сосуд давления из волокнистых композиционных материалов
Классы МПК: | B32B1/02 различные вместилища или сосуды, например резервуары F17C1/16 изготовленные из пластмасс |
Автор(ы): | Зиновьев П.А., Смердов А.А., Сарбаев Б.С., Фомин Б.Я., Каравашкин В.Г., Челпанов Р.Г., Усошин В.А. |
Патентообладатель(и): | Малое предприятие "Институт композитных технологий" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-12-10 публикация патента:
27.01.1997 |
Использование: производство сосудов высокого давления, в частности для автомобильного транспорта. Сущность изобретения: сосуд давления содержит силовую оболочку с цилиндрической частью и днищами из спиральных и кольцевых слоев волокнистого материала, а также центральные фланцы с крышками. Соотношение толщин слоев, выбираемое из условия
,
где hк - толщина кольцевых слоев; hc - толщина спиральных слоев; R - радиус цилиндрической части баллона; r - радиус полюсного отверстия в днище силовой оболочки; k - численный коэффициент, величина которого выбирается в диапазоне от 0,85 до 0,7. Толщина спиральных слоев цилиндрической части силовой оболочки hc, определяемая формулой
,
где p - расчетное значение разрушающего давления;
1 - предел прочности материала силовой оболочки при растяжении в направлении волокон. 5 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
![сосуд давления из волокнистых композиционных материалов, патент № 2072308](/images/patents/400/2072308/2072308t.gif)
где hк - толщина кольцевых слоев; hc - толщина спиральных слоев; R - радиус цилиндрической части баллона; r - радиус полюсного отверстия в днище силовой оболочки; k - численный коэффициент, величина которого выбирается в диапазоне от 0,85 до 0,7. Толщина спиральных слоев цилиндрической части силовой оболочки hc, определяемая формулой
![сосуд давления из волокнистых композиционных материалов, патент № 2072308](/images/patents/400/2072308/2072308-2t.gif)
где p - расчетное значение разрушающего давления;
![сосуд давления из волокнистых композиционных материалов, патент № 2072308](/images/patents/400/2072059/963.gif)
Формула изобретения
Сосуд давления из волокнистых композиционных материалов, содержащий выполненную из спиральных и кольцевых слоев силовую оболочку с цилиндрической частью и днищами и центральные фланцы с крышками, отличающийся тем, что в нем соотношение толщин кольцевых и спиральных слоев выбирается по формуле![сосуд давления из волокнистых композиционных материалов, патент № 2072308](/images/patents/400/2072308/2072308-7t.gif)
где hк толщина кольцевых слоев
hс толщина спиральных слоев на цилиндрической части баллона
R радиус цилиндрической части баллона
r радиус полюсного отверстия в днище силовой оболочки;
k численный коэффициент, величина которого выбирается в диапазоне от 0,85 до 0,7,
при этом толщина спиральных слоев на цилиндрической части силовой оболочки определяется формулой
![сосуд давления из волокнистых композиционных материалов, патент № 2072308](/images/patents/400/2072308/2072308-8t.gif)
где p расчетное значение разрушающего давления;
![сосуд давления из волокнистых композиционных материалов, патент № 2072308](/images/patents/400/2072059/963.gif)
Описание изобретения к патенту
Заявляемое изобретение может применяться в транспортной технике и общем машиностроении, а более конкретно при производстве сосудов высокого давления, например, в автомобильной промышленности при переводе автотранспорта на газовое топливо. Известна конструкция металлического сосуда, предназначенного для хранения сжатых газов при высоком давлении (см.книгу: Морев А.И. Ерохов В.И. Эксплуатация и техническое обслуживание газобаллонных автомобилей. М. Транспорт, 1988. с.55 57). Такая конструкция способна выдерживать высокое давление, однако обладает двумя основными недостатками: высоким значением массы баллона и опасным характером его разрушения (взрывное разрушение с разлетом осколков). Эти недостатки ограничивают применение таких конструкций в ответственных изделиях (например, автомобилях и самолетах). Известна конструкция сосуда из композиционных материалов, образованного намоткой спиральных и кольцевых слоев, описанная, например, в книге: Образцов И.Ф. Васильев В.В. Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М. Машиностроение, 1977. с.72 74. Эта конструкция принята в качестве прототипа изобретения. Такой сосуд содержит композитную силовую оболочку с цилиндрической частью и днищами и центральные металлические фланцы, причем цилиндрическая часть силовой оболочки содержит спиральные и кольцевые слои композиционного материала, а днища сосуда только спиральные слои. Соотношение толщин кольцевых и спиральных слоев в конструкции-прототипе выбирается по формуле:![сосуд давления из волокнистых композиционных материалов, патент № 2072308](/images/patents/400/2072308/2072308-4t.gif)
где hк толщина кольцевых слоев, hc толщина спиральных слоев, R радиус цилиндрической части сосуда, r радиус полюсного отверстия в днище силовой оболочки. Соотношение толщин кольцевых и спиральных слоев по зависимости (1) в прототипе выбирается для того, чтобы обеспечить технический результат - равнопрочность баллона давления. Это значит, что одновременно достигаются разрушающие напряжения в спиральных и кольцевых слоях. Это позволяет значительно снизить массу сосуда по сравнению с металлическим аналогом. Вместе с тем, условие равнопрочности (1), принимаемое при проектировании композитных сосудов давления, на практике приводит к тому, что разрушение конструкции всегда происходит в зоне фланцев вследствие концентрации напряжений в этой зоне. При этом металлический фланец с большой скоростью вылетает из разрушившегося сосуда, что приводит к опасности для окружающих людей и устройств. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении безопасности эксплуатации сосуда давления путем исключения недостатка прототипа, связанного с опасным характером разрушения. Это позволит резко расширить область применения легких композитных сосудов высокого давления. В заявленном изобретении соотношение толщин спиральных и кольцевых слоев выбирается таким, чтобы обеспечить технический результат БЕЗОСКОЛОЧНОЕ РАЗРУШЕНИЕ сосуда давления. Безосколочность разрушения достигается за счет гарантированного разрушения по цилиндрической части сосуда, так что фланцы остаются жестко закрепленными и не вылетают при разрушении сосуда. При таком разрушении баллона не происходит вылета никаких осколков, так что угрозы безопасности окружающих людей и устройств не происходит. Указанный технический результат обеспечивается за счет отказа от известных зависимостей, основанных на равнопрочности композитного сосуда давления. Заявленное изобретение характеризуют следующие существенные признаки:
сосуд давления из волокнистых композиционных материалов содержит выполненную из спиральных и кольцевую слоев силовую оболочку с цилиндрической частью и днищами и центральные фланцы с крышками,
соотношение толщин кольцевых и спиральных слоев выбирается по формуле
![сосуд давления из волокнистых композиционных материалов, патент № 2072308](/images/patents/400/2072308/2072308-5t.gif)
где hк толщина кольцевых слоев, hc толщина спиральных слоев на цилиндрической части баллона, R радиус цилиндрической части баллона, r радиус полюсного отверстия в днище силовой оболочки, k - численный коэффициент, величина которого выбирается в диапазоне от 0,85 до 0,7,
толщина спиральных слоев на цилиндрической части силовой оболочки определяется формулой
![сосуд давления из волокнистых композиционных материалов, патент № 2072308](/images/patents/400/2072308/2072308-6t.gif)
где p расчетное значение разрушающего давления,
![сосуд давления из волокнистых композиционных материалов, патент № 2072308](/images/patents/400/2072059/963.gif)
![сосуд давления из волокнистых композиционных материалов, патент № 2072308](/images/patents/400/2072059/963.gif)
толщина спиральных слоев на цилиндрической части 5,0 мм,
толщина кольцевых слоев 5,4 мм,
что соответствует величине коэффициента k 0,8. Такие характеристики сосуда обеспечивают гарантированное разрушение его по цилиндрической части, что подтверждается экспериментальными результатами. Фиг.4 и 5 показывают, что наличие совокупности существенных признаков у заявленного устройства приводит к заявленному техническому результату безосколочному разрушению (фиг. 4), тогда как при их отсутствии отсутствует и данный технический результат (см.фиг.5, на котором отдельно показан вылетевший при разрушении сосуда фланец).
Класс B32B1/02 различные вместилища или сосуды, например резервуары
Класс F17C1/16 изготовленные из пластмасс