Сетчатая оболочка из композиционных материалов

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к мономодальному сополимеру этилена, используемому для трубопроводов горячего водоснабжения. Сополимер этилена характеризуется плотностью от 0,935 до 0,945 г/см3, индексом текучести расплава MIF (190°C, 21,60 кг) от 10 до 18 г/10 мин и индексом текучести расплава MIP (190°C, 5 кг) от 1 до 2,5 г/10 мин, а также отношением MIF/MIP от 5 до 10.

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли и может быть использовано для сбора и транспортировки нефти, воды, газа, химических реагентов посредством трубопроводов на основе длинномерных гибких полимерных армированных труб.

Изобретение касается области сосудов, работающих под давлением. Способ изготовления сосуда для удержания жидкости или газа под давлением включает создание герметичной конструкции внешней стенки с клапаном и внутренней несущей конструкции внешней стенки с использованием технологии послойной печати.

Изобретение относится к промышленному и гражданскому строительству. Многогранная композитная труба (варианты) большого диаметра и высокой прочности предназначена для строительства трубопроводов, водопропускных труб, коллекторов, колодцев, камер, резервуаров.

Изобретение относится к многослойной конструкции, включающей полиолефиновый слой и полиамидный полимерный композитный слой. Полиамидный композитный слой содержит полиамидный полимер, в котором составляющее его диаминное звено включает структурное звено-производное ксилилендиамина, и его дикарбоксильное структурное звено включает структурное звено-производное α,ω-неразветвленной алифатической дикарбоновой кислоты, содержащей от 4 до 20 атомов углерода, а также модифицированный полиолефин, при этом содержание модифицированного полиолефина составляет от 5 до 30 мас.

Изобретение относится к промышленному и гражданскому строительству. Многогранная фигурная композитная труба большого размера и высокой прочности предназначена для строительства некруглых трубопроводов шатрового, банкетного, овоидального, эллиптического, прямоугольного и других поперечных сечений (1).

Изобретение относится к многослойной структуре, которую можно использовать для цилиндрических структур, таких как трубы, шланги, трубки и т.д. Многослойная структура содержит слои (A) и (B) полиамидной смолы, где слой (A) содержит полиамидную смолу (A1), которая содержит по меньшей мере какое-либо составляющее звено из составляющего звена, производного от лактама, который имеет от 10 до 12 углеродных атомов, и составляющего звена, производного от аминокарбоновой кислоты, которая имеет от 10 до 12 углеродных атомов, или композицию (a), которая содержит смолу (A1), слой (B) содержит композицию (b), которая содержит полиамидную смолу (B1), в которой ее диаминовое звено содержит составляющее звено, производное от метаксилилендиамина, в количестве 70 мол.

Изобретение относится к композиции этилен/альфа-олефинового интерполимера и трубам, изготовленным из нее. Композиция содержит более 80 мас.% звеньев, произведенных из этилена, и не более 20 мас.% звеньев, произведенных из одного или нескольких альфа-олефиновых сомономеров.
Изобретение относится к производству стеклопластиковых труб для микротоннелирования методом непрерывной намотки. В способе изготовления трубы смола с ускорителем загружаются в емкости-смесители, в которых обеспечивается равномерное перемешивание и термостатирование.

Изобретение относится к устройству для соединения двух труб друг с другом и, факультативно, с баком для текучей среды для трубопровода для текучей среды летательного или космического аппарата.

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.

Наверх