии с формулой (2), обеспечит соответствие контактных поверхностей хвостовика фланца 3 и пластика 4 при любой величине допустимого давления в баллоне.

Данное изобретение позволяет снизить массу баллона давления и повысить надежность его работы.

Формула изобретения

Баллон давления из композиционного материала, содержащий цельномотанную оболочку, в полюсных отверстиях которой установлены металлические фланцы, имеющие хвостовик, на который уложен пластик оболочки, отличающийся тем, что опорная поверхность хвостовика выполнена криволинейно-вогнутой, образующая которой удовлетворяет условию

где – угол между осью фланца и касательной к образующей опорной поверхности хвостовика в точке с радиусом r в радианах;
r – радиус точки образующей опорной поверхности (r₀rb);
r₀ – радиус полюсного отверстия;
b – радиус вершины хвостовика фланца;
– угол разворота хвостовика фланца при давлении в радианах;
– относительная кольцевая деформация пластика в полюсном отверстии при давлении;
_b – угол между осью фланца и касательной к днищу в вершине хвостовика в радианах.

РИСУНКИ