Объемный элемент и способ изготовления из него сотовых заполнителей

 

Использование: изобретение относится к типовым объемным элементам и способу изготовления из них сотовых заполнителей, которые используются в качестве сердечника при изготовлении трехслойных сотовых конструкций. Сущность изобретения: объемный элемент выполнен в виде трехгранника с плоскими гранями, и размещены объемные элементы в сотовом заполнителе в заданном порядке по заданному рисунку, соединены друг с другом внахлест по плоскостям соприкосновения и своими гранями образуют непрерывные плоскости, проходящие через весь сотовый блок и совпадающие с направлением действующих нагрузок. 2 с. и 16 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической, авиационной, судостроительной, радиоэлектронной, строительной, мебельной, автомобильной и другим отраслям промышленности, в частности к конструкциям трехслойных сотовых панелей и оболочек, использующих в своем составе сотовые заполнители, для изготовления корпусов соответствующих сооружений.

Известен объемный элемент в виде многогранника, образующего часть ячейки, сотового заполнителя [1] Недостатком его является невозможность получать ячейки сотового заполнителя переменной толщины, получать сотовые блоки в виде круга или его части, конуса, сферы и т.д. а также не обеспечивает изготовление сотовых заполнителей с различными физико-механическими и теплофизическими характеристиками в различных направлениях по площади сотового блока.

Известен способ изготовления сотовых заполнителей, заключающийся в предварительном изготовлении объемных элементов в виде гофрированных листов (лент) и соединении их друг с другом по выступающим плоскостям гофров с помощью клея, припоя или сварки [2] Известен также способ изготовления сотовых заполнителей, заключающийся в формовании многогранных объемных элементов, размещении их друг относительно друга для образования ячеек одинаковой или различной формы, соединении объемных элементов друг с другом по плоскостям соприкосновения в неразъемную сотовую структуру и пропитке ее при необходимости затвердевающим продуктом, необратимо фиксирующим форму и размер ячейки [3] Недостатком известных способов является невозможность изготовления сотовых заполнителей с различными физико-механическими и теплофизическими характеристиками в различных направлениях по площади сотового блока, а также изготовления сотовых блоков в виде круга или его части, конуса, сферы и т.д.

Техническими результатами изобретения являются: изготовление сотовых заполнителей в виде блоков в форме бруса, круга, оболочек одинарной или двойной кривизны или их части, а также их комбинаций в одном сотовом блоке; получение сотовых блоков переменной толщины; обеспечение повышенной точности воспроизведения рабочих поверхностей сотовых блоков; существенное повышение механических характеристик сотовых заполнителей в направлениях, параллельных их рабочим поверхностям; получение четырехгранных ячеек, у которых две противоположные грани имеют двойную толщину, а остальные более чем двойную; образование ячеек, продольная ось которых перпендикулярна, по крайней мере одной из рабочих поверхностей сотового блока или оси его симметрии;
образование гранями ячеек непрерывных поверхностей, проходящих через весь сотовый блок в направлениях максимальных действующих нагрузок на сотовую конструкцию и обеспечивающих ее максимальную жесткость;
изготовление сотовых заполнителей с различными физико-механическими и теплофизическими характеристиками в различных направлениях по площади сотового блока;
изготовление сотового заполнителя в виде блока в форме параболоида вращения постоянной толщины или его части с максимальными механическими характеристиками вдоль его образующих;
изготовление сотового заполнителя в виде блока в форме параболоида вращения постоянной толщины или его части с максимальными механическими характеристиками в окружном направлении;
изготовление сотового заполнителя в виде блока в форме сферической оболочки постоянной толщины или ее части с максимальными механическими характеристиками в меридиональных плоскостях;
изготовление сотового заполнителя в виде блока в форме сферической оболочки постоянной толщины или ее части с максимальными механическими характеристиками вдоль ее параллелей;
изготовление сотового заполнителя в виде блока в форме конической оболочки постоянной толщины или ее части с максимальными механическими характеристиками в направлении ее образующих;
изготовление сотового заполнителя в виде блока в форме конической оболочки постоянной толщины или ее части с максимальными механическими характеристиками в кольцевом направлении;
изготовление сотового заполнителя в виде блока в форме цилиндрической оболочки постоянной толщины или ее части с максимальными механическими характеристиками в направлении ее образующих;
изготовление сотового заполнителя в виде блока в форме цилиндрической оболочки постоянной толщины или ее части с максимальными механическими характеристиками в кольцевом направлении;
изготовление сотового заполнителя в виде блока в форме плоского круга постоянной толщины или его части с максимальными механическими характеристиками в радиальных направлениях;
изготовление сотового заполнителя в виде блока в форме плоского круга постоянной толщины или его части с максимальными механическими характеристиками в окружных направлениях;
изготовление сотового заполнителя в виде блока в форме плоского прямоугольника постоянной толщины с прямоугольной формой ячеек в плане;
упрощение технологии изготовления крупногабаритных сотовых блоков;
обеспечение повышенной точности рабочих поверхностей сотового блока;
изготовление сотовых блоков переменной толщины по заданному закону ее изменения.

Технические результаты изобретения достигаются тем, что объемный элемент в виде многогранника, образующего часть ячейки сотового заполнителя, согласно изобретению выполнен трехгранным с плоскими гранями, которые имеют либо криволинейную конфигурацию с двумя криволинейными внешними и двумя прямолинейными боковыми сторонами, либо многоугольную конфигурацию с прямолинейными сторонами многоугольника, либо с комбинацией граней указанных форм, две боковые грани объемного элемента расположены по противоположным сторонам по отношению к средней грани, не лежат в ее плоскости и имеют размеры и конфигурацию одной из граней ячейки, а ширина средней грани объемного элемента кратна ширине других ячеек сотового заполнителя и равна более чем двум их ширинам, каждая из боковых граней входит в состав одной, но различной ячейки сотового заполнителя, а средняя грань принадлежит одновременно нескольким смежным ячейкам, внешние стороны всех граней выполнены с заданной точностью по заданному профилю и образуют внешнюю и внутреннюю или верхнюю и нижнюю рабочие поверхности сотового блока, при этом объемный элемент образует контур, напоминающий зет-образный (Z-образный) профиль.

Технические результаты достигаются также и тем, что в способе изготовления сотовых заполнителей, который заключается в формовании многогранных объемных элементов, размещении их друг относительно друга для образования ячейки одинаковой или различных форм, соединении объемных элементов друг с другом по плоскостям соприкосновения в неразъемную структуру и пропитке ее при необходимости затвердевающим продуктом, необратимо фиксирующим форму и размер ячеек, согласно изобретению из заданных материалов изготавливают трехгранные объемные элементы заданных геометрических размеров и формы с длиной граней, соответствующей высоте сотовых ячеек (толщине сотового блока), по заданному рисунку расположения объемных элементов в сотовом блоке из них образуют ряды открытых ячеек в виде криволинейных или прямолинейных лент или их комбинаций, в которых размещают набор однотипных или разнотипных объемных элементов и соединяют их последовательно внахлест друг с другом по средней грани с шириной нахлеста, равной числу граней ячеек, умещающихся на средней грани объемного элемента, за вычетом одной, и тем самым образуют ленту с выступающими с ее обеих сторон боковыми гранями объемных элементов и с толщиной, равной сумме толщин средних граней объемных элементов, число которых равно числу граней ячейки, уменьшающихся на длине средних граней объемных элементов, ленты с рядами открытых ячеек соединяют друг с другом по плоскостям боковых граней объемных элементов до получения сотового блока заданного размера и конфигурации. Помимо этого, технические результаты для частных случаев достигаются и тем, что:
ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют постоянной ширины, придают им с заданной точностью форму параболы (образующей параболоида) и располагают вдоль образующей сотового блока в форме параболоида так, чтобы их концы сходились или были направлены к его вершине, для чего длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми, а ширину боковых граней различной и пропорциональной как их расстоянию от оси симметрии оболочки, так и углу между плоскостями двух смежных параболических лент с выступающими с их обеих сторон боковыми гранями объемных элементов, внешние стороны средних граней объемных элементов выполняют в форме части параболы, а внешние стороны боковых граней выполняют в форме части концентрических окружностей с радиусами равными длине образующей конической поверхности с вершиной на оси симметрии параболоида, которая перпендикулярна поверхностям параболоида в точках их пересечения, совпадающих с боковыми сторонами средней грани объемного элемента, соединение лент друг с другом производят так, что боковые грани объемных элементов образуют многогранную усеченную коническую пирамиду, вписанную в упомянутую выше коническую поверхность;
ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют постоянной ширины в виде части плоского кольца с заданной точностью, соединяют их концы и придают лентам форму части конической поверхности у ее основания, при этом вершина конуса располагается на оси симметрии параболоида, его образующие перпендикулярны образующим параболоида, конические кольца соединяют между собой по всем плоскостям выступающих с их обеих сторон боковых граней объемных элементов так, что последние образуют с необходимой точностью параболитические ленты постоянной ширины, являющиеся образующими параболоида, при этом все длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотового блока, внешние стороны средней грани выполняют в форме части концентрических окружностей, радиусы которых равны соответствующим длинам образующих упомянутой выше конической поверхности, а внешние стороны боковых граней выполняют в форме соответствующей части параболы, образующей параболоид;
ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют постоянной ширины, придают им с заданной точностью контура форму части круга или полуокружности и располагают вдоль меридианов сотового блока в форме сферы так, чтобы их концы или плоскости, в которых они располагаются, сходились у полюсов, при этом длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми, а ширину боковых граней различной и пропорциональной как их расстоянию от оси симметрии сферы, так и углу между плоскостями двух смежных лент с выступающими с их обеих сторон боковыми гранями объемных элементов, внешние стороны граней выполняют в виде части концентрических окружностей с радиусами внешней и внутренней поверхностей сферического сотового блока;
ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют с заданной точностью контура в виде плоских колец или их части постоянной ширины с внешним радиусом, равным радиусу окружности сферического сотового блока в месте расположения данной параллели, причем этот радиус уменьшают в направлении от экваториальной параллели к полюсу оболочки, а ширину кольцевых лент увеличивают в этом же направлении пропорционально расстоянию от экваториальной плоскости сферы, кольцевые ленты соединяют между собой по всем плоскостям выступающих с их обеих сторон боковых граней объемных элементов так, что последние образуют меридиональные кольцевые ленты в виде полуокружности или ее части, а плоскости всех кольцевых лент в сотовым блоке располагают параллельно друг другу, для образования экваториальной кольцевой ленты объемные элементы выполняют с одинаковой для всех граней длиной, для остальных же лент объемные элементы выполняют с различной длиной средней и боковых граней пропорционально расстоянию ленты от экваториальной плоскости сотового блока, при этом все внешние стороны в объемных элементах выполняют в виде части концентрических окружностей, которые для боковых граней имеют радиус внешней и внутренней сферических поверхностей соответственно, а для средних граней имеют величины соответствующих радиусов колец, образующих параллели сотового блока;
ленту, образующую экваториальную параллель, составленную из набора трехгранных объемных элементом, выполняют с заданной точностью контура в виде кругового кольца постоянной ширины, а остальные ленты, образующие другие параллели сферы, выполняют с заданной точностью контура в виде части плоского кольца постоянной ширины, соединяют их концы друг с другом и придают им форму части конической поверхности, которая принадлежит конусу с вершиной в центре сферы и с основанием по окружности ее параллели, конические и кольцевую экваториальную ленты соединяют между собой по всем плоскостям выступающим с их обеих сторон боковых граней объемных элементов так, что последние образуют меридиональные кольцевые плоскости в виде полукольца или его части, при этом все длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотового блока, а внешние стороны граней выполняют в виде части концентрических окружностей с радиусами внешней и внутренней поверхностей сферического сотового блока;
ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют прямолинейными постоянной ширины и располагают вдоль образующих сотового блока в форме конуса так, чтобы их концы или плоскости, в которых они расположены, сходились у вершины, при этом длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотовой оболочки, а ширину боковых граней различной и пропорциональной как их расстоянию от вершины конуса, так и углу между плоскостями двух смежных лент с выступающими с их обеих сторон боковыми гранями объемных элементов, среднюю грань выполняют прямоугольной, а внешние стороны боковых граней выполняют в виде части концентрических окружностей с радиусами равными длине образующих конуса с вершиной на оси симметрии конического сотового блока, которая перпендикулярна внешней и внутренней поверхностям сотового блока в точках их пресечения, совпадающих с боковыми сторонами средней грани объемного элемента;
ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют с заданной точностью контура в виде плоских колец или их части постоянной и одинаковой для всех лент ширины с внешними радиусом, равным радиусу окружности конического сотового блока в месте расположения данного кольца, причем этот радиус увеличивают в направлении от вершины конуса к его основанию, кольцевые ленты соединяют между собой по всем плоскостям выступающих с их обеих сторон боковых граней объемных элементов так, что последние образуют плоскости, направленные вдоль образующих конуса, плоскости всех лент в сотовом блоке выполняют параллельными друг другу, объемные элементы выполняют с различной длиной средней и боковых граней, постоянных для всех объемных элементов в сотовом блоке, при этом средние грани объемных элементов изготавливают в форме кольцевого сектора с радиусами равными радиусам внешней и внутренней поверхности сотового блока в месте расположения кольцевой ленты и шириной пропорциональной их расстоянию от вершины конуса и углу между боковыми гранями, а боковые грани изготавливают в форме параллелограмма;
ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют с заданной точностью контура в виде части плоского кольца постоянной ширины для всех лент сотового блока и при соединении их концов друг с другом придают каждой ленте форму части конической поверхности у ее основания, которая принадлежит конусу с вершиной на оси конического сотового блока с основанием перпендикулярным его оси и с образующей перпендикулярной образующей конического сотового блока, конические ленты соединяют между собой по всем плоскостям выступающих с их обеих сторон боковых граней объемных элементов так, что последние образуют плоскости в виде прямолинейных лент, лежащих в плоскостях образующих сотового блока и его оси, при этом все длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотового блока, боковые грани выполняют прямоугольными, а средние части в виде части концентрических окружностей с радиусами равными длине образующей упомянутого выше конуса с вершиной на оси оболочки сотового блока;
ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют прямолинейными постоянной толщины, располагают их вдоль образующих сотового блока в форме цилиндра так, чтобы выступающие с их обеих сторон боковые грани объемных элементов после соединения друг с другом образовывали круговые кольца с диаметрами, соответствующими внешнему и внутреннему диаметрам цилиндрической оболочки сотового блока, при этом все длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине оболочки или ее части, средние грани выполняют прямоугольными, а боковые в виде части концентрических окружностей с радиусами внешней и внутренней поверхностей цилиндрической оболочки сотового блока;
ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют с заданной точностью контура в виде круговых колец или их части постоянной ширины, располагают их параллельно друг другу и перпендикулярно оси цилиндрического сотового блока и соединяют друг с другом по всем плоскостям выступающих с их обеих сторон боковых граней объемных элементов так, чтобы последние образовывали прямолинейные плоские ленты, лежащие в плоскостях, образованных образующими и осью цилиндрической оболочки, при этом все длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине оболочки или ее части, боковые грани выполняют прямоугольными, а средние грани выполняют в виде части концентрических окружностей с радиусами внешней и внутренней поверхностей цилиндрической оболочки сотового блока;
ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют прямолинейными постоянной ширины и располагают в радиальных направлениях так, чтобы их концы сходились в центре круга, при этом длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотового блока, а ширину боковых граней различной и пропорциональной как их расстоянию от центра круга, так и углу между смежными радиальными лентами с выступающими с их обеих сторон боковыми гранями объемных элементов, все грани объемных элементов выполняют прямоугольными;
ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют прямолинейными заданной длины, их концы соединяют так, что образуют цилиндрические кольца заданных размеров с выступающими внутрь и наружу колец боковыми гранями объемных элементов, кольца соединяют друг с другом по всем плоскостям боковых граней объемных элементов так, что последние образуют радиальные плоскости, при этом длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотового блока, а форму граней выполняют прямоугольной;
ленты, составленные из набора объемные элементов, выполняют прямолинейными, заданной длины и постоянной ширины, их соединяют между собой по всем плоскостям боковых граней объемных элементов, выступающих с их обеих сторон так, что грани объемных элементов образуют решетку из взаимно перпендикулярных, непрерывных и проходящих через весь сотовый блок плоскостей, при этом длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотового блока, а форму граней выполняют прямоугольной.

Кроме того, технические результаты достигаются еще и тем, что крупногабаритные сотовые блоки разбивают на технологические подблоки, на боковых торцах изготовленных технологических подблоков удаляют выступающие боковые грани объемных элементов, получая гладкие поверхности, а затем соединяют подблоки по заданному рисунку в сотовый крупногабаритный блок по гладким торцевым поверхностям, рабочие поверхности сотового блока подвергают прецизионному шлифованию, например, после сборки сотовых блоков по размеру всего сотового изделия или его части; грани объемных элементов выполняют переменной длины в соответствии с изменяющейся толщиной сотового блока.

Именно заявленная конструкция объемного элемента и способ изготовления из него сотовых заполнителей обеспечивают, согласно изобретению достижение всех поставленных целей. Это позволяет сделать вывод, что заявленные конструкция и способ связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение заявляемого изобретения с прототипом позволяет установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявленное изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают совокупности заявляемых технических решений соответствию критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показан зет-образный объемный элемент; на фиг.2 схема подкрепленной цилиндрической оболочки; на фиг.3 конструкция объемного элемента для изготовления сотового блока в форме цилиндрической оболочки постоянной толщины с максимальными механическими характеристиками вдоль ее образующих; на фиг. 4 три проекции ленты, составленной из набора объемных элементов на фиг. 3; на фиг.5 соединение лент, составленных из набора объемных элементов, друг с другом в сотовый блок цилиндрической формы; на фиг.6 конструкция объемных элементов для образования сотового заполнителя в форме цилиндрической оболочки с внутренней поверхностью в форме четырехгранной пирамиды; на фиг.7 конструкции объемных элементов для образования сотового заполнителя в форме параболоида вращения; на фиг.8 конструкции объемных элементов для образования сотового заполнителя в форме сферической оболочки; на фиг.9 конструкции объемных элементов для образования сотового заполнителя в форме конической оболочки; на фиг.10 конструкции объемного элемента для изготовления сотового заполнителя в форме цилиндрической оболочки постоянной толщины с максимальными механическими характеристиками в кольцевом направлении; на фиг.11 сотовый заполнитель, выполненный в форме круга или его части с максимальными механическими характеристиками в радиальных направлениях; на фиг.12 элемент I сотового заполнителя на фиг.11; на фиг.13 фрагмент сотового заполнителя, выполненного в форме круга или его части с максимальными механическими характеристиками в окружных направлениях; на фиг.14 фрагмент сотового заполнителя, выполненного в форме прямоугольного бруса; на фиг.15 конструкция переходного объемного элемента для изготовления оболочки в виде цилиндра со сферическим днищем.

На чертежах обозначено: 1 средняя грань объемного элемента, 2 боковая грань объемного элемента, 3 внешняя сторона средней грани объемного элемента, 4 внешняя сторона боковой грани объемного элемента, 5 боковая сторона средней грани объемного элемента, 6 боковая сторона боковой грани объемного элемента, H длина объемного элемента и его граней, A ширина средней грани объемного элемента, B ширина боковой грани объемного элемента, 7 обшивка цилиндрической оболочки, 8 стрингеры, 9 шпангоуты, 10 - объемный элемент для изготовления сотового заполнителя в форме цилиндрической оболочки постоянной толщины с максимальными механическими характеристиками вдоль ее образующих, 11 прямолинейная лента постоянной ширины, составленная из набора объемных элементов, с выступающими с ее обеих сторон их боковыми гранями, 12 объемный элемент для изготовления сотового блока в форме цилиндрической оболочки с внутренней поверхностью в форме четырехгранной пирамиды, 13 объемный элемент для изготовления сотового блока в форме параболоида вращения с максимальными механическими характеристиками вдоль его образующих, 14 объемный элемент для изготовления сотового заполнителя в форме параболоида вращения с максимальными механическими характеристиками в окружном направлении, 15 объемный элемент для изготовления сотового заполнителя в форме сферической оболочки с максимальными механическими характеристиками в меридиональных направлениях, 16, 17 объемные элементы для изготовления сотового заполнителя в форме сферической оболочки с максимальными механическими характеристиками в направлении параллелей, 18 объемный элемент для изготовления сотового блока в форме конической оболочки с максимальными механическими характеристиками в направлении ее образующих, 19, 20 объемные элементы для изготовления сотового заполнителя в форме конической оболочки с максимальными механическими характеристиками в окружных направлениях, 21 - объемный элемент для изготовления сотового заполнителя в форме цилиндрической оболочки постоянной толщины с максимальными механическими характеристиками в окружном направлении, 22 сотовый заполнитель, изготовленный в форме круга или его части, 23 объемный элемент для изготовления сотового заполнителя в форме круга или его части с максимальными механическими характеристиками в радиальных направлениях, 24 объемный элемент для изготовления сотового заполнителя в форме круга или его части с максимальными механическими характеристиками в кольцевых направлениях, 25 объемный элемент для изготовления сотового заполнителя в форме прямоугольного бруса, 26 объемный элемент для перехода сотовой цилиндрической оболочки в сотовую сферическую для образования цилиндрической оболочки со сферическим днищем.

Прежде чем рассматривать конструкцию сотового заполнителя следует разобраться и установить терминологию, которая упоминается при описании самих изобретений и в их формуле. На фиг.1 показан зет-образный объемный элемент простейшей конструкции. Позиции, обозначающие отдельные его элементы, расшифрованы выше и пригодны для объемных элементов любых других конфигураций.

Рассмотрим сотовый заполнитель, выполненный, например, в виде блока цилиндрической формы.

Известно, что наименьший расход конструкционных материалов при изготовлении оболочечных конструкций возможен лишь тогда, когда они подкреплены силовым набором. Это подтверждено практикой их изготовления и эксплуатации во всем мире и в случае рассматриваемой нами цилиндрической оболочки, схематично изображенной на фиг.2, она конструктивно состоит из обшивки 7 и силового набора, состоящего из стрингеров 8 и шпангоутов 9, здесь каждый элемент выполняет свои функции. Так, нагрузки растяжения и сжатия, действующие вдоль оси оболочки, воспринимаются, в основном, стрингерами 8. Нагрузки внешнего или внутреннего давления воспринимаются, в основном, шпангоутами 9, а нагрузки кручения или сдвигов обшивкой 7. Подобные конструкции типичны для ракетной, космической, авиационной, судостроительной, химической и других отраслей промышленности.

Что касается сотового заполнителя, то он призван выполнять роль и функции силового набора при значительно меньшей массе.

Пусть рассматриваемая цилиндрическая конструкция подвержена, в основном, нагружению сжатием, направленным вдоль ее продольной оси. Для такого нагружения наиболее прочными и жесткими должны быть элементы, расположенные вдоль образующей цилиндра. С этой целью следует применить объемный элемент 10, показанный на фиг.3. Он выделен более толстыми линиями. Его средняя грань 1 имеет прямоугольную форму и расположена вдоль образующей цилиндрической оболочки. Боковые грани 2 перпендикулярны средней грани и представляют собой часть кольцевой поверхности. Их внешние стороны 4 имеют радиус внешней R и внутренней r поверхности цилиндра, а боковые стороны 5, 6 прямолинейны и направлены к центру окружности, плоскость которой перпендикулярна оси цилиндра. Условимся далее, что из условия прочности и жесткости нас устраивает сотовый заполнитель, у которого две грани ячейки выполнены двойной толщины, а остальные тройной. Это означает, что средняя грань 1 (фиг.2) объемного элемента 10 должна иметь ширину равную ширине трех граней ячеек.

Если отформовано достаточное количество объемных элементов 10 (фиг.3) из заданных материалов, то можно приступать к изготовлению сотового заполнителя. С этой целью вначале из объемных элементов необходимо изготовить ленты, которые будут выполнять роль стрингеров 8 (фиг.2) в сотовой оболочке. Для этого объемные элементы соединяют друг с другом по плоскостям средних граней внахлест. Ширина перекрытия средних граней составляет 2/3 их ширины. Неразъемное соединение объемных элементов получают, используя клей, припой или сварку. Лента должна иметь строго прямолинейную форму и с ее обеих сторон должны выступать боковые грани объемных элементов, располагающиеся строго напротив друг друга в одной плоскости. Три проекции прямолинейной ленты 11 показаны на фиг.4.

После того как изготовлено достаточное количество лент 11 (фиг.4), составленных из объемных элементов 10, приступают к сборке непосредственно сотового заполнителя в форме цилиндрической оболочки. С этой целью ленты соединяют друг с другом по всем плоскостям выступающих с их обеих сторон боковых граней объемных элементов до получения замкнутой цилиндрической сотовой оболочки. На фиг. 5 показан фрагмент соединения двух лент 11 по выступающим с их обеих сторон боковым граням объемных элементов 2 в сотовый блок цилиндрической формы с заданными радиусами внешней и внутренней цилиндрических поверхностей. В этом блоке ячейки имеют форму четырехгранника, у которого две грани имеют двойную толщину и составлены из соединенных между собой боковых граней объемных элементов, а остальные грани имеют более чем двойную (в рассматриваемом случае тройную) толщину и образованы полотном лент, составленным из средних граней объемных элементов. При этом все грани ячеек сотового заполнителя двойной толщины лежат в плоскостях перпендикулярных плоскостям расположения остальных граней ячеек. Эти плоскости непрерывны. Оценки механических характеристик заявляемого типа сотового заполнителя для данного конкретного случая показывают, что их величины значительно выше, чем у известных типов сотовых заполнителей. Если сравнение проводить с самым распространенным в мире сотовым заполнителем с шестигранной формой ячеек, то прочность заявляемого заполнителя может быть выше в 100 и более раз, а модуль упругости в 1000 и более раз во взаимно перпендикулярных направлениях параллельных рабочим плоскостям (в данном случае цилиндрическим). Для получения сотового заполнителя с минимальной массой и максимальными механическими характеристиками очень важным является и то, что плоскости расположения граней ячеек совпадают с направлением действия нагрузок. При этом физико-механическими и теплофизическими характеристиками сотового заполнителя можно варьировать по площади цилиндрической оболочки, если объемные элементы изготавливать из соответствующих материалов. Так, в сотовом блоке можно организовывать токопроводящие участки при основной массе сотового заполнителя и обшивок, изготовленных из изоляционных материалов. При применении набора определенных материалов для изготовления объемных элементов можно создавать сотовые заполнители с направленными теплофизическими свойствами, с заданным коэффициентом линейного расширения или радиопоглощения и т.д.

Немаловажным обстоятельством при изготовлении сотовых заполнителей является и то, что они должны как можно точнее, а лучше просто с заданной точностью, выдерживать рабочую поверхность. Особенно остро этот вопрос стоит при изготовлении оболочек. В настоящее время их изготавливают из плоских сотовых блоков путем изгиба. При этом деформируется форма ячеек, а прямолинейные стороны их граней достаточно грубо описывают криволинейные поверхности. Заявляемый объемный элемент и способ изготовления из него сотовых заполнителей свободны от этого недостатка и могут описывать любые криволинейные и комбинированные поверхности с заданной точностью. Степень точности зависит от оборудования, на котором изготавливается объемный элемент, ленты и производится сборка сотового блока из лент.

Иллюстрацией универсальности трехгранного объемного элемента служат приведенные на фиг.6 15 примеры его конструкций для образования сотовых блоков, образующих изделия различного назначения.

На фиг. 6 показана "экзотическая" оболочка с внешним цилиндрическим и внутренним пирамидальным контуром, которую можно изготовить из набора объемных элементов 12. Как видно из чертежа грани объемных элементов имеют переменную длину. Средняя грань имеет форму трапеции. Одна из наружных сторон боковых граней имеет форму частей наружной цилиндрической поверхности оболочки, а другая наружная сторона прямолинейная и образует внутреннюю поверхность пирамидальной полости в цилиндрической оболочке.

На фиг.7 показан сотовый заполнитель в форме параболоида вращения и объемные элементы для его образования. Такие оболочечные конструкции в настоящее время широко используются, например, в авиационной технике для носовых частей кабин самолетов, в технике для изготовления рефлекторов параболических антенн как наземного базирования, так и расположенных на борту летательных и плавающих аппаратов. К ним, как правило, предъявляются повышенные требования к точности и жесткости при воздействии эксплуатационных нагрузок и минимум массы, что особенно актуально для космических аппаратов. Если оболочка должна иметь максимальные механические характеристики в направлении ее образующих, то используются объемные элементы 13. Если же максимальные механические характеристики должны быть в окружном направлении, то используются объемные элементы 14.

На фиг. 8 показан сотовый заполнитель, выполненный в форме сферической оболочки, и объемные элементы для его образования. Такие оболочечные конструкции в настоящее время широко используются для космических и глубоководных аппаратов в нефтеперерабатывающей, газовой и других отраслях. Если оболочки должны иметь максимальные механические характеристики в меридиональных направлениях, то используются объемные элементы 15. Если же максимальные механические характеристики должны быть обеспечены в направлении параллелей, то используются объемные элементы 16, 17. При этом объемный элемент 17 показан в деформированном виде после образования конической ленты, которая образована из набора объемных элементов. Необходимо отметить, что в сотовом заполнителе сферической формы, выполненном из объемных элементов 16, продольная ось четырехгранных ячеек направлена перпендикулярно вертикальной оси сферы.

На фиг. 9 показан сотовый заполнитель, выполненный в форме конической оболочки, и объемные элементы для его изготовления. Такие оболочечные конструкции широко распространены в ракетной, космической технике, в подводных и надводных аппаратах и других отраслях промышленности. Если оболочка должна иметь максимальные механические характеристики в направлениях ее образующих, то используются объемные элементы 18. Если же максимальные механические характеристики должны быть обеспечены в окружных направлениях, то используются объемные элементы 19, 20. При этом их различие заключается в том, что после образования конической ленты средняя грань 1 объемного элемента 19 является частью конической поверхности с вершиной в точке O, а средняя грань 1 объемного элемента 20 остается в сотовом заполнителе плоской и является частью плоского кольца, перпендикулярного оси симметрии конического сотового блока. Кроме того, необходимо отметить, что в сотовом заполнителе конической формы, выполненном из объемных элементов 20, продольная ось четырехгранных ячеек направлена перпендикулярно оси конической оболочки.

На фиг. 10 показан сотовый заполнитель, выполненный в форме цилиндрической оболочки постоянной толщины и объемный элемент 21 для его изготовления. Максимальные механические характеристики показанного сотового заполнителя обеспечиваются в окружном направлении. Такая оболочка хорошо работает на внешнее давление и может быть использована в подводных аппаратах, резервуарах большой емкости и других изделиях. Кроме того, необходимо отметить, что в сотовом заполнителе цилиндрической формы, выполненном из объемных элементов 21, продольная ось четырехгранных ячеек направлена перпендикулярно как оси цилиндра, так и его цилиндрическим рабочим поверхностям.

На фиг.11 показан фрагмент сотового заполнителя 22, выполненного в форме круга или его части. На фиг.12 более крупно показана часть сотового заполнителя на фиг. 11 с выделением отдельных объемных элементов 23, образующих прямолинейные ленты, и их взаимное расположение в сотовом заполнителе. В этом сотовом блоке максимальные механические характеристики реализуются в радиальных направлениях.

На фиг. 13 показан фрагмент сотового заполнителя, выполненного в форме круга или его части с максимальными механическими характеристиками в окружном направлении. Объемный элемент 24 показан в деформированном состоянии при образовании из лент 11 круговых колец с выступающими с их внутренних и внешних сторон боковыми гранями объемного элемента.

На фиг.14 показан фрагмент сотового заполнителя, выполненного из объемных элементов 25 в форме прямоугольного бруса. Сотовый заполнитель в виде плоских пластин нашел применение в самых разнообразных отраслях промышленности. Он применяется в самолетостроении, вертолетостроении, ракетной и космической технике, судостроении, автомобилестроении, строительстве, мебельной промышленности и других отраслях. Что же касается особенностей заявляемых объемного элемента и способа изготовления из него сотовых заполнителей, то на фиг.12 14 отчетливо видна структура сотового заполнителя, которая характерна для заявляемых объектов. Из этих фигур ясно, что боковые грани 2 объемного элемента имеют форму и размеры одной из граней ячеек, а средняя грань 1 принадлежит другим граням сразу нескольких ячеек сотового заполнителя.

На фиг.15 показан сотовый заполнитель, выполненный в виде составной оболочки вращения постоянной толщины, состоящей из двух оболочек: цилиндрической и сферической. Такие оболочки широко распространены в технике - резервуары большой емкости, подводные аппараты и другие корпусные конструкции. В данном случае в составной оболочке применено несколько типов объемных элементов: во-первых, объемные элементы фиг.8, 10 для цилиндрической оболочки и, во-вторых, объемные элементы фиг.8 для сферической оболочки, а также объемные элементы 26 фиг.15 для перехода от цилиндрической к сферической оболочке. Особенностью этих переходных объемных элементов является то, что одна из боковых граней образует цилиндрические рабочие плоскости сотового блока, другая боковая грань образует сферические рабочие плоскости сотового блока, а средняя грань имеет частично прямоугольную форму и частично форму части кольца с радиусами сферической части составной оболочки. При этом предполагается (судя по чертежу), что максимальные механические характеристики сотового заполнителя проявляются в направлении образующей в цилиндрической оболочке и далее в направлении меридианов в сферической оболочке.

Приведенные примеры далеко не исчерпывают возможностей объемных элементов заявленной конструкции и являются иллюстрацией для наиболее известных изделий, применяемых в современной технике. В принципе они могут обеспечить изготовление сотовых заполнителей в виде стержней, пластин и оболочек любой наперед заданной конфигурации из любых материалов, существующих в виде листов, лент, полос и другого листового материала.

Помимо указанных преимуществ заявляемого объемного элемента и способа изготовления из него сотовых заполнителей можно отметить и другие. Например, изготовление сотового заполнителя с ячейками переменного размера по заданному закону. Это наиболее просто реализуется в цилиндрических и плоских сотовых блоках для организации необходимых усилений. Кроме того, в предлагаемых сотовых заполнителях в каждой ячейке может быть применено более четырех различных материалов.

Формула изобретения

1. Объемный элемент в виде многогранника, образующего часть ячейки сотового заполнителя, отличающийся тем, что он выполнен трехгранным с плоскими гранями, которые имеют либо криволинейную конфигурацию с двумя криволинейными внешними и двумя прямолинейными боковыми сторонами, либо многоугольную конфигурацию с прямолинейными сторонами многоугольника, либо с комбинацией граней указанных форм, две боковые грани объемного элемента расположены по противоположным сторонам по отношению к средней грани, не лежат в ее плоскости и имеют размеры и конфигурацию одной из граней ячейки, а ширина средней грани объемного элемента кратна ширине других ячеек сотового заполнителя и равна более чем двум их ширинам, каждая из боковых граней входит в состав одной, но различной ячейки сотового заполнителя, а средняя грань принадлежит одновременно нескольким смежным ячейкам, внешние стороны всех трех граней выполнены с заданной точностью по заданному профилю и образуют внешнюю и внутреннюю или верхнюю и нижнюю рабочие поверхности сотового блока, при этом объемный элемент образует контур в виде Z-образного профиля.

2. Способ изготовления сотовых заполнителей, заключающийся в формовании многогранных объемных элементов, размещении их друг относительно друга для образования ячеек одинаковой или различной формы, соединении объемных элементов друг с другом по плоскостям соприкосновения в неразъемную сотовую структуру и пропитке ее, при необходимости, затвердевающим продуктом, необратимо фиксирующим форму и размер ячеек, отличающийся тем, что из заданных материалов изготавливают трехгранные объемные элементы заданных геометрических размеров и формы с длиной, граней соответствующей высоте сотовых ячеек (толщине сотового блока), по заданному рисунку расположения объемных элементов в сотовом блоке из них образуют ряды открытых ячеек в виде криволинейных или прямолинейных лент или их комбинаций, в которых размещают набор однотипных или разнотипных объемных элементов и соединяют их последовательно внахлест друг с другом по средней грани с шириной нахлеста, равной числу граней ячеек, умещающихся на средней грани объемного элемента, за вычетом одной и тем самым образуют ленту с выступающими с ее обеих сторон боковыми гранями объемных элементов и с толщиной, равной сумме толщин средних граней объемных элементов, число которых равно числу граней ячейки, умещающихся на длине средних граней объемных элементов, ленты с рядами открытых ячеек соединяют друг с другом по плоскостям боковых граней объемных элементов до получения сотового блока заданного размера и конфигурации.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют постоянной ширины, придают им с заданной точностью форму параболы (образующей параболоида) и располагают вдоль образующей сотового блока в форме параболоида так, чтобы их концы сходились или были направлены к его вершине, для чего длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми, а ширину боковых граней различной и пропорциональной как их расстоянию от оси симметрии оболочки, так и углу между плоскостями двух смежных параболических лент с выступающими с их обеих сторон боковыми гранями объемных элементов, внешние стороны средних граней объемных элементов выполняют в форме части параболы, а внешние стороны боковых граней выполняют в форме части концентрических окружностей с радиусами, равными длине образующей конической поверхности, с вершиной на оси симметрии параболоида, которая перпендикулярна поверхностям параболоида в точках их пересечения, совпадающих с боковыми сторонами средней грани объемного элемента, соединение лент друг с другом производят так, что боковые грани объемных элементов образуют многогранную усеченную коническую пирамиду, вписанную в упомянутую выше коническую поверхность.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют постоянной ширины в виде части плоского кольца с заданной точностью, соединяют их концы и придают лентам форму части конической поверхности у ее основания, при этом вершина конуса располагается на оси симметрии параболоида, его образующие перпендикулярны образующим параболоида, конические кольца соединяют между собой по всем плоскостям выступающих с их обеих сторон боковых граней объемных элементов так, что последние образуют с необходимой точностью параболические ленты постоянной ширины, являющиеся образующими параболоида, при этом все длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотового блока, внешние стороны средней грани выполняют в форме части концентрических окружностей, радиусы которых равны соответствующим длинам образующих упомянутой выше конической поверхности, а внешние стороны боковых граней выполняют в форме соответствующей части параболы, образующей параболоид.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют постоянной ширины, придают им с заданной точностью контура форму части круга или полуокружности и располагают вдоль меридианов сотового блока в форме сферы так, чтобы их концы или плоскости, в которых они располагаются, сходились у полюсов, при этом длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми, а ширину боковых граней различной и пропорциональной как их расстоянию от оси симметрии сферы, так и углу между плоскостями двух смежных лент с выступающими с их обеих сторон боковыми гранями объемных элементов, внешние стороны граней выполняют в виде части концентрических окружностей с радиусами внешней и внутренней поверхностей сферического сотового блока.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют с заданной точностью контура в виде плоских колец или их части постоянной ширины с внешним радиусом, равным радиусу окружности сферического сотового блока в месте расположения данной параллели, причем этот радиус уменьшают в направлении от экваториальной параллели к полюсу оболочки, а ширину кольцевых лент увеличивают в этом же направлении пропорционально расстоянию от экваториальной плоскости сферы, кольцевые ленты соединяют между собой по всем плоскостям выступающих с их обеих сторон боковых граней объемных элементов так, что последние образуют меридиональные кольцевые ленты в виде полуокружности или ее части, а плоскости всех кольцевых лент в сотовом блоке располагают параллельно друг другу, для образования экваториальной ленты объемные элементы выполняют с одинаковой для всех граней длиной, для остальных же лент объемные элементы выполняют с различной длиной средней и боковых граней пропорционально расстоянию ленты от экваториальной плоскости сотового блока, при этом все внешние стороны в объемных элементах выполняют в виде части концентрических окружностей, которые для боковых граней имеют радиус внешней и внутренней сферических поверхностей соответственно, а для средних граней имеют величины соответствующих радиусов колец, образующих параллели сотового блока.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что ленту, образующую экваториальную параллель, составленную из набора трехгранных объемных элементов, выполняют с заданной точностью контура в виде кругового кольца постоянной ширины, а остальные ленты, образующие другие параллели сферы, выполняют с заданной точностью контура в виде части плоского кольца постоянной ширины, соединяют их концы друг с другом и придают им форму части конической поверхности, которая принадлежит конусу с вершиной в центре сферы и с основанием по окружности ее параллели, конические и кольцевые экваториальные ленты соединяют между собой по всем плоскостям выступающих с их обеих сторон боковых граней объемных элементов так, что последние образуют меридиональные кольцевые плоскости в виде полукольца или его части, при этом все длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотового блока, а внешние стороны граней выполняют в виде части концентрических окружностей с радиусами внешней и внутренней поверхностей сферического сотового блока.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют прямолинейными постоянной ширины и располагают вдоль образующих сотового блока в форме конуса так, что их концы или плоскости, в которых они расположены, сходились у вершины, при этом длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотовой оболочки, а ширину боковых граней различной и пропорциональной как их расстоянию от вершины конуса, так и углу между плоскостями двух смежных лент с выступающими с их обеих сторон боковыми гранями объемных элементов, среднюю грань выполняют прямоугольной, а внешние стороны боковых граней выполняют в виде части концентрических окружностей с радиусами, равными длине образующей конуса, с вершиной на оси симметрии конического сотового блока, которая перпендикулярна внешней и внутренней поверхностям сотового блока в точках их пересечения, совпадающих с боковыми сторонами средней грани объемного элемента.

9. Способ по п.2, отличающийся тем, что ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют с заданной точностью контура в виде плоских колец или их части постоянной и одинаковой для всех лент ширины с внешним радиусом, равным радиусу окружности конического сотового блока в месте расположения данного кольца, причем этот радиус увеличивают в направлении от вершины конуса к его основанию, кольцевые ленты соединяют между собой по всем плоскостям выступающих с их обеих сторон боковых граней объемных элементов так, что последние образуют плоскости, направленные вдоль образующих конуса, плоскости всех лент в сотовом блоке выполняют параллельными друг другу, объемные элементы выполняют с различной длиной средней и боковых граней, постоянных для всех объемных элементов в сотовом блоке, при этом средние грани объемных элементов изготавливают в форме кольцевого сектора с радиусами, равными радиусам внешней и внутренней поверхностей сотового блока в месте расположения кольцевой ленты, и шириной, пропорциональной их расстоянию от вершины конуса и углу между боковыми гранями, а боковые грани изготавливают в форме параллелограмма.

10. Способ по п.2, отличающийся тем, что ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют с заданной точностью контура в виде части плоского кольца постоянной ширины для всех лент сотового блока и при соединении их концов друг с другом придают каждой ленте форму части конической поверхности у ее основания, которая принадлежит конусу с вершиной на оси конического сотового блока с основанием, перпендикулярным его оси, и с образующей, перпендикулярной образующей конического сотового блока, конические ленты соединяют между собой по всем плоскостям выступающих с их обеих сторон боковых граней объемных элементов так, что последние образуют плоскости в виде прямолинейных лент, лежащих в плоскостях образующих сотового блока и его оси, при этом, все длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотового блока, боковые грани выполняют прямоугольными, а средние в виде части концентрических окружностей с радиусами, равными длине образующей упомянутого выше конуса с вершиной на оси оболочки сотового блока.

11. Способ по п.2, отличающийся тем, что ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют прямолинейными постоянной толщины, располагают их вдоль образующих сотового блока в форме цилиндра так, чтобы выступающие с их обеих сторон боковые грани объемных элементов после соединения друг с другом образовывали круговые кольца с диаметрами, соответствующими внешнему и внутреннему диаметрам цилиндрической оболочки сотового блока, при этом все длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине оболочки или ее части, средние грани выполняют прямоугольными, а боковые в виде части концентрических окружностей с радиусами внешней и внутренней поверхностей цилиндрической оболочки сотового блока.

12. Способ по п.2, отличающийся тем, что ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют с заданной точностью контура в виде круговых колец или их части постоянной ширины, располагают их параллельно друг другу и перпендикулярно оси цилиндрического сотового блока и соединяют друг с другом по всем плоскостям выступающих с их обеих сторон боковых граней объемных элементов так, чтобы последние образовывали прямолинейные плоские ленты, лежащие в плоскостях, образованных образующими и осью цилиндрической оболочки, при этом все длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине оболочки или ее части, боковые грани выполняют прямоугольными, а средние грани выполняют в виде части концентрических окружностей с радиусами внешней и внутренней поверхностей цилиндрической оболочки сотового блока.

13. Способ по п.2, отличающийся тем, что ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют прямолинейными постоянной ширины и располагают в радиальных направлениях так, чтобы их концы сходились в центре круга, при этом длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотового блока, а ширину боковых граней различной и пропорциональной как их расстоянию от центра круга, так и углу между смежными радиальными лентами с выступающими с их обеих сторон боковыми гранями объемных элементов, все грани объемных элементов выполняют прямоугольными.

14. Способ по п.2, отличающийся тем, что ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют прямолинейными заданной длины, их концы соединяют так, что образуют цилиндрические кольца заданных радиусов с выступающими вовнутрь и наружу колец боковыми гранями объемных элементов, кольца соединяют друг с другом по всем плоскостям боковых граней объемных элементов так, что последние образуют радиальные плоскости, при этом длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотового блока, а форму граней выполняют прямоугольной.

15. Способ по п.2, отличающийся тем, что ленты, составленные из набора объемных элементов, выполняют прямолинейными, заданной длины и постоянной ширины, их соединяют между собой по всем плоскостям боковых граней объемных элементов, выступающих с их обеих сторон, так, что грани объемных элементов образуют решетку из взаимно перпендикулярных, непрерывных и проходящих через весь сотовый блок плоскостей, при этом длины граней объемных элементов выполняют одинаковыми и равными толщине сотового блока, а форму выполняют прямоугольной.

16. Способ по п.2, отличающийся тем, что сотовые блоки разбивают на технологические подблоки, на боковых торцах изготовленных технологических подблоков удаляют выступающие боковые грани объемных элементов, получая гладкие поверхности, а затем соединяют подблоки по заданному рисунку в сотовый крупногабаритный блок по гладким торцевым поверхностям.

17. Способ по п.2, отличающийся тем, что сотовые блоки подвергают прецезионному шлифованию, например, после сборки сотовых блоков по размеру всего сотового изделия или его части.

18. Способ по любому из пп.3 16, отличающийся тем, что грани объемных элементов выполняют переменной длины в соответствии с изменяющейся толщиной сотового блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15