Определение характеристик механических свойств материалов металлокомпозитного ксенонового бака высокого давления

Введение. Для расчетной оценки прочности, живучести и ресурса ксеноновых баков высокого давления (КБВД), являющихся основными элементами ракетоносителей ракетно-космической отрасли, необходимы данные по характеристикам свойств материалов, используемых при их изготовлении. Для обоснования методов экспериментальных исследований в первую очередь были подробно проанализированы конструктивные и технологические особенности баков.

Объект исследования. Конструкция металлокомпозитного ксенонового бака высокого давления представляет собой армированную оболочку вращения, получаемую в процессе непрерывной намотки композитной ленты на тонкостенный металлический сосуд (лейнер) (рис. 1). Металлический лейнер обеспечивает герметичность бака, а композитная оболочка обеспечивает его прочность. Баки работают под воздействием внутреннего избыточного давлением газовой среды.

Рис. 1. Конструктивная схема и основные размеры металлокомпозитного бака высокого давления

Лейнер представляет собой тонкостенную сварную емкость из титанового сплава, состоящую из двух днищ переменной толщины, фланцев и кольца подкладного. Заготовка днищ изготавливается методом раскатки из листа ВТ1-0 1,5 по ГОСТ 22178–76. Фланцы изготавливаются сборно-сварными, биметаллическими, из титана ВТ1-0 и стали 12Х18Н10Т. Днища между собой (по подкладному кольцу) и с фланцами соединяются электронно-лучевой сваркой по ОСТ 92-1151–81.

Композитная силовая оболочка изготавливается спирально-кольцевым методом непрерывной намотки на лейнер пакетов угольных волокон в несколько слоев. Материал волокон – IMS60 или T1000. Связующим является эпоксидная смола.

Таким образом, КБВД представляет собой техническую систему, состоящую из двух основных частей: титановой сварной оболочки и силовой композитной оболочки, а также вспомогательных элементов конструкции (фланец и т. д.).

Методика экспериментальных и расчетных исследований титановых образцов. Экспериментальные исследования заключались в испытании образцов из титанового сплава на растяжение и на 4-точечный изгиб.

Испытания образцов из титанового сплава на растяжение проводились по ГОСТ 1497–84 [1]. Использовались плоские пропорциональные образцы с головкой типа I двух типов: вертикальные образцы, вырезанные из титановой оболочки вдоль проката, и горизонтальные образцы, вырезанные из оболочки поперек проката (рис. 2).

Рис. 2. Пропорциональный образец с головкой типа I по ГОСТ 1497–84 для испытаний на статическое растяжение

В процессе нагружения проводилась автоматическая запись диаграммы деформирования «нагрузка– перемещение» с визуализацией на экран ПК. Затем производилась обработка результатов испытаний и расчет значений характеристик механических свойств [1].

Разрушающая деформация ε f титанового лейнера после проведения испытания образцов на растяжение рассчитывалась по формуле [2]

_S f = In ¹ 100 %, (1)

1 -V где v — значение относительного сужения материала после разрыва, полученное в результате проведенных испытаний на растяжение.

Коэффициент деформационного упрочнения металла m определялся по формуле [2]

m = 0,75

1 I Sk !g |-^

(^G 0,2 J

где E = 1 - 10⁵ E Dr - модуль упругости титанового сплава; g₀ 2 - условный предел текучести, полученный в результате испытания образцов на растяжение; V _к = v ; S k - сопротивление разрыву, определяемое по формуле

— = 1 + 1,4 v к . (3) ^а 0,2

Методика экспериментальных и расчетных исследований композитных образцов. Испытания образцов, вырезанных из композитной оболочки, на 4-точечный изгиб проводились в соответствии с ГОСТ 25.604–82 [3–16]. Образцы испытывались на испытательном стенде, представляющем собой две цилиндрические опоры и две оправки 0 10 мм, посредством которых сверху прикладывалась ступенчатая нагрузка по схеме 4-точечного изгиба (рис. 3). Перемещения измерялись с нижней стороны образца, посередине пролета, с помощью электронного преобразователя линейных перемещений марки ЛИР-7М-1. Испытания проводились при нормальной температуре - 20 ° С.

Испытания проводились на образцах двух типов, вырезанных из двух разных мест композитной оболочки бака. Первый тип образцов вырезался из верхней части композитной оболочки вблизи фланца и характеризовался толщиной стенки в диапазоне 9,8-12,1 мм и углом укладки композитной ленты 30°. Второй тип образцов вырезался из средней части композитной оболочки вблизи экватора бака и характеризовался толщиной стенки в диапазоне 3,1–3,3 мм и углом укладки композитной ленты 12,5°. Размер образцов в соответствии с ГОСТ 25.604–82 [9] составлял 110×5 мм при разной толщине стенки. Образцы размечались на композитной оболочке таким образом, чтобы ленты намотки композита располага- лись симметрично относительно друг друга по длине образца.

Рис. 3. Схема испытания композитного образца на 4-точечный изгиб

Методика испытания заключалась в приложении ступенчатой нагрузки на образец и измерении соответствующего ей значения перемещения. По полученным данным, в соответствии с ГОСТ 25.604–82, определялся модуль упругости при поперечном 4-точечном изгибе для каждого типа композитного образца по формуле

f с _   AF -13

^ D           3 _А ’

4 - b - h - Aw

где A F - приращение нагрузки; 1 - расстояние между опорами; b и h - ширина и высота образца; A w - приращение прогиба в середине образца, соответствующее изменению нагрузки на A F .

Результаты экспериментальных и расчетных исследований титановых образцов. Результаты испытаний образцов из титанового сплава представлены в табл. 1. Указанные значения характеристик механических свойств в целом соответствуют данным для титанового сплава ВТ1-0 [10]. Значения механических свойств вертикальных образцов, вырезанных из титановой оболочки вдоль проката, полностью соответствуют значениям, указанным в ГОСТ, а значения механических свойств горизонтальных образцов, вырезанных поперек проката, немного ниже.

Результаты экспериментальных и расчетных исследований композитных образцов.

По результатам испытаний композитных образцов 1 и 2 типа на 4-точечный изгиб получены диаграммы «нагрузка–перемещение» (рис. 4, 5). Значения модуля упругости композитной оболочки бака для образцов первого и второго типа представлены в табл. 2.

Заключение. Проведены испытания и определены прочностные механические свойства материалов, из которых изготавливаются металлокомпозитные ксеноновые баки высокого давления.

По результатам испытаний на растяжение определено, что предел текучести, предел прочности и относительное сужение титанового сплава в целом соответствуют данным для титанового сплава ВТ1-0 по ГОСТ 22178–76. Разрушающая деформация титанового сплава по расчету равна 1,27 для горизонтальных образцов и 1,08 – для вертикальных образцов, а коэффициент деформационного упрочнения составляет 0,095 для горизонтальных образцов и 0,092 – для вертикальных.

Таблица 1

№ п/п	Показатель	Средние значения		Значения по ГОСТ 22178–76 [5]
		Горизонтальные образцы	Вертикальные образцы
1	Условный предел текучести σ0,2, МПа	335	348	В диапазоне 200–400
2	Временное сопротивление разрушению σ b , МПа	506	553	Не менее 345
3	Относительное сужение ψ, %	72	66	Не менее 40
4	Разрушающая деформация ε f	1,27	1,08	–
5	Коэффициент деформационного упрочнения m	0,095	0,092	–

Таблица 2

№ п/п	Тип образца	Место вырезки	Угол намотки композита	Диапазон значений модуля упругости E , МПа	Среднее значение модуля упругости E , МПа
1	Тип 1, горизонтальное расположение	Вблизи экватора композитной оболочки бака	12,5 °	4,69 - 10 3 -4,83 - 10 3	4,75 - 10 3
2	Тип 2, горизонтальное расположение	В верхней части композитной оболочки, около фланца	30 °	9,31 - 10 4 -9,66 - 10 4	9,47 - 10 4

Значения характеристик механических свойств титанового сплава лейнера металлокомпозитного бака

Значения модуля упругости образцов из композитной оболочки бака

Рис. 4. Диаграмма «нагрузка–перемещение» образца из композита, тип 1

Рис. 5. Диаграмма «нагрузка–перемещение» образца из композита, тип 2

По результатам испытаний на 4-точеный изгиб образцов из композита получены диаграммы «нагрузка– перемещение» и определено два значения модуля упругости композита при угле намотки композитной ленты 30 ° и 12,5 ° соответственно: Е 1 = 4,75 - 10 3 МПа; Е ₂ = 9,47 - 10 4 МПа. Полученные результаты модулей упругости в общем соответствуют данным исследований для материала IMS60.

Acknowledgments. This article was prepared with the use of the result(s) produced with the financial support of the state represented by Ministry of Education of Russia, during the implementation of the project under the Agreement № 14.607.21.0038 under the FTP “Research and development on priority directions of scientific technological complex of Russia for 2014–2020”, RFMEFI60714X0038.