ПКМ

Тезисы статьи «Возможность применения гибридного многослойного полимерного композиционного материала в конструкциях подводных аппаратов»

Гибридный многослойный полимерный композиционный материал(ГПМКМ), состоящий из волокнистого наполнителя, полых стеклянных микросфер и органического связующего находит применение для снижения массы корпусно-механической части(КМЧ) конструкций военного и гражданского назначений. Например, ВИАМ предлагает препрег, в ходе переработки которого получается микросферотекстолит, предназначенный для использования в слабонагруженных деталях внутренней обшивки самолетов и в радиотехнике. Применение рассматриваемого материала, в ряде случаев может оказаться рациональным и для создания КМЧ туристических и иных подводных аппаратов(ПА).
Под ГПМКМ, мы понимаем следующее – это композит, полученный при совмещении нескольких(больше 4-х) слоев 2-х известных полимерных композиционных материалов(полимерного волокнистого композита и сферопластика). Легко показать, что уменьшение плотности ГПМКМ будет пропорционально объему введенных микросфер и колебаться в диапазоне от значения для чистого волокнистого композиционного материала(ВКМ) – ρвкм до чистого сферопластика – ρсф. Можно допустить, что механические характеристики трехкомпонентного материала будут изменяться в аналогичной пропорции, по крайней мере, до содержания микросфер – не более 75 об.%. В связи с этим, рациональность применения рассматриваемого материала для КМЧ ПА будет зависеть от вида изделия и величины нагрузки.
В целях анализа, разделим КМЧ ПА на два вида: легкие корпуса и прочные корпуса. Легкие корпуса – это обтекатели, кожухи, стабилизаторы, крылья и другие элементы сложной гидродинамической формы, не имеющие замкнутых герметичных объемов и не нагруженные всесторонним внешним гидростатическим давлением.
Рациональность применения гибридного материала для легких корпусов не вызывает сомнений. Здесь всегда можно найти компромисс между снижением плотности и допустимым уменьшением механических характеристик.
Рациональность применения рассматриваемого материала для изготовления прочных корпусов зависит от уровня нагрузки. Для больших глубин от ≈ 700 м несущая способность корпусов будет лимитироваться прочностью материала . В этом случае основания для ее уменьшения путем добавления микросфер абсолютно отсутствуют. Для малых и средних глубин < 700 м несущая способность будет лимитироваться потерей устойчивости и зависеть от жесткости материала и геометрии конструкции

где qкр – величина критического для ПА внешнего гидростатического давления, МПа
А –коэффициент, зависящий от геометрических параметров конструкции, м-3
Е – модуль упругости, МПА
h – толщина стенки корпуса ПА, м

Как известно, устойчивость рационально обеспечивать путем подкрепления обшивки корпуса(толщина, которой рассчитана из условий прочности) поперечными ребрами – шпангоутами. Применение шпангоутов в конструкциях из ВКМ существенно усложняет технологию изготовления ПА и конструкцию технологической оснастки, а в ряде случаев вообще не представляется возможном их применение. В этом случае применение рассматриваемого ГМПКМ может дать существенный технологический эффект. А именно, добавляя микросферы можно, не выходя за рамки заданных массо-габаритных характеристик, за счет снижения плотности материала перейти от подкрепленной конструкции к гладкостенной. При этом некоторое уменьшение механических характеристик легко компенсировать соответствующим увеличением толщины обшивки в пределах высоты набора (высота набора = высота шпангоута + толщина обшивки) или подбором волокнистого наполнителя с более высокими механическими характеристиками(при сохранении прежней стоимости).
С целью проверки возможности применения ГПКМ для создания прочных корпусов ПА была изготовлена опытная партия(4 шт.) оболочек следующих размеров: длина 1 м, наружный диаметр – 0.4 м, толщина стенки – 0.02 м. Корпуса изготовлялись спиральной многозаходной намоткой предварительно пропитанной лентой из ткани Т-10-80 и связующего ЭДТ-10. В процессе намотки, с помощью специально спроектированного приспособления, добавлялось столько микросфер, чтобы получить суммарную плотность - 1450 кг/м3, вместо исходной - 1900 кг/м3. Масса изготовленных корпусов, не вышла за пределы теоретически рассчитанной конструкции с толщиной обшивки 0.01 м и соответствующим шпангоутным набором. Корпуса выдержали длительно действующую( 2 недели) рабочую нагрузку 6 МПа. Материал оказался герметичным по механически обработанной поверхности. Водопоглощения обнаружить не удалось. Вибродемпфирующие свойства материала в указанной конструкции возросли на 20 % по сравнению с такой же конструкцией из стеклопластика. Себестоимость материала понизилась на 10 %.

Заключение

  1. Известно, что большинство автоматизированных ПА, предназначенных для выполнения исследовательских работ на дне моря, работают на глубинах до 1000 м. В настоящее время количество подобных аппаратов будет увеличиваться, в связи с принятием программы о развитии нефте- и газодобычи с шельфа. Также в последнее годы активно развивается рынок туристических ПА, которые рассчитаны на погружение до глубины 50 м. В обоих описанных случаях вопросы снижения массы аппарата, увеличения его коррозионной стойкости, увеличения срока безремонтной работы чрезвычайно актуальны.

  2. Гибридный многослойный полимерный композит рационально применять для легких корпусов ПА, а также для прочных корпусов, эксплуатируемых на глубинах до 700 м.

  3. Для применения материала в конструкциях ПА необходимо отработать процесс намотки и формования изделия; проверить возможность выполнения механического соединения отдельных узлов; проверить герметичность материала до глубин 1000 м.

  • 933