Сетчатая оболочка из композиционных материалов
Владельцы патента RU 2684699:
Акционерное общество "Центр перспективных разработок АО ЦНИИСМ" (RU)
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях автомобильной, авиационной, ракетной и космической техники. Сетчатая оболочка из композиционных материалов 1 содержит соответствующий ее профилю силовой каркас 2 в виде реберно-ячеистой структуры с концевыми шпангоутами 3. Каркас образован слоями систем перекрывающихся высокомодульных нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим. Концевые шпангоуты 3 выполнены металлическими и содержат на своей внешней поверхности сходящиеся и расходящиеся пазы 4. Пазы 4 имеют как минимум один кольцевой пояс пересечений 5 и спрофилированы в своем поперечном сечении и по длине расположения под ребра концевой части силового каркаса 2, в которых расположены последние. Технический результат заключается в расширении области применимости оболочек из композиционных материалов за счет повышения прочности, жесткости и надежности конструкции. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях автомобильной, авиационной, ракетной и космической техники.
Оболочки из композиционных материалов с реберно-ячеистой (сетчатой) структурой широко используются в виде корпусных элементов, переходных и соединительных отсеков, внешних защитных оболочек и т.д. Использование реберно-ячеистой структуры позволяет существенно повысить прочностные и жесткостные характеристики оболочки при незначительном увеличении погонной массы.
Известна труба-оболочка, в которой кольцевые шпангоуты скреплены между собой симметричными арками и выполнены все вместе из слоистого композиционного материала (свидетельство SU 1099173 A1 F16L 9/12, опубл. 23.06.84, бюл. №23).
Известна труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая соответствующий ее профилю силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек с промежуточным слоем пенопласта между ними, с арочной реберно-ячеистой структурной и концевыми шпангоутами, образованными слоями систем перекрещивающихся высокомодульных нитей, скрепленными отвержденным полимерным связующим (патент RU 2531108 С1 МПК F16L9/12 (2006.01), опубл. 20.10.2014).
Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из композиционных материалов, содержащий верхнюю и нижнюю кольцевые полки (шпангоуты) с множеством пересекающихся спиральных, обоих направлений, и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон (патент RU 2350818 С2 МПК F16L 9/12 (2006.01), В23В 3/12 (2006.01), опубл. 27.03.2009).
Известна оболочка из композиционных материалов, содержащая соответствующий ее профилю силовой каркас, с реберно-ячеистой структурой и концевыми шпангоутами, образованными слоями систем перекрывающихся высокомодульных нитей, скрепленными отвержденным полимерным связующим, в которой расположена реберно-ячеистая структура с продолжением на всю ширину шпангоутов в местах их взаимного пересечения, шпангоуты выполнены в виде групп сплошных кольцевых слоев перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей, чередующихся с группами слоев реберно-ячеистой структуры (RU 2531108 С1 МПК F16L 9/12 (2006.01) опубл. 20.10.2014).
Недостатком оболочек по приведенным патентам является их узкая функциональная направленность по конструктивному исполнению и, как следствие, невозможность использования в поле широкого спектра внешних усилий и воздействий при сохранении высоких габаритно-массовых характеристик.
Используемые в оболочках шпангоуты предназначены для объединения концевых частей реберно-ячеистой структуры в единый силовой элемент с возможностью восприятия и передачи внешних нагрузок. Наиболее распространенными соединительными элементами, обычно используемыми для крепления оболочек с ответными узлами общей конструкции, являются резьбовые элементы: винты, болты, шпильки и т.д. Для тонкостенных конструкций, какими являются рассматриваемые оболочки, болты, шпильки необходимо ввинчивать в материал шпангоута. Но резьба в композиционном материале, особенно при многоразовом использовании, имеет низкую прочность и надежность.
Обычно в оболочечных конструкциях из композиционных материалов для создания резьбового соединения используют штифто-шпилечное соединение, для чего в оболочку устанавливается штифт, а в него вворачивается силовая шпилька (например, RU 2514980 С1 МПК F17C 1/06 (2006.01) F17C 1/16 (2006.01) F16J12/00 (2006.01) опубл. 10.05.2014). Использование штифтов увеличивает необходимую площадь контакта металлических соединительных элементов с композиционным материалом и снижает действующие локальные напряжения в последнем. Но для размещения таких штифтов необходима определенная толщина шпангоута (увеличение толщины, массы), которую часто очень трудно обеспечить при имеющихся конструктивных ограничениях. Проблема низкой контактной прочности композиционного материала возникает и в случае действия локальных внешних сил на шпангоут.
Оболочка из композиционных материалов по патенту RU 2531108 является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка сравнительно простой и технологичной в изготовлении конструкции сетчатой оболочки из композиционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в расширении области применимости оболочек из композиционных материалов за счет повышения прочности, жесткости и надежности конструкции в местах расположения соединительных элементов и действия локальных нагрузок, повышении удельной объемной эффективности за счет повышения прочности соединений с ответными деталями, в частности резьбовых, с обеспечением высоких уровней надежности и эксплуатационных качеств конструкции таких оболочек, за счет возможности оформления стыковочных торцев с обеспечением необходимой прочности, герметичности и технологичности соединения.
Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в сетчатой оболочке из композиционных материалов, содержащей соответствующий ее профилю силовой каркас в виде реберно-ячеистой структуры с концевыми шпангоутами, образованный слоями систем перекрывающихся высокомодульных нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим согласно изобретению концевые шпангоуты выполнены металлическими, содержащими на своей внешней поверхности сходящиеся и расходящиеся пазы, имеющие, как минимум, один кольцевой пояс пересечений и спрофилированные в своем поперечном сечении и по длине расположения под ребра концевой части силового каркаса, в которых расположены последние, причем в частных случаях выполнения изобретения, металлические шпангоуты выполнены из сплавов алюминия или титана, металлические шпангоуты выполнены с центральным отверстием под резьбовое соединение, металлические шпангоуты выполнены, с одним, как минимум, кольцевым пазом на своей внешней поверхности, в котором расположены слои пропитанных связующим высокомодульных нитей, чередующихся со слоями высокомодульных нитей силового каркаса в узлах их пересечений.
Отличительными от прототипа признаками заявленной оболочки являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
- концевые шпангоуты выполнены металлическими,
- содержащими на своей внешней поверхности сходящиеся и расходящиеся пазы,
- имеющие, как минимум, один кольцевой пояс пересечений,
- и спрофилированные в своем поперечном сечении и по длине расположения под ребра концевой части силового каркаса,
- в которых расположены последние,
б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:
- металлические шпангоуты выполнены из сплавов алюминия или титана,
- металлические шпангоуты выполнены с центральным отверстием под резьбовое соединение,
- металлические шпангоуты выполнены с одним, как минимум, кольцевым пазом на своей внешней поверхности, в котором расположены слои пропитанных связующим высокомодульных нитей, чередующихся со слоями высокомодульных нитей силового каркаса в узлах их пересечений.
Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».
Сетчатая оболочка, в отличие от оболочки по прототипу, обладает более высокой компактностью в зоне расположения соединительных элементов и/или действия локальных нагрузок с сохранением требуемой прочности и надежности, из-за более высокой контактной прочности у конструкционных металлов по сравнению с композиционными материалами.
Высокая прочность и надежность соединения металлического шпангоута с реберно-ячеистым силовым каркасом обеспечивается за счет расположения концевых ребер каркаса в пазах шпангоута с развитой площадью их взаимного контакта. Надежное прилегание и высокая адгезия по всей площади взаимного контакта обеспечивается за счет расположения ребер в пазах на этапе создания всего каркаса путем намотки под натяжением пропитанных связующим высокомодульных нитей - нити заполняют пазы и «утрамбовываются» каждым последующим слоем.
Повышение прочности и надежности соединения металлического шпангоута с реберно-ячеистым силовым каркасом обеспечивается за счет использования пазов сходящимися и расходящимися, что создает эффект клиновидного защемления, а также за счет расположения на шпангоуте, как минимум, одного пояса пересечений пазов. Использованное расположение пазов обеспечивает высокую прочность соединения как при растягивающих, так и при сжимающих осевых нагрузках и позволяет использовать достаточно компактный шпангоут, как по толщине, так и по осевой ширине.
В частном случае исполнения, для расширения прочностных, жесткостных и эксплуатационных характеристик оболочки, шпангоуты могут быть выполнены из сплавов алюминия или титана, а также могут быть выполнены с центральными отверстиями под резьбовое соединение.
В частном случае исполнения прочность соединения металлического шпангоута с реберно-ячеистым каркасом может быть повышена за счет использования кольцевого паза с расположенными в нем пропитанными связующим высокомодульными нитями. Они также укладываются на этапе формирования реберно-ячеистого каркаса, послойно зажимая слои реберной структуры и образовывая с ними монолитную структуру.
Использование металлического шпангоута позволяет применять все существующие в конструкциях сетчатых оболочек с шпангоутами из композиционных материалов варианты соединений, например, осевые шпильки с штифтами или гайками, но также применять некоторые новые варианты, например, радиальные шпильки (болты), соединяющие вставленные один в другой хвостовики (шпангоуты) оболочек или иных узлов, шпоночное соединение, при котором в кольцевом пазе между двумя соединяемыми частями располагаются шпонки, резьбовое соединение одним осевым силовым элементом.
Резьбовое соединение с одним силовым элементом, с резьбой по внутреннему диаметру шпангоута, эффективно для сетчатых оболочек малого диаметра, например в конструкциях тяг управления автомобилей или летательных аппаратов, в которых сетчатые оболочки по критерию удельные осевые нагрузки значительно превосходят металлические варианты и конструкции из композиционных материалов в виде сплошных намотанных оболочек, например таких как «Тяга управления летательного аппарата и способ ее изготовления» (SU 1596626 А1 МПК В64С 13/24 (2000.01) опубл. 10.04.2005 бюл. №10), «Тяга управления толкающе-тянущего типа из пластика, армированного углеродными волокнами» (RU2549730 С2 МПК F16C 7/00 (2006.01) В64С 13/00 (2006.01) опубл. 27.04.2015 бюл. №12).
В совокупности с возможными частными исполнениями предлагаемые оболочки с металлическими шпангоутами значительно расширяют область применимости реберно-ячеистых оболочек с сохранением высоких эксплуатационных характеристик.
Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 представлена заявляемая сетчатая оболочка. На виде А показан торец металлического шпангоута, с расположенными по окружности пазами, в которых расположены ребра ячеистого каркаса.
Сетчатая оболочка из композиционных материалов 1 содержит реберно-ячеистый каркас 2 и металлические шпангоуты 3. На внешней поверхности шпангоута выполнены сходящиеся и расходящиеся пазы 4, имеющие, как минимум, один кольцевой пояс пересечений 5. В пазах, спрофилированных в своем поперечном сечении и по длине расположения под ребра концевой части силового каркаса, расположены ребра концевой части силового каркаса. На внешней поверхности металлических шпангоутов также выполнены кольцевые пазы 6, в которых расположены слои пропитанных связующим высокомодульных нитей, чередующихся со слоями высокомодульных нитей силового каркаса в узлах их пересечений. На внутренней поверхности шпангоутов выполнена резьба для крепления центральной тяги или шпильки.
Экспериментальная проверка, проводимая на серийном предприятии с использованием промышленного оборудования, подтвердила высокую прочность, надежность и эксплуатационную эффективность предложенной конструкции.
1. Сетчатая оболочка из композиционных материалов, содержащая соответствующий ее профилю силовой каркас в виде реберно-ячеистой структуры с концевыми шпангоутами, образованный слоями систем перекрывающихся высокомодульных нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим, отличающаяся тем, что концевые шпангоуты выполнены металлическими, содержащими на своей внешней поверхности сходящиеся и расходящиеся пазы, имеющие как минимум один кольцевой пояс пересечений и спрофилированные в своем поперечном сечении и по длине расположения под ребра концевой части силового каркаса, в которых расположены последние.
2. Сетчатая оболочка п. 1, отличающаяся тем, что металлические шпангоуты выполнены из сплавов алюминия или титана.
3. Сетчатая оболочка п. 1, отличающаяся тем, что металлические шпангоуты выполнены с центральным отверстием под резьбовое соединение.
4. Сетчатая оболочка п. 1, отличающаяся тем, что металлические шпангоуты выполнены с одним как минимум кольцевым пазом на своей внешней поверхности, в котором расположены слои пропитанных связующим высокомодульных нитей, чередующихся со слоями высокомодульных нитей силового каркаса в узлах их пересечений.
