Узел сочленения стержней пространственной конструкции и способ его изготовления
Владельцы патента RU 2677200:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГУ им. М.Ф. Решетнева) (RU)
Изобретение относится к узлу сочленения стержней пространственной конструкции. Техническим результатом является увеличение прочности конструкции во всех направлениях при увеличении удельной жесткости, снижение коэффициента линейного теплового расширения и материалоемкости изготовления. Технический результат достигается узлом сочленения стержней пространственной конструкции, который выполнен из волокнистого полимерного композиционного материала. Узел содержит стержни 1 квадратного сечения и фитинг 2. Причем фитинг 2 содержит сдвоенные фасонки, образованные группами отличных по форме слоев углеволокнистого полимерного композиционного материала с квазиизотропной схемой армирования [0/45/0/-45], соединенных по зонам стыковки углеволокнистого материала. Каждая фасонка направлена в сторону соединяемого стержня 1 и закреплена с одной из его сторон посредством по меньшей мере двух крепежных соединений 5. 2 н.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.
Изобретение относится к области антенной техники, в частности к опорам и монтажным устройствам, являющимся элементами конструкции антенн и связанными с ними устройствами, и может быть использовано при изготовлении крупногабаритных высокочастотных антенн наземных и космических систем связи.
Известно изобретение, относящееся к строительным конструкциям в целом, а так же к устройствам и деталям для закрепления или соединения конструктивных элементов или деталей машин (патент США 4449843, 1984). Технический результат достигается конструкцией узла сочленения OctaHub, состоящей из стержневых прокатных элементов, объединенных коннектором на болтах или посредством сварки. Коннектор выполнен сварным или цельным в виде сердечника квадратного сечения со спаренными фасонками по каждой стороне квадрата. Фасонки снабжены отверстиями для соединения со стержнями.
Недостатками указанного технического решения является относительно большой вес, вызванный, по меньшей мере наличием сердечника, а также использованием металлического материала (сталь). Металл имеет относительно большой коэффициент термического расширения, что в свою очередь при эксплуатации ведет к ухудшению размерной стабильности конструкции и, следовательно, ухудшает работу антенны.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является конструкция узла сочленения и способ его изготовления (YuBai, Xiao Yang. Novel Joint for Assembly of All-Composite Space Truss Structures: Conceptual Design and Preliminary Study // Journal of Composites for Construction. Vol. 17, Issuenumber 1, P.130-138. doi: 10.1061/(ASCE)CC. 1943-5614.0000304), используемые в пространственных конструкциях космического аппарата. Узел сочленения стержней пространственной конструкции состоит из фитинга и стержней квадратного сечения. Фитинг состоит из двух крестовин, образующих фасонки для крепления стержней, в центре каждой из крестовин имеется паз (щель), обеспечивающий сборку крестовин в единую структуру для последующего склеивания. Каждая крестовина состоит из четырех L-образных профилей, выполненных из стекловолокнистого полимерного композиционного материала пултрузионным способом и склеенных между собой. На конце стержня предусмотрен паз для соединения с фасонкой узла сочленения, причем размеры паза изменяются в зависимости от положения стержня в пространстве. Каждая фасонка снабжена единичным отверстием для соединения со стрежнем болтовым соединением.
Недостатком вышеописанного технического решения является высокая материалоемкость и трудоемкость изготовления, большой вес, низкая удельная прочность и жесткость, вызванная, в том числе, отсутствием квазиизотропности армирования, относительно высокий коэффициент линейного термического расширения применяемого стекловолокнистого полимерного композиционного материала.
Известный способ изготовления узла сочленения стержней пространственной конструкции предусматривает пултрузионное формование стержней квадратного сечения из стекловолокнистого полимерного композиционного материала и L-образных профилей из стекловолокнистого полимерного композиционного материала с последующей обрезкой L-образных профилей, склейку их между собой с образованием крестовины, формирование паза (щели) обеспечивающего сборку крестовин в единую структуру, последующее склеивание и заполнение всех пустот клеем. Высверливание отверстия в каждой из фасонок для болтового соединения со стержнем, а также формирование паза в стержне по форме фасонки, причем размер паза зависит от положения стержня в пространстве.
Недостатком указанного способа является высокая трудоемкость и материалоемкость изготовления.
Решаемой технической задачей является создание конструкции и способа ее изготовления, позволяющих добиться уменьшения коэффициента линейного термического расширения, увеличения удельной прочности и жесткости при обеспечении низкой материалоемкости и трудоемкости изготовления. Решение данной задачи позволяет признать предложенную совокупность объектов как удовлетворяющую требованию единства изобретения.
Задача решается следующим образом.
Узел сочленения пространственной конструкции, выполненный из волокнистого полимерного композиционного материала, содержит фитинг и стержни квадратного сечения. Новым является то, что фитинг содержит сдвоенные фасонки, образованные группами отличных по форме слоев углеволокнистого полимерного композиционного материала с квазиизотропной схемой армирования [0/45/0/-45], соединенных по зонам стыковки углеволокнистого материала. При этом каждая фасонка направлена в сторону соединяемого стержня и закреплена с одной из его сторон посредством, по меньшей мере, двух крепежных соединений.
Решение задачи в способе достигается тем, что узел сочленения стержней пространственной конструкции изготавливается из волокнистого полимерного композиционного материала, включающего формование стержней квадратного сечения и фитинга, причем стержней -пултрузионным способом.
Новым является то, что сдвоенные фасонки фитинга изготавливают последовательной укладкой углеволокнистого полимерного композиционного материала на каждый элемент составной оправки. После завершения укладки на каждом элементе составной оправки должна находиться одна группа слоев углеволокнистого полимерного композиционного материала одинаковой формы с квазиизотропной схемой армирования [0/45/0/-45]. Затем соединяют элементы составной оправки по зонам стыковки углеволокнистого материала, отверждают углеволокнистый материал и удаляют элементы составной оправки.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является устранение технологических ограничений, связанных с заданием необходимой ориентации армирующих волокон и, как следствие, увеличение общей прочности конструкции во всех направлениях; снижение материалоемкости при изготовлении.
Узел сочленения стержней пространственной структуры и способ его изготовления представлены на следующих фигурах:
На фиг. 1 изображен общий вид конструкции узла сочленения пространственной конструкции.
На фиг. 2 показан фитинг.
На фиг. 3 показан общий вид внутренней структуры фитинга узла сочленения пространственной конструкции и формы групп слоев.
На фиг. 4 показан способ укладки углеволокнистого полимерного композиционного материала на элементы составной оправки.
Узел сочленения стержней пространственной конструкции (фиг. 1), выполненный из волокнистого полимерного композиционного материала, содержит стержни 1 квадратного сечения и фитинг 2. Фитинг 2 содержит сдвоенные фасонки 3 (фиг. 2), образованные группами отличных по форме слоев 4 углеволокнистого полимерного композиционного материала с квазиизотропной схемой армирования [0/45/0/-45], соединенных по зонам стыковки 7 углеволокнистого материала Каждая фасонка 3 направлена в сторону соединяемого стержня 1 и закреплена с одной из его сторон посредством, по меньшей мере, двух крепежных соединений 5.
Способ изготовления узла сочленения стержней пространственной конструкции из волокнистого полимерного композиционного материала включает формование стержней 1 квадратного сечения пултрузионным способом и фитинга 2. Сдвоенные фасонки 3 фитинга 2 изготавливают послойной укладкой углеволокнистого полимерного композиционного материала на элементы 6 (фиг. 4) составной оправки таким образом, чтобы на каждой из элементов составной оправки располагалась одна группа слоев 4 углеволокнистого материала с квазиизотропным направлением армирования [0/45/0/-45], соединяют элементы 6 оправки по зонам стыковки 7 углеволокнистого материала, отверждают углеволокнистый материал и удаляют элементы 6 составной оправки.
Конструкция соединяется следующим образом. Стержни квадратного сечения 1 соединяются с соответствующим фитингом 2 в пространственной конструкции посредством закрепления крепежным соединением 5 стержня 1 и сдвоенных фасонок 3. При механических воздействиях на пространственную конструкцию нагрузка распределяется по стержням 1 и фитингам 2. При изменении температуры эксплуатации конструкция изменяет свои размеры на малую величину.
Способ реализуется следующим образом. На формообразующие поверхности каждого из элементов 6 составной оправки последовательно укладывается углеволокнистый полимерный композиционный материал. Укладка производится послойно до тех пор, пока на каждом элементе 6 составной оправки не окажется группы слоев 4 углеволокнистого полимерного композиционного материала с квазиизотропным направлением армирования. После этого элементы 6 составной оправки стыкуются между собой по зонам стыковки 7. Затем отверждают углеволокнистый материал и удаляют элементы составной оправки.
Пример конкретного применения.
1. Подготавливают элементы 6 составной оправки, обезжиривая и нанося слой разделительной смазки FrekoteNC 770.
2. Раскраивают препрег RS125 (ООО «НЦК») на основе углеволокнистого полимерного композиционного материала в соответствии с требуемыми формами выкроек.
3. Укладывают по 4 слоя одинаковой формы на каждый элемент 6 составной оправки в соответствии с направлением армирования [0/45/0/-45].
4. Соединяют элементы 6 составной оправки по зонам стыковки 7.
5. Устанавливают оправку в печь и прогревают оправку до 60°С в течение 10 минут для расплавления связующего материала препрега (смолы) и уменьшения ее вязкости.
6. Вынимают из печи и с помощью динамометрического ключа затягивают крепеж составной оправки до тех пор, пока не получат нужное усилие затяжки, соответствующее необходимому давлению прессования 3 атм.
7. Снова устанавливают составную оправку в печь, нагревают до 60°С, выдерживают 30 минут, нагревают до 120°С и выдерживают 2 часа. Затем оправку охлаждают, удаляют составные элементы 6 и снимают готовый фитинг с оправки.
1. Узел сочленения стержней пространственной конструкции, выполненный из волокнистого полимерного композиционного материала, содержащий стержни квадратного сечения и фитинг, отличающийся тем, что фитинг содержит сдвоенные фасонки, образованные группами отличных по форме слоев углеволокнистого полимерного композиционного материала с квазиизотропной схемой армирования [0/45/0/-45], соединенных по зонам стыковки углеволокнистого материала, при этом каждая фасонка направлена в сторону соединяемого стержня и закреплена с одной из его сторон посредством по меньшей мере двух крепежных соединений.
2. Способ изготовления узла сочленения стержней пространственной конструкции из волокнистого полимерного композиционного материала, включающий формование стержней квадратного сечения пултрузионным способом и фитинга, отличающийся тем, что сдвоенные фасонки фитинга изготавливают послойной укладкой углеволокнистого полимерного композиционного материала на элементы составной оправки таким образом, чтобы на каждом элементе составной оправки располагалась одна группа слоев углеволокнистого материала с квазиизотропным направлением армирования [0/45/0/-45], затем соединяют элементы оправки по зонам стыковки углеволокнистого материала, отверждают углеволокнистый материал и удаляют элементы составной оправки.
