Еловенко Д.А. Тенденции развития технологии формообразования многослойных цилиндрических конструкций и методы оценки остаточных технологических напряжений / Д. А. Еловенко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2019. – Т. 62, № 2. – С. 48–58. – DOI: 10.26731/1813-9108.2019.2(62).48–58
10.26731/1813-9108.2019.2(62).48–58
В статье кратко описываются основные современные исследования, направленные на моделирование, анализ и оптимизацию технологического процесса формообразования многослойных цилиндрических конструкций с целью снижения результирующих остаточных напряжений. Изученные работы направлены на исследование многослойных рулонированных конструкций, образованных по спирали Архимеда, витых спирально-рулонных конструкций, а также конструкций, полученных способом намотки заготовки из гибкой проволоки прямоугольного поперечного сечения. Одними из основных параметров оптимизации процесса формообразования являются величина натяжения навиваемой заготовки и скорость вращения центрального цилиндрического элемента. В работе приводятся ссылки на исследования, в которых решаются проблемы появления различных дефектов (телескопичность, морщинистость и т. д.) в формообразованых конструкциях. Рассмотренные методы и модели могут иметь прямое практическое приложение к созданию корпусов сосудов высокого давления и реакторов, несущая часть которых собирается из нескольких многослойных цилиндрических узлов (царг). Многие из них могут быть развиты и адаптированы с целью дальнейшего применения на этапе анализа результирующих остаточных напряжений и деформаций, возникающих при формообразовании многослойных цилиндрических конструкций. Представленный аналитический обзор позволяет понять способы решения различных проблем, связанных с технологическим процессом формообразования рулонированных многослойных цилиндрических конструкций, навитых по спирали Архимеда и спирально-рулонных витых конструкций, а также дает возможность проследить главные тренды их развития.
1. А.с. 71464 СССР, МПК6 В 21 С 47/04. Способ изготовления многослойных корпусов толстостенных сосудов высокого давления / М.Н. Бейлин. № 45059 ; заявл. 24.02.41 ; опубл. 01.01.48.
2. А.с. 331614 СССР, МКИ3 В 21 Д 51/24. Способ изготовления многослойных обечаек для сосудов высокого дааления / Е.Р. Хисматулин и др. № 1610342/25-27 ; заявл.22.01.71 ; опубл .30.04.78, Бюл. № 16.
3. А.с. 659828 СССР, МКИ3 Г 17 С 1/06. Способ изготовления многослойных корпусов сосудов / П.Г. Пимштейн и др. № 2046816/23-26 ; заявл.15.07.74 ; опубл.30.04.79, Бюл. № 16.
4. А.с. 986024 СССР, МКИ3 В 21 Д 51/24. Способ изготовления многослойных сосудов высокого давления / В.М. Макаров и др. № 3276675/25-27 ; заявл.20.04.81 ; опубл. 1.09.82, Бюл. № 32.
5. А.с. 341284 СССР, МКИ3 В 21 Д 51/24. Способ изготовления корпусов / П.Г. Пимштейн. № 1369848 ; заявл.09.10.69 ; опубл.12.11.82, Бюл. № 35.
6. Пимштейн П.Г. Расчет оптимальной величины натяга в многослойном цилиндре // Химическое и нефтяное машиностроение. 1974. № 5. P. 4–6.
7. ОСТ 26-01-221-86. Сосуды многослойные рулонированные стальные высокого давления. Изготовление, испытание, приемка и поставка. М. : Минхимнефтемаш, 155 с.
8. Drozdov A.D., Kalamkarov A.L. Optimization of winding process for composite pressure vessels // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 1995. Vol. 62, № 1. P. 69–81.
9. Zhu R., Zhu G. Strength and safety analysis of flat steel ribbon helically wound pressure vessel // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 1996. Vol. 65, № 1. P. 7–11.
10. Gordeev V.N., Mikitarenko M.A., Perel’muter A.V. Stress analysis of coiled multilayer high-pressure vessels in the elastoplastic stage // Strength of Materials. 1979. Vol. 11, № 7. P. 778–783.
11. Zhu R., Zhu G. Potential developments of pressure vessel technology by using thin inner core and flat steel ribbon winding techniques // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 1996. Vol. 65, № 1. P. 1–5.
12. Investigation of the stress-strain condition of a multilayer rolled wall / Il’in L.A. et al. // Chemical and Petroleum Engineering. 1979. Vol. 15, № 9. P. 668–671.
13. Об аппроксимирующей функции сближения шероховатых контактирующих поверхностей в многослойных конструкциях / П.Г. Пимштейн и др. // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1983. № 12. P. 3–9.
14. Bezverbnyi A.F. Method of calculating the optimum parameters of a multilayered coiled cylinder with constant tension of the strip during coiling // Strength Mater. 1982. Vol. 14, № 3. P. 368–374.
15. Bezverbnyi A.F. Strength equalization in a multilayer band-reinforced cylinder // Strength of Materials. 1982. Vol. 14, № 6. P. 787–792.
16. Srinivas1 M.V., Dvorak G.J. Design of Composite Cylinder Fabrication Process // IUTAM Symposium on Transformation Problems in Composite and Active Materials / ed. Bahei-El-Din Y.A., Dvorak G.J. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2002. Vol. 60. P. 209–219.
17. Dvorak G.J., Prochazka P. Thick-walled composite cylinders with optimal fiber prestress // Composites Part B: Engineering. 1996. Vol. 27, № 6. P. 643–649.
18. Alegre J.M. et al. Simulation procedure of high pressure vessels using the wire winding technique // Engineering Failure Analysis. 2010. Vol. 17, № 1. P. 61–69.
19. Geng P., Xing J.Z., Chen X.X. Winding angle optimization of filament-wound cylindrical vessel under internal pressure // Arch Appl Mech. 2017. Vol. 87, № 3. P. 365–384.
20. Zheng J., Xu P, Wang L.Q, Zhu G.H. A more accurate method for predicting the stresses in a flat steel ribbon wound pressure vessel // Internal report of Zhejiang University. 1997. P. 787–793.
21. Zheng J. Design philosophy of flat ribbon wound layered pressure vessel // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 1998. Vol. 75, № 1. P. 57–61.
22. Zheng C. Research on reasonable winding angle of ribbons of Flat Steel Ribbon Wound Pressure Vessel // Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 2006. Vol. 7, № 3. P. 445–449.
23. Zheng C., Lei S. Optimal Winding Conditions of Flat Steel Ribbon Wound Pressure Vessels With Controllable Stresses // Journal of Applied Mechanics. 2008. Vol. 75, № 4. P. 041009.
24. Amin M., Ahmed S. Finite element analysis of pressure vessel with flat metal ribbon wound construction under the effect of changing helical winding angle // Journal of Space Technology. 2011. Vol. 1, № 1. P. 34–39.
25. Kaboré P. et al. Modelling Radial Compressive Modulus in Wound Rolls // Measurement and Control. 2007. Vol. 40, № 7. P. 207–210.
26. Liu M.L. A nonlinear model of center-wound rolls incorporating refined boundary conditions // Computers & Structures. 2009. Vol. 87, № 9–10. P. 552–563.
27. Mollamahmutoglu C., Good J.K. Modeling the influence of web thickness and length imperfections resulting from manufacturing processes on wound roll stresses // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2015. Vol. 8. P. 22–33.
28. Lee J., Lee C. An advanced model for the numerical analysis of the radial stress in center-wound rolls // International Journal of Mechanical Sciences. 2016. Vol. 105. P. 360–368.
29. Park J., Shin K., Lee C. Improvement of cross-machine directional thickness deviation for uniform pressure-sensitive adhesive layer in roll-to-roll slot-die coating process // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2015. Vol. 16, № 5. P. 937–943.
30. Lee J. et al. Analysis of adhesion strength of laminated copper layers in roll-to-roll lamination process // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2015. Vol. 16, № 9. P. 2013–2020.
31. Tanimoto K. et al. Wound stress of permeable papers with air-entrainment // Archive of Applied Mechanics (Ingenieur Archiv). 2003. Vol. 73, № 3–4. P. 160–170.
32. Lin P.M., Wickert J.A. Corrugation and Buckling Defects in Wound Rolls // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2006. Vol. 128, № 1. P. 56.
33. Mcdonald D. Crepe wrinkle formation during reeling and winding // Journal of Science & Technology for Forest Products and Processes. 2014. Vol. 4, № 1. P. 10–16.
34. Optimization of taper winding tension in roll-to-roll web systems / W. Dehui et al. // Textile Research Journal. 2014. Vol. 84, № 20. P. 2175–2183.
35. Hashimoto H., Jeenkour P., Mongkolowongrojn M. Optimum Winding Tension and Nip-load into Wound Webs for Protecting Wrinkles and Slippage // Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing. 2010. Vol. 4, № 1. P. 214–225.
36. Lee C. et al. Effect of taper tension profile on the telescoping in a winding process of high speed roll to roll printing systems // Journal of Mechanical Science and Technology. 2009. Vol. 23, № 11. P. 3036–3048.
37. Lee C., Kang H., Shin K. Advanced taper tension method for the performance improvement of a roll-to-roll printing production line with a winding process // International Journal of Mechanical Sciences. 2012. Vol. 59, № 1. P. 61–72.
38. Knittel D. et al. Tension control for winding systems with two-degrees-of-freedom H∞ controllers // IEEE Transactions on Industry Applications. 2003. Vol. 39, № 1. P. 113–120.
39. Ou Y. et al. An incipient on-line anomaly detection approach for the dynamic rolling process // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2014. Vol. 15, № 9. P. 1855–1864.
40. Pham M., Lee C. Novel approach to predict the varying thicknesses of a PVA film during a roll-to-roll process // International Journal of Mechanical Sciences. 2015. Vol. 92. P. 52–69.