Раціональне проектування композитного кулябалону з полімерним лейнером

Abstract

Проведено аналіз існуючих композитних балонів, виготовлених намотуванням армуючих матеріалів на полімерному сполучному. Аналіз показав, що методики проектування та технологія виготовлення циліндричних металокомпозитних та композитних балонів розроблені досить добре, а проектування та технологія виготовлення кулябалонів спирається на емпіричний підхід. Це тим, що такі балони намотуються множинним сімейством шарів, у яких армуючі матеріали укладаються під різними кутами до осі балону. При цьому створюваний композитний шар є статично невизначеною системою, і спроектувати значення товщини армуючого матеріалу в шарах без залучення деформаційних рівнянь неможливо. У роботі надано методику проектування композитного кулябалону з лейнером із поліетилену на прикладі конкретної конструкції. Методика полягає у попередньому розрахунку значень товщини армуючого матеріалу спірального та кільцевого шарів для циліндричного балона, у якого циліндрична частина нульової довжини. Так як циліндричний шар на поверхню кулі намотати неможливо, то отриману товщину кільцевого шару рівномірно розподіляємо на багатозонні шари. На наступному етапі розраховуємо відносну деформацію армуючого матеріалу в кожному шарі в напрямку армування і порівнюємо з допустимою з урахуванням коефіцієнта безпеки. У тих шарах, де значення деформації перевищує допустиме збільшуємо товщину, і знову знаходим відносну деформацію. Розрахунок повторюємо, до тих пір, поки у всіх шарах не буде досягнуто відносну деформацію, що допускається. Слід зазначити, що ця методика дозволяє отримувати конструкцію балона мінімальної маси та може використовуватися також для проектування циліндричних металокомпозитних та композитних балонів при багатозонному намотуванні спіральних шарів.

The analysis of existing composite cylinders made by winding reinforcing materials on a polymer binder is carried out. The analysis showed that the design methods and manufacturing technology of cylindrical metal composite and composite cylinders are well developed, and the design and manufacturing technology of spherical balloon is based on an empirical approach. This is due to the fact that such cylinders are wound with a multiple family of layers in which reinforcing materials are laid at different angles to the axis of the cylinder. At the same time, the composite layer being created represents a statically indeterminate system, and it is impossible to design the thickness values of the reinforcing material in the layers without involving deformation equations. The paper presents a method of designing a composite balloon with a polyethylene liner on the example of a specific design. The method consists in preliminary calculation of the thickness values of the reinforcing material of the spiral and annular layers for a cylindrical cylinder with a cylindrical part of zero length. Since it is impossible to wind a cylindrical layer on the surface of the ball, we distribute the resulting thickness of the annular layer evenly into multi-zone layers. At the next stage, we calculate the relative deformation of the reinforcing material in each layer in the direction of reinforcement and compare it with the permissible one, taking into account the safety factor. In those layers where the deformation is greater than the permissible one, we increase the thickness, and again we find the relative deformation. The calculation is repeated until the permissible relative deformation is reached in all layers. It should be noted that this technique makes it possible to obtain a design of a cylinder of minimal mass and can be used for the design of cylindrical metal-composite and composite cylinders with multi-zone winding of spiral layers.