Особенности проектирования стеклопластиковых оболочек

Специальных норм проектирования пластмассовых оболочек в настоящее время нет. Поэтому следует пользоваться рекомендациями, основанными на результатах экспериментальных исследований и опыте возведения таких конструкций [12]. Для пластмассовых оболочек решающим критерием при определении геометрических размеров поперечных сечений элементов и их формы является устойчивость. Во избежание выпучивания сжимающие напряжения в оболочке, согласно некоторым рекомендациям, не должны превышать 1/3 критических.

Так как сила тяжести оболочек мала, они должны быть закреплены от ветрового отсоса.

Оболочки — наиболее эффективные конструкции из армированных пластмасс, так как пластмассы можно создавать с такой анизотропией упругих свойств, которая будет соответствовать напряженному состоянию оболочки и обеспечивать ее максимальную жесткость по отношению к заданной нагрузке. Характер анизотропии стеклопластиков регулируется структурными параметрами их как композиционных материалов и их структуру можно назвать регулируемой технологической анизотропией.

В качестве наполнителя при изготовлении стеклопластиков для оболочек применяются стеклянные нити, ленты, жгуты и тканые стекломатериалы. Относительную долю усилия, воспринимаемого связующим, находят по формуле

где Е_ст и E_св — модули упругости стеклонаполнителя и связующего;
? — относительное объемное содержание связующего.

При Е_ст=7000 МПа, E_св=300...700 МПа (для большинства синтетических смол) и ?=30% по формуле (161) получим N_св=2...4%. Следовательно, усилия в стеклопластиковой оболочке в основном воспринимаются стеклонаполнителем, а связующее обеспечивает совместную работу отдельных элементов наполнителя. Предполагая в практических расчетах, что расчетные усилия должны восприниматься лишь стеклонаполнителем, оптимальной структурой материала считают такую структуру, которая обеспечивает равновесие стеклонаполнителя без участия связующего. Отсюда в качестве основной системы принимают оболочку, состоящую как бы из одного стеклонаполнителя. С этих позиций рассмотрим элемент оболочки из материала с косоперекрестной структурой (рис. 157, а), в котором действуют усилия N₁ и N₂ (например, продольное и кольцевое в цилиндрической оболочке или радиальное и меридиальное в сферической оболочке) и установим некоторые структурные параметры материала.

Пусть система стеклонитей состоит из k слоев, причем одна половина слоев направлена под углом ? к оси, а другая под углом ?—?. Из условия симметрии усилия p в каждом волокне одинаковы. Усилия, приходящиеся на единицу длины в направлении О_х и О_у, определяются по формулам:

где n — плотность нитей, т. е. число нитей в одном слое, приходящееся на единичный отрезок, перпендикулярный направлению нитей.

Из соотношений (162) вытекает интересное следствие, заключающееся в том, что для того, чтобы система нитей находилась в равновесии, должно выполняться условие

По формуле (163) получают графическую зависимость величин оптимальных углов ориентации стеклонаполнителя при различных соотношениях N₁/N₂ (рис. 157, б). Например, для цилиндрической оболочки, находящейся под воздействием равномерно распределенной по ее поверхности нагрузки при N₁=gr и N₂=gr/2, оптимальный угол ориентации стеклонитей ?=54°44'.

При переменных в разных сечениях расчетных усилиях варьируются показатели k и n, что изменяет процент содержания стекловолокна в связующем в этих сечениях.

Приравнивая усилие p в расчетном сечении разрывному усилию в стеклонити, по формулам (162) можно найти несущую способность оболочки.

Решая аналогичным образом задачи проектирования различных оболочек из стеклопластиков с разными схемами армирования, находят оптимальные структурные параметры, позволяющие наиболее рационально использовать материал в теле оболочек.