СОСУД ДАВЛЕНИЯ ИЗ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК B32B1/02 F17C1/16 

Заявляемое изобретение может применяться в транспортной технике и общем машиностроении, а более конкретно при производстве сосудов высокого давления, например, в автомобильной промышленности при переводе автотранспорта на газовое топливо.

Известна конструкция металлического сосуда, предназначенного для хранения сжатых газов при высоком давлении (см.книгу: Морев А.И. Ерохов В.И. Эксплуатация и техническое обслуживание газобаллонных автомобилей. М. Транспорт, 1988. с.55 57). Такая конструкция способна выдерживать высокое давление, однако обладает двумя основными недостатками: высоким значением массы баллона и опасным характером его разрушения (взрывное разрушение с разлетом осколков). Эти недостатки ограничивают применение таких конструкций в ответственных изделиях (например, автомобилях и самолетах).

Известна конструкция сосуда из композиционных материалов, образованного намоткой спиральных и кольцевых слоев, описанная, например, в книге: Образцов И.Ф. Васильев В.В. Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М. Машиностроение, 1977. с.72 74. Эта конструкция принята в качестве прототипа изобретения. Такой сосуд содержит композитную силовую оболочку с цилиндрической частью и днищами и центральные металлические фланцы, причем цилиндрическая часть силовой оболочки содержит спиральные и кольцевые слои композиционного материала, а днища сосуда только спиральные слои. Соотношение толщин кольцевых и спиральных слоев в конструкции-прототипе выбирается по формуле:
, (1)
где h_к толщина кольцевых слоев, h_c толщина спиральных слоев, R радиус цилиндрической части сосуда, r радиус полюсного отверстия в днище силовой оболочки.

Соотношение толщин кольцевых и спиральных слоев по зависимости (1) в прототипе выбирается для того, чтобы обеспечить технический результат - равнопрочность баллона давления. Это значит, что одновременно достигаются разрушающие напряжения в спиральных и кольцевых слоях. Это позволяет значительно снизить массу сосуда по сравнению с металлическим аналогом. Вместе с тем, условие равнопрочности (1), принимаемое при проектировании композитных сосудов давления, на практике приводит к тому, что разрушение конструкции всегда происходит в зоне фланцев вследствие концентрации напряжений в этой зоне. При этом металлический фланец с большой скоростью вылетает из разрушившегося сосуда, что приводит к опасности для окружающих людей и устройств.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении безопасности эксплуатации сосуда давления путем исключения недостатка прототипа, связанного с опасным характером разрушения. Это позволит резко расширить область применения легких композитных сосудов высокого давления.

В заявленном изобретении соотношение толщин спиральных и кольцевых слоев выбирается таким, чтобы обеспечить технический результат БЕЗОСКОЛОЧНОЕ РАЗРУШЕНИЕ сосуда давления. Безосколочность разрушения достигается за счет гарантированного разрушения по цилиндрической части сосуда, так что фланцы остаются жестко закрепленными и не вылетают при разрушении сосуда. При таком разрушении баллона не происходит вылета никаких осколков, так что угрозы безопасности окружающих людей и устройств не происходит.

Указанный технический результат обеспечивается за счет отказа от известных зависимостей, основанных на равнопрочности композитного сосуда давления.

Заявленное изобретение характеризуют следующие существенные признаки:
сосуд давления из волокнистых композиционных материалов содержит выполненную из спиральных и кольцевую слоев силовую оболочку с цилиндрической частью и днищами и центральные фланцы с крышками,
соотношение толщин кольцевых и спиральных слоев выбирается по формуле
,
где h_к толщина кольцевых слоев, h_c толщина спиральных слоев на цилиндрической части баллона, R радиус цилиндрической части баллона, r радиус полюсного отверстия в днище силовой оболочки, k - численный коэффициент, величина которого выбирается в диапазоне от 0,85 до 0,7,
толщина спиральных слоев на цилиндрической части силовой оболочки определяется формулой

где p расчетное значение разрушающего давления, σ₁ предел прочности материала силовой оболочки при растяжении в направлении волокон.

Предлагаемое устройство в сравнении с прототипом содержит новый существенный признак соотношение размеров элементов конструкции, наличие которого в совокупности с другими существенными признаками позволяет добиться нового технического результата.

На фиг.1 показан график зависимости вероятности безопасного разрушения p от численного коэффициента k, входящего в расчетную зависимость для определения толщин (штриховкой показаны границы зоны допустимых значений коэффициента k); на фиг.2 график зависимости от величины k отношения массы предлагаемой конструкции сосуда к массе сосуда-прототипа (штриховкой показаны границы зоны допустимых значений коэффициента k); на фиг.3 предлагаемая конструкция сосуда, где цифрами обозначено: 1 силовая оболочка баллона из композиционных материалов, 2 фланец, 3 крышка, 4 спиральные слои силовой оболочки, 5 кольцевые слои силовой оболочки; на фиг.4 фотография разрушившегося сосуда давления, изготовленного в соответствии с указанными требованиями к заявленному устройству; на фиг.5 фотография разрушившегося сосуда давления, изготовленного в соответствии с условиями равнопрочности, характерными для устройства-прототипа.

Диапазон значений численного коэффициента k устанавливается исходя из того, что при его значениях, больших чем 0,85, невозможно гарантировать разрушение сосуда по цилиндрической части (см.фиг.1), а при значениях, меньших чем 0,7, происходит неоправданное увеличение массы конструкции, что снижает положительный эффект изобретения (см.фиг.2).

В качестве примера реализации изобретения приводится конструкция композитного сосуда высокого давления для хранения и транспортировки сжатого газа, разработанная заявителем. Сосуд, изготовленный из стеклопластика с пределом прочности при растяжении вдоль волокон σ₁ 1200 МПа и предназначенный для восприятия внутреннего давления p 50 МПа (расчетное разрушающее значение), имеющий радиус цилиндрической части R 150 мм и радиус полюсного отверстия r 70 мм, имеет следующие параметры (см.фиг.3):
толщина спиральных слоев на цилиндрической части 5,0 мм,
толщина кольцевых слоев 5,4 мм,
что соответствует величине коэффициента k 0,8. Такие характеристики сосуда обеспечивают гарантированное разрушение его по цилиндрической части, что подтверждается экспериментальными результатами. Фиг.4 и 5 показывают, что наличие совокупности существенных признаков у заявленного устройства приводит к заявленному техническому результату безосколочному разрушению (фиг. 4), тогда как при их отсутствии отсутствует и данный технический результат (см.фиг.5, на котором отдельно показан вылетевший при разрушении сосуда фланец).

Использование: производство сосудов высокого давления, в частности для автомобильного транспорта. Сущность изобретения: сосуд давления содержит силовую оболочку с цилиндрической частью и днищами из спиральных и кольцевых слоев волокнистого материала, а также центральные фланцы с крышками. Соотношение толщин слоев, выбираемое из условия
,
где h_к - толщина кольцевых слоев; h_c - толщина спиральных слоев; R - радиус цилиндрической части баллона; r - радиус полюсного отверстия в днище силовой оболочки; k - численный коэффициент, величина которого выбирается в диапазоне от 0,85 до 0,7. Толщина спиральных слоев цилиндрической части силовой оболочки h_c, определяемая формулой
,
где p - расчетное значение разрушающего давления; σ₁ - предел прочности материала силовой оболочки при растяжении в направлении волокон. 5 ил.

Сосуд давления из волокнистых композиционных материалов, содержащий выполненную из спиральных и кольцевых слоев силовую оболочку с цилиндрической частью и днищами и центральные фланцы с крышками, отличающийся тем, что в нем соотношение толщин кольцевых и спиральных слоев выбирается по формуле

где h_к толщина кольцевых слоев
h_с толщина спиральных слоев на цилиндрической части баллона
R радиус цилиндрической части баллона
r радиус полюсного отверстия в днище силовой оболочки;
k численный коэффициент, величина которого выбирается в диапазоне от 0,85 до 0,7,
при этом толщина спиральных слоев на цилиндрической части силовой оболочки определяется формулой

где p расчетное значение разрушающего давления;
σ₁ предел прочности материала силовой оболочки при растяжении в направлении волокон.