Термопрочность элементов катапульты
Особенностью работы элементов катапульты (ГГ, соединительных трубопроводов, силовых цилиндров, штоков и др.) является совместное действие силовых и тепловых нагрузок. Как показывает анализ, наиболее опасны нестационарные режимы при запуске, связанные с быстрым прогревом стенок.
При этом различие в температурах поверхностей, находящихся в непосредственном контакте с горячими газами, и противоположных может значи-тельно превышать 100-200 К. При этом термонапряжения достигают предела текучести, т.е. происходят пластические деформации. На термонапряжения накладываются напряжения, вызванные давлением. Прогрев вызывает снижение механических характеристик металла, что также способствует снижению запаса прочности.
Следует отдельно учитывать, что при многократном использовании установки циклический переход деформаций из упругой области в пластическую и обратно может привести к накоплению повреждений, вызванных малоцикловой усталостью.
При расчете параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов катапульты учитывается, что элемент имеет форму цилиндра, нагруженного внутренним (трубопровод, цилиндр) или наружным (трубчатый шток) давлением, а температурное поле задано. Считается, что параметры НДС изменяются только по толщине элемента, а в продольном и тангенциальном направлениях изменения малы. НДС определяется по теориям Хубера-Мизеса или Треска-Сен-Венана, причем упрочнение не учитывается. Относительным недостатком такого подхода является необходимость расчета деформаций на протяжении всего воздействия. Соответственно необходимо использовать информацию об изменении давления и температурного поля во времени с момента начала работы катапульты.
Для проведения инженерных расчетов разработана упрощенная методика, которая позволяет с приемлемой погрешностью определять параметры НДС по значениям давления и температурному полю в расчетный момент времени.
Как и в других подходах, элементы газодинамических трактов катапульт рассматриваются как цилиндрические оболочки, которые испытывают одновременное действие следующих нагрузок:- продольных или сжимающих растягивающих усилий, вызванных действием сил давления газов на торцевые поверхности элементов. Для силовых цилиндров необходимо также учитывать действие силы трения;
- давления в данном элементе газодинамического тракта, которое вызывает растягивающие тангенциальные напряжения в стенках ГГ, труб и цилиндров. Поскольку на штоки действует наружное давление газов, в них возникают сжимающие тангенциальные напряжения. Для тонких цилиндров, какими являются рассмотренные элементы, значения радиальных напряжений пренебрежимо малы по сравнению с тангенциальными;
- теплового воздействия, которое вызывает появление термонапряжений в продольном и тангенциальном направлениях. При этом на горячей стороне стенки (внутренняя сторона стенок ГГ, трубопроводов и цилиндров и наружная сторона стенки штоков) действуют термонапряжения сжатия, а на противоположной, холодной, из условия статического равновесия - термонапряжения растяжения. Эти термонапряжения вызывают появление зон пластической деформации: сначала на горячей поверхности (там выше неравномерность температуры), а затем и на холодной. Кроме этого, прогрев стенок приводит к снижению механических характеристик стали, в частности предела текучести, а при более высоких температурах - к изменению ее структуры. Еще одной причиной структурных изменений и снижения прочности стали является химическое воздействие - проникновение углерода и водорода при высоких температурах в поверхностные слои металла, которое становится особенно заметным после нескольких пусков.
Появление пластических деформаций делает невозможным раздельное рассмотрение силового и теплового нагружения. В данном случае момент перехода деформаций в пластическую область зависит одновременно и от силовых нагрузок, и от распределения температур по сечению стенки.
Будем считать, что тангенциальные и продольные напряжения имеют положительный знак (растяжение). Такая схема соответствует ГГ и цилиндру, хотя общая схема нагружения будет справедливой и для других элементов. Также расчет НДС строится на основе следующих допущений.
1. Элементы считаем тонкостенными трубами (отношение толщины к диаметру h/D Это вызывает рост термонапряжений как возле горячей поверхности (сжимающих), так и возле холодной (растягивающих). Кроме того, в прогретой зоне начинают снижаться механические характеристики стали, в том числе предел текучести. В результате возле поверхностей стенки возникают зоны пластических деформаций по oz и оф (см. рис. 5.3,в). Какая из зон возникнет раньше, зависит от соотношения продольной нагрузки, тангенциальных сил давления и распределения температуры; в данном случае качественного влияния на дальнейшие процессы это не оказывает. В дальнейшем расширяются эти зоны, так как увеличивается неравномерность температурного поля. Существенное изменение продольного усилия или давления может привести к тому, что одна из зон может сузиться или вообще исчезнуть.
Для расчета условия перехода деформаций в пластическую область и определения напряжений при пластических деформациях будем использовать модель Треска-Сен-Венана. В соответствии с этой моделью определяющей является разность большего и меньшего из главных напряжений, которая в пластической области равна пределу текучести ст при данной температуре. В данном случае термонапряжения по модулю значительно выше, чем напряжения, вызванные продольным усилием и давлением. Пластическая зона появляется в момент, когда вследствие прогрева большее по модулю сжимающее напряжение на горячей поверхности достигает предела текучести - оно является минимальным
Итерации повторяются до тех пор, пока изменение sz и вф на очередной итерации не будет меньше заданной малой величины.
После этого по формулам (5.14)-(5.15) определяются напряжения в характерных точках.Для узлов катапульт на начальных циклах работы расчетным случаем разрушения является достижение состояния, в котором деформации всего сечения стенки переходят в пластическую область (для последующих циклов необходимо учитывать накопление повреждений вследствие малоцикловой усталости). Это может произойти в одном из двух случаев:
1) упругая область в центре сечения в результате значительных растягивающих или сжимающих усилий, вызванных силовым нагружением, смещается к одному из краев и «выходит» за край. В этом случае
Рассмотрим особенности нагружения типовых элементов катапульты. ГГ испытывает нагружение внутренним давлением, которое может достигать достаточно больших значений. Оно же определяет и значение продольного усилия. Газы в ГГ имеют высокую температуру, однако характерная скорость их движения ниже, чем в элементах, в которые газ течет из ГГ (за исключением течения в районе выходного отверстия или сопла). Расчет теплоотдачи в ГГ представляет собой более сложную задачу, чем для других элементов, однако конструкции ГГ подобны друг другу и накоплен большой опыт их проектирования. Прочность ГГ определяется по методикам, принятым при проектировании РДТТ [5], или их конструкция и размеры назначаются на основании существующих аналогов.
Трубопроводы нагружены внутренним давлением. Продольные усилия на их стенках малы. При этом сравнительно высокая скорость течения газов обусловливает большие тепловые нагрузки на трубопровод.
Стенки газовых цилиндров нагружены внутренним давлением. Если цилиндр фиксируется в осевом направлении в районе окон сброса, то продольное усилие в стенках цилиндра складывается из силы давления (растягивающей) и сил трения в уплотнении штока (сжимающих). Если цилиндр крепится у входа трубопроводов, то в продольном направлении он растягивается силой трения в уплотнении.
На фазе торможения цилиндр может сжиматься тормозной силой (в зависимости от схем крепления и торможения). Следует отметить, что продольные и тангенциальные деформации стенок цилиндра имеют один и тот же знак (растяжение). Вместе с тем, повышенная скорость газа в районе впускного отверстия увеличивает тепловое воздействие в этих зонах. По этой причине особенно важно правильно организовать течение в нижней части цилиндра, в частности подавать газ из нескольких отверстий, расположенных друг против друга.Шток в отличие от остальных элементов испытывает действие внешнего давления, вызывающего в нем тангенциальные напряжения сжатия. Продольное усилие представляет собой разность силы давления и силы трения в уплотнении поршня (силой инерции поршня можно пренебречь). Таким образом, в данном случае тангенциальные и продольные напряжения имеют разные знаки, что увеличивает критерий ка max. Вместе с тем, зону наиболее интенсивного теплового воздействия в районе впускного отверстия последовательно проходят разные участки движущегося штока, что снижает его тепловое нагружение, фактически делая его более кратковременным.
Для изготовления рассматриваемых узлов необходимо применять свариваемые стали, имеющие высокую теплопроводность в сочетании с высоким пределом текучести при больших температурах. Могут использоваться низколегированные, относительно дешевые теплоустойчивые стали типа 12МХ, 15ХМ с высокой теплопроводностью в широком диапазоне температур. Предел текучести у них при комнатной температуре относительно невысокий - 27-30 МПа, но по мере увеличения температуры он падает не столь быстро, как у других сталей, - до 22-24 МПа при 600 (у стали Ст 3 до 8 МПа). Могут использоваться более прочные марки свариваемых сталей: 25ХГСА, 12Х2НВФА. Их теплопроводность ниже, чем у предыдущих, а предел текучести при комнатной температуре весьма высокий - до 100 МПа. По мере увеличения температуры он падает достаточно быстро до 30 МПа при 600°. По этой причине к концу работы катапульты, когда по толщине большая часть сечения имеет высокую температуру, показатели прочности узлов, выполненных из этих материалов, могут оказаться близкими. Использование жаропрочных аустенитных сталей типа Х18Н9Т вследствие их низкой теплопроводности может привести к оплавлению поверхностей трубопроводов и силовых цилиндров. Окончательный ответ по поводу выбора марки стали даст сравнительный прочностной расчет.