способ изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата из стеклокомпозита

Формула изобретения

Способ изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата, включающий формирование цилиндрической оболочки из стеклянного заполнителя, облицованного металлическим покрытием в виде внешней, внутренней и торцевых облицовок, имеющих коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла, отличающийся тем, что внешнюю металлическую облицовку изготовляют с внутренними полостями, повторяющими форму наружных шпангоутов с концевыми утолщениями, после чего внешнюю и торцевые металлические облицовки устанавливают в разъемную форму и помещают ее в центрифугу, включают центрифугу и подают расплав стекломассы во внутреннюю полость внешней металлической облицовки, посредством центрифуги формируют требуемой толщины стеклозаполнитель вместе с наружными шпангоутами оболочки на внутренней поверхности внешней металлической облицовки, затем температуру стеклозаполнителя понижают до температуры, обеспечивающей его диффузионную сварку с внутренней металлической облицовкой, которую формируют путем подачи на стеклозаполнитель расплава металла при работающей центрифуге, понижают температуру цилиндрической оболочки до температуры стеклования и выключают центрифугу, отжигают цилиндрическую оболочку при температуре стеклования до полной релаксации напряжений и стабилизации физико-химических свойств стеклянного заполнителя, понижают температуру цилиндрической оболочки в разъемной форме до температуры внешней среды и извлекают ее из формы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к морской технике и касается изготовления прочных корпусов подводных контейнеров и других подводных сооружений.

Известен способ изготовления оболочки прочного корпуса подводного аппарата путем сборки из отдельных стеклянных элементов, склеенных между собой (Прочные оболочки из силикатных материалов. Под ред. Писаренко Г.С; АН УССР. Ин-т проблем прочности. - Киев: Наукова думка, 1989).

Недостатки известного способа заключаются в том, что получаемая оболочка обладает низкой контактной прочностью и малой ударостойкостью. Это существенным образом снижает эксплуатационную надежность прочного корпуса подводного аппарата и не позволяет в должной мере использовать высокую прочность стекла на сжатие.

Известен также способ изготовления оболочки прочного корпуса подводного аппарата, включающий формирование цилиндрической оболочки из стеклянного слоя, облицованного металлическим покрытием в виде внешней, внутренней и торцевых облицовок, имеющих коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла, который допускает изготовление металлических облицовок с гофрами после остывания расплавленной стекломассы (Патент РФ № 2067060, МПК 6 В63В 3/13, опубл. 27.09.1996, бюл. № 27 - прототип).

В известном способе формирование оболочки производится путем заливки расплавленной стекломассы в пространство, ограниченное металлическими облицовками, нагретыми до температуры, обеспечивающей надежное их соединение со стекломатериалом. За счет разницы в коэффициентах температурного расширения стеклянный заполнитель при остывании оболочки обжимается, что в сочетании с соответствующим температурным режимом позволяет исключить образование поверхностных микротрещин в стеклянном заполнителе и реализовать в промышленном масштабе известные закономерности многократного повышения прочности и ударостойкости стекломатериала.

Недостатки известного способа заключаются в необходимости использования жаростойких конструкционных металлов, имеющих химическое средство со стекломатериалом композита, в практической сложности равномерно плотного заполнения глубоких щелей и гофрированных неровностей, образуемых металлическими облицовками, и в формировании оболочек повышенной толщины, необходимой для обеспечения устойчивости цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата на больших океанских глубинах. Увеличение толщины стеклянного заполнителя ведет к утяжелению прочного корпуса подводного аппарата и снижению его положительной плавучести.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение надежного соединения металлических облицовок со стеклянным заполнителем, существенное расширение номенклатуры используемых металлов в качестве облицовок, упрощение технологии изготовления цилиндрической оболочки из стеклометаллокомпозита и существенное уменьшение массы цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата за счет повышения устойчивости последнего.

Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата, включающем формирование цилиндрической оболочки из стеклянного заполнителя, облицованного металлическим покрытием в виде внешнего, внутреннего и торцевых облицовок, имеющих коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла, внешнюю металлическую облицовку изготавливают с внутренними полостями, повторяющими форму наружных шпангоутов с концевыми утолщениями, после чего внешнюю и торцевые металлические облицовки устанавливают в разъемную форму и помещают ее в центрифугу, включают центрифугу и подают расплав стекломассы во внутреннюю полость внешней металлической облицовки, посредством центрифуги формируют требуемой толщины стеклозаполнитель вместе с наружными шпангоутами оболочки на внутренней поверхности внешней металлической облицовки, затем температуру стеклозаполнителя понижают до температуры, обеспечивающей его диффузионную сварку с внутренней металлической облицовкой, которую формируют путем подачи на стеклозаполнитель расплава металла при работающей центрифуге, понижают температуру цилиндрической оболочки до температуры стеклования и выключают центрифугу, отжигают цилиндрическую оболочку при температуре стеклования до полной релаксации напряжений и стабилизации физико-химических свойств стеклянного заполнителя, понижают температуру цилиндрической оболочки в разъемной форме до температуры внешней среды и извлекают ее из формы.

В заявленном способе изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- цилиндрическую оболочку прочного корпуса подводного аппарата формируют из стеклянного заполнителя, облицованного металлическим покрытием, в виде внешней, внутренней и торцевых облицовок;

- металлические облицовки имеют коэффициент температурного расширения, превышающий его величину у стекла.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого способа изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата и прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие существенные отличительные признаки:

- внешнюю металлическую облицовку изготавливают с внутренними полостями, повторяющими форму наружных шпангоутов с концевыми утолщениями;

- внешнюю и торцевые металлические облицовки устанавливают в разъемную форму и помещают ее в центрифугу;

- включают центрифугу и подают расплав стекломассы во внутреннюю полость внешней металлической облицовки;

- посредством центрифуги формируют требуемой толщины стеклонаполнитель вместе с наружными шпангоутами оболочки на внутренней поверхности внешней металлической облицовки;

- температуру стеклозаполнителя понижают до температуры, обеспечивающей его диффузионную сварку с внутренней металлической облицовкой, которую формируют путем подачи на стеклозаполнитель расплава металла при работающей центрифуге;

- понижают температуру цилиндрической оболочки до температуры стеклования и выключают центрифугу;

- обжигают цилиндрическую оболочку при температуре стеклования полной релаксации напряжений и стабилизации физико-химических свойств стеклянного заполнителя;

- понижают температуру цилиндрической оболочки в разъемной форме до температуры внешней среды и извлекают ее из формы.

Данная совокупность существенных отличительных признаков заявленного способа позволяет:

- предотвратить коробление внешней и торцевых металлических облицовок;

- обеспечить формирование равномерно плотного стеклянного заполнителя требуемой толщины и его диффузионную сварку с внешней и торцевыми металлическими облицовками цилиндрической оболочки;

- обеспечить формирование внутренней металлической облицовки заданной толщины;

- обеспечить диффузионную сварку внутренней металлической облицовки со стеклянным заполнителем;

- обеспечить релаксацию напряжений и стабилизацию физико-химических свойств стекла перед остыванием оболочки;

- обеспечить высокую сопротивляемость цилиндрической оболочки к потере ею устойчивой формы равновесия;

- обеспечить использование в качестве облицовок дешевых металлов, обладающих высокой деформативностью и малой массой;

- существенно уменьшить массу цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата.

Таким образом, в заявленном способе изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата надежное соединение металлических облицовок со стеклянным заполнителем обеспечивается диффузионной сваркой их между собой; расширение номенклатуры используемых металлов в качестве облицовок обеспечивается применением металлов, обладающих высокой деформативностью и малой массой; упрощение технологии изготовления цилиндрической оболочки обеспечивается применением центрифуги для нанесения на внешнюю металлическую облицовку стеклянного заполнителя и внутренней металлической облицовки на стеклозаполнитель, а существенное уменьшение массы цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата обеспечивается за счет уменьшения толщины стеклозаполнителя вследствие повышения устойчивости, достигаемой формированием шпангоутов большой изгибной жесткости и применения легковесных металлов.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможно решить поставленную задачу. Следовательно, заявленное изобретение является новым и обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для практического использования.

Предлагаемый способ изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата поясняется чертежом, на котором в схематическом виде приведена цилиндрическая оболочка прочного корпуса, сформированная на центрифуге. На чертеже обозначены: 1 - внешняя металлическая облицовка с внутренними полостями, повторяющими форму наружных шпангоутов с концевыми утолщениями; 2 - торцевые металлические облицовки; 3 - внутренняя металлическая облицовка; 4 -стеклянный заполнитель; 5 - разъемная форма; 6 - центрифуга.

Способ осуществляют следующим образом. Изготавливают внешнюю металлическую облицовку 1 с внутренними полостями для формирования наружных шпангоутов. Подготавливают ее и торцевые облицовки 2 для надежной диффузионной сварки со стеклонаполнителем 4. Устанавливают внешнюю металлическую облицовку 1 и торцевые металлические облицовки 2 в разъемную форму 5 и помещают в центрифугу 6. Затем включают центрифугу 6 и подают расплав стекломассы во внутреннюю полость внешней металлической облицовки 1 и посредством центрифуги формируют шпангоуты и стеклянный заполнитель 4 требуемой толщины на внутренней поверхности внешней металлической облицовки. Частоту и время вращения центрифуги 6 определяют расчетно-экспериментальным методом исходя из равномерно плотного заполнения внутренних полостей для формирования шпангоутов вместе с цилиндрической частью и сохранения равномерной толщины стеклянного слоя 4 при остывании стекломассы до температуры стеклования. При этом стекломассу можно наносить послойно и использовать различные рецептуры стекла для каждого промежуточного слоя. После чего температуру стеклянного заполнителя понижают до температуры, обеспечивающей его диффузионную сварку с внутренней металлической облицовкой 3, и на стеклянный заполнитель 4 подают расплав металла. Посредством центрифуги 6 формируют требуемой толщины внутреннюю металлическую облицовку 3 цилиндрической оболочки. При работающей центрифуге 6 остужают цилиндрическую оболочку до температуры стеклования стекломассы стеклозаполнителя 4. При достижении в стеклянном заполнителе 4 температуры стеклования центрифугу 6 отключают и производят отжиг цилиндрической оболочки при температуре стеклования до полной релаксации напряжений и стабилизации физико-механических свойств стеклянного заполнителя 4. После этого цилиндрическую оболочку остужают в разъемной форме 5 до температуры внешней среды и затем извлекают из формы 5.

Высокие показатели прочности и ударостойкости цилиндрической оболочки из стеклометаллокомпозита достигаются в основном за счет исключения в стеклянном заполнителе поверхностных микротрещин. Существенное значение имеют также полная изоляция стеклозаполнителя от воздействия внешней среды и его равномерно плотное формирование. Фундаментальные исследования физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН показали, что стеклу присуща высокая природная прочность независимо от его размеров в равной мере для стекловолокна, листа и массива. При этом исключение поверхностных микродефектов повышает прочность стекла на порядок защиты поверхности стекла от воздействия влаги, содержащейся в воздухе, увеличивает прочность вдвое, и, наконец, устранение внутренних микродефектов повышает прочность на 30% (Пух В.П., Байкова Л.Г., Кириенко М.Ф. и др. Атомная структура и прочность неограниченных стекол // Физика твердого тела, 2005, том 47, вып.5, с.850-855). При соблюдении перечисленных условий стекло достигает теоретической прочности, а его структура соответствует структуре наноматериалов. Так, например, силикатное стекло рецептуры (14,5 MgO·14,5Al₂O₃·71SiO ₂) достигает прочности в 10,4 ГПа при модуле Юнга 95 ГПа, т.е. прочность этого стекла в 10 раз превышает прочность высокопрочного титанового сплава. Относительная прочность стекла этой рецептуры, отнесенная к его плотности, выше относительной прочности титановых сплавов в 17,5 раз при превышении относительной жесткости на 35%.

Перечисленные условия повышения прочности неорганических стекол в полной мере соблюдены при изготовлении цилиндрической оболочки заявленным способом. Механизм исключения образования поверхностных микротрещин в стеклозаполнителе заключается в следующем. При остывании цилиндрической оболочки температура поверхностного покрытия всегда будет ниже температуры внутреннего стеклозаполнителя. Поэтому металлические облицовки, имеющие более высокие коэффициенты температурного расширения, стремятся сократить свои размеры в большей мере, чем прилегающие к ним поверхности стеклозаполнителя. Однако они встречают сопротивление со стороны приваренного стеклозаполнителя. Вследствие этого они растягиваются и стягивают прилегающие к ним поверхности стеклозаполнителя. Тем самым создаются механические препятствия к растрескиванию поверхности стеклозаполнителя. Приваренные к стеклозаполнителю металлические облицовки защищают стекло от взаимодействия с внешней средой, в том числе и от влаги. Под воздействием центробежных сил, возникающих в центрифуге, формируется равномерно плотный стеклозаполнитель, плотно прилегая и привариваясь к внутренним поверхностям внешней и торцевым металлическим облицовкам. По этой же причине к стеклозаполнителю плотно прилегает внутренняя металлическая облицовка, привариваясь к нему. В результате формируется равномерно плотный внутренний стеклозаполнитель без поверхностных микротрещин и внутренних микродефектов, который надежно защищен металлическими облицовками от воздействия внешней среды. Прочность и ударостойкость сформированного предлагаемым способом стеклянного заполнителя повышается настолько, что отпадает необходимость в использовании прочностных свойств металлических облицовок. Поэтому металлические облицовки используются лишь для обеспечения необходимых технологических приемов и для предохранения стеклозаполнителя от воздействия внешней среды, что позволяет отказаться от использования дорогостоящих высокопрочных металлов.

Расчеты показывают, что при одинаковом внутреннем объеме формирование шпангоутов позволяет существенно уменьшить плотность цилиндрической оболочки, доведя ее до 0,33 т/м³ для глубин в 6000 м, что в 1,8 раза меньше, чем у безнаборной цилиндрической оболочки, и до 0,44 т/м³ для предельных глубин Мирового океана, что в 1,58 раза ниже безнаборной цилиндрической оболочки. Здесь под плотностью цилиндрической оболочки понимается отношение массы к внешнему объему замкнутой по торцам оболочки. Прочный корпус подводного аппарата, состоящий из цилиндрической оболочки со шпангоутами и оконечностями из полусферических стеклометаллокомпозитных оболочек, может иметь плотность 0,3 т/м³ для глубин в 6000 м и 0,41 т/м³ для предельных глубин Мирового океана независимо от его габаритных размеров.

Технический результат изобретения заключается в создании стеклометаллической цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата с наружными шпангоутами при формировании бездефектного стеклозаполнителя, заключенного внутри металлических облицовок. Применение наружных шпангоутов существенно снижает массу цилиндрической оболочки и увеличивает полезный объем внутри прочного корпуса подводного аппарата. Использование стеклометаллических цилиндрических оболочек с наружными шпангоутами позволит создать прочные корпуса глубоководной техники, способной работать на предельных глубинах Мирового океана без применения дополнительных объемов плавучести.