БАЛЛОН ДАВЛЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2002 года по МПК F17C1/06 F17C1/16 

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 θ, при этом вершина хвостовика с радиусом b смещается внутрь баллона. Углы наклона контактных поверхностей хвостовика фланца β_фл и пластика β_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 (ε) 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 = ε•r (1)
Угол между касательной к образующей контактной поверхности хвостовика фланца (начальное значение угла β(r)) и осью баллона после разворота хвостовика на угол θ при нагружении давлением p будет иметь величину
β_фл(r) = β(r)-θ
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 β_пл(r) равен углу той же точки до смещения пластика на величину u
β_пл(r) = β(r-u).
Условие совпадения контактных поверхностей заключается в равенстве углов образующих контактных поверхностей фланца и пластика в рабочем состоянии
β(r-u) = β(r)-θ
Решением данного уравнения с учетом выражения (1) является функция зависимости угла между образующей контактной поверхности пластика и осью баллона в ненагруженном состоянии:

где β_b - угол между образующей контактной поверхности пластика и осью баллона в вершине хвостовика фланца.

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

Из формулы видно, что угол β 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 β в формуле (2) не зависит от величины давления в баллоне, так как угол разворота хвостовика фланца θ и деформация пластика ε 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.

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 β - угол между осью фланца и касательной к образующей опорной поверхности хвостовика в точке с радиусом r в радианах; r - радиус точки образующей опорной поверхности (r₀≤r≤b); r₀ - радиус полюсного отверстия; b - радиус вершины хвостовика фланца; θ - угол разворота хвостовика фланца при давлении в радианах; ε - относительная кольцевая деформация пластика в полюсном отверстии при давлении; β_b - угол между осью фланца и касательной к днищу в вершине хвостовика в радианах. Использование изобретения позволит снизить массу баллона давления. 2 ил.

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 β - угол между осью фланца и касательной к образующей опорной поверхности хвостовика в точке с радиусом r в радианах;
r - радиус точки образующей опорной поверхности (r₀≤r≤b);
r₀ - радиус полюсного отверстия;
b - радиус вершины хвостовика фланца;
θ - угол разворота хвостовика фланца при давлении в радианах;
ε - относительная кольцевая деформация пластика в полюсном отверстии при давлении;
β_b - угол между осью фланца и касательной к днищу в вершине хвостовика в радианах.