Сосуды, изготовленные намоткой волокна кевлар-49, представ­ляют собой обычные цилиндры или сферы, футерованные рези­ной, тонкой полимерной пленкой или листовым металлом [28— 33]. Сосуды, полученные намоткой из волокна кевлар, должны выдерживать большие взрывные нагрузки. Для расчетов исполь­зуют параметр, определяющий свойства таких сосудов: PBV/WK, где Рв — давление взрыва; V — объем резервуара; WK — общая масса конструкции или композита.

Совместными усилиями Льюисовского исследовательского центра НАСА и Ливерморской лаборатории им. Лоренса было исследовано влияние изменения отношения длины к диа­метру (L/D), прилива к диаметру (d/D) и формы торца сосуда (контура купола) на формоустойчивость резервуара диаметром 102 мм на основе волокна кевлар-49 и эпоксидной композиции [51. Разработаны следующие типы цилиндрических моделей, получен­ных намоткой:

Соотношение L/D, равное 1,37; 2,0; 3,0, для цилиндрической намотки;

Соотношение L/D= 1,37 и d/D, равное 0,104; 0,166 и 0,234, для цилиндрической намотки;

Для винтовой намотки модель с полусферическими торцами; соотношение d/D = 0,104 с наличием цилиндрической части дли­ной 76 мм.

Все модели были намотаны на станках с числовым программ­ным управлением. Волокно импрегнировалось эпоксидным свя­зующим в узле вакуумной пропитки (давление 670 Па) и после прохождения формующего канала толщиной 0,25 мм наматыва­лось на оправку размывного типа.

13°	9°	5° 15'	7° 30'	10°	7° 30'	5° 66'
Пл	Пл	Пл	Пл	Пл	Г	Пс
0,935/4 0,935/4 0,935/4 0,415/4 0,665/4 0,415/5 0,415/5
5,4/4	8,0/4	12/4	5,5/4	5,5/4	5,5/4	5,5/4
44,8	66,2	97,6	45,3	46,4	45,2	50,8
3,0	1,9	3,0	3,5	2,5	1,4	2,3
15	10	8	10	10	10	10
949	1420	2200	926	928	939	1120
0,3	0,3	0,2	0,2	0,5	0,2	0,2
72	10	7	9	9	9	9
67,8	66,7	69,1	68,0	66,7	65,9	66,3
5,0	3,6	3,2	3,4	2,4	1,7	3,0
15	10	8	10	10	10	10
1375	1377	1382	1382	1386	1372	1382
0,83	0,83	0,81	0,81	0,81	0,81	0,82
0,35	0,35	0,31	0,33	0,32	0,30	0,34
0,49	0,48	0,49	0,49	0,52	0,51	0,47

Испытание моделей осуществляют методом однократного ги­дравлического удара (после аппаратурной заделки фланцев мо­дели) с определением поперечных и продольных деформаций. Результаты исследований приведены в табл. 12.19 [26]. В столб­цах 1—3 показано влияние изменения соотношений LID. Выше значений LID = 3,0 улучшения прочностных характеристик не наблюдается. Влияние масштабного фактора d/D при намотке моделей показано в табл. 12.19 (столбцы 1—4 и 5). Результаты показывают, что не наблюдается различий больших чем 10 ... 23 % для изученного диапазона соотношений d/D. Влияние формы купола на величину PaV/Wк отражено в столбцах 4, 6 и 7 табл. 12.19. Наилучшие характеристики показывают модели сосудов, полученные винтовой намоткой. Модели с полусфериче­скими торцами оказываются наихудшими.

12.19. Результаты испытаний сосудов высокого давления диаметром 102 мм, изготовленных из гуммироваииого КВМ иа основе волокна кевлар-49 и эпоксисвязующего Параметр Кон - троль1 L/D D/D Контур свода ' 1 2 3 4 Б 6 7 Конструкция: угол намотки 9 контур свода d/D L/D Масса композита WK, г

Св. %

Коб

Объем сосуда, V, см3

Св, %

К об Кв. о, % Св, %

Р при 22 °С, кг/м3 Толщина, мм: сосуда

Продольных слоев кольцевых слоев

Параметр	Кон­троль1	L/D	D/D	Контур свода
1	2	3	4	5	6	7

Среднее разрушающее 18 600 17 700 17 200 18 500 19 100 17 100 6070 давление 1 Р, кПа

95 %-ная довери - 330 860 I 850 340 410 710 330

Тельная вероят­ность

Св> % 3,9 6,3 8,7 2,4 2,6 5,4 7,1

N об 21 9 5 9 8 9 9

Мода разрушения 2 17Н+ 8Н+ ЗН+ 9Н 7Н+ 5Н+ Н, +4Ф +2К +2К +1К +4К эква­

Тор

Модуль упругости композита, ГПа;

£пр 33 34 36 35 35 35 35

£Кольц 57 54 59 58 58 57 52

Деформация при раз­рыве, %: ' епр 1,68 1,60 1,45 1,66 1,68 1,52 0,54 еК0ЛЬц 1,98 2,00 1,84 1,96 2,02 1,88 0,72 Средняя характери - 390 380 382 380 882 - 358 362 етика сосуда PU/U7K, кПа-м3/кг

95 %-ная довери - 12 20 35 10 15 15 20

Тельная вероят­ность

Св, % 4,8 7,3 7,4 3,3 4,8 5,0 15,9

N об 13 9 5 9 8 9 9

Расчетная (реализо - 2940 2890 2870 2990 3050 2260 903 ванная) прочность волокна в кольцевых слоях, кПа

95 %-ная довери - 50 70 300 50 60 110 40

Тельная вероят­ность

Св> % 3,8 3,0 8,7 2,4 2,6 5,4 5,8

No6 21 8 5 9 8 9 9

1 Испытания проводились при температуре окружающей среды при ско­рости подъема давления внутри сосуда 0,12 кПа/с.

І Локализация разрушения: Н — кольцо; К — цапфа; Ф — фитинг. На­пример, 2Н+1К — среднее разрушение двух сосудов по кольцу и одного по цапфе.

Исследования, проведенные в Ливерморской лаборатории им. Лоуренса, показали, что испытания композиционных мате­риалов в модельных сосудах под давлением осуществляются в условиях реализации в волокнах разрывных напряжений ~310 МПа. Это существенно больше, чем при любых других ви­дах испытаний. Высокие прочностные свойства в сочетании с ма­лой плотностью КВМ на основе волокон кевлар-49 делают их незаменимыми материалами для резервуароЁ, работающих под давлением. Выбор параметров намотки и процесса производства (натяжение при намотке, режимы намотки и отверждения, вид связующего и т. д.) определяет качество изделия и дает возмож­ность достаточно полно реализовать свойства волокна кевлар в намоточных моделях. Существует возможность оптимизации процесса намотки лентой из нитей при отношении d/D в куполе модели менее чем 0,1; L/D менее чем 3,0 и при усилении мест со­единений. Это повышает технические характеристики при произ­водстве закрытых емкостей примерно на 10 %.

12.3.4.2. Влияние давления прессования и вида эпоксидных связующих на свойства сосудов

Как видно в табл. 12.20 [28], где при каждой скорости прес­сования испытывали шесть сосудов, не существует явных различий в свойствах сосудов высокого давления из КВМ, полученных даже при десятикратном варьировании скоростей прессования.

В то же время, данные, приведенные в табл. 12.21—12.23 (см. также табл. 12.14) [13], свидетельствуют о том, что применяе­мые связующие существенно влияют на свойства формуемых со-

12.20. Влияние скорости прессования на характеристики сосудов из КВМ на основе волокна кевлар-49 н эпокснсвязующнх Параметр Скорость прессования 287 кПа 2870 кПа Среднее разрушающее давление кПа 16 400 16 700 95 %-ная доверительная вероятность 930 930 Св, % 5,6 5,6 Масса композита г 43,3 43,1 Средняя характеристика сосуда PVlWK, кПа-м3/кг 368 360 95 %-ная доверительная вероятность 22 22 Св, % 6,1 6,0 Объемная доля волокна V,, 0, % 68,4 68,4 Св, % 4,0 2,1 Средняя прочность при разрушении поперек воло - 2720 2680 кон 2, МПа 95 %-ная доверительная вероятность 160 160 Св, % 5,5 5,7

12.21. Характеристика сосудов нз КВМ на основе волокна кевлар-49 н контрольных эпокснстем

Свойства	Эпоксидная система и группа образцов
	1	I	2	2	3 [38]

Компоненты	ERL 2256/ ERL	2256/	ERL	2258/	ERL	2258/	Епон
	Тонокс	Тонокс	ZZL	0820	ZZL	0820	MiRDI
	60-40	60-40					Тонокс
								60-40
Цикл гелеобразова­	2/50	16/50	16/50	2/90	4/60
Иия, ч/К
Цикл отверждения, Ч/к	3/150	2/94+3/150	3/163	3/150	3/120
Данные КВМ сосуда 3	I	I	II	I	II	I	II	I
Число образцов [39]	4	4	4	4	4	4	4	4
Масса волокна г	30,4	31,8	31,7	32,0	30,5	32,0	31,7	30,5
Масса композита U7K,	43,0	46,0	45,6	44,3	42,7	45,4	45,9	42,7
Г Объемная доля во­	66,5	65,1	65,5	68,1	67,3	66,5	64,9	66,1
Локна VB, 0, %
Разрушающее давле­	16,2	19,4	18,1	15,6	15,9	17,7	17,8	16,5
Ние Р р, МПа
Коэффициент вариа-	1,1	2,6	2,9	6,7	4,4	1,5	1,1	1,9

Характеристика сосудов [40]

Характеристика во - 522±9 575±22 492±6 543±6 534±9 локна PV/WB, кПа

Коэффициент вариа - 1,1 4,5 6,4 1,4 2,0

Ции Св, %

Характеристика ком - 368±9 399±13 353±18 379±3 380±5 позита, Р V/WK, кПа • м3/кг

Коэффициент варна - 1,6 3,9 5,6 1,0 1,7

Ции С в, %

Средняя расчетная 1974 2286 1920 2164 2091

Прочность во локна по кольцу, МПа

12.22. Характеристика сосудов, полученных намоткой из волокна кевлар-49 и эпоксисистем со средним временем жизнеспособности

Эпоксидная система н группа образцов

Свойства

Компоненты

Э

Икл гелеобразования, К

Цикл отверждения, ч/К

Данные КВМ сосуда1

Число образцов 2 Масса волокна г Масса композита WK, г Объемная доля волокна Кв. о. %

Разрушающее давление Рр, МПа

Коэффициент вариации Св, %

Характеристика сосудов 3

Характеристика волок­на PV/WB, кПа-м3/кг Коэффициент вариации

Св, %

Характеристика компо­зита PV/WK, кПа-м3/кг Коэффициент вариации

Св, %

Расчетная прочность во­локна в кольцевом слое

XD imlERL 4206/Тонокс 60-40

4,0/60

XD 7575/02/ XD 7818/ ERL 4206/ Тонокс 60-40 4,5/60 3/120

XD 7575/02/ XD 7818 XD 7114 Тонокс 60-40 16/60 4/120

3/120

Объем каждого сосуда равнялся 9,75-Ю~4 м3.

Было изготовлено две группы по четыре сосуда в каждой из волокон, взятых из различных шпуль в различное время.

Допуски объема выбраны для 95 %-ной доверительной вероятности.

12.23. Характеристика сосудов, изготовленных намоткой из волокна кевлар-49 н эпоксисистем с большой «жизнеспособностью»

Цикл гелеобразова­иия, ч/К

S

HKJI отверждения,

Свойства	Эпоксидная система	И группа образцов
	7	8	9	10

Компоненты

К

XD 7818/ XD 7818/ XD 7575,02/ XD 7114 XD 7114 XD 7818/

ERE 1359/ RD 2/2,6 DAP

7114

12/80 2/100+ +2/125+ +4/150

3/120

Тонокс LC Тонокс 60-40 Тонокс 60-60 2,6 DAP 4,5/60 5/60 5/60

4/120+4/155 4/120+4/155

Данные КВМ сосуда[41]	I	II	I	II	I	II	I	П
Число образцов 2	4	4	4	4	4	4	4	4
Масса волокна №в, г	32,1	30,6	30,4	31,8	31,8	31,9	31,8	32.7
Масса композита U7K,	43,9	42,1	43,0	44,9	45,2	45,2	45,8	46,0
Г Объемная доля волок­	69,3	68,8	66,6	66,7	66,2	66,5	65,3	67,4
На V*. 0, %
Разрушающее давле­	15,0	14,6	13,9	13,7	14,3	13,4	14,1	14,1
Ние Рр, МПа
Коэффициент вариа­	2,7	3,3	1,7	2,4	1,0	2,8	0,8	2,2
Ции Св, %

Характеристика сосудов [42]

TOC o "1-3" h z Характеристика во- 461±11 432±15 424+14 426+9

Локна PV/WB,

КПа-м3/кг

Коэффициент вариа - 2,9 4,0 4,0 2,4

Ции Св, %

Характеристика ком- 336±9 305±9 298±9 299+4

Позита PV/WK,

КПа-м3/кг

Коэффициент вариа - 3,2 3,7 3,7 1,5

Ции Св, %

Средняя расчетная 1084 1682 1688 719

Прочность волокна в кольцевом слое

И 25, подвергнутых циклическому нагружению с частотой 1 Гц с амплитудой 4 ... 91 % среднего давления взрыва Рр. ср; 25 мо­делей, подвергнутых действию периодических импульсов прямо­угольной формы с частотой 0,33 Гц с амплитудой давлений, со­ставляющей 4 ... 91 % Pp. ср! 25 образцов было подвергнуто дли­тельному статическому нагруже­нию при Рст = 91 % Pp. ср. По­лученные результаты сведены в табл. 12.24 [25]. При изменении давления взрыва Рр относительно среднего Pp. Ср на 9,5 %, число циклов до разрушения Np изме­няется более чем в 50—60 раз. Наиболее важным является то, что «время жизни» КВМ на основе волокна кевлар-49 в моделях со­судов высокого давления зависит от числа циклов и времени прило­жения нагрузки. «Время жизни» (долговечность) 0 модели под по­стоянной нагрузкой Рст = 91 % Pp. ср значительно больше, нежели долговечность образца, под­вергнутого циклической нагрузке. При одинаковой амплитуде нагрузок (4 ... 91 % Рр. ср) долговечность модели при синусоидаль­ном нагружении больше, нежели при прямоугольном импульсе.