Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов

 

Изобретение относится к оболочечным конструкциям и может использоваться в обтекателях, корпусах и отсеках изделий авиационно-космической техники. Оболочка вращения конической или гиперболической формы содержит набор из спиральных и кольцевых ребер. Ребра выполнены из лент однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим. При этом кольцевые ребра имеют профили поперечных сечений в форме параллелограмма или трапеции. Площадь сечений может возрастать с увеличением диаметра оболочки, а ребра могут быть снабжены внутренними кольцевыми выступами. Изобретение позволяет уменьшить массу адаптера при обеспечении его высоких прочности, надежности и технологичности. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится в целом к оболочечным конструкциям из композиционных материалов и может быть использовано, в частности в обтекателях, корпусах или отсеках-адаптерах летательных аппаратов, применяемых в ракетной и авиационной технике.

К сетчатым оболочкам в виде тела вращения из композиционных материалов предъявляются повышенные требования по жесткости, прочности и надежности, качеству их изготовления, при этом изделия должны обладать минимальной массой. Однако при решении вопросов снижения массы возникает опасность преждевременного разрушения изделия. Поэтому в сетчатых оболочках используют различные комбинации структур композиционного материала на основе различного сочетания армирующих нитей в спиральных и кольцевом направлениях. Особенно актуальной является задача создания жестких и прочных сетчатых оболочек вращения конической или гиперболической формы, в которых спиральные и кольцевые ребра, обшивка имеют слоистую структуру композиционного материала.

Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической или гиперболической формы, образованной множеством пересекающихся, выполненных за одно целое, спиральных и кольцевых ребер из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, равномерно смещенных друг относительно друга в окружном и спиральных направлениях с соответственно ориентированными в них однонаправленными нитями, скрепленных полимерным связующим (патент РФ N 2083371, МПК⁶ B 32 B 3/12, 1997).

Известна другая сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов цилиндрической, конической или гиперболической формы, образованной множеством пересекающихся, выполненных за одно целое, спиральных и кольцевых ребер из повторяющихся по толщине стенки оболочки систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, в которой спиральные и кольцевые ребра имеют полки из того же мелкоячеистого аналогичного материала, что и ребра (патент РФ N 2107622, МПК⁶ B 32 B 3/12, 1998).

Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы, выполненный из пересекающихся спиральных и продольных ребер (патент США N 3940891, кл. 52-82, 1976).

Общими недостатками известных конструкций адаптеров конической или гиперболической формы в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов является отсутствие возможности снижения массы изделия из-за принципиальных особенностей схем армирования, принятых для этих изделий.

Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является сетчатая оболочка вращения в виде тела вращения из композиционных материалов конической или гиперболической формы по патенту РФ N 208371.

Основной задачей изобретения является создание адаптера в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической или гиперболической формы, в которой были бы преодолены недостатки известных конструкций за счет изменения схем и геометрии элементов конструкции, структур армирования композиционного материала оболочки.

Техническим результатом от использования изобретения является уменьшение массы с обеспечением повышения прочности и надежности конструкции адаптера, снижение затрат на его изготовление.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции оболочки, введения новых геометрических особенностей кольцевых ребер, их расположения.

Для этого в адаптере в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической или гиперболической формы, образованной множеством пересекающихся, выполненных за одно целое, спиральных и кольцевых ребер из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, равномерно смещенных друг относительно друга в окружном и спиральных направлениях с соответственно ориентированными в них однонаправленными нитями, скрепленных полимерным связующим, кольцевые ребра сетчатой оболочки адаптера выполнены с четырехгранным профилем в виде параллелограмма или трапеции в поперечном аксиальном сечении, образованным плоскими, радиальнонаправленными гранями, перпендикулярно расположенными к ее оси симметрии, пересекающимися с внутренней и наружной коническими или гиперболическими поверхностями оболочки. Кольцевые ребра оболочки могут быть выполнены с дифференцированными площадями поперечного сечения, возрастающими по величине по направлению к наибольшему диаметру оболочки, с внутренними кольцевыми выступами, имеющими внутренний диаметр меньше внутреннего диаметра внутренней конической или гиперболической поверхности оболочки.

Отличительными особенностями адаптера по предложенному техническому решению являются следующие признаки: - выполнение кольцевых ребер с четырехгранным профилем в поперечном сечении в виде параллелограмма или трапеции; - образование четырехгранного профиля кольцевых ребер плоскими, радиально направленными торцевыми гранями, перпендикулярно расположенными к оси симметрии оболочки, пересекающимися с внутренней и наружной коническими или гиперболическими поверхностями оболочки; - выполнение кольцевых ребер с дифференцированными площадями поперечных сечений; - возрастание площадей поперечных сечений кольцевых ребер по направлению к наибольшему диаметру оболочки; - выполнение кольцевых ребер с внутренними кольцевыми выступами, имеющими внутренний диаметр меньше внутреннего диаметра внутренней конической или гиперболической поверхности оболочки.

Указанные отличительные признаки адаптера в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической или гиперболической формы являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. В предложенном адаптере кольцевые ребра сетчатой оболочки выполнены с плоскими торцевыми гранями, перпендикулярно расположенными к оси симметрии оболочки, что дает возможность его изготовления высокотехнологичными способом намотки, уменьшить массу адаптера за счет исключения наплывов полимерного связующего, повысить прочность конструкции в результате равномерного расположения кольцевых лент в кольцевых ребрах, изменить геометрию сечения кольцевых ребер, выполнить их с площадями поперечного сечения, возрастающими по направлению наибольшего диаметра, с внутренними кольцевыми выступами. Такие геометрические особенности кольцевых ребер позволяют выполнять их кольцевыми лентами без их травмирования, соответственно расположенных в них однонаправленных нитей. Выполнение сетчатой оболочки с дифференцированными площадями поперечных сечений кольцевых ребер, возрастающими в направлении к большему диаметру оболочки и/или с внутренними кольцевыми выступами, расширяет номенклатуру изготавливаемых изделий с более эффективным распределением в них армирующего материала, каковым являются однонаправленные нити, жгуты, ленты на их основе, с учетом зон распределения силовых нагрузок. Указанные существенные отличительные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать адаптер в виде сетчатой оболочки вращения на основе предложенного технического решения совокупностью существенных признаков, соответствующей критерию "новизна".

Единая совокупность новых и общих известных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат получения конструкции адаптера минимальной массы, повышенной жесткости, прочности и надежности, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом аналитических исследований, расчетов и опытно-экспериментальных работ, творческого вклада в разработку и создание новых модификаций адаптеров, получено без использования стандартов или каких-либо рекомендаций в данной области техники, является оригинальным, неочевидным для специалиста, в совокупности новых и общих известных существенных признаков соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен общий вид адаптера в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической или гиперболической формы; на фиг. 2 - аксиальное радиальное сечение адаптера; на фиг. 3 - четырехгранный профиль кольцевого ребра с поперечным сечением в виде параллелограмма; на фиг. 4 - четырехгранный профиль кольцевого ребра в виде трапеции; на фиг. 5 - вариант сетчатой оболочки с дифференцированными площадями поперечного сечения кольцевых ребер, возрастающими в направлении к большему диаметру оболочки; на фиг. 6 - вариант сетчатой оболочки с кольцевыми выступами на кольцевых ребрах.

Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической или гиперболической формы содержит множество образующих его, пересекающихся, выполненных за одно целое, спиральных и кольцевых ребер 1, 2 из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев 3, 4 систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 5, 6 и 7, равномерно смещенных друг относительно друга в окружном и спиральном направлениях с соответственно ориентированными в них однонаправленными нитями 8, скрепленных полимерным связующим 9. Кольцевые ребра 2 сетчатой оболочки адаптера выполнены с четырехгранным профилем в виде параллелограмма (фиг. 3) или трапеции (фиг. 4) в аксиальном поперечном сечении, образованным плоскими, радиально направленными торцевыми гранями 10, 11, перпендикулярно расположенными к ее оси симметрии 12, пересекающимися с внутренней и наружной коническими или гиперболическими поверхностями 13, 14 оболочки. Кольцевые ребра 2 могут быть выполнены с дифференцированными площадями 15, 16 поперечных сечений (фиг. 3 и 4), возрастающими по величине по направлению к наибольшему диаметру 17 оболочки. Кольцевые ребра 2 оболочки могут быть выполнены с внутренними кольцевыми выступами 18, имеющими внутренний диаметр меньше внутреннего диаметра внутренней конической или гиперболической поверхности 13 оболочки. Оболочка со стороны наибольшего диаметра 17 и наименьшего диаметра 19 выполнена с концевыми утолщениями 20, 21, имеющими внутренние и наружные кольцевые выступы 22, 23 и 24, 25.

Функционирование адаптера в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов заключается в одновременном подключении к работе всех пересекающихся спиральных и кольцевых ребер 1, 2, выполненных из перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 5, 6 и 7 из однонаправленных нитей 8, скрепленных полимерным связующим 9.

Проведенные испытания адаптера в виде сетчатой оболочки на основе нового технического решения подтвердили его высокую прочность и надежность. Испытания адаптера проводились на сжатие в осевом направлении. Реализация предложенных технических решений позволяет получить высококачественные изделия для адаптеров, промежуточных отсеков, корпусов летательных аппаратов на основе использования высокомодульных нитей и эпоксисодержащего связующего. Изделия обладают повышенной устойчивостью к воздействию вибрационно-колебательных нагрузок.

Таким образом, предложенное техническое решение по конструктивному исполнению является новым и эффективным по сравнению с известным уровнем техники.

Объем предлагаемого изобретения следует понимать шире, чем то конкретное выполнение, приведенное в описании, формуле, чертежах. Следует иметь ввиду, что форма выполнения изобретения представляет собой только возможные предпочтительные варианты его осуществления, могут быть различные комбинации в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема технического решения, изложенного в пунктах формулы.

Кроме того, предложенное техническое решение не ограничивается его использованием в адаптерах в виде сетчатых оболочек для летательных аппаратов, может быть использовано в других областях техники, где требуется применение сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов, повышенной жесткости, прочности и надежности, и других свойств, описанных в материалах заявки.

Новое техническое решение в предложенной совокупности новых и общих известных существенных признаков соответствует и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.

Формула изобретения

1. Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической или гиперболической формы, образованной множеством пересекающихся, выполненных за одно целое спиральных и кольцевых ребер из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, равномерно смещенных друг относительно друга в окружном и спиральном направлениях с соответственно ориентированными в них однонаправленными нитями, скрепленных полимерным связующим, отличающийся тем, что кольцевые ребра сетчатой оболочки адаптера выполнены с четырехгранным профилем в виде параллелограмма или трапеции в поперечном аксиальном сечении, образованным плоскими, радиально направленными торцевыми гранями, перпендикулярно расположенными к оси симметрии оболочки, пересекающимися с внутренней и наружной коническими или гиперболическими поверхностями этой оболочки.

2. Адаптер по п.1, отличающийся тем, что кольцевые ребра оболочки выполнены с дифференцированными площадями поперечных сечений, возрастающими по величине по направлению к наибольшему диаметру оболочки.

3. Адаптер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что кольцевые ребра оболочки выполнены с внутренними кольцевыми выступами, имеющими внутренний диаметр меньше внутреннего диаметра внутренней конической или гиперболической поверхности оболочки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6