Емкость из композиционного материала

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении корпусов, контейнеров, емкостей, баллонов давления из композиционных материалов. Емкость из композиционного материала включает в себя пластиковую оболочку, установленные в полюсных отверстиях оболочки фланцы, состоящие из опорного пера, на которое уложен пластик силовой оболочки, и узла соединения емкости с другими элементами конструкции (соплом или крышкой), при этом узел для соединения фланца с другими элементами конструкции вдвинут внутрь корпуса и соединен с внутренней поверхностью опорного пера фланца с помощью конической оболочки таким образом, что срединная поверхность конической оболочки пересекает поверхность опорного пера фланца по окружности, радиус которой больше радиуса полюсного отверстия пластиковой оболочки. Технический результат - снижение массы емкости за счет уменьшения массы полюсных фланцев. 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении корпусов, контейнеров, емкостей, баллонов давления (далее емкости) из композиционных материалов (КМ).

Широко известны конструкции емкостей из композиционного материала, получаемых намоткой, с установленными в полюсных отверстиях металлическими стыковочными фланцами и пристыкованными к ним крышками или другими элементами конструкции (в том числе, вдвинутыми внутрь корпуса).

Известна конструкция емкости (корпуса РДТТ) из композиционного материала (см. Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе. /Под общей редакцией Л.Н. Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993, с. 19, 20, 39, 70, 133 и др.) с установленными в полюсных отверстиях металлическими стыковочными фланцами и пристыкованными к ним элементами конструкции, вдвинутыми внутрь корпуса.

Основным недостатком таких конструкций является большая масса стыковочных фланцев. Это связано с тем, что в данном узле реализуются большой момент и перерезывающая сила, приходящие с одной стороны от пристыкованных элементов конструкции, на которые действует внутреннее давление, а с другой стороны - от опорного пера стыковочного фланца, которым он опирается на пластик силовой оболочки.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка.

Технический результат достигается тем, что в емкости из КМ, включающей в себя пластиковую оболочку, установленные в полюсных отверстиях оболочки фланцы, состоящие из опорного пера, на которое уложен пластик силовой оболочки, и узла соединения емкости с другими элементами конструкции (соплом или крышкой), узел соединения фланца вдвинут внутрь корпуса и соединен с опорным пером фланца с помощью конической оболочки таким образом, что срединная поверхность конической оболочки пересекает поверхность опорного пера фланца по окружности, радиус которой больше радиуса полюсного отверстия пластиковой оболочки.

Предлагаемая конструкция емкости приведена на фиг.1, 2. Емкость из КМ содержит оболочку 1, фланец 2, установленный в полюсном отверстии оболочки. Фланец включает в себя опорное перо 3, на котором уложен пластик силовой оболочки, узел соединения 4 для стыковки емкости с другими элементами конструкции и коническую оболочку 5, соединяющую опорное перо и узел соединения. Срединная поверхность 6 конической оболочки пересекает поверхность опоры фланца на пластиковую оболочку по окружности радиусом R₁.

При нагружении емкости внутренним давлением на узел соединения полюсного фланца (для традиционной конструкции) или на место соединения конической оболочки с опорным пером (для предлагаемой конструкции) со стороны опорного пера фланца (на котором уложен пластик оболочки) действует момент М и перерезывающая сила, при этом основным силовым фактором, определяющим толщины (и, соответственно, массу) полюсного фланца, а также элементов стыка, является момент М, который определяется уравнением (1):

где М - момент, действующий на стык со стороны опорного пера фланца;

R - радиус (текущее значение);

R₀ - радиус полюсного отверстия оболочки;

R_b - радиус вершины пера фланца;

R_c - радиус стыка опорного пера и узла соединения фланца (для традиционной конструкции) или стыка опорного пера и конической оболочки (для предлагаемой конструкции);

Х_с - осевая координата стыка опорного пера и узла соединения фланца (для традиционной конструкции) или стыка опорного пера и конической оболочки (для предлагаемой конструкции);

Х_н=f (R) - осевая координата наружной поверхности опорного пера;

X_в=f₁(R) - осевая координата внутренней поверхности опорного пера;

α=f₂(R) - угол наклона нормали наружной поверхности опорного пера к оси емкости;

β=f₃(R) - угол наклона нормали внутренней поверхности опорного пера к оси емкости;

р₀ - внутреннее давление в емкости;

p_k=f₄(R) - контактное давление, действующее на опорное перо фланца со стороны пластика оболочки.

Для качественной оценки примем следующие допущения:

α=β=0;

R_c=R₀ для традиционной конструкции и R_c=R₁ для предлагаемой конструкции;

толщину опорного пера фланца считаем постоянной по всей ширине и достаточно малой.

Данные упрощения не меняют принципиальную картину нагружения, схема которого показана на фиг.3, и важны только при точном расчете конкретной конструкции. С учетом принятых допущений для традиционной конструкции фланца действующий момент определяется уравнением (2), для предлагаемой конструкции - уравнением (3).

где М - момент, действующий на стык со стороны опорного пера фланца;

R - радиус (текущее значение);

R₀ - радиус полюсного отверстия оболочки;

R_b - радиус вершины пера фланца;

R₁ - радиус пересечения срединной поверхности конической оболочки и опорного пера фланца;

p₀ - внутреннее давление в емкости;

p_k - контактное давление, действующее на опорное перо фланца со стороны пластика оболочки.

Раскрывая уравнения (2) и (3) с учетом того, что

где ρ - радиус разгрузки,

получаем уравнения (4) и (5) соответственно:

При рассмотрении полученных уравнений, учитывая, что R₁>R₀, видно, что момент, действующий на стык со стороны опорного пера фланца, в предлагаемой конструкции меньше, чем в традиционной. Более того, существует такой радиус R₁, при котором этот момент равен нулю. Пересечение срединной поверхности конической оболочки и опорного пера фланца по этому радиусу является наиболее эффективным с точки зрения снижения массы конструкции. При этом значительно (до 40%) уменьшается вес полюсного фланца.

Использование предлагаемого изобретения позволяет значительно снизить массу конструкции, что является необходимым для емкостей, используемых, например, в авиации и ракетной технике (корпуса РД

Формула изобретения

Емкость из композиционного материала, включающая в себя пластиковую оболочку, установленные в полюсных отверстиях оболочки фланцы, состоящие из опорного пера, на которое уложен пластик силовой оболочки, и узла соединения емкости с другими элементами конструкции (соплом или крышкой), отличающаяся тем, что узел для соединения фланца с другими элементами конструкции вдвинут внутрь корпуса и соединен с внутренней поверхностью опорного пера фланца с помощью конической оболочки таким образом, что срединная поверхность конической оболочки пересекает поверхность опорного пера фланца по окружности, радиус которой больше радиуса полюсного отверстия пластиковой оболочки.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3