В табл. 16.15 приведены значения предела прочности на раз­рыв а под действием внутреннего давления для сосудов высокого давления разных диаметров. Эти сосуды получали намоткой стек -

Еэф, ГПа

Рис. 16.21. Зависимость эф­фективного модуля Еэф от уг­ла намотки а материала из полиэфирной смолы, армирован­ной стекловолокном:

¥) , 60 SOa" 231

1 — осевые усилия; 3 — окружные Усилия

О

Го

16.14. Сравнительные значении напряжений в волокнах

	Напряжение, МПа,
№	Прн анализе
Слоя
	Линей­	Нели­
	Ном	Нейном

І	407,2	316,6
2	404,1	329,4
3	404,3	340,4
4	401,5	338,0
5	792,8	967,3
6	784,6	949,7

16.15. Прочность иа разрыв сосудов высокого давления под действием внутреннего давлення

D, мм	Предел прочности Up, ГПа
Волокна	| композита
101,6	2,76—3,31	1,24—1,45
152,4	2,62—2,90	1,24—1,45
304,8	2,48—2,76	1,10—1,24
457,2	2,34—2,76	1,10—1,24
1117,6	2,07—2,55	0,90—1,10
1371,6	2,00—2,41	0,86—1,03
6604 •	1,79—2,00	0,86—1,21

* Расчетные значення.

16.16. Поправочные коэффициенты для расчета допустимых напряжений D. мм Коэффициент для волокон D, им Коэффициент для волокон Окружных Продольных Окружных Продольных 100 0,99 0,95 1120 0,93 0,87 460 0,96 0,89 1370 0,92 0,86 910 0,94 0,87 7620 * 0,87 0,83

* Получено экстраполяцией.

16.17. Сосуды из эпоксидной смолы, армированной волокном «Кевлар», с резиновой футеровкой при плоскостной намотке

Показатель I Диапазон

Диаметр, мм 102

L/D 1,3—3,0

Диаметр утолщения (в % от диаметра сосуда) 10—23

Предел прочности иа разрыв под действием внутреннего 16,9—19,1 давлення, МПа

Модуль композиционного материала при разрыве, ГПа:

Продольный 22,1—34,5

Окружной 49,6—62,7 Максимальная деформация, %:

Осевая 1,5—1,7

Окружная 1,5—2,0

P^V/Wv композиционного материала, кПа-м3/кг 371—391

Максимальное окружное напряжение волокон, ГПа 2,89—3,05

Лопластика на основе эпоксидной смолы, содержащей 55 ... 65 % волокна S-стекла по объему. На основании анализа переплетений по величине разрушающего давления рассчитывали средние зна­чения напряжений в волокне и композиционном материале. Необ­ходимо отметить, что разрушающее давление резко изменяется в зависимости от скорости увеличения давления и продолжитель­ности выдержки сосуда при промежуточных значениях давления. Из приведенных данных следует отмеченное выше снижение проч­ности изделия с увеличением его диаметра. Для нейтрализации этого эффекта варьированием допустимых напряжений в волокне были использованы поправочные коэффициенты. В табл. 16.16 [12] приведены их значения, установленные одним из поставщи­ков таких материалов. Данные были получены'эксперименталь­ным путем — на сосудах различного диаметра (до 1370 мм) и экстраполяцией — для диаметра 7620 мм. Аналогичные коэффи­циенты могут быть применены при варьировании толщины и LjD (отношение длины к диаметру сосуда).

Установлено, что для получения сосудов высокого давления, предназначенных для хранения сжиженного газа и жидкостей при температуре окружающей среды и в криогенных условиях, вместо волокна S-стекла лучше применять арамидное или угле­родные волокна. Краткое изложение программы НАСА по этому вопросу содержится в литературе [25] и сжато изложено ниже. Для этих сосудов разработано три типа футеровки: резиновая, из-тонкого листового металла и из несущего часть нагрузки ме­талла. Сравнительно низкий модуль S-стекла ограничивает его эксплуатационную надежность при использовании резиновой фу­теровки. Такие сосуды можно применять только до средних давле­ний и температур. Материал, состоящий из арамидного волокна и эпоксидной смолы, с тонкой алюминиевой футеровкой имеет показатель эксплуатационной надежности порядка 3-10® см. Этот показатель определяют как произведение разрывного вну­треннего давления Рв на объем сосуда, деленное на его массу, т. е. PBV/WK. Эксплуатационные свойства сферических и цилин­дрических сосудов одинаковы. В исследованном диапазоне диа­метров сосуды с плоскостной иамоткой превосходят сосуды со спиральной намоткой. Сосуды из эпоксидной смолы, армирован­ной углеродным волокном, с несущей нагрузку футеровкой из титана имеют самую малую массу и самую большую долговечность при циклических нагрузках: 3000 циклов под давлением, равным 50 % средней прочности на разрыв под действием внутреннего давления. Сосуды с арамидным волокном несколько тяжелее, имеют среднюю долговечность при циклических нагрузках и де­шевле сосудов из углеродного волокна. Типичные результаты испытаний опытных сосудов приведены в табл. 16.17—16.19 [25].

Прочность на разрыв под действием внутреннего давления за­висит от метода определения. В табл. 16.20 приведены результаты испытаний труб в двух разных условиях: с закрепленными тор-
16.18. Сосуды из эпоксидной смолы, армированной волокном «Кевлар», с алюминиевой футеровкой

Показатель

Диаметр, мм

РвV/WK композиционного материала, кПа-м3/кг Максимальное напряжение волокон, ГПа: осевое окружное

16.19. Сосуды нз эпоксидной смолы,

Диапазон

152,4 354—438 2,21—2,98 2,43—2,95

Армированной графитированным волокном с титановой футеровкой

Показатель

Диапазон

Среднее значение

Диаметр, мм

PBV/WK композиционного материала, PBV/WC сосуда в целом, кПа-м'/кг

— 102 кПа-мЗ/кг 359—438 406

214—259 241

16.20. Трубы из полиэфирной смолы, армированной стекловолокном Трубы е торцами Показатель Закрепленными Свободными

Окружное напряжение, МПа:

При разрыве 461 285

При утечке 101 259

При нелинейности 44 48 Деформация, %: при разрыве:

Окружная 1,75 2,4

Осевая 1,62 —1,6 при утечке:

Окружная 0,33 2,26

Осевая 0,22 —1,53 при нелинейности:

Окружная 0,13 0,22

Осевая 0,04 —0,13

Цами, когда окружное напряжение вдвое выше осевого, и со сво­бодными торцами, которые могут скользить так, что осевое напря­жение равно нулю. Образцы труб для этих испытаний получали намоткой стекловолокном, пропитанным полиэфирной смцлой, под углом 54° 44', при среднем объемном содержании волокна в композиции 53 %. Приведенные значения являются средними 234

16.21. Прочность труб при одноосном сжатии, кручении и изгибе Ориентация Предел прочности, МПа Доля окружной Прн нзгнбе А0 Намоткн, % Прн сжатии Прн кручеиин 15 0 276—421 172—207 179—214 15 9 — 276—290 _ 15 18 — 269—296 — 15 27 — 248—262 — 30 0 214—296 345—476 186—207 45 0 214—228 365—496 228—276 45 9 296—310 427—496 296—338 45 18 269—338 427—469 338—372 45 27 310—345 359—427 324—345

16.22. Характеристики труб, полученных намоткой волокна с продольной (0°) и окружной (90°) ориентацией Параметр Значение Параметр Значение <тв, МПа 410 Е, ГПа 16,5 осж, МПа 217 Есж. ГПа 17,9 Gcn, ГПа 4,8 v 0,132 р, кг/м8 2000

16.23. Комбинированные трубы, изготовленные иа машине «Дростхолм» Трубы Состав н свойства Резервуары Каналнэа - Напориые

Окружная намотка, %	2	5	40—50
Рубленое волокно, %	24	15	15—20
Песок, %	—	40	—
Полиэфирная смола, %	74	40	30—45
Сгв, МПа, в направлении:			483—586
Окружном	87—97	97—107
Осевом	78	48,3	48,3
Сги, МПа	135	155	483—586
Ея, ГПа	5,86	8,6	24,1
Сгсж, МПа	156	172	386—483
Р, кг/м3	1400	1750	1800

Из пяти определений. При испытании труб с закрепленными тор­цами растрескивание смолы начиналось сравнительно быстро после приложения давления и приводило к получению нелиней­ных характеристик. При увеличении давления поведение труб было таким, как будто произошло полное отслоение смолы. Утечка начиналась рано в виде капелек, стекавших параллельно волок­
нам. Разрыв сопровождался значительным разрушением волокон. При испытании труб со свободными торцами разрушение в основ­ном носило характер сдвиговых явлений в смоле. Утечка начи­налась довольно неожиданно при давлении, более близком к пре­дельному [28 ].

В табл. 16.21 [26] и 16.22 [29] представлены результаты испы­таний труб с различной ориентацией волокон под действием одноосного сжатия и растяжения, а также их сдвиговые харак­теристики при кручении и изгибе. Свойства промышленных труб, изготовленных по методу «Дростхолм», приведены в табл. 16.23 [27]. Этот метод основан на намотке непрерывными стеклянными стренгами только в окружном направлении. Рубленое стеклово­локно используется лишь для продольной намотки. Полимерную композицию подбирают в зависимости от назначения изделий (канализационные системы, резервуары для хранения или напор­ные трубопроводы), соответственно варьируя свойства.