БОРАЛЮМИНИЕВЫЙ СТЕРЖЕНЬ Российский патент 1994 года по МПК C22C1/09 F16B17/00 

Изобретение относится к области авиационной и ракетно-космической техники, а также машиностроения и может быть использовано в конструкциях бор-алюминиевых стержней с законцовками, являющихся силовыми элементами ферменных и рамных конструкций (или систем).

Известно устройство соединения композиционных стержневых элементов, представляющее собой стойку из композиционного материала с металлическим фитингом, имеющим на конце проушину с отверстием для соединения с ответным узлом.

Недостатком данного устройства является невозможность использовать предложенные композиционные стойки в рамных конструкциях, т.к. проушина концевого фитинга позволяет реализовать только шарнирное закрепление стойки, поэтому данное устройство может быть использовано только в ферменных конструкциях.

В результате анализа патентной и научно-технической литературы в качестве прототипа изобретения выбран бор-алюминиевый стержень, содержащий бор-алюминиевую трубу, жестко соединенную (например, сваркой) с алюминиевой законцовкой, имеющей цилиндрическую форму внешней поверхности.

Недостатком данного устройства являются большая масса цилиндрической законцовки, а также резкий переход, скачкообразное изменение толщины на участке сопряжения бор-алюминиевой трубы и законцовки в конце заделки трубы, что приводит к концентрации напряжений и увеличению напряжений отрыва в месте соединения трубы и законцовки. Скачкообразное изменение толщины, а следовательно, и жесткости в месте соединения приводит к неравномерной передаче усилий с законцовки на трубу.

Целью изобретения является уменьшение массы законцовки, а следовательно, и конструкции бор-алюминиевой трубы в целом.

Для достижения поставленной цели в бор-алюминиевом стержне на участке соединения трубы с законцовкой часть внешней поверхности законцовки, расположенная у торца трубы, выполнена цилиндрической формы, а примыкающая к ней остальная часть законцовки выполнена с конической формой внешней поверхности, причем длина части законцовки с цилиндрической формой внешней поверхности составляет 10-25% длины участка соединения трубы с законцовкой.

Такая форма законцовки позволяет избежать резких изменений толщин и скачкообразного изменения жесткости и более равномерно передавать нагрузку с законцовки на бор-алюминиевую трубу по сравнению с прототипом, а также уменьшить концентрацию напряжений и напряжения отрыва в месте соединения трубы и концевого сечения законцовки. При этом длина контакта законцовки и трубы, т. е. длина участка соединения трубы с законцовкой, не меняется, поэтому прочность соединения трубы и законцовки на срез не уменьшается.

Предлагаемая законцовка на участке соединения с трубой имеет две части: одна с цилиндрической формой внешней поверхности, а другая, примыкающая к ней, с конической формой внешней поверхности. Часть законцовки с цилиндрической формой внешней поверхности и длиной 10-25% длины участка соединения трубы с законцовкой расположена у торца трубы, т.е. в начале ее соединения с законцовкой.

В этом случае в зоне начала соединения трубы с законцовкой будет максимальная толщина законцовки для того, чтобы обеспечить достаточную изгибную и осевую жесткость соединения начального торцового сечения трубы, т.к. в рамных конструкциях возможно действие на стержень изгибающих моментов и осевых сил.

Выполнение законцовки на участке соединения с трубой из двух частей с цилиндрической и конической формами внешней поверхности позволяет при сохранении несущей способности зоны соединения и уменьшении действующих напряжений за счет снижения концентрации напряжений в месте сопряжения трубы и концевого сечения законцовки уменьшить площадь сечения законцовки, а следовательно, ее массу и массу трубчатого стержня в целом.

На чертеже изображен предлагаемый стержень в разрезе.

Стержень состоит из бор-алюминиевой трубы 1 и жестко соединенной с ней алюминиевой законцовки 2. Законцовка 2 на участке соединения с трубой 1 состоит из двух частей: часть 3 имеет цилиндрическую форму внешней поверхности, а примыкающая к ней часть 4 имеет коническую форму внешней поверхности. Часть 3 цилиндрической формой внешней поверхности расположена в зоне начала соединения трубы с законцовкой, т.е. у торца 5 трубы 1, и длина этой части составляет 10-25% длины участка соединения трубы 1 с законцовкой 2. Часть 4 с конической формой внешней поверхности примыкает к части 3 с цилиндрической формой внешней поверхности и заканчивается в зоне сопряжения трубы и законцовки.

Устройство работает следующим образом.

Предложенный бор-алюминиевый стержень является силовым элементом рамных и ферментных конструкций, который с помощью законцовки 2 соединяется, например приваривается, с узловым фитингом конструкции.

Нагрузки (усилия и моменты от узлового фитинга) через часть 3 законцовки с цилиндрической формой внешней поверхности и примыкающую к ней часть 4 с конической формой внешней поверхности равномерно передаются на бор-алюминиевую трубу 1, которая плавно включается в восприятие нагрузок на части 4 законцовки с конической формой внешней поверхности, которая сопрягается с трубой 1 по меньшему основанию конической части без резких изменений толщин, что приводит к уменьшению концентрации действующих напряжений в месте сопряжения трубы 1 и законцовки 2.

Заявленное устройство по сравнению с техническим решением, принятым в качестве прототипа, позволяет:
уменьшить массу законцовки бор-алюминиевого стержня и стержня в целом при сохранении его несущей способности;
равномерно передавать нагрузку с законцовки на трубу стержня в стержневых конструкциях;
уменьшить концентрацию напряжений в зоне сопряжения трубы с законцовкой.

Соотношения длин цилиндрического и конического участков законцовок, толщины законцовок бор-алюминиевых труб были получены расчетным и подтверждены опытным путем. Были изготовлены опытные образцы предлагаемых трубчатых стержней и проведены лабораторно-опытные испытания, в результате которых разрушений трубы по месту ее заделки в законцовку не происходило. Поэтому реализация предложенного устройства в стержневой конструкции позволила уменьшить массу бор-алюминиевых стержней на 10-15% без уменьшения их несущей способности.

Использование: в качестве силовых элементов в ферменных и рамных конструкциях в машиностроении, авиационной и ракетно-космической технике. Сущность изобретения: стержень состоит из боралюминиевой трубы и алюминиевой законцовки, жестко соединенных между собой, например, при помощи диффузионной сварки, при этом на участке соединения трубы с законцовкой часть внешней поверхности законцовки, расположенная у торца трубы, выполнена цилиндрической формы, а примыкающая к ней остальная часть законцовки выполнена с конической формой внешней поверхности. В данном устройстве длина законцовки с цилиндрической формой внешней поверхности составляет 10-25% длины участка соединения трубы с законцовкой. 1 ил.

БОРАЛЮМИНИЕВЫЙ СТЕРЖЕНЬ, состоящий из боралюминиевой трубы и алюминиевой законцовки, жестко соединенных между собой, например, при помощи диффузионной сварки, отличающийся тем, что на участке соединения трубы с законцовкой часть внешней поверхности законцовки, расположенная у торца трубы, выполнена цилиндрической формы, а примыкающая к ней остальная часть законцовки выполнена с конической формой внешней поверхности, причем длина части законцовки с цилиндрической формой внешней поверхности составляет 10 - 25% от длины участка соединения трубы с законцовкой.