Optimizing the angle of winding carbon fiber reinforced plastic on the metal liner of the cryogenic pipeline

Abstract

Ключевые слова: трубопровод, комбинированная оболочка, криогенная темпера-тура, коэффициент линейного расширенияВведение. Ужесточение требований к рабочим параметрам дви-гательных установок изделий ракетно-космической техники (РКТ), авиации и наземного транспорта на криогенных топливах (жидком кислороде и водороде или метане 4 CH в качестве горючего [1][2][3][4][5]), привело к созданию легких, прочных и герметичных трубопроводов, работающих в многоцикловом режиме при высоких давлениях, нор-мальных, повышенных и криогенных температурах.Трубопроводы, выполненные из металлов, имеют излишне боль-шую массу и изгибную жесткость. Для снижения массы и уровня монтажных сил предложено использовать рассматриваемые в насто-ящей работе криогенные трубопроводы, которые изготовляют из тонкой металлической оболочки (лейнера), усиленной композицион-ным материалом (углепластиком) методом спиральной намотки.При захолаживании комбинированного трубопровода до крио-генных температур в его слоях будут возникать температурные де-формации, зависящие от значений коэффициентов линейного терми-ческого расширения (КЛТР) материалов слоев. При этом в слое углепластика, намотанного под углами β > 55° к оси изделия, и в за-висимости от толщины слоя намотки могут возникнуть значительные сжимающие напряжения, которые приведут к потере осевой устой-чивости тонкостенной металлической оболочки с образованием ра-диальных гофр в области фланца [6][7]. При многоцикловом захола-Инженерный журнал: наука и инновации # 9·2017 живании трубопровода до криогенных температур и нагружении его внутренним давлением на поверхности гофр со временем могут воз-никнуть микротрещины, что приведет к потере герметичности изде-лия. Таким образом, цель настоящей работы -для обеспечения рабо-тоспособности и снижения массы комбинированного трубопровода определить оптимальные углы намотки углепластиковой оболочки, при которых осевые деформации тонкостенного лейнера и намотан-ного композита при захолаживании до криогенных температур име-ют одинаковый уровень осевых перемещений.Технологическое проектирование. Как правило, в комбиниро-ванном трубопроводе (рис. 1, а) тонкостенная металлическая оболоч-ка-лейнер 1 жестко соединена с фланцами 2 аргонодуговой сваркой, а сверху по спирали (рис. 1, б) на оболочку и фланцы намотан одно-направленный композиционный материал 3. На рис. 1 показана кон-структивная схема криогенного трубопровода, соединение стальной (Х18Н10Т) оболочки с фланцем торцевой сваркой, а также петлевое соединение намотанного углепластика (УКН-5000 + ЭДТ-10) с кони-ческим хвостовиком фланца. Трубопроводы собираются между со-бой с помощью центрирующего кольца 4 и соединяются сваркой по схеме «колокольчик».Рис. 1. Конструктивно-технологическое оформление стыковоч-ного узла трубопровода (а) и схема намотки нитей (б):Для того чтобы внутренний диаметр трубопровода оставался по-стоянным по всей длине, намотку композитного слоя осуществляют на расширяющийся конический выступ (бурт) хвостовика фланца с углом охвата наматываемой лентой бурта фланца на 180° или 360°. В связи с...

Modeling of the Process of Winding Shells of Composite Materials

“…Подобный класс механизмов имеет свои классификационные признаки: плоский разомкнутый тракт, фрикционный контакт тонкой натянутой ленты с валами (приводными -ведущими и направляющими -не приводными), непрерывное движение ленты в рабочем режиме, разматываемый рулон композиционного материала на входе тракта (раскат материала), накопитель на выходе тракта в виде заготовки изделия (накат материала). Схема рабочего тракта лентопротяжного механизма, характеризующегося различными видами кинематического взаимодействия и фрикционных контактов ленты (нити) с валами [7] - [10], представлена на рис. 3.…”

“…Располагая передаточными функциями и условиями устойчивости, можно построить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) звена, включающего стабилизатор с плавающим валом. По данным экспериментов, приведенным в работах [7], [8], [10], установлено, что форма и характеристика АЧХ зависят от всех параметров промежуточных валов и свободных участков тракта лентопротяжного механизма. Из выражения (2) для W p n ε ε Βx ( ) следует, что имеется частота антирезонанса, на которой происходит полное подавление гармонического возмущения.…”