ГОФРИРОВАННАЯ ОБОЛОЧКА Российский патент 2003 года по МПК E04B7/10 B21D13/00 B21D15/00 F23N5/06 F02K1/48 

Изобретение относится к упругим элементам машин и приборов (мембранам, сильфонам), а также к элементам строительных конструкций (куполам сооружений, плитам перекрытий, цилиндрическим и коническим оболочкам), армирующим оболочкам металлокерамических камер сгорания для двигателей внутреннего сгорания.

Известны ортотропно-сотовые конструкции панелей перекрытия [1], труб [2] , которые выполнены из двух или более гофрированных в одном направлении оболочек с ортогональным направлением гофр в смежных оболочках, соединенных между собой в местах контактирования гофр в смежных оболочках, например, сваркой.

Недостатками таких конструкций являются необходимость применения по крайней мере двух гофрированных оболочек с гофрами в ортогональном направлении, необходимость их соединения и повышенная масса конструкции.

Известны также мембраны с волнами гофр в окружном направлении, жесткость которых на изгиб в окружном направлении определяется главным образом относительной глубиной волн гофр H/h (Н - глубина волн гофр, h - толщина мембраны) может превышать жесткость мембраны в радиальном направлении в десятки и сотни раз ([3], с. 251-263).

Недостатками таких мембран являются также пониженная жесткость мембран на изгиб и повышенная масса, так как с учетом ограничений допустимых значений относительной глубины волн гофр H/h по технологическим свойствам материала (пластичности) увеличение жесткости таких мембран возможно только за счет увеличения толщины мембраны.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, выражается в повышении изгибной жесткости оболочек по двум ортогональным направлениям и снижении их массы.

Это достигается там, что гофрированная оболочка выполнена с волнами гофр по двум ортогональным направлениям - продольному и поперечному, причем отношение глубины волн гофр в поперечном направлении к глубине волн гофр в продольном направлении оболочки выбрано равным 0,3 - 1,0.

На фиг.1 изображен один из вариантов гофрированной оболочки, выполненной в виде мембраны с волнами гофр в продольном (окружном) и поперечном (радиальном) направлениях, в разрезе; на фиг.2 - элемент гофрированной оболочки, соответствующий одной волне l_r и l_t гофр по двум ортогональным направлениям (осям ОХ и ОУ в одной из вершин элемента оболочки).

Гофрированная оболочка выполнена в виде мембраны с радиусом закрепления по наружному контуру R и толщиной h, предназначена для установки в быстродействующий датчик давления Р, имеет волны гофр синусоидального профиля в продольном (окружном) направлении с глубиной гофр Н_r, равной удвоенному значению амплитуды синусоиды по срединной поверхности оболочки и шагом волн гофр l_r в радиальном сечении, и волны гофр синусоидального профиля в поперечном (радиальном) направлении с глубиной волн гофр Н_t, равной удвоенному значению амплитуды синусоиды по срединной поверхности оболочки в окружном сечении с шагом волн гофр l_t, отношением глубины волн гофр Н_t/Н_r = 0,3 до 1,0.

Мембрана может быть изготовлена штамповкой на полиуретане, например, из ленты из прецизионного немагнитного дисперсионно-твердеющего сплава типа 36ХНЮФ-ВИ с пределом упругости σ_0,002 =1200 МПа, добротностью Q=60000... 70000.

В случае использования такой мембраны в качестве фланцев для цилиндрических корпусов, днищ сосудов мембраны могут быть изготовлены из листов из высокопробных коррозионно-стойких сталей типа 08Х15Н5Д2Т, которые после закалки, холодной пластической деформации и старения имеют предел прочности σ_b =1450 МПа, предел текучести σ_0,2 =1350 МПa, относительное удлинение δ =11%[4].

В общем случае поверхность симметрии вершин волн гофр (срединная поверхность) гофрированной по двум ортогональным направлениям оболочек может представлять собой плоскость (плиты перекрытия, настилы, мембраны), цилиндрическую или коническую поверхности, сферическую поверхность (купола сооружений, хлопающие мембраны). Для гофрированной мембраны, представленной на фиг.2, поверхность симметрии волн гофр - плоскость G.

На фиг.2 показаны волны гофр S_r1 и S_r2 в радиальных сечениях мембраны (в продольном направлении) с глубиной Н_r, соответствующих угловым координатам y=К•_1t/4(К=0, 1, 2...), которые за счет гофрирования мембраны и в поперечных (радиальных) направлениях поднимаются или опускаются на величину ±H_t/2. Волны гофр S_t1 и S_t2 в окружных сечениях смежных гофр мембраны с глубиной Н_t, соответствующих радиальной координате x=(2K+1)•1_r/2, сдвинуты на 1_r/2 и находятся в противофазе. Кривые S_t3 являются линией пересечения гофрированной оболочки с плоскостью симметрии вершин волн гофр G.

При расчете гофрированную оболочку можно рассматривать как конструктивно-ортотропную пластину той же толщины h, упругие коэффициенты анизотропии материала которой на растяжение и изгиб с учетом двойной анизотропии свойств по каждому направлению - продольному (окружному в направлении оси ОУ в одной из вершин элемента) и поперечному (в радиальном направлении по оси ОХ в той же вершине элемента) - определяются главным образом геометрией волн гофр по двум ортогональным направлениям [3].

Для гофрированной оболочки пологого синусоидального профиля волн гофр модули упругости анизотропного материала в поперечном и продольном направлениях на растяжение E_rp, E_tp и на изгиб Н_rи а, Е_tи по осям ОХ и ОУ соответственно равны [3]:
E_rp=E/K_rp; E_tp=E/K_tp;
E_rи=K_tpE; E_tи=K_rpE,

Из приведенных соотношений видно, что снижение жесткости на растяжение в одном направлении приводит к такому же увеличению жесткости на изгиб по другому ортогональному направлению. При H_t = 0 получим известные соотношения для гофрированных в окружном направлении мембран Е_rn=Е_tp=Е.

При больших значениях относительной глубины волн гофр H/h модули упругости на изгиб и растяжение анизотропного материала могут отличаться от модуля упругости материала Е в сотни и тысячи раз. Так, например, стальная гофрированная оболочка толщиной h=1 мм, выполненная в виде плиты перекрытия для крыш гаражей с размерами в плане: длиной L=6 м, шириной В=2 м с относительной глубиной гофр в продольном направлении H_пp/h=150, длиной волны гофр l_np=480 мм, относительной глубиной гофр в поперечном направлении Н_поп/h= 60 при действии в центре плиты сосредоточенной нагрузки Q=10³ H или распределенной по длине плиты нагрузки q=270 H/м, имеет прогиб центра плиты 3,5 мм.

Эквивалентная по изгибной жесткости плита с теми же размерами в плане, но без волн гофр должна иметь толщину h=32 мм и в 23-26 раз большую массу. При этом коэффициент вытяжки при штамповке гофрированной оболочки К=0,75, что соответствует допустимому коэффициенту вытяжки с утонением стенок при однопереходной штамповке из материалов, предназначенных для изделий, получаемых глубокой вытяжкой (стали типа 08кп, Х18Н10Т). При медленной вытяжке со скоростью опускания пуансона пресса менее 2 мм/с такую оболочку можно изготовить и из высокопрочных сталей с относительным удлинением δ =10...15% [4].

Отношение глубины волн гофр оболочки в поперечном направлении H_поп к глубине волн гофр оболочки в продольном направлении H_пр зависит от отношения размеров оболочки в плане L и В для плоит, длины L и диаметра D для труб и с увеличением этого отношения отношение глубин волн гофр Н_поп/H_пp должно уменьшаться от 1,0 до 0,3. Для гофрированных оболочек с близкими размерами L, В, D отношение Н_поп/H_пp для многих применений выбирается равным 1,0.

Для гофрированных мембран из условий технологичности ее изготовления, с учетом того, что при изгибе мембраны под действием нагрузки окружные напряжения σ_t в μ раз (μ-- коэффициент Пуассона для материала мембраны) меньше радиальных напряжений σ_t ([3], с.240), а также для увеличения диапазона линейности упругой характеристики мембраны отношение глубины волн гофр H_t/H_r целесообразно выбирать от 0,3 до 0,7 в зависимости от величины коэффициента μ, который для различных материалов равен 0,17...0,42.

Мембрана в датчике давления работает следующим образом. Под действием давления Р среды мембрана изгибается, ее центр смещается на W₀, перемещение центра мембраны преобразуется каким-либо датчиком перемещений в пропорциональный электрический сигнал.

Повышение изгибной жесткости мембраны за счет выполнения гофр по двум ортогональным направлениям - в окружном и радиальном - при сохранении h, относительной глубины волн гофр в окружном направлении H_r/h и массы мембраны увеличивает жесткость мембраны на изгиб в 2...6 раз, линейный участок упругой характеристики мембраны в 2,5...4,0 раза, расширяет динамический диапазон измеряемых датчиком давлений за счет повышения частоты собственных колебаний мембраны в 1,5... 2,5 раза.

Источники информации
1. Увакин В. Ф., Увакин А В. Многоэтажное сейсмостойкое здание. Патент СССР 1828673. 1989.

2. Увакин В. Ф. , Увакин А.В. Дымовая труба. Патент РФ 2010932. БИ N7, 1994.

3. Пономарев С.Д, Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. -М.: Машиностроение. 1980. - 326с.

4. Конструкционные материалы. Справочник // под ред. Б.Н. Арзамасова. М. : Машиностроение. 1990. С. 40-41.

Гофрированная оболочка предназначена для использования в качестве упругих элементов машин и приборов и в качестве элементов строительных конструкций. Гофрированная оболочка выполнена с волнами гофр по двум ортогональным направлениям - продольному и поперечному, причем отношение глубины волн гофр в поперечном направлении к глубине волн гофр в продольном направлении выбрано 0,3 - 1,0. Технический результат заключается в повышении изгибной жесткости оболочек по двум ортогональным осям и снижении их массы. 2 ил.

Гофрированная оболочка, отличающаяся тем, что она выполнена с волнами гофр по двум ортогональным направлениям - продольному и поперечному, причем отношение глубины волн гофр в поперечном направлении к глубине волн гофр в продольном направлении выбрано 0,3-1,0.