Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов

Изобретение относится к области машиностроения в частности к оболочечным конструкциям из полимерных композиционных материалов, и может быть использовано при создании корпусов или отсеков-адаптеров летательных аппаратов, применяемых в ракетной и авиационной технике. Техническим результатом изобретения является создание конструкции с повышенной надежностью ее работы. Адаптер содержит верхнюю и нижнюю кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами, расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами, локальные зоны расположены, в свою очередь, в зонах приложения к одной из полок сосредоточенных усилий Q, и в этих зонах сосредоточено от 40 до 60% спиральных ребер, выполненных с расстоянием между собой в 2-4 раза меньшим, чем это расстояние для остальных спиральных ребер, с образованием из ромбических минимального размера ячеек массивов, примыкающих к полке и перекрытых слоистым пластиком силовых элементов. 2 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к оболочечным конструкциям из полимерных композиционных материалов, и может быть использовано при создании корпусов или отсеков-адаптеров летательных аппаратов, применяемых в ракетной и авиационной технике.

Известна сетчатая оболочечная конструкция по а.с. СССР № 1620761, F16L 9/12, 1991 г.

Известна сетчатая оболочечная конструкция по патенту RU № 2169306 С2 МПК⁷ F16L 9/12 от 06.09.99 г.

Известна сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов конической формы, образованная множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из перекрещивающихся лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, в которой спиральные и кольцевые ребра имеют полки из мелкоячеистого материала (патент РФ № 2107622, МПК⁶ В32В 3/12, 1998).

Известна сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов конической формы, образованная множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из перекрещивающихся лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим по патенту RU № 2153419 С1 МПК⁷ F16L 9/12 от 10.03.99 г.

Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы, образованный множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из слоев перекрещивающихся лент с соответственно ориентированными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленных полимерным связующим (патент РФ № 2083371, МПК⁶ В32В 3/12, 1997).

Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы, выполненный из пересекающихся лент (патент США № 3940891, НКИ 52-82, 1976).

Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов конической формы, образованный множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из слоев перекрещивающихся лент с соответственно ориентированными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленных полимерным связующим, с усилением спиральных ребер в локальных зонах, по патенту RU № 2148496 С2 МПК⁷ В32В 3/12 от 19.07.1999 г.

Также известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов по патенту RU № 2189907 С2 МПК⁷ В32В 3/12 от 26.06.2000 г., содержащий верхнюю и нижнюю кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных, обоих направлений, и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами, расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами.

Недостатком известного адаптера является низкая надежность его работы из-за недостаточной оптимизации и низкой жесткости конструкции, а также его большая масса при стыковке верхней его полкой с отсеком изделия, предусматривающей воздействие на полку сосредоточенных усилий, например через кронштейны. В этом случае полка должна иметь максимальную жесткость, что ведет к значительному увеличению ее массы, и, кроме того, в силовых элементах должно быть заделано максимальное количество спиральных ребер, что также ведет к значительному их утяжелению.

Известная конструкция, как наиболее близкая по технической сущности и достигаемому результату, выбрана в качестве прототипа.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание конструкции с повышенной надежностью ее работы.

Технический результат, который может быть достигнут при решении поставленной задачи, заключается в повышении надежности работы адаптера за счет оптимизации конструкции и повышения ее жесткости, а также снижения массы.

Поставленная задача с достижением технического результата решается тем, что адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из композиционных материалов содержит верхнюю и нижнюю кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных, обоих направлений, и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами, расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами, при этом в соответствии с изобретением локальные зоны расположены, в свою очередь, в зонах приложения к одной из полок сосредоточенных усилий и в этих зонах сосредоточено от 40 до 60% спиральных ребер, выполненных с расстоянием между собой в 2-4 раза меньшим, чем для остальных спиральных ребер, с образованием из ромбических минимального размера ячеек массивов, примыкающих к полке и перекрытых слоистым пластиком силовых элементов.

Отличительными признаками изобретения являются следующие:

- локальные зоны расположены в зонах приложения к одной из полок сосредоточенных усилий - признак существенный, предусматривает новое взаимное расположение элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы конструкции за счет ее оптимизации и повышения жесткости;

- в этих зонах сосредоточено от 40 до 60% спиральных ребер - признак существенный, предусматривает новое взаимное расположение элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, так как исследованиями установлено, что заявленная доля спиральных ребер, являющихся несущими для сосредоточенных усилий, дает наибольший эффект оптимизации конструкции, следовательно, признак направлен на повышение надежности работы устройства;

- выполненных с расстоянием между собой в 2-4 раза меньшим, чем для остальных спиральных ребер - признак существенный, предусматривает новое взаимное расположение элементов и новое соотношение размеров, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата - доказательство существенности признака аналогично предыдущему;

- с образованием из ромбических минимального размера ячеек массивов, примыкающих к полке и перекрытых слоистым пластиком силовых элементов - признак существенный, предусматривает наличие новых элементов, новое взаимное расположение элементов и их новую форму, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы конструкции за счет ее оптимизации, повышения жесткости и снижения массы за счет снижения массы силовых элементов и одной из полок, так как силовые элементы являются местом установки силовых кронштейнов, то есть местом приложения сосредоточенных усилий, а также узлом заделки спиральных ребер, являющихся несущими для сосредоточенных усилий.

Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи с достижением технических результатов. Использование единой совокупности существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие технического решения критерию «новизна».

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи с достижением технических результатов и характеризует предложенные технические решения существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данные технические решения являются результатом научно-исследовательской и экспериментальной работы по повышению надежности работы сетчатых адаптеров без использования известных проектировочных решений, рекомендаций, материалов и обладают неочевидностью, что свидетельствует об их соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретений поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид адаптера, на фиг.2 - вид на локальную зону.

Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из композиционных материалов содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных 3, обоих направлений, и кольцевых 4 ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы 5 из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами 3 и 4, расположенные в локальных зонах 6 с перекрытием ячеек 7 между ребрами 3 и 4. Локальные зоны 6 расположены, в свою очередь, в зонах приложения к одной из полок сосредоточенных усилий Q, и в этих зонах сосредоточено от 40 до 60% спиральных ребер 3, выполненных с расстоянием 8 между собой в 2-4 раза меньшим, чем это расстояние 9 для остальных спиральных ребер 3, с образованием из ромбических минимального размера ячеек 10 массивов, примыкающих к полке 1 и перекрытых слоистым пластиком силовых элементов 5.

Как вариант исполнения верхняя полка 1 адаптера выполнена диаметром 1700 мм, высота адаптера 1000 мм, конусность сетчатой оболочки 23°. Оболочка выполнена из спиральных 3 ребер обоих направлений и кольцевых 4 ребер сечением 18 мм × 7 мм. Угол подъема спиралей 16°. В узлах пересечений 11 ребра 3 и 4 скреплены послойно с образованием монолитной конструкции из однонаправленных углеродных волокон, пропитанных эпоксисодержащим связующим. Сосредоточенные усилия Q передаются на оболочку через четыре кронштейна 12, закрепленных на силовых элементах 5, расположенных в локальных зонах 6. Сетчатая оболочка выполнена из 136 спиральных ребер 3 обоих направлений, из них 64 ребра расположены на расстоянии 54 мм друг от друга в локальных зонах 6, а остальные - на расстоянии 162 мм друг от друга между локальными зонами.

Работает адаптер следующим образом. Сосредоточенные усилия Q передаются на оболочку через четыре кронштейна 12, закрепленных на силовых элементах 5, расположенных в локальных зонах 6. Усилия Q воспринимаются верхней полкой 1 и, благодаря ее податливости за счет снижения ее массы, через силовые элементы 5 ребрами 3 локальной зоны 6. На остальные ребра 3 усилие передается через сдеформированную полку 1 и узлы пересечения 11, в том числе и с кольцевыми ребрами 4, и воспринимается нижней полкой 2. Благодаря заявленному расположению ребер 3 и предложенному выполнению элементов конструкции действующие напряжения в ребрах 3 и 4 значительно выравниваются при общем снижении массы конструкции.

Таким образом, использование изобретения позволит создать адаптер с повышенной надежностью его работы и снижением массы, что и подтверждает использование по назначению. Осуществимость изобретения подтверждена положительными результатами испытаний образцов и фрагментов конструкций, разработка и изготовление которых полностью основаны на представленном описании. В связи с этим новое техническое решение соответствует и критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.

Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из композиционных материалов, содержащий верхнюю и нижнюю кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных, обоих направлений, и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами, расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами, отличающийся тем, что локальные зоны расположены, в свою очередь, в зонах приложения к одной из полок сосредоточенных усилий и в этих зонах сосредоточено от 40 до 60% спиральных ребер, выполненных с расстоянием между собой в 2-4 раза меньшим, чем для остальных спиральных ребер, с образованием из ромбических минимального размера ячеек массивов, примыкающих к полке и перекрытых слоистым пластиком силовых элементов.