Поперечно обтекаемых

Рис. 5. Типичные диаграммы деформирования композиционных материалов на основе высокомодульных углеродных волокон и эпоксидного связующего: а — однонаправленный (0°) слой, Ув = 48%, Т = 25° С: 1 — продольное растяжение (Е = 15 450 кгс/ммг); 2 — продольное сжатие (Е = 15 450 кгс/мм2); б — однонаправленный (90°) слой, FB = 48%, Т = = 25° С (при поперечном растяжении и сжатии Е = 772 кгс/мм2); s — материалы, армированные под углами 0 и 90° (1) и ±45° (2), Т = 25° С; для структуры 0—90° Е = 10 200 кгс/мм2, для структуры ±45° Е = = 1755 кгс/мм2)

= 5160 кгс/мм2); б — поперечном растяжении (1) и сждтии (2) (соответственно Ezz= 1755 кгс/мм2 и ?22 = 1340 кгс/мм2);] в—сдвиге в плоскости слоя (G12 = = 562 кгс/мм2)

Принципиальное различие между расчетами по максимальным и предельным нагрузкам применительно к композиционным материалам связано с нарушением сплошности материала в процессе деформирования. Согласно основной концепции расчета по максимальным нагрузкам допустимые напряжения не должны вызывать нарушения сплошности материала и выходить за пределы линейного участка диаграммы деформирования. Описание поверхности разрушения с позиций расчета по предельным нагрузкам предусматривает допустимость нарушения сплошности материала, не приводящего к его разрушению. Например, разрушение связующего при поперечном растяжении или сжатии одного или нескольких слоев не вызывает разрушения, если структура

Очевидно, было бы в высшей степени желательным уметь пре-сказывать прочность и жесткость слоя по свойствам его компонент, а затем предсказать аналогичные характеристики и для композита, составленного из таких слоев, ориентированных выбранным образом. Определение жесткости обычно удается осуществить достаточно точно; предсказать с таким же успехом прочность пока не удается. Исследования в этой области еще продолжаются. Насколько известно, лишь разрушение слоя при растяжении объяснено со статистических позиций. Природа композитов, однако, такова, что допускает вероятностный анализ всех характерных видов их разрушения; при продольном и поперечном растяжении-сжатии и сдвиге — в плоскости и межслойном.

Роль остаточных напряжений в конструкции можно оценить, сравнивая значения поперечных остаточных напряжений, приведенных на рис. 46—48, с соответствующими значениями прочности. Прочность при поперечном растяжении однонаправленного композита (слоя) при объемном содержании волокон 0,55 составляет для эпоксидного боропластика :=«600 кгс/см2, для эпоксидного композита на S-стекле «== 310 кгс/см2, графитоэпоксидного композита ?«260 кгс/см2. Сопоставляя эти данные с соответствующими кривыми, приведенными на рис. 46—48, можно отметить, что поперечные остаточные напряжения могут достигать значений, сопоставимых с прочностью на поперечное растяжение. Аналогичные графики для других напряжений в слое даны в работе

— При поперечном растяжении-сжатии и сдвиге 55

Применительно к условиям, существующим на поверхности раздела, можно оценить величину двух механических характеристик, изученных достаточно детально. Этим характеристикам, а именно, пределам прочности при продольном и поперечном на-гружении, посвящены гл. 4 и 5. Для системы псевдопервого класса алюминиевый сплав 6061 — бор показано, что прочность как при продольном, так и при поперечном растяжении достигает максимума тогда, когда начинается разрушение псевдостабильной поверхности раздела. Через исходную поверхность раздела прорастают многочисленные, изолированные друг от друга иглы ди-

Стабильность поверхности раздела является основным физико-химическим требованием, выполнение которого обеспечивает высокую эксплуатационную надежность композита. Выполнение этого требования зависит, в свою очередь, от условий нагружения. Установлено, например, что прочность при продольном нагруже-нии композитов TI70A — В может быть полностью реализована лишь при толщине реакционной зоны (диборида титана) менее 0,55 мкм, однако прочность при поперечном растяжении остается неизменной с изменением толщины реакционной зоны от значений, меньших 0,1 мкм, до значений, превышающих 10 мкм. Однако чем сложнее вид нагружения, тем меньше имеется информации о поведении композита; так, почти нет информации об усталостных характеристиках. По-видимому, оптимизация характеристик поверхности раздела применительно к разнообразным условиям нагружения является одной из наиболее насущных проблем при разработке композитных материалов.

Напряжения на поверхности раздела вокруг волокна при поперечном растяжении композита заметно меняются. Пример таких изменений для случая композита А1 — 50 об. % В с квадратным расположением волокон приведен на рис. 10. Следует отметить, •что наибольшее значение на поверхности раздела принимают нор-

Лин и др. [14] продолжили исследование этих композитов, чтобы оценить влияние термической обработки матрицы и условий изготовления композита на его прочность при поперечном растяжении. Их экспериментальные данные, хорошо согласующиеся с теорией, показали, что прочность связи на поверхности раздела зависит от состояния поверхности волокон.

Эберт и др. [8], применяя метод конечных элементов, нашли распределение упругих микронапряжений в композите в условиях одно- и двуосно'го нагружения. Согласно их модели, при одноосном поперечном растяжении композита А1—50% В с квадратным

44. Стасилявичюс Ю. К., Скринска А. Ю. Теплоотдача поперечно обтекаемых пучков ребристых труб. Вильнюс, «Минтае», 1974.

Исследование коррозионно-эрозионного износа труб ширмового пароперегревателя пылесланцевого котла и разработка режимов комбинированной очистки рассмотрены в [5, 153]. Экспериментальная часть исследований выполнялась на крупномасштабной полупромышленной установке [153], состоящей из четырех двухходовых поперечно-обтекаемых ширм с суммарной поверхностью нагрева 68,5 м2. Ширмы располагались в переходном газоходе на сланцевом котле ТП-17 в области температур газа 1000—1100 °С. Ширмы выполнены двухходовыми по пару, причем первые три из них изготовлены из труб 042X6 мм стали 12Х1МФ с продольным шагом 45 мм, а четвертая ширма из труб 032X6 мм стали 12Х18Ш2Т с шагом 35 мм. Расстояние между ширмами 1035 мм.

Третье издание книги подверглось существенной переработке и включает новые материалы. Расширена глава 1, в главе 3 значительно сокращен старый материал и добавлен новый раздел по гидродинамике жидких металлов в магнитном поле. Глава 4 изложена в соответствии с современными взглядами на турбулентность. В главе 5 расширен раздел, посвященный теоретическим работам, значительно сокращен материал, относящийся к экспериментальным работам по теплообмену в трубах, включены одобренные рекомендации. Глава 6'— о теплообмене в щелевых зазорах — написана заново. Материал по теплообмену при обтекании пластин и теплообмену в поперечно-обтекаемых пучках труб выделен в самостоятельную главу 7. Глава 8 включает данные о теплообмене при продольном обтекании жидким металлом пакетов из труб и стержней. Здесь же изложены современные методы расчета теплообменников с двусторонним жидкометаллическим обтеканием. Глава 9 дополнена данными по конвекции в зазорах и по учету взаимодействия свободной и вынужденной конвекции. Существенно переработаны главы 10 и 11, посвященные конденсации и кипению. Заново написана глава 12, где изложены вопросы технологии работы с жидкими металлами (химический анализ, очистка, механизм коррозии и т. д.).

Полученные решения для одиночного цилиндра авторы работы [10] использовали для приближенного анализа теплоотдачи при течении жидкого металла в поперечно-обтекаемых пучках труб, приняв два основных допущения:

Таким образом, можно заключить, что аналитические зависимости позволяют оценить теплоотдачу поперечно обтекаемых жидким металлом пучков труб, расположенных по решетке равностороннего треугольника или квадрата с s/d^\,2.

пучков, поперечно обтекаемых слоем, ризонтальных труб кругло-приведены в [Л. 109]. В {Л. 176] для го, эллиптического и чече-увеличения компактности теплообмен- вицеобразного поперечного ника и равномерности прогрева ма- сечения. териалов (по сечению слоя) предложено делать трубы ошипованными.

Теплообмен поперечно обтекаемых труб можно улучшить, если ликвидировать образующуюся на верхней, встречающей поток материала стороне каждой трубы теплоизолирующую застойную зону («шапку») .материала. Придавая с этой целью трубам овальное или чече-вицеобразное сечение (рис. 4-1), автор [Л. 200] для труб чечевице-образного профиля (с соотношением длин осей 1,6) получил следующее соотношение:

Заметим, что эффекты эти, вообще говоря, невелики и во многих случаях могут быть оставлены без внимания, например при расчете профилей скорости, а также температуры (при сильной теплоотдаче) и др. В отдельных случаях, однако, значение их становится существенным и даже определяющим. Только при учете эффекта местного перераспределения энергии в быстром потоке можно объяснить, например, низкое значение „коэффициента восстановления" у поперечно обтекаемых термопар или явление тепловой „сепарации" в вихревых трубках—разделение изотермического потока воздуха на струи с температурой торможения существенно ниже и выше исходной [Л. 27].

В качестве второго примера на рис. 5 показаны аналогичные профили скорости, температуры и температуры торможения для случая обтекания быстрым газовым потоком плохо обтекаемого тела. Расчетное сечение выбрано вблизи тела— в зоне обратных токов. Наблюдаемые здесь эффекты заметнее, они объясняют, в частности, низкие. значения коэффициента восстановления у поперечно обтекаемых термопар. Проведенные * опыты по поперечному обтеканию цилиндра воздухом или водяным паром при М « 1 отчетливо подтвердили ожидаемый эффект. Исследуемый цилиндр изготовлялся из нетепло-

Осевое обтекание пучков труб реализуется на основном участке кожухотрубных аппаратов с прямотрубным пучком. В межтрубном пространстве при боковых подводе и отводе теплоносителя, а также при обтекании гибов труб всегда есть участки с косым обтеканием пучка. Опыты [4] по сопротивлению и теплоотдаче косо обтекаемых пучков показали, что в основном и распределение скорости, и распределение температуры имеют много общего со случаем распределения скорости и температуры поперечно обтекаемых пучков труб.

Сложность гидродинамической и температурной картины вынуждают вести обобщение данных по гидравлическому сопротивлению и теплоотдаче косо обтекаемых пучков труб в сравнении с сопротивлением и теплоотдачей поперечно обтекаемых пучков труб.