Статьи»Ткани с эластомерным покрытием для мягких оболочечных конструкций»Коэффициент запаса прочности конструкций из эластомерно-тканевых материалов

Коэффициент запаса прочности конструкций из эластомерно-тканевых материалов

Добавлено 26.05.2014

 

 

Опыт разработки и использования мягких оболочечных конструкций свидетельствует о том, что они имеют ограниченный срок работоспособности. Как правило, он редко превышает 15 – 20 лет. Работоспособность и надежность мягкой оболочки в значительной степени зависит от правильности выбора эластомерно-тканевого материала и принятого коэффициента запаса прочности (Кз.п.). С одной стороны, Кз.п  должен обеспечить требуемый ресурс эксплуатации и хранения оболчки, с другой – не должен приводить к чрезмерному ухудшению ее технологических, рабочих и экономических характеристик.

Коэффициент запаса прочности, выбираемый для той или иной конструкции, является функциейкак условий работы, (воздействия среды, нагрузок и т.п.), так и физико-механических характеристик конструкционного материала. В общем виде он устанавливает соотношение между расчетными нагрузками в конструкции нормативной кратковременной прочностью:

                                                         Кз.п  = Тн / Тр                                            (7.2)

Где Тн  - нормативная кратковременная прочность материала;

        Тр  - расчетные натяжения в материале конструкции.

В отечественной и зарубежной литературе можно найти достаточно много информации по установлению коэффициента запаса прочности различных видов мягких оболочечных конструкций. В работе (В.П. Шпаков, Н.В. Кадонцева. К вопросу выбора коэффициента запаса прочности конструкций из прорезиненных тканей». В сб. «Сообщения ДВВИМУ по судовым мягким оболочкам». Вып. 35, Владивосток, 1977, ММФ, ДВВИМУ им. Адм. Г.И. Невельского, с. 76 -87) предложена методика расчета Кз.п, основанная на экспериментальных данных, которая до настоящего времени не потеряла своей актуальности. Авторы предлагают представлять коэффициент запаса прочности в виде функции произведения отдельных составляющих коэффициентов, учитывающих воздействие тех или иных факторов, и, в зависимости от условий работы и назначения конструкции, выявить пределы их значений. Тогда выбор Кз.п. будет более точным.

На основании экспериментальных работ и литературных данных возможно расшифровать значения отдельных составляющих, входящих в Кз.п  для конструкций из прорезиненных тканей и определить пределы их величин. При учете отдельных факторов, влияющих на снижение прочностных показателей оболочек при эксплуатации, коэффициент запаса прочности можно представить в виде выражения:

 

 В формуле (7.3) Кодн. – коэффициент однородности материала, являющийся отношением наименьшего вероятного значения показателя прочности материала к кратковременному нормативному сопротивлению. Кодн находится статистической обработкой результатов стандартных испытаний материала на кратковременную прочность. Коэффициент однородности можно найти из выражения:

Кодн = 1 - 3υ                              (7.4.)

где υ – вариационный коэффициент.

Экспериментальные и литературные данные свидетельствуют о том, что для большинства материалов на основе синтетических и растительных волокон коэффициент однородности следует принимать в пределах 0,6 – 0,8. Для утка ткани Кодн. имеет меньшее значение, чем для основы.

К дв – коэффициент, учитывающий ослабление материала при двухосном нагружении, который зависит от относительной плотности ткани. В ряде работ установлено, что прочность при двухосном нагружении является функцией соотношения натяжений. Наиболее неблагоприятное соотношение натяжений по основе и по утку То : Ту = 1 : 1, при котором К дв = 0,5 – 0,7. При соотношении натяжений То : Ту = 1 : 2, То : Ту = 2 : 1 К дв = 0,75 – 0,90. Диагонально дублированные прорезиненные ткани имеют К дв = 1,2 – 1,7, что объясняется совместной работой слоев ткани при двухосном нагружении, в отличие от одноосного.

Кшв. – коэффициент, учитывающий прочность швов. Используемые в производстве изделий из прорезиненных тканей швы – шитые, клеепрошитые, клеевые и прессовой вулканизации, имеют, как правило, меньшую прочность, чем прочность сшиваемого материала. Оптимально подобранные шитые швы имеют относительную прочность 0,8 – 0,9. Клеепрошитые швы, оклеенные с двух сторон лентой из прорезиненной ткани, служащей как для перераспределения нагрузок и герметизации,  а также для защиты нитей шва от старения, могут быть равнопрочными с материалом (Кшв. = 0,95 – 1,0). Клеевые швы, хотя при кратковременных испытанияхмогут быть равнопрочными с соединяемым материалом (Кшв. = 1,0), более интенсивно теряют прочностные свойства при естественном старении, повышенных температурах и при длительно приложенных нагрузках. Это необходимо учитывать при расчетах уменьшением соответствующих коэффициентов. Прочность клеевых швов в двухосном напряженном состоянии составляет 60 – 80 % от одноосного. При повышенных температурах Кшв. Клеепрошитого соединения следует принимать без учета проклейки (Кшв. = 0,8 – 0,9). Швы прессовой вулканизации имеют относительную прочность к прочности прорезиненной ткани 0,8 – 0,95.

Кст. – коэффициент старения – это отношение кратковременной прочности материала после воздействия факторов светопогоды к начальной прочности. Общеизвестно, что ткани и прорезиненные ткани под действием окружающей среды склонны к изменению своих физико-механических свойств. Особенно интенсивно влияют на изменение характеристик материалов солнечное излучение, температура окружающей среды, озон воздуха и погодные условия. Коэффициент старения зависит от времени воздействия факторов светопогоды, района экспонирования, приложенных нагрузок, конструкции материала, типа полимера, вида и степени его наполнения, толщины защитного слоя и др. Кст. для ряда тканей и прорезиненных тканей в зависимости от времени экспозиции для средней полосы России представлены в таблице 7.2

 Табл. 7.2

При отсутствии воздействия погодных факторов старение материалов замедляется. Так, при складском хранении снижение прочности капроновых тканей даже за 10-летний период не превышает 10%, что позволяет принимать Кст. = 0,9 – 1,0. При выборе Кст. следует учитывать конструкцию швов. В частности, для незащищенных шитых швов Кст. всей конструкции следует устанавливать того же порядка, что и для тканей без защитного резинового покрытия из волокон, аналогичных волокну швейных ниток. Для клеевых швов Кст. устанавливается в пределах 0,3 – 0,7 при сроке эксплуатации до 5 лет.

Кдл. – коэффициент длительной прочности представляет собой значение относительно нагрузки в долях от кратковременной разрушающей, которая вызовет разрушение материала через заданный период времени.  Как уже говорилось выше, кратковременная прочность материала, определяемая при стандартных испытаниях, не может служить критерием надежности и долговечности, поскольку полимерные материалы под действием постоянных во времени длительно приложенных нагрузок разрушаются при напряжениях значительно меньших, чем при кратковременных испытаниях. Кдл. для ряда синтетичссих тканей в зависимости от времени выдержки под нагрузкой представлены в таблице 7.3. Покрытие материала и вид напряженного состояния практически не влияют на показатель длительной прочности. Коэффициент длительной прочности шитых швов составляет 0,5 – 0,7, клеевых швов – 0,4 – 0,5.

Таблица 7.3 

Термостойкость и термостабильность прорезиненных тканей зависят в основном от вида полимерной основы текстиля. Особенно чувствительны к повышению температуры ткани из полиолефиновых волокон: в частности, ткань из полипропилена при прогреве до температуры +700С снижает прочность на 66%. Температурные коэффициенты для тканей из некоторых исследованных типов волокон приведены в таблице 7.4. Ткани из новых типов термостойких волокон (см. раздел 2) не теряют прочностных свойств до температур 250 – 3000С.

Пониженные температуры не приводят к уменьшению прочностных свойств прорезиненных тканей (Кt >1,0). Прочность швов при повышенных температурах падает, особенно заметно эта зависимость  выражена для клеевых соединений на клеях холодного отверждения (табл. 7.5) 

Табл.7.4, 7.5        

Кдин – динамический коэффициент, учитывающий воздействие динамических нагрузок на материал конструкции. По литературным данным, Кдин зависит от типа материала и может быть как больше, так и меньше единицы. Для капроновых тканей Кдин = 0,8 – 0,95, для хлопчатобумажных  Кдин = 1,1 – 1,3.

Ку.р. – коэффициент условий работы, зависящий от воздействия дополнительных факторов на материал конструкции: (масло, влага, агрессивные среды, жесткое излучение), влияния  многократной оборачиваемости, раздира, истирающих факторов, концентрации напряжений, а также учитывает влияние способа раскрояи расположения ткани в готовом изделии. Ку.р. может меняться в зависимости от вида эксплуатации, в пределах от 0,5 до 1,0.

Необходимо иметь в виду, что при проектировании оболочки конструктор стремится выбрать материал, для которого в заданных условиях эксплуатации имели бы место максимальные значения составляющих коэффициентов. Но даже в этом случае коэффициент запаса прочности редко бывает ниже двух.

Все коэффициенты, входящие в формулу 7.3, составляющие Кз.п, условно можно разделить на три группы.

  1. Коэффициенты, учитывающие ослабление конструкции за счет внутренних дефектов и сил – Кдв, Кодн и К шв. Если обозначить

Квн = Кдвх Кодн х К шв,                    (7.5)

то величину коэффициента внутренних сил можно определить путем кратковременных испытаний объемных образцов, изготовленных с использованием швов выбранной конструкции по методике «Материалы резинотканевые. Метод определения прочности швов в двухосном напряженном состоянии. Методика № МЗ-405315-76. НИИРП, 1976 г.»  Для большинства прорезиненных тканей Квн = 0,5 – 0,7. С учетом указанных пределов Квн значения коэффициента запаса прочности принимать ниже 1,5 для конструкции из прорезиненных тканей не целесообразно вследствие опасности ее разрушения при наполнении до рабочего давления.

  1. Вторая группа коэффициентов учитывает изменение свойств материалов под действием факторов окружающей среды и постоянно действующих во времени нагрузок – Кдл и Кст.

                                   Кэкспл = Кдл х К ст                               ( 7.6.)

Величина коэффициента влияния эксплуатационных нагрузок Кэкспл может быть принята по зависимостям длительной прочности, полученным в условиях естественного погодного старения или, с меньшей точностью, путем тепловых испытаний по методике ускоренного старения (См. Зуев Ю.С, Паршина Е.А, Гридунова И.Т. Методика ускоренного старения прорезиненных материй. Ж «Каучук и резина», № 9, 1958).

  1. Третья группа – коэффициенты, учитывающие кратковременное воздействие ослабляющих факторов: Кt, Кдин и Ку.р. Поскольку вероятность одновременного воздействия факторов, учитываемых этими коэффициентами, невелика, целесообразно ввести поправку, которая дала бы возможность более реально оценить запас прочности конструкции. В этом случае

  

Определение влияния группы коэффициентов (7.7.) на снижение прочности конструкции наиболее сложно и, как правило, проводится при эксплуатационных и ресурсных испытаниях. Практика показывает, что с учетом предельных значений Кt, Кдин и Ку.р, указанных выше, величина вероятностного коэффициента Квер, учитывающего одновременное комплексное воздействие кратковременных факторов, лежит в пределах 0,6 – 1,0.

Расчеты, проводимые по предложенной схеме и подтвержденные экспериментально, дают возможность найти оптимальный коэффициент запаса прочности для различных групп изделий из прорезиненных тканей. В частности, для конструкций кратковременного действия ( амортизаторы, подушки безопасности) Кз.п.  может устанавливаться в пределах 1,5 – 2,0, для конструкций периодического действия с циклом работы в  пределах нескольких  часов и с необходимостью кратковременного их обслуживания ( аварийные трапы, пневмоподъемники, оболочки аварийного всплытия и подъема грузов с глубины) – 2,5 – 3,5. Для спасательных средств и строительных конструкций, предназначенных для укрытия людей и спецобъектов, постоянно подверженных воздействию условий внешней среды и растягивающих нагрузок, Кз.п.  должен быть не менее 4,0.

          

"Ткани с эластомерным покрытием для мягких оболочечных конструкций"
Авторский коллектив; Л.Е. Ветрова, к.х.н В.Ф. Ионова, П.В. Таскаева, к.т.н. А.Т. Титаренко, к.т.н. В.П. Шпаков
Под общей редакцией к.т.н. В.П. Шпакова

 

 

Фотогалерея

Новости

Поздравляем с 23 февраля!

День защитника Отечества...далее

График работы АО "НИИРП" в феврале

График работы в предпраздничные дни...далее

Изменение наименования

Учитывайте при оформлении документов...далее

Все новости >>


Мы в СМИ



Прямая связь с руководством

Вы можете отправить сообщение руководству компании.

Форма обратной связи

Вы можете отправить нам сообщение

ОАО НИИРП